Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Современный этап развития общества характеризуется повсеместным внедрением инфокоммуникационных комплексов во все сферы человеческой деятельности. Значительный рост числа радиоэлектронных средств приводит к высокой территориальной плотности размещения источников радиоизлучения, усложнению электромагнитной обстановки и ухудшению электромагнитной экологии. В то же время освоение новых частотных диапазонов для широкого использования связано со значительными техническими трудностями и финансовыми затратами.
Одним из основных элементов радиоэлектронных систем, формирующих поле излучения, является антенна. Возможное направление решения проблем электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии связано с использованием частотно-поляризационно-селективных структур, позволяющих снизить уровень боковых и задних лепестков диаграммы излучения и рассеяния.
Большой вклад в разработку и исследование селективных структур внесли такие известные ученые как Акимов В.П., Астрахан М.И., Бабенко Л.А., Елизаров А.А., Зимнов М.Х., Касьянов А.О., Конторович М.И., Лебедева Т.А., Ляпунов Н.М., Обуховец В.А., Пчельников Ю.Н., Ферсман Г.А., Ца-лиев Т.А., S.L. Prosvirnin, S.A. Tretyakov, P.L. Mladyonov, Y. Cai, Y. Jay, Guo P. Ioannides, C.A. Balanis, H.L. Zhang, Z.H. Wang, J.W. Yu, J. Huang, D.M. Pozar.
Вместе с тем, в области разработки селективных структур, теории и технике антенн остается нерешенным ряд задач, связанных с разработкой структур, основанных на сплошных экранах, обеспечивающих полное отражение электромагнитных волн во всем частотном диапазоне и возможность управления фазой в широких предела, разработкой алгоритмов расчета характеристик рассеянных полей и исследованием основных закономерностей, связывающих геометрические параметры селективных структур с характеристиками полей.
Данные обстоятельства обуславливают актуальность темы исследования, выполненного в соответствии с аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)», подраздел 2.1.2. «Проведение фундаментальных исследований в области технических наук» на темы «Теоретические основы проектирования нелинейных и управляемых СФ-блоков для СВЧ систем связи и телекоммуникаций нового поколения», «Теоретические основы решения задач управления - идентификация - оценивания на основе объединенного принципа максимума».
Цель диссертации - решение теоретических вопросов рассеяния полей цилиндрическими структурами со звездным контуром, включающими в себя:
- научно-методический аппарат, содержащий формулировку краевой задачи рассеяния электромагнитных волн цилиндрическими структурами со звездным контуром;
эффективные численно-аналитические алгоритмы расчета рассеянных полей при возбуждении цилиндра со звездным контуром плоской ТЕ- и ТМ-волной, а также продольно и поперечно ориентированными электрическими диполями;
результаты электродинамического моделирования и исследования основных закономерностей рассеивания электромагнитных полей частотно-поляризационно-селективными структурами в виде цилиндра со звездным контуром.
Объект диссертационного исследования - электромагнитные поля, рассеиваемые цилиндрическими структурами со звездным контуром.
Предмет диссертационного исследования - закономерности рассеяния электромагнитных полей цилиндрическими структурами со звездным контуром.
Научная задача состоит в разработке вычислительного алгоритма нахождения полей рассеяния при возбуждении идеально проводящего цилиндра со звездным контуром плоской Е- и //-поляризованной волной или продольно и поперечно ориентированным электрическим диполем и выявлении физических закономерностей, связывающих параметры звездного контура и характеристики возбуждаемых полей.
Для достижения сформулированной в диссертации цели поставлены и решены следующие частные задачи исследований:
Разработка вычислительного алгоритма нахождения рассеиваемых полей при возбуждении идеально проводящего цилиндра со звездным контуром плоской Е- и //-поляризованной волной или продольно и поперечно ориентированным электрическим диполем.
Исследование закономерностей, связывающих параметры звездного контура и характеристики полей рассеяния при дифракции Е- и Н-поляризованных плоских волн.
Исследование закономерностей, связывающих параметры звездного контура и характеристики полей рассеяния при возбуждении продольно и поперечно ориентированным электрическим диполем.
Научная новизна диссертации определяется поставленными задачами, представленными методами их решения и впервые полученными результатами.
1. Получено решение задачи дифракции плоских Е- и Н-
поляризованных или возбуждаемых продольно и поперечно ориентирован
ными электрическими диполями электромагнитных волн на цилиндре со
звездным контуром, позволяющее в отличие от существующих строго учиты
вать геометрические параметры рассеивающей структуры и получать числен
ное решение с любой наперед заданной точностью.
2. Предложены частотно-поляризационно-селективные структуры ново
го типа, обеспечивающие в отличие от существующих типов структур реали
зацию селективных свойств в частотной, пространственной и поляризацион
ной областях за счет формирования короткозамкнутых волноводов перемен
ного сечения.
3. Исследованы основные закономерности рассеяния плоских Е- и Н-поляризованных или возбуждаемых продольно и поперечно ориентированными электрическими диполями электромагнитных волн на цилиндре со звездным контуром, включающие в себя:
закономерности распределения плотности поверхностного электрического тока при возбуждении идеально проводящего цилиндра со звездным контуром плоской Е- и //-поляризованной волной;
закономерности формирования диаграмм рассеяния при дифракции плоских Е- и //-поляризованных волн на идеально проводящем цилиндре со звездным контуром;
закономерности формирования диаграмм направленности продольно и поперечно ориентированными электрическими диполями, расположенными вблизи идеально проводящего цилиндра со звездным контуром.
Практическая значимость исследований определяется следующим:
- возможностью выбора параметров цилиндрических структур со звезд
ным контуром для управления распределением поверхностных токов, диа
граммами рассеяния электромагнитных волн и диаграммами направленности
продольно и поперечно ориентированных электрических диполей;
исследованием основных закономерностей распределения поверхностных электрических токов в зависимости от параметров контура при дифракции ТЕ- и ТМ- поляризованных волн;
исследованием основных закономерностей распределения полей дифракции в дальней зоне при рассеянии ТЕ- и ТМ- поляризованных волн и диаграмм направленности продольно и поперечно ориентированных электрических диполей в зависимости от параметров контура;
разработкой пакета прикладных программ, реализующего предложенный метод и позволяющий проводить исследования взаимосвязи геометрических параметров контура с характеристиками рассеиваемых электромагнитных полей.
Основные научные результаты использованы:
в научно-исследовательских разработках, проводимых в ФГУП «Радиочастотный центр Южного федерального округа» (вх. 9114 от 28.12.11 г.).
в учебном процессе по направлению 210300 «Радиотехника» в дисциплине «Электродинамика и распространение радиоволн» Ростовского технологического института сервиса и туризма (филиал) ФГБОУ ВПО Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса «ЮРГУЭС» (вх. 0340/958 от 29.12.11 г.).
Достоверность результатов проведенных исследований подтверждается полнотой и корректностью исходных посылок, теоретическим обоснованием, основанным на использовании строгого математического аппарата, практически полным совпадением выявленных закономерностей с результатами, полученными в ряде частных случаев на основе известных методов и широким обсуждением полученных результатов специалистами на симпозиумах и научно-технических конференциях.
Наиболее существенные научные положения и результаты, выносимые на защиту:
использование цилиндрических структур со звездным контуром, поверхность которых образует короткозамкнутые волноводы переменного сечения, позволяет создавать частотно-поляризационно-селективные структуры, обеспечивающие управление диаграммами рассеяния и диаграммами направленности в зависимости от выбора параметров структуры;
применение метода интегральных уравнений относительно продольного компонента плотности поверхностного электрического или продольного компонента напряженности магнитного поля позволяет разработать научно-методический аппарат, включающий в себя:
интегральные уравнения Фредгольма первого и второго рода относительно продольного компонента плотности поверхностного электрического тока при решении задачи дифракции /^-поляризованной волны и излучения продольно ориентированного электрического диполя или продольного компонента напряженности магнитного поля при решении задачи дифракции Н-поляризованной волной и излучения поперечно ориентированного электрического диполя;
закономерности распределения поверхностного электрического тока на цилиндрах со звездным контуром, возбуждаемых плоской электромагнитной Е- и //-поляризованной волной;
закономерности формирования диаграммы рассеяния при дифракции плоской Е- и //-поляризованной электромагнитной волны на идеально проводящем цилиндре с звездным контуром;
закономерности формирования диаграммы направленности продольно и поперечно ориентированного электрического диполя, расположенного вблизи идеально проводящего цилиндра с звездным контуром;
анализ условий распространения ТЕ- и ТМ-волн в волноводе переменного сечения, позволяющий дать физическое объяснение возникающих закономерностей распространения токов, диаграмм рассеяния и диаграмм направленности при дифракции плоской электромагнитной волны или возбуждении электрическим диполем цилиндра со звездным контуром.
Научные результаты и практические рекомендации реализованы в ФГУП «Радиочастотный центр Южного федерального округа» для анализа возможности уменьшения электромагнитных полей в близко расположенных радиоэлектронных средствах, а также в учебном процессе РТИСТ (филиал) ФБГОУ ВПО ЮРГУЭС при преподавании дисциплин «Электродинамика и распространение радиоволн».
Апробация диссертационной работы. Основные научные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
II Международная научная конференция «Современные проблемы радиоэлектроники», Ростов-на-Дону, 2007 г.;
Международная научная конференция «Современные и перспективные системы радиолокации, радиоастрономии и спутниковой навигации», Харьков, 2008 г.;
VIII международный симпозиум "ЭМС-2009", СПб, 2009 г.;
Международная научная конференция «Излучение и рассеяние ЭМВ-ИРЭМВ-2009». Таганрог, 2009 г.
- Международный симпозиум «PIERS», Москва, 2009 г.;
Всероссийская научно-техническая конференция «Радиолокация и радиосвязь», Москва, 2009 г.;
III международная научно-практическая конференция «Современные проблемы радиоэлектроники», Ростов-на-Дону, 2010 г.;
Всероссийская научно-техническая конференция «Радиолокация и радиосвязь», Москва, 2010 г.;
Международной научной конференции «Излучение и рассеяние ЭМВ-ИРЭМВ-2011» (Дивноморское-Таганрог, Россия, 2011 г.);
IX Международном симпозиуме «Электромагнитная совместимость и электромагнитная экология» (Санкт-Петербург, Россия, 2011 г.);
- Международная конференция «Теория и техника антенн» (МКТ-
ТА'11) (Киев, Украина, 2011 г.).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 25 научных трудов, в том числе 6 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени кандидата наук, 19 статей и тезисов докладов в сборниках трудов Всероссийских и Международных научных конференций и симпозиумов. Получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.
Личный вклад. Все основные научные результаты, проведенное математическое моделирование, выявление и объяснение основных закономерностей, возникающих при дифракции электромагнитных волн на цилиндрических структурах со звездным контуром, приведенных в диссертации, получены автором лично. В опубликованных работах с соавторами автору диссертации принадлежит разработка методики проведения теоретических исследований, разработка моделей и проведение численных исследований, анализ и интерпретация полученных теоретических результатов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и двух приложений. Полный объем диссертации составляет 175 страниц, список использованной литературы содержит 134 наименований работ отечественных и зарубежных авторов, имеются 2 таблицы, 117 формул и 82 рисунка.
