Введение к работе
Актуальность темы. Все физические явления в природе, в частности, явление электромагнетизма, лишь в некотором приближении описываются линейными дифференциальными уравнениями в частных производных, по сути же протекающие процессы сложнее и уравнения, их описывающие, должны содержать нелинейные члены. Однако линеаризованные математические модели во многих случаях достаточно хорошо соответствуют своим физическим первообразам и могут считаться справедливыми и исчерпывающими.
Необходимость построения нелинейных моделей диктуется тем, что процессы, протекающие при некоторых физических явлениях, имеют существенно нелинейный характер, они не могут полно и адекватно описываться линейными уравнениями, в то же время представляют интерес, поскольку “обещают” найти полезные применения в приложениях, либо уже нашли.
Особое положение в ряду нелинейных процессов в электродинамике занимает эффект нелинейного рассеяния (ЭНР), заключающийся в преобразовании спектра падающего электромагнитного (ЭМ) поля при рассеянии на телах, материал которых имеет нелинейные зависимости электрической или магнитной индукции от интенсивности падающего поля. Более 60-ти лет назад ЭНР был обнаружен экспериментально. Нелинейные эффекты в ряде случаев обнаруживают себя как паразитные, например, негативно сказываются на ЭМ совместимости радиотехнических систем или обуславливают дополнительные потери мощности на генерацию нелинейных продуктов (НП) в линиях связи. С другой стороны, применение ЭНР может позволить решать практические задачи, с которыми не справляются средства классической радиолокации, среди этих применений можно отметить создание
– локальных систем позиционирования (ЛСП) – т.е. систем контроля и измерения положения объекта в закрытом помещении, что было бы полезно в промышленности, коммерции и социальных учреждениях (больницы, учебные заведения и т.п.);
– радиомаркеров для страховки людей в потенциально опасных мероприятиях;
– покрытий с управляемыми характеристиками рассеяния.
Развитие этих направлений существенно затруднено по причине того, что существующие природные и искусственные материалы проявляют нелинейные свойства при высоких значениях напряженности падающего ЭМ поля. Это приводит к очень ограниченному радиусу действия таких систем. Однако, современные успехи микроэлектроники, кристаллооптики и технологий создания слоистых покрытий, могут позволить по иному подойти к проблеме повышения дальности действия нелинейных радиолокаторов. А именно: из решения электродинамической задачи сформулировать технические требования к параметрам кристаллических структур (вольтамперная характеристика (ВАХ) оптические и механические свойства) и перейти к задаче синтеза подходящего по электрофизическим и физико-химическим свойствам материала.
Перечисленные потенциальные применения ЭНР и уже реализованные устройства не исчерпывают все возможные области его использования, этот список может быть продолжен и следует ожидать, чем полнее будет изучен эффект, тем обширнее будут его приложения.
Целью диссертационной работы является разработка способов решения задач рассеяния ЭМ волн на металлических клинообразных структурах, имеющих на гранях плоский слой нелинейного вещества, и выявление необходимых свойств веществ, позволяющих эффективное применение нелинейных отражателей в нелинейной радиолокации.
В диссертационной работе решаются задачи:
– определения нелинейных граничных условий (НГУ) на металлической плоскости со слоем нелинейного однородного диэлектрика; отражения ЭМ поля от такой плоскости и рассеяния ЭМ поля металлической пластиной конечных размеров со слоем нелинейного вещества;
рассеяния ЭМ поля металлическим клином с полосами на гранях, образованных плоскими слоями нелинейного вещества;
рассеяния ЭМ поля двугранным нелинейным уголковым отражателем.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1) Впервые поставлены и решены граничные задачи рассеяния электромагнитного поля на бесконечном металлическом клине с нелинейными полосами на гранях при двух ортогональных поляризациях падающего поля. В приближении физической оптики решена задача рассеяния электромагнитного поля уголковым отражателем конечных размеров с нелинейными свойствами.
2) Получены новые знания в области исследования ЭНР.
Практическая ценность проведенного исследования заключается в следующем:
-
Создана теория, алгоритмы и программы расчета спектра электромагнитного поля, рассеянного на клиновидных нелинейных структурах и радиолокационных характеристик (РЛХ) нелинейных плоского и двугранного уголкового отражателя.
-
Сделаны выводы и рекомендации, вытекающие из полученных электродинамических закономерностей нелинейного рассеяния электромагнитного поля, позволяющие предложить новые конструкции нелинейных уголковых отражателей с заданными характеристиками рассеяния, которые могут применяться:
– при нелинейной радиолокации объектов, расположенных на фоне хорошо отражающих поверхностей, например, в закрытых помещениях;
– в качестве маркеров для обнаружения терпящих бедствие людей;
– в качестве управляемых радиолокационных отражателей.
Внедрение результатов работы. Изложенные в диссертации результаты исследований получены автором в процессе выполнения НИР «Поисковые исследования по разработке радиомаскирующих структур нового поколения с использованием эффектов нелинейного и компьютерного управления рассеянием электромагнитных полей», выполненной в соответствии с Государственным оборонным заказом на 2001 г., утвержденным Постановлением Правительства Российской Федерации от 01.02.2001 г. № 75-4. Также результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе кафедры Антенн и радиопередающих устройств Технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге; издано учебное пособие [9], разработана и поставлена новая лабораторная работа “Отражатели с нелинейными свойствами” для специальностей «Радиофизика и электроника», «Радиотехника», «Средства радиоэлектронной борьбы». Внедрение результатов работы подтверждено соответствующими актами.
Обоснованность и достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, определяется:
использованием при их получении теории почти-периодических функций, метода интегральных уравнений (ИУ) и метода решения бесконечной системы нелинейных алгебраических уравнений (СНАУ) усечением, базирующихся на строго доказанных и корректно используемых методах вычислительной электродинамики, математического анализа и теории функций комплексного переменного;
тестированием разработанных программ расчета характеристик рассеяния и совпадением результатов в частных случаях с известными результатами других авторов;
непротиворечивостью полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований характеристик рассеяния нелинейного уголкового отражателя в частных случаях с результатами экспериментальных исследований, проведенными другими авторами
Апробация диссертационной работы. Результаты исследований неоднократно докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях, а также на научно-практических и студенческих конференциях ТРТУ, в том числе: Междунар. научн. конф. «Излучение и рассеяние электромагнитных волн – ИРЭМВ – 2005», Таганрог, 20-25 июня 2005 г.; Междунар. научн. конф. «Излучение и рассеяние электромагнитных волн – ИРЭМВ – 2007», Таганрог, 25-30 июня 2007 г; LII научн. - техн. конференция профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТРТУ, Таганрог, 2006 г.
Были также приняты к устному представлению и опубликованы полные тексты докладов на Международных симпозиумах: 18th int. Wroclaw symposium and exhibition on electromagnetic compatibility, Wroclaw, 2006 г.; Молодежь и современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций «РТ-2006», Севастополь, 2006 г.; Всероссийская научно-техническая конференция «Направления совершенствования методов и средств снижения заметности для разработки перспективных образцов вооружения и военной техники», Воронеж, 2006 г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 работ, в том числе 2 статьи в рецензируемых журналах, одно учебное пособие, 8 тезисов докладов, из них 1 на английском языке.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав основного текста и заключения. Работа содержит 167 с., в том числе 123 с. основного текста, 32 с. рисунков и список литературы из 75 наименований на 6 с.
Основные положения, выносимые на защиту:
постановка и решение задач рассеяния ЭМ поля металлической плоскостью и пластиной конечных размеров со слоем нелинейного по электрическому полю однородного вещества;
постановка и решение задачи рассеяния ЭМ поля бесконечным металлическим клином с полосами на гранях, образованными плоскими слоями нелинейного вещества;
постановка и решение задачи рассеяния ЭМ поля двугранным нелинейным уголковым отражателем;
численное и экспериментальное исследование нелинейного по электрическому полю нелинейного уголкового отражателя.
