Введение к работе
Актуальность теш. Диссертационная работа посвящена моделированию процессов возбуждения,излучения и рассеяния электромагнитных волн (ЭМЮ сложными составными объектами, включающими в себя элементн из материалов с диэлектрическими потерями.
Актуальность работа обусловлена широким распространением в практике антенных устройств и радиолокационных объектов,представляющих совокупности различных по форме и электрическим свойствам тел: объемных металлического,диэлектрического и полупроводящего тел.тонких проволок с произвольным погонным комплексным сопротивлением, тонких незамкнутых проводящих экранов и диэлектрических, полупроводящих и поглощающих элементов. Они могут располагаться в свободном пространстве или вблизи полупространства о лроизвольнн-ми электрическими параметрами, например, над поверхностью земли.При создании и разработке таких объектов необходимо знание их точных антенных и отражательных характеристик.Это стало возможным лишь вследствие применения математического моделирования и численных методов в электродинамике,а также развития вычислительной техники.
Как известно иэ литература,к настоящему времени разработаны эффективные методы электродинамического анализа лишь одиночных идеально проводящих и диэлектрических тел и совокупностей объемных металлического и диэлектрического тел, металлического тела и тонких проволок,расположенных в свободном пространстве или над идеально проводящим полупространством.Однако во многих случаях применяемые на практике объекта являются составными и включают в себя элементн из лолулроводящих матариалов.и располагаются они вблизи полупространств о потерями,например,вблизи земной поверхности. Отсутствие учета комплексной диэлектрической проницаемости при электродинамическом анализе таких объектов приводит к значительным ошибкам при нахождении их характеристик и параметров.Кроме того наиболее развиты асимптотические метода решения указанных задач в квазиотатическом и квазиоптическом диапазонах частот.А при исследовании объектов в резонансной области,интересной о практической точки зрения,возникают сложности всилу неприменимости в отой области асимптотических методов.
Поэтому практика создания и исследования антенных и радиолокационных объектов требует разработки эффективных математических моделей и алгоритмов,позволяющих' проводить электродинамический анализ в произвольном диапазоне частот, в том числе и резонансном, сложных составных объектов,включающих элементы из матери?~ов с
комплексной диэлектрической проницаемостью о произвольным соотношением действительное п мнимой частей с учетом реальних условий размещения антенных систем вблизи поглощающей земной поверхности.
В теории и технике радилокационных и антенных систем актуальными являются проблемы снижения радилокационной заметности различных объектов военного назначения и проблемы создания малогабаритных антенн и антенных решеток, имеющих надежные наперед заданные характеристики и параметры в требуемых частотных областях и при различных условиях их расмещения.
Эффективным средством- снижения радиолокационной заметности радиолокационных целей,является применение специальных диэлектрических, полупроводящих и резистивных оболочек к покрытий.Достоинствами такого способа маскировки является простота реализации,легкость, компактность, быстрота раовертывания.
Анализ рассеяния 3МБ на телах с оболочками и покрытиями, имеющими маскирующие электродинамические свойства,позволяет решить ряд важных задач : оценить радиолокационную оаметность объектов и обосновать требования к электрическими параметрам и конструкции маскируодих оболочек и покрытий.-
Решение оадачи для трехмерных тел о произвольными размерами и формой сложно с позиций необходимых затрат ресурсов ЭВМ при численном моделировании.так как для этого даже при очень маленьких волновых размерах тел требуются огромные затраты памяти и времени ЭВМ.Однако значительное число радиолокационных объектов являются телами вращения, а соотношение их типичных размеров и рабочих длин волн часто таково,что рассеяние ЭМВ на таких объектах является резонансным или переходным от резонансного к оптическому.Кроме того многие иэ используемых оболочек и покрытий имеют малую электрическую толщину. Учет этих особекноотей позволяет при моделировании существенно упростить поставленную задачу и решать ее на ЭВМ.
Б радиолокации и радиосвязи широко применяются тонкопроволочные ангеннн сложной конфигурации, с разветвлениями и пересечениями и решетки из них.Для уменьшения размеров и веса их изготавливают из ііроводдиков.обладаидах распределенным или сосредоточенным комплексным сопротивлением.В конструкции антенных систем часто имеются тонкие незамкнутые металлические окраны сложной формы.Расположены антенны в большинстве случаев вблизи полупроводящей земли. При создании таких антенных систем.удовлетворяодих широкому кругу жестких требований к их электродинамическим характеристикам и параметрам, необхо дим точный расчет последних.Это возможно лишь при
строгом решении задач возбуждения и излучения антеннах устройств с учетом всех особенностей конструкции и условий размещения. Пелыо работы является :
- разработка математических моделей и програіяганх средств расче
та реально проводящих тел вращения с оболочками из дизлектричес-
кких поглощащих материалов и тонкопроводочных антеннах структур,
включающих элемента с дголектричеекишг потерями. Применение пог
лощающих оболочек позволит снизить радиолокационную ваметнооть
ооесимметричных объектов в резонансном диапазонэ частот. Создание
методов расчета тонкопроволочннх излучателей позволит проектиро
вать малогабаритные антенные устройотва о требуемыми характерис
тиками и параметрами в различных условиях иг размещения.
Для достижения втих целей: в настоящей диссертационной работе решаются следующие основные оадачи: .
разработаны математические модели.елгоритмн и программн для ЭВМ.лоэволяюдие исследовать рассеяние электромагнитных волн осеси-мметричннми реально проводящими телами с электрически тонкими оболочками и покрытиями из материалов с диэлектрическими потерями;
разработаны математические модели,алгоритмы и комплекс программ (КП) для электродинамического анализа тонкопроволочных антенн сложной конфигурации с произвольным погонным импедансом рядом о тонкими незамкнутыми кранами сложной формы и полупровлдя-щим полупространством}
выполнен расчет характеристик рассеяния ооесимметричных реально проводящих тел о дагалектричеоккми.полупроводящими и плазменными оболочками и покрытиями в резонансном диапазоне частот с цель» исследования влияния оболочек и покрытий на радиолокационную заметають проводящих тел вращения; -
исследовано влияние реально проводящей земли на характеристики и параметры располояенннх вблизи нее сложных систем тонкопроволочных излучателэй.идеально проводящих или обладащих комплексным погонным сопротивлением; .
исследована возможность уменьшения габаритних размеров антенн и антенных решеток за счет применения проводников с комплексным погонным сопротивлением.
Научная ноыазяа ; 1. Разработаны математическая модель и вычислительный алгоритм, поовояящи» иооледоаагь методой интегральных уравнений рассеяние электромагнитных волн реально проводящими осеоимметричншга телами я оиптиипии тел.оюоуженннми или располохвнннми рядом с элэктричв-
ски тонкими оболочками и покрытиями и& материалов с произвольной комплексной диэлектрической проницаемостью.
-
Впервые исследовано влияние осесимметричных диэлектрических образований,покрытий и оболочек о диэлектрическими потерями- на рассеивавдие свойства проводящих тел вращения с целью снижения их радиолокационной оаметности в резонансном диапазоне длин волн.
-
Разработаны математическая модель и вычислительный алгоритм для электродинамического анализа тоннопроволочных антенн сложной конфигурации о произвольным погонным импедансом и решеток из них, расположенных рядом с тонкими незамкнутыми экранами в присутствии полупроводящей земли.
-
Исследованы характеристики сложных систем проволочных излучателей горизонтальной, и вертикальной поляризаций в 20-тикратном диапазоне частот в присутствии конечноразмерного металлического экрана и полупроводящей земной поверхности. В результате вычислительного эксперимента обнаружен неизвестный ранее эффект сканирования исследованной антенной решеткой на фиксированной длине волны в сторону,обратную устанавливаемой.
-
Впервые исследованы характеристики и параметры тонкопроволочной антенны сложной конфигурации из проводников,обладащих комплексным погонным сопротивлением с учетом влияния полупроводящего полупространства о целью уменьшения габаритных размеров исследуемой антенны.
Практическая ценность работы.
Разработанные математические модели.и алгоритмы реализованы з виде КП программ для ЕС ЭВМ IHVB и ПЭВМ типа IBM POAT SAHARA (М per.в фондэ алгоритмов и программ БГУ РТ 2100.0214 и РТ 2100.0215) Результаты работы использованы в НИР,выполненной на кафедре радиофизики Белгосуниверситета для Московского НИИ тепловых процессов (х/д № 11923/300 "Электродинамический анализ взаимодействия электромагнитного излучения с объектами сложной формы и соотава"); в Самарском отраслевом НИИ Радио.(НИР "Раэработка математической модели,комплекса программ электродинамического анализа в диапазоне частот зарактериотик и параметров фазированной антенной решетки. Шифр "Драга-2/Ф.йР"); в Минском высшем военном инженерном училище. Применение разработанных математических моделей и КП позволяет:
оценить радиолокационную эаметность объектов рассеяния и обосновать требования к.электрическим параметрам и конструкции маскирующих средств (оболочек и покрытий);
оценить потери мощности излучения в полупроводящей земле и pea-
льнуга энергию, излучаемую в свободное полупространство антенними устройствами,расположенными вблизи поверхности земли я.следовате-льно^акшогическую обстановку вблизи них;
- при разработке систем связи обоснованно,с учетом потерь элект
ромагнитной энергии в реальной земле, определить необходимую мощ
ность излучения передающих устройств;
- уменьшить габаритные размеры систем проволочных излучателей
применением проводников о комплексным погонным импедансом, учиты
вая при этом реальные условия размещения антенн вблизи полупрово
дящей поверхности земли.
Результаты работы -могут быть использованы при конструирования антенн и для оценки и управления отражательными характеристиками радилокапионннх объектов.
Положения, выдвигаемый на защиту -
1. Математическая модель и вычислительный алгоритм,описывающие
рассеяние электромагнитных волн реально проводящими осесимметрич-
ннми телами ж системами тел с произвольной образующей, окруженными
оболочками и покрытиями из диэлектрических материалов,в резонанс
ном случае,когда длина волив соизмерима о геометрическими размер
ами тел.
-
Математическая модель и вычислительный алгоритм для электродинамического анализа - тонкопроволочных антенн сложной конфигурация с произвольным погонным импедансом и решеток из них,расположенных вблизи тонких незамкнутых экранов и волупроводячей земной поверхности.
-
Программные комплексы, реализуюцие разработанные модели и алгоритмы и возводящие решать численно следущиэ основные задачи:
расчет диаграмм рассеяния и -эффективных поверхностей рассеяния (ЭЛР) проводящих тел вращения,окруженных поглощающими диэлектрическими оболочками и покрытиями;
расчет основных характеристик (КПД,КЕД,диаграмм направленности и входного сопротивления) токкопрсволочных антенн и антенных решеток с произвольным погонным импедансом вблизи тонких экранов ж шлуяроводяцей эеыли.
А. Результаты исследования рассеивающих свойств систем осесюлыет-
ричннх тел и практические рекомендации по использованию осесимме-
трданых образований, оболочек и покрытий; для изменения диаграмм
рассеяния и снижения ЭПР этих тел в резонансном диапазоне длин
волн.
5. Результаты расчета фазированной антенной решетки, состоящей кэ
треугольных лучевых вибраторов,помещенных над малым экраном в присутствии полупроводящей земной поверхности.Эффект сканирования данной антенной решеткой на фиксированной длиео волны в сторону, обратную устанавливаемой.
6. Результаты исследования возмогностей уменьшения габаритных размеров директорной антенны с учетом близости поверхности полупроводящей земли путем применения проводников с соботвошшм замедлением.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на семинаре по прикладной электродинамике в МЭИ,г.МоскЕа,1889г.; на межведомственном НГ семинаре "Радиопроэрачные обтекатели и укрытия", г.Минск,1990 г.;на Всесоюзной научной сессии ВНТО РЭС им.Попова, г.Москва, 1991 г.; на межрегиональной НГ конференции "Сложные антенные системы и их компоненты",г.Ленинград, 1991 г.;на Всесоюзной научной оеооии ВЕТО РЭС им.Попова,г.Москва,1992 г.; на межрегиональной НТ конференции "Перспективы раз вития, антенно-фидерной техники и ее элементной базы",г.Суздаль, 1992 г.
Публикации. Ооновные результаты диссертации опубликованы в работах с 13-е 101, перечисленных в конце автореферата.
Структура и. объем диссертации. Работа состоит из введения,общей характеристики работы,четырех глав,выводов,списка использованной литературы и двух прилоЕений. Общий объем диооертации составляет 221 страницу,из которых 97 страниц основного текста,84 рисунка на 6? страницах,14 таблиц на 16 отраницах,список литературы на в страницах, включающий 106 наименований,2 приложения на 33 страницах