Введение к работе
Актуальность темы. Диссертационная работа посвящена развитии и дальнейшему обобщению метода усреднения полей применительно к задачам дифракции электромагнитных волн на сетчатых структурах сложной конфигурации, разработке методов электродинамического расчета устройств, в состав которых входят металлические сетки. На основе метода усредненных граничных условий и метода мнимых изображений исследуются электродинамические свойства проволочных сетчатых структур, расположенных в однородных средах и вблизи границ раздела слоистых сред. Рассматриваются случаи возбуждения сеток плоскими волнами и источниками сферических волн.
Во многих устройствах антенной техники, электроники СВЧ, электромагнитной совместимости, спутниковой связи и других областях техники в настоящее время широко применяются разнообразные сетчатые структуры с различной формой ячеек и разной конструкции. Например, рефлекторы зеркальных антенн часто изготавливаются из проволочных сеток с целью уменьшения веса конструкции и ветровых нагрузок на приводные механизмы антенны. Проволочные сетки используются при изготовлении экранов для защиты от воздействия внешних электромагнитных полей, поляризационных фильтров, частотно-селективных поверхностей, заземлений или противовесов антенных устройств длинноволновых радиостанций. Известно применение металлических сеток и в качестве искусст-венного диэлектрика. Для защиты антенных устройств радиолокационных станций от воздействия окружающей среды широко используются радиопрозрачные укрытия, которые применительно к летающим объектам называются обтекателями. При разработке современных обтекателей в качестве конструкционного материала часто применяются диэлектрические стенки с реактивными решетками, которые представляют собою системы тонких параллельных (или пересекаю- .. щихся) проводников с постоянным шагом, расположенных в слое диэлектрика. Реактивные решетки позволяют производить согласование произвольных по толщине диэлектрических слоев с окружающим пространством.
Приведенные примеры использования металлических сеток, которыми, по-видимому, не исчерпываются все возможные применения
последних, определяют широкий интерес к теоретическому исследованию их электродинамических свойств и разработке методов электродинамического расчета устройств, содержащих сетчатые структуры. Рассмотрению вопросов, связанных с дифракцией электромагнитных волн, посвящено большое число работ отечественных и зарубежных авторов. Большая часть исследований относится к решеткам в виде системы параллельных проводников, расположенных в одной плоскости, или к сеткам из ортогонально перекрещивающихся проводников, возбуждаемым плоскими волнами. В упомянутых работах применяются различные методы решения задач, однако, их объединяет одинаковая схема решения: используя граничные условия на поверхности проводников и уравнения электродинамики, определяются поля во всем пространстве, в том числе и в непосредственно1/ близости от поверхности сетки. Сложность решения в этом случае определяется сложной структурой поля вблизи проводников.
На практике часто используются сетки сложной конфигурации, например, образованные системами неортогонально перекрещивающихся проводников с неидеальными контактами в перекрестиях, решетки из радиально расходящихся проводников, структуры, образованные системами криволинейных проводников, расположенных на неплоской поверхности (например, сферические сетчатые экраны). Кроме того, в ряде случаев сетки располагаются вблизи границ раздела слоистых сред. В этих случаях решение дифракционной задачи упомянутыми выше методами оказывается весьма затруднительным, так как структура электромагнитного поля вблизи поверхности сетки сложна.
Для решения подобного рода задач целесообразно применять метод усредненных граничных условий, который позволяет непосредственно вычислять необходимые величины с нужной степенью точности, а не искать, как это обычно делается, решения, пригодные вблизи от проводников сетки, а затем уже переходить к приближенным соотношениям, которые и являются конечной целью расчета.
До начала работы над диссертацией не были получены усредненные граничные условия для сеток с неортогональной формой ячеек, сеток, расположенных вблизи границ раздела слоистых сред. Не были исследованы экранирующие и отражательные свойства таких структур. Недостаточно изучены вопросы дифракции сфе-
рических волн на сетчатых структурах. Полученные ранее усредненные граничные условия применимы для сеток, размеры ячеек которых много меньше длины волны. Однако, как показано в данной . работе, метод усредненных граничных условий может быть распространен и на более "редкие" сетки, если внешнее поле медленно меняется от ячейки к ячейке.
Целью работы является исследование электродинамических свойств сетчатых структур с неортогональной формой ячеек, расположенных в однородных средах и вблизи границ раздела слоистых сред, разработка методов расчета полей линейных антенн с учетом сетчатых экранов. Для этого необходимо было решить следующие основные научные задачи:
получить усредненные граничные условия на поверхности металлических сеток с ячейками неортогональной формы, расположенных в однородных средах,
разработать теорию мнимых изображений для источников, находящихся в непосредственной близости от поверхности сетчатых экранов,
разработать методику вывода усредненных граничных условий для сеток с учетом влияния границ раздела слоистых сред,
получить усредненные граничные условия для сеток, размерь! ячеек которых сравнимы с длиной волны.
В результате проведенных научных исследований, изложенных в диссертационной работе, внесен вклад в развитие метода усреднения полей применительно к электродинамике сетчатых структур.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Получены усредненные граничные условия на поверхности сеток, образованных двумя системами неортогонально пересекаю-. щихся проводников; ячейки сеток имеют форму параллелограмма, контакт в узлах решеток предполагается произвольным.
-
Метод усредненных граничных условий распространен на проволочные сетки, периоды которых сравнимы с длиной волны, при условии, что внешнее (стороннее) поле мало меняется от ячейки к ячейке.
-
Проведено исследование экранирующих и отражательных свойств сеток с ячейками неортогональной формы. Получены формулы для коэффициентов отражения плоской волны произвольной поляризации при произвольных углах падения на сетку. Показано, что
6 угол между пересекающимися проводниками является дополнительной степенью свободы, позволяющей оптимизировать характеристики электромагнитных экранов и поляризационных фильтров..
-
Разработана теория мнимых изображений применительно к источникам, расположенным над сетчатыми экранами. Показано, что влияние сетчатого экрана на поле излучателя может быть учтено введением мнимого источника-изображения, расположенного в комплексном пространстве.
-
Методом усредненных граничных условий решена задача о поле и входном сопротивлении вертикального электрического диполя, находящегося над сетчатым экраном из радиально расходящихся проводников. Полученные результаты позволяют определить потери энергии, связанные с проникновением электромагнитного поля через противовесы антенных устройств.
-
Исследованы экранирующие свойства замкнутой сферической сетки, проводники которой образуют систему эквидистантных меридианов, для поля электрического диполя. Получены выражения для коэффициента проницаемости как в нерезонансном случае, так и в случаях, когда радиус экрана является "резонансным" для какой-либо сферической гармоники.
'7. Определены параметры мнимого изображения линейного синфазного тока, параллельного границе раздела двух немагнитных сред с произвольными диэлектрическими проницаемостями. Полученный результат позволяет определить поле излучения бесконечных синфазных проводников, параллельных границе раздела сред.
-
Построены мнимые изображения линейного синфазного тока и заряда, расположенных вблизи тонкого полупроводящего слоя. Учет влияния границ раздела на поле синфазного проводника введением мнимого изображения позволил получить усредненные граничные условия для сетки, параллельной слою.
-
Получены.усредненные граничные условия для сеток с неортогональной формой ячеек, расположенных вблизи границы раздела сред и тонкой диэлектрической пластины. Эти условия пригодны при любом расстоянии между сеткой и границей раздела сред или поверхностью пластины.
Ю. Проведено исследование отражательных свойств сеток, расположенных вблизи границ раздела слоистых сред.
Научная и практическая ценность. Научная ценность работы определяется тем, что полученные в ней результаты расширяют возможности применения метода усреднения полей в электродинамике сетчатых структур.
Практическая ценность работы состоит в том, что ее результаты могут быть непосредственно использованы при разработке электромагнитных сетчатых экранов различного назначения, поляризационных фильтров, заземлений и противовесов антенных устройств, сетчатых рефлекторов антенн и многих других устройств, включающих металлические сетки.
Внедрение результатов работы. Большая часть результатов, полученных в диссертации, непосредственно использована при выполнении научно-исследовательских работ, проводимых на кафедре радиофизики СПбГТУ совместно с предприятиями НИИ Дальней радиосвязи (г.Москва) и ЦНИИ им.А.Н.Крылова (г.С.-Петербург). Автор являлся научным руководителем или ответственным исполнителем этих работ.
Результаты работы используются автором при проведении семинара по дифракции электромагнитных волн для студентов старших курсов радиофизического факультета СПбГТУ.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих симпозиумах, конференциях и семинарах:
ІУ Всесоюзный симпозиум по дифракции и распространению волн (Ереван, 1973).
Научно-технический семинар Радиолаборатории Хельсинкского технического университета (Хельсинки, 1978, 1983).
Научно-технический семинар лаборатории электромагнетизма Хельсинкского технического университета (Хельсинки, 1989,1993).
Международный симпозиум по электромагнитной теории (Швеция, Стокгольм, 1989).
Международный симпозиум по теории антенн и распространению радиоволн (Бостон, Массачусетс, США, 1984).
Семинар института техники связи и распространения волн Технического университета г.Грац (Грац, Австрия, 1985).
Международный симпозиум по электромагнитной совместимости (Польша, Вроцлав, 1990).
Всесоюзный симпозиум по дифракции и распространению волн СДВ-Ю (Винніша, 1990).
ХХШ Генеральная Ассамблея УРСЙ (Международного радиосоюза), Прага, Чехословакия, 1990.
Всесоюзное совещание по приземному распространению радиоволн и электромагнитной совместимости (Улан-Удэ, 1990).
48-я научно-техническая конференция, посвященная Дню радио (С.-Петербург, І9У8).
Конференция Азиатско-Тихоокеанского региона по микроволновой теории и технике (Тэджон, Корея, 1995).
Международный семинар по мобильной связи (Кенгджу, Корея, 1995).
Научно-технический семинар Военной академии связи (С.Петербург, 1992, 1993).
Научно-технический семинар Национального технического университета г.Куми (Куми, Корея, 1995).
Научно-технический семинар электротехнического факультета Университета провинции Кунбук (Тэгу, Корея, 1996).
Публикации. Научные положения и основные результаты опубликованы в монографии [і] и 22 работах М... [23] .
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Общий объем диссертации - 246 страниц, включая 48 рисунков. Список литературы содержит 90 наименований.
