Введение к работе
Актуальность темы диссертации.
Периодические решетки находят широкое применение в различных
областях науки и техники, а также являются удобными моделями для
описания электродинамических свойств композиционных материалов и
структурно неоднородных сред. Электродинамические свойства таких
решеток зависят от размеров, геометрии и внутренней структуры
образующих их элементов. Многопараметрическая зависимость
электродинамических свойств периодических структур от конструктивных параметров, большие временные и материальные затраты, необходимые на проведение натурного эксперимента, делают вычислительный эксперимент необходимым этапом в процессе проектирования и исследования характеристик периодических решеток и композиционных материалов.
Поэтому разработка методов, алгоритмов и программ, ориентированных на расчет взаимодействия электромагнитного излучения со структурно неоднородными композиционными материалами и периодическими решетками из сложных по форме и составу объектов является важной и актуальной проблемой, решению которой посвящена диссертационная работа.
Связь работы с крупными научными программами, темами. Результаты диссертационной работы являются составной и неотъемлемой частью следующих научно-технических тем и программ: «Исследование эффекта селективного нагрева ультрадисперсных компонентов гетерогенных систем при поглощении СВЧ излучения и ; установления возможности использования этого эффекта для модифицирования структуры композитов различного химического состава» . Фонд фундаментальных исследований РБ (гос. per. №1994452); . «Разработка методов и средств численного моделирования когерентного электромагнитного излучения с периодическими структурами» (гос. per. №19963448).
Межвузовская программа «Радиофизика. Электромагнитные волны в неоднородных средах (Волна)». «Исследование взаимодействия электромагнитных волн с композиционными материалами» (гос. per. №19963413).
«Исследование поглощения СВЧ излучения гетерогенными системами, содержащими электропроводящие волокнистые структуры и ультрадисперсные металлы, с целью разработки новых подходов к созданию СВЧ-поглощающих композиционных материалов с регулируемой поглощательнон способностью» (гос. per. №19941181).
Цель, и задачи исследования.
Целью диссертационной работы является разработка методов,
алгоритмов и программ для расчета взаимодействия монохроматического
электромагнитного излучения с периодическими структурами и
проведение на их основе численного исследования радиофизических характеристик периодических решеток и композиционных материалов.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих основных задач:
разработка математической модели и реализующих ее программных средств для расчета взаимодействия плоских монохроматических электромагнитных волн с линейно и двухмерно периодическими решетками из сложных по геометрии и внутренней структуре объектов;
проведение численного исследования электродинамических характеристик периодических решеток (слоистых эшелеттов, решеток из проводящих спиралей, решеток из элементов с фрактальной структурой, решеток из фрагментов поверхностей со случайным рельефом);
разработка методики и программных средств для расчета эффективных электродинамических характеристик композиционных материалов с периодической внутренней структурой;
проведение численного исследования эффективных электродинамических
параметров композиционных материалов.
Научная новизна полученных результатов.
Разработана вычислительная модель взаимодействия плоских электромагнитных волн с периодическими решетками из элементов со сложной формой и внутренней структурой, базирующаяся на комплексном использовании теории периодических структур и мегода минимальных автономных блоков.
Впервые метод минимальных автономных блоков использован для решения задач дифракции электромагнитных волн на плоских линейно и двухмерно периодических решетках. Обоснована возможность его использования для решения внешних электродинамических задач указанного типа.
Разработана методика расчета эффективных электродинамических
параметров композиционных материалов с периодической внутренней
структурой. -
Установлена возможность создания на основе слоистых металлодиэлектрическнх эшелетгов низкопрофильных антиотражающих покрытий. Дана физическая интерпретация волновых процессов в структурах указанных типов.
Для композиционных материалов в виде объемных решеток из проводящих волокон с радиопоглощающими вставками впервые обнаружена возможность квазинезавйснмого изменения действительной и мнимой частей эффективной диэлектрической проницаемости за счет варьирования конструктивных параметров решеток и электродинамических параметров вставок.
Практическая значимость полученных результатов. '
Разработанные модели и реализующие их программные комплексы являются удобным и универсальным средством для проведения численных* исследований электродинамических свойств периодических решеток и композиционных материалов. Высокая точность моделирования и
отсутствие жестких ограничений на геометрию и внутреннюю структуру рассчитываемых электродинамических систем обеспечивают возможность использования этих программ для ' проведения исследования и проектирования периодических решеток и композиционных материалов с учетом реальных особенностей их изготовления и практической эксплуатации.
Полученные в рамках вычислительных экспериментов результаты могут быть использованы при разработке новых типов радноматериалов и электродинамических систем оптического, миллиметрового и СВЧ-диапаэонов.
Экономическая значимость полученных результатов.
Использование разработанных программно-методических средств позволяет сократить материальные и временные затраты на исследование и разработку композиционных материалов и электродинамических систем, в состав которых входят периодические структуры.
Разработанные программные средства применимы для решения
широкого класса задач прикладной электродинамики практически во всем
освоенном диапазоне электромагнитных волн, что делаег возможным их
использование в качестве ядра автоматизированных систем
проектирования.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
На защиту выносятся следующие основные положения:
/. Методика расчета взаимодействия монохроматического
электромагнитного излучения с линейно и двухмерно периодическими решетками, которая базируется на комплексном использовании метода минимальных автономных блоков и теории периодических структур и отличается высокой точностью, вычислительной устойчивостью, большим динамическим диапазоном рассчитываемых параметров и универсальностью.
-
Методика расчета эффективных электродинамических характеристик композиционных материалов в виде однородной или периодически неоднородной матрицы с диспергированными в ней многокомпонентными смесями частиц сложной формы и состава, обеспечивающая самосогласованный учет конструктивных параметров матрицы и диспергированных в ней частиц.
-
Физические закономерности взаимодействия монохроматического линейно поляризованного электромагнитного излучения со слоистыми металлоднэлектрнческнми эшелеттамн, обеспечивающие возможность создания на их основе низкопрофильных широкополосных антиотражающих покрытий и поляризационных фильтров.
-
Электродинамические свойства объемных решеток из коротких проводящих отрезков с диэлектрическими вставками, которые могут быть положены в основу нового способа квазинезавмеимого изменения действительной и мнимой частей эффективной диэлектрической проницаемости композиционного материала указанного типа за счет варьирования конструктивных параметров решетки и электродинамических характеристик диэлектрических вставок.
Личный вклад соискателя.
Все изложенные в диссертационной работе результаты, включая программные средства, получены и разработаны лично соискателем.
Апробация результатов диссертации.
Результаты, включенные в диссертационную работу, докладывались
на Всесоюзном научно-техническом семинаре «Математическое
моделирование и создание САПР для расчета, анализа и синтеза антенно-фидерных систем и их элементов. Ростов Ярославский 1990 г.», на научно-техническом семинаре «Радиопрозрачные обтекатели (РПО) и укрытия (РПУ). Минск, 1990 г.», научно-технической конференции «Современные проблемы радиотехники, электроники и связи. Минск, 1995 г.», на республиканской научно-технической конференции «Новые материалы и
технологии. 1996 г.», на международной конференции «ММЕТ'96 -математические методы в электромагнитной теории. Львов, 1996 г.», а также на научно-технических конференциях и семинарах Белгосуннверснтета.
Оиублнкованность результатов. Результаты диссертации
опубликованы в 5 статьях м 8 тезисах конференций и научно-технических семинаров.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, трех глав и выводов. Полный объем диссертации составляет 123 страницы, включая 87 рисунков и 6 таблиц. Список из 71 использованного источника на 6 листах.
