Микрополосная решетка с нелинейными включениями на подложке из метаматериала тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, кандидат наук Чиков, Николай Иванович

• Чиков, Николай Иванович
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Чиков, Николай Иванович

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

1 ОБОГАЩЕНИЕ СПЕКТРА РАССЕЯННОГО ПОЛЯ С ПОМОЩЬЮ МИКРОПОЛОСКОВЫХ РЕШЕТОК, НАГРУЖЕННЫХ НЕЛИНЕЙНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ. РЕАЛИЗАЦИЯ ОБОГАЩЕНИЯ. МЕТАМАТЕРИАЛЫ

1.1 НЕЛИНЕЙНОЕ РАССЕЯНИЕ, МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ НАГРУЗОК

1.2 МЕТОДЫ АНАЛИЗА НЕЛИНЕЙНЫХ СТРУКТУР

1.3 АНАЛИЗ МИКРОПОЛОСКОВЫХ РЕШЕТОК

1.4 ПРИМЕНЕНИЕ ЭНР В РАДИОТЕХНИКЕ

1.5 МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТАМАТЕРИАЛОВ В ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ЗАДАЧАХ

1.6 ВЫВОДЫ

2 ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ БЕСКОНЕЧНОЙ ПЛОСКОЙ МИКРОПОЛОСКОВОЙ СТРУКТУРЫ С НЕЛИНЕЙНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ НА ПОДЛОЖКЕ ИЗ МЕТАМАТЕРИАЛА

2.1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

2.2 ГРАНИЧНЫЕ УСЛОВИЯ

2.3 ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СООТНОШЕНИЯ ДЛЯ ПОЛЕЙ

2.4. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СООТНОШЕНИЯ ДЛЯ ПОЛЕЙ РАССЕЯНИЯ

2.5. РЕШЕНИЕ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ ЗАДАЧ

2.6. БЕСКОНЕЧНАЯ ПЕРИОДИЧЕСКАЯ МИКРОПОЛОСКОВАЯ РЕШЕТКА С НЕЛИНЕЙНЫМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ

2.7. ПРИМЕНЕНИЕ УСЛОВИЯ ПЕРИОДИЧНОСТИ ДЛЯ ЗАДАЧИ РАССЕЯНИЯ

2.8. АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ЗАДАЧИ

2.8.1. ФОРМУЛИРОВКА СИСТЕМЫ НЕЛИНЕЙНЫХ АЛГЕБРАИЧЕСКИХ

УРАВНЕНИЙ

2.8.3 ТЕСТИРОВАНИЕ ПРОГРАММЫ

2.9 ВЫВОДЫ

3 ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕЛИНЕЙНОЙ МИКРОПОЛОСКОВОЙ СТРУКТУРЫ НА ПОДЛОЖКЕ ИЗ ММ В ВИДЕ ЭКО-СТРУКТУРЫ

3.1 ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ ОКО-СТРУКТУРЫ. ГОМОГЕНИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ММ

3.2 ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОТРАЖАТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ НЕЛИНЕЙНОЙ МИКРОПОЛОСКОВОЙ РЕШЕТКИ НА ПОДЛОЖКЕ ИЗ МЕТАМАТЕРИАЛА

3.3 КОНСТРУКТИВНЫЙ СИНТЕЗ МИКРОПОЛОСКОВОЙ РЕШЕТКИ

4.1 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ DNG-СТРУКТУРЫ. ГОМОГЕНИЗАЦИЯ ММ

4.2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕЛИНЕЙНОЙ МИКРОПОЛОСКОВОЙ СТРУКТУРЫ НА ПОДЛОЖКЕ ИЗ МЕТАМАТЕРИАЛА

4.3 ВЫВОДЫ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ ЗИ - зондирующий импульс ЭНР - эффект нелинейного рассеяния МОП - металл-окисел-металл МДП - металл-диэлектрик-полупроводник МИС - монолитная интегральная схема ММ - метаматериал ЭМВ - электромагнитная волна DNG - Double negative НЭ - нелинейный элемент НН - нелинейная нагрузка ВАХ - вольт-амперная характеристика ГУ - граничные условия НГУ - нелинейные граничные условия СНИУ - система нелинейных интегральных уравнений СНАУ - система нелинейных алгебраических уравнений ЭМП - электромагнитное поле НР - нелинейный рассеиватель

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Микрополосная решетка с нелинейными включениями на подложке из метаматериала»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы и состояние вопроса. При разработке современных систем радиолокации гражданского или военного назначения бывают ситуации, когда невозможно использовать стандартные средства для обнаружения объектов, находящихся в обстановке высокого фонового вторичного излучения. Такая ситуация возникает при локации почвы, железобетонных конструкций, снежных завалов и т.п., когда частота излученного сигнала совпадает с частотой принимаемого [1]. В этом случае на вход приемного канала поступают сигналы, многократно отраженные от объектов, не являющихся целью обнаружения, что ведет к появлению ложных целей. Примером таких задач является обнаружении людей, находящихся под снежными завалами, под обломками зданий [1]. Возникает необходимость разработки системы обнаружения, способной выделить сигнал от конкретной цели на фоне вторичного излучения. Одна из возможных реализаций такой системы включает в себя передатчик, посылающий зондирующий импульс (ЗИ) с фиксированной частотой, маркер (идентификатор), находящийся на цели, способный преобразовать частоту ЗИ на другую частоту (например, кратную частоте ЗИ) и приемник, принимающий сигнал на преобразованной частоте [2]. Таким образом, на устройство обработки от приемника поступает сигнал лишь от одной цели. Основным элементом в такой системе является маркер с преобразованием частоты. Трудностью разработки такого маркера является обеспечение преобразования спектра, падающего на него сигнала, в спектр отраженного сигнала, в котором будут новые частотные составляющие, при том, что уровень составляющей ЗИ будет минимальным [3,4].

В современной ситуации военного и промышленного шпионажа возникает необходимость передачи кодированной информации, маскировки сигналов в шуме и использования скрытых каналов связи [5]. В первых двух случаях защита обеспечивается особенностями обработки принимаемого

сигнала, в третьем случае - сложностью определения частоты, на которой передается сигнал. В случае использования скрытых каналов связи есть возможность комбинации кодирования и маскировки в шумах. Для реализации скрытого канала связи можно использовать пассивные ретрансляторы [6], способные переносить спектр падающего на него поля в другой диапазон частот. При использовании пассивных ретрансляторов уровень переотражённого поля на частоте падающего поля существенно выше уровней кратных частотных составляющих, что ведет к усложнению электромагнитной обстановки.

Если требуется скрыть объект, являющейся целью радиолокационного обнаружения, применяют особого рода покрытия [7], позволяющие замаскировать объект, добавить в отраженный от него сигнал ложную информацию или помеху [7]. Одним из направлений маскировки является создание интеллектуальных покрытий [8], в состав которых входит подсистема управления рассеянием волн и обеспечения электромагнитной совместимости, предназначенная для целенаправленного изменения в заданных пределах различных информативных радиолокационных характеристик объекта [8]. Такая подсистема чаще всего достаточно сложная и включает множество активных функциональных узлов. Для реализации маскирующего покрытия также можно использовать аналог пассивного ретранслятора, который минимизирует уровень отраженного сигнала на частоте падающей волны и добавляет в спектр составляющие, отсутствовавшие в падающем поле.

Описанные выше устройства с возможностью преобразования спектра отраженного поля могут быть реализованы с использованием эффекта нелинейного рассеяния (ЭНР). Данный эффект был открыт в середине 20 века [9]. Было обнаружено, что когда электромагнитное поле от мощных радиопередатчиков падало на металлические конструкции, в спектре рассеянного поля присутствовали комбинационные и гармонические

частотные составляющие, которые негативно сказывались на работу приемных устройств. Было выяснено [10], что основным источником возникновения ЭНР являются сочленения металлических элементов, в частности, резьбовые и клепочные соединения, сварные швы и т.п. В таких точках возникают окислы, образующие переход «металл-окисел-металл», которые, по сути, являются нелинейными переходами. При попадании металлических конструкций в зону действия радиопередатчиков, возникает недопустимо высокий уровень помех при приеме полезного сигнала [11].

Исследования ЭНР привели к образованию нового типа радиолокации - нелинейной радиолокации. Реализация нелинейного радиолокатора основана на детектировании кратных гармонических или комбинационных составляющих ЗИ сигнала, отраженного от объекта. Сегодня используют два основных подхода разработки нелинейных радиолокаторов [12,13]. Они отличаются используемым излученным сигналом. Первый основан на излучении гармонического ЗИ при приеме второй или третьей гармоники. Во втором подходе излучается два импульса на различных частотах, при этом продуты нелинейного преобразования принимаются на комбинационных частотах тестового сигнала.

Описанные выше источники нелинейного рассеяния являются естественными, образованными в следствии воздействия окружающей среды. Современная радиоаппаратура включает в себя десятки и сотни нелинейных полупроводниковых компонентов, таких как диоды, транзисторы, ключи и т.п. Нелинейность, образованная в таких устройствах, получила название «электронной нелинейности». Полупроводниковые компоненты открывают широкие возможности использования ЭНР. Существует большое количество компонентов, отличающихся типом нелинейности, размерами, возможностью управления и методами реализации полупроводниковых переходов. Ведущими технологиями изготовления являются технология МОП (металл-окисел-полупроводник) и МДП (металл-диэлектрик-полупроводник). На

сегодняшний день основными материалами для создания полупроводниковых компонентов являются кремний германий (Ge),

арсенид галлия (GaAs) и нитрид галлия (GaN). Технологии на основе GaAs и GaN позволяют разрабатывать миниатюрные монолитные интегральные схемы (МИС), в которых все пассивные (индуктивности, конденсаторы, резисторы, микрополосковые элементы) и активные (диоды, транзисторы) элементы создаются с высокой точностью в одном технологическом цикле. Это открывает широкие возможности в создании нелинейных устройств вплоть до миллиметрового диапазона частот. Так, например, транзисторная ячейка на основе GaN может занимать площадь менее 1 мм2.

Одним из способов реализации ЭНР в задачах разработки нелинейных отражателей, покрытий и маркеров является использование микрополосковых решеток, изготовленных по технологии печатных плат, нагруженных на НЭ [3,4]. Современные технологии изготовления печатных отличаются высокой точностью, повторяемостью и низкой стоимостью технологического процесса. Также существует возможность реализации многослойной структуры типа «пирог», используя, так называемое, «спекание» слоев. Такие структуры позволяют решать ряд схемных и конструктивных задач. Многообразие и доступность выбора диэлектрических подложек с различными электрофизическими, геометрическими и эксплуатационными параметрами обеспечивает решение множества прикладных задач. Устройства, выполненные по технологии печатных плат, отличаются малыми массогабаритными характеристиками, что сегодня является ограничивающим фактором применения радиотехнических устройств на мобильных установках наземного, водного и, особенно, воздушного назначения. Многообразие исследований микрополосковых антенных и отражательных решеток позволяет разрабатывать устройства, отличающиеся габаритными размерами, шириной диапазона рабочих частот, поляризационными свойствами и др.[14].

Как упоминалось в начале, одной из важнейших проблем разработки нелинейных маркеров, покрытий и ретрансляторов является обеспечение преобразования спектра, падающего на них поля, в спектр отраженного поля, в котором будут новые частотные составляющие. При этом уровень составляющей рассеянного поля на частоте возбуждения должен быть минимальным [3,4]. Таким образом, требуется разработать устройство, в спектре отраженного поля которого кратные спектральные составляющие будут соизмеримы со спектральной составляющего основной гармоники или превышать ее.

В последнее время в областях электродинамики, электрофизики, радиофизики, оптики и антенной технике широкое распространение получили так называемые метаматериалы (ММ). Метаматериалы - это искусственно сформированные и особым образом структурированные среды, обладающие электромагнитными свойствами, сложно достижимыми технологически либо не встречающимися в природе [15]. В антенной технике ММ используют для миниатюризации антенн, обеспечения высокого коэффициента усиления, коэффициента полезного действия, многочастотного режима работы, повышения частотной избирательности и чувствительности, формирования требуемых обратных потерь, обеспечения широкоугольного согласования входного сопротивления микрополосковых антенных решеток в заданной полосе частот [16]. Также ММ обладают частотной дисперсией. Их параметры - комплексные (в общем случае) эффективные диэлектрическая и магнитная проницаемости зависят от частоты [15]. Это позволяет одну и туже подложку рассматривать на одних частотах - как «обычный» материал, на других (например, кратных частотах) - как ММ. Тем самым обеспечивается разное влияние подложки на отражательные характеристики микрополосковой структуры на основной частоте и частотах гармоник.

Ранее не ставилась задача изучения влияния ММ на рассеяние ЭМВ от нелинейных структур. Это является основной предпосылкой проведения исследования в рамках данной работы.

Таким образом, существующие исследования и разработки нелинейных отражателей, покрытий и маркеров показывают возможность обогащения спектра отраженного поля, а недостатком устройств, реализующих подобные эффекты, является то, что в спектре отраженного поля уровень составляющей основной гармоники существенно превышает уровни гармонических составляющих.

Целью диссертационной работы является повышение энергетических характеристик кратных частотных гармоник рассеянного электромагнитного поля до соизмеримых уровней с основной гармоникой для повышения эффективности работы микрополосковой решетки с нелинейными нагрузками в составе нелинейных отражателей, покрытий или маркеров в системах нелинейной радиолокации.

Задачи исследования:

- решение электродинамической задачи рассеяния электромагнитных волн на плоской нелинейной микрополосковой периодической структуре на подложке из метаматериала;

- алгоритмизация задачи рассеяния для решетки микрополосковых элементов прямоугольной формы на подложке из метаматериала с поверхностными нелинейными нагрузками;

- исследование электродинамических свойств метаматериала, выбранного в качестве подложки;

- исследование путей повышения уровней высших гармоник поля, рассеянного нелинейной микрополосковой решетки на подложке из метаматериала;

- экспериментальные исследования характеристик рассеяния нелинейной микрополосковой решетки на подложке из метаматериала.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней:

- сформулирована и решена электродинамическая задача рассеяния плоской нелинейной микрополосковой структурой на подложке, которая имеет частотную дисперсию электрофизических параметров и одновременно отрицательные значения этих параметров;

- проведен конструктивный синтез микрополосковой решетки с гомогенизацией эффективных электрофизических параметров подложки;

- изучено влияние пространственно-резонансных свойств микрополосковой решетки и электрофизических свойств метаматериала на нелинейное рассеяние ЭМВ;

- опытным путем показана возможность выравнивания уровней кратных гармонических составляющих с основной гармоникой в спектре рассеянного поля от нелинейной микрополосковой решетки за счет использования подложки из метаматериала.

Практическая ценность результатов, полученных в диссертационной работе, состоит в следующем:

- получены новые знания в области исследования эффекта нелинейного рассеяния относительно влияния подложек из метаматериала на отражательные свойства микрополосковой решетки с нелинейными нагрузками;

- разработана модификация ранее существующего алгоритма решения задачи рассеяния ЭМП нелинейной микрополосковой структуры, позволяющая проводить численный анализ с учетом частотной дисперсии электрофизических параметров и одновременно отрицательных значений этих параметров подложки;

- выработаны рекомендации по выбору электрофизических и геометрических параметров исследуемой структуры для обеспечения минимально возможного уровня отражения на частоте падающего поля;

- экспериментально подтверждена возможность выравнивания кратных частотных составляющих в рассеянном от нелинейного отражателя поле за счет использования подложки из ММ.

Полученные результаты позволили заключить, что нелинейная микрополосковая решетка на подложке из метаматериала может служить, в первую очередь, основой для создания нелинейных маркеров и идентификаторов в задачах обнаружения людей, терпящих бедствия. А также в качестве маскирующего покрытия, вследствие обеспечения выравнивания уровней кратных спектральных составляющих отраженного от нее поля за счет снижения уровня основной гармоники. Подбор электрофизических и геометрических параметров решетки в совокупности с подбором типа нелинейного элемента позволяют оказывать влияние на коэффициенты отражения на частотах гармоник.

Достоверность полученных в работе результатов подтверждается применением метода интегральных уравнений, использованием многократно проверенных математических моделей нелинейных нагрузок, применением метода моментов, результатами тестирования алгоритма, сравнением значений коэффициентов отражения на кратных гармониках, полученных при независимых решениях, а также сравнением с тестовой программой, качественным совпадением теоретических и экспериментальных данных, верификацией поставленных натурных экспериментов дополнительными измерениями и их численным моделированием.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных конференциях:

2015 Conference on Microwave Techniques (COMITE), Чехия; 2015International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA), Италия; Международная конференция ИРЭМВ-2013, Россия; Международная конференция ИРЭМВ-2015, Россия; Ежегодная научная

конференция студентов и аспирантов базовых кафедр ЮНЦ РАН 2015г.; XI

Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов КРЭС-2012г.;

Конкурс «Молодой инноватор города Таганрога -2013».

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 работ:

1. Чиков Н.И. Применение метаматериала в качестве подложки нелинейной отражающей микрополосковой структуры. // Сборник материалов Ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр ЮНЦ РАН. Изд-во ЮНЦ РАН, 2013. С. 130-131.

2. Семенихина Д.В., Чиков Н.И. Исследование отражающей нелинейной микрополосковой структуры с использованием метаматериалов в качестве подложки//Труды Международной научной конференции «ИРЭМВ - 2013», Таганрог, Изд - во ТТИ ЮФУ, 2013, с.419-424

3. Горбатенко Н.Н., Семенихина Д.В., Чиков Н.И. Использование метаматериала в качестве подложки нелинейной микрополосковой структуры. // Приволжский научный вестник ISSN 2224-0179 № 4-1 (44) апрель 2015, с. 18 -20.

4. Д.В. Семенихина, Н.И. Чиков. Электродинамический анализ нелинейной микрополосковой решетки с подложкой из метаматериала с элементами конструктивного синтеза// Труды Международной научной конференции «ИРЭМВ - 2015», Таганрог, Изд - во ЮФУ Ростов-на-Дону, 2015, с. 270-274

Из списка ВАК

5. Чиков Н.И. Электродинамическое моделирование отражающей нелинейной микрополосковой структуры с использованием DNG-материала в качестве подложки//Изв. ЮФУ. Технические науки, 2013 № 11, c 135-141.

6. Semenikhina D. V., Semenikhin A. I., Chikov N. I. Analysis of nonlinear microstrip lattice with metamaterial substrate using method of integral equations// 2015 Conference on Microwave Techniques (COMITE) 22-23

April 2015. INSPEC Accession Number:15201612, ISBN:978-1-4799-8121-2, p. 1-4.

7. Д.В. Семенихина, Н.И. Чиков, А.И. Семенихин, Н.Н. Горбатенко. Электродинамический анализ и конструктивный синтез нелинейной микрополосковой решетки с подложкой из метаматериала.// Журнал радиоэлектроники: электронный журнал. 2015. N7. URL: http: //j re. cplire. ru/iso/j ul 15/8/text. pdf

8. D. V. Semenikhina, N. I. Chikov, A. I. Semenikhin, Y. V. Yukhanov. A model of nonlinear microstrip lattice with metamaterial substrate. 2015 International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA) 7-11 Sept. 2015 INSPEC 15523539. р. 211 - 214.

9. Д.В. Семенихина, Н.И. Чиков, А.И. Семенихин, Н.Н. Горбатенко. Экспериментальные исследования нелинейной микрополосковой решетки на подложке из метаматериала // Журнал радиоэлектроники: электронный журнал. 2016. N4. URL: http: //j re.cplire.ru/j re/apr 16/7/text.pdf

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов основного текста, заключения и одного приложения. Работа содержит 161 с., в том числе 123 с. основного текста, 69 рисунков, 2 таблицы, список литературы из 61 наименований на 7 с, приложения на 14 с.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Электродинамический анализ методом интегральных

уравнений на основе леммы Лоренца и НГУ показал возможность решения задачи рассеяния ЭМВ на нелинейной плоской микрополосковой структуре, подложка которой имеет частотную дисперсию электрофизических параметров, а также одновременно отрицательные значения этих параметров.

2. Модифицированный алгоритм решения задачи рассеяния плоской монохроматической электромагнитной волны нелинейной микрополосковой решеткой позволяет численно проводить анализ структур на подложке с дисперсионными частотными свойствами и отрицательными электрофизическими параметрами.

3. Численное моделирование выбранной подложки из ММ в виде DNG-структуры и методика гомогенизации на основе комплексных коэффициентов отражения и прохождения показали возможность определения частотных свойств структуры, а также значения ее электрофизических параметров, которые можно использовать в задачах нелинейного рассеяния.

4. Численное моделирование с элементами конструктивного синтеза плоской нелинейной микрополосковой решетки на подложке из ММ позволяет определить параметры нелинейных элементов и размеры микрополосков, при которых уровни кратных гармоник в отраженном поле будут соизмеримы с уровнем основной гармоники.

5. Экспериментальное исследование подтверждает возможность выравнивания уровней гармонических составляющих в рассеянном поле от нелинейной микрополосковой структуры за счет использования подложки из ММ, которая сохраняет дисперсионные свойства.

ОБОГАЩЕНИЕ СПЕКТРА РАССЕЯННОГО ПОЛЯ С ПОМОЩЬЮ МИКРОПОЛОСКОВЫХ РЕШЕТОК, НАГРУЖЕННЫХ НЕЛИНЕЙНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ. РЕАЛИЗАЦИЯ ОБОГАЩЕНИЯ. МЕТАМАТЕРИАЛЫ

1.1 НЕЛИНЕЙНОЕ РАССЕЯНИЕ, МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ НАГРУЗОК

Развитие радиотехники, высокая загруженность радиочастотного ресурса, усложнение электромагнитной обстановки и множество других аспектов приводят к необходимости использования устройств, которые обладают свойством перекачки электромагнитного энергии с одной частоты на другую. Одним из таких устройств является покрытие, которое при облучении электромагнитной волной будет рассеивать поле со спектральными составляющими, отсутствовавшими в спектре падающего поля.

Существует несколько способов, позволяющих реализовать обогащение спектра рассеянного поля. Один из эффективных способов - это использование микрополосковых решеток, нагруженных нелинейными элементами (НЭ) [3,4]. В основе данного подхода лежит эффект нелинейного рассеяния (ЭНР). Использование нелинейного рассеяния позволяет решить ряд задач радиолокации, в частности, задач обнаружения цели на фоне сильных фоновых отражений от поверхности земли, морской поверхности и т.д. [11,17]. Устройства с подобными свойствами могут применяться в качестве радиолокационных отражателей, идентификаторов, маркеров или маскирующих покрытий.

Уже в 40-х годах 20-го века было обнаружено [11] следующее явление. Если в электромагнитном поле мощных радиопередатчиков связных радиостанций находятся металлические конструкции, то возникают нелинейные эффекты, заключающиеся в появлении рассеянных радиоволн на

комбинационных частотах и гармониках, отсутствовавших в излучении передатчиков. Позднее выяснилось, что нелинейным эффектом обладают контакты металлических частей (места соединений и крепления проволочных антенн, части корпуса корабля, резьбовые соединения металлических деталей и т. п.). Контакт металлических поверхностей осуществляется обычно через тонкую пленку окисла, которую в большинстве случаев приближенно можно считать диэлектриком или высокоомным полупроводником. Подобные образования относят к естественным, и нелинейные эффекты, возникающие за счет них, чаще всего носят негативный характер и называют «эффектом ржавого болта».

Помимо негативной стороны, использование ЭНР находит практическое применение в технике, когда в качестве НЭ применяются различного рода полупроводниковые контакты и устройства (полупроводниковые диоды, транзисторы и пр.). Этот вид нелинейности носит название электронной нелинейности. На основе нелинейности было разработано множество устройств, включающих в себя нелинейные элементы, наличие которых принципиально необходимо. Так, например, широко используются смесительные антенны, антенны-генераторы, антенны выпрямители (ректенны), антенны с умножением частоты и т.д. [17].

При анализе нелинейных устройств в первую очередь определяются с видом нелинейности, характером нелинейной характеристики НЭ и т.д. Чаще всего НЭ описывают вольт-амперными (ВАХ) характеристиками. В большинстве случаев ВАХ получают экспериментальным путем. При теоретическом анализе возникает необходимость представления ВАХ аналитическим выражением, другими словами, аппроксимацией, которая наиболее точно описывала бы реальную характеристику.

Так, в качестве примера, можно привести аппроксимацию ВАХ, которая упоминается при исследовании нелинейных свойств контакта металл-окисел-металл [11]:

_ и + Ри

Я,

(1.1)

здесь и - напряжение на контактах, ¡э - туннельный ток через контакт, в -коэффициент нелинейности ВАХ, Я0=р0/ат - начальное (при и=0) сопротивление контакта, р0 - «удельное» сопротивление туннельного контакта, ат - площадь удельного контакта. Данная аппроксимация ВАХ справедлива при относительно низких значениях напряжения на контактах (менее 1 В).

Для электронной нелинейности, например, в работах [18,19], использована аппроксимация ВАХ для пары встречно включенных диодов вида:

13 — аги + а2и3, (1 .2)

здесь коэффициенты ау (г=1, 2)-константы. Но существует ряд недостатков данного вида аппроксимации: во-первых, выражение справедливо лишь для низких частот (менее 1 МГц), во-вторых, не учитываются нелинейные емкостные эффекты. В [20] приводится эквивалентная схема для полупроводникового диода (рисунок 1.1).

ЬБ

СБ

ЯБ

Яи

а

Рисунок 1.1 - Эквивалентная полупроводниковая цепь диода для случая

малого сигнала

Здесь С- емкость монтажа, Ь3 - индуктивность утечки, - полное сопротивление утечки, Сп , Яп - нелинейные емкость и сопротивление перехода. Также при низких напряжениях на контактах справедлива следующая аппроксимация для обычных диодов на p-n-переходах:

Iэ = / ехр(и/пУт -1), (1.3)

где Л - обратный ток насыщения, п - фактор идеальности, У ~ Т(К)/11600 В.

Что касается нелинейной емкости, то она описывается двумя составляющими: емкостью слоя обеднения и диффузной емкостью, которой в большинстве случаев пренебрегают. Емкость слоя обеднения определяется выражением:

С(и) = Со(1 - и / Уф)-, (1.4)

здесь у - потенциал, связанный с барьером на переходе, величина q зависит

от технологии и слабо зависит от приложенного напряжения и частоты. Раскладывая выражения (1.3) и (1.4) в ряд, получают выражения:

Оп (и) = Я;1 (и) = Оо + 0,(и / Ут) + 02(и / Ут )2 +...,

Сп (и) = Со + С,(и/Уф) + С2(и/Уф)2 +...,

О0 =1/пУТ, О, = I, /2п2УТ, О2 = I, /6п3УТ..., С =-дСо, С2 = + 1)Со /2...

(1.5)

Линейные слагаемые 0\ и С переводят в линейную часть цепи, поэтому ток чисто нелинейной части диода описывается выражением:

Ю Ю /7

Iэ =Уаип +УЬ Жип,

9 П 9 П Ж

п=2 п=2

(1.6)

здесь ап - Оп / V"-1, Ъп - Сп / - коэффициенты, определяющиеся

электрофизическими свойствами нелинейной нагрузки, в данном случае диода.

Таким образом, можно сказать, что выражения (1.1) и (1.2) недостаточно полно определяют ВАХ нелинейных устройств (туннельных диодов, р-ьп-диодов и др.) в силу отсутствия описания инерционного характера нагрузки. Выражение (1.6) описывает инерционный характер НЭ и является более предпочтительным.

1.2 МЕТОДЫ АНАЛИЗА НЕЛИНЕЙНЫХ СТРУКТУР

Методы анализа структур, использующих нелинейные эффекты, согласно классификации, приведенной в [17], можно разделить на структурные и методы на основе переменных состояния.

В структурном методе [21] исследуемое устройство, например, антенна, представляется в виде некоторого преобразователя входного воздействия и описывается нелинейным оператором, который преобразует входные данные в выходные параметры. Ограниченность этого подхода заключается в том, что существует необходимость аналитического описания нелинейного оператора, которое справедливо лишь для определенных входных воздействий. Это приводит к ряду допущений при постановке задачи и в ходе самого решения, поэтому подход пригоден лишь для ориентировочной оценки характеристик устройства.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Чиков, Николай Иванович, 2016 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Коваленко Н. А. Методы подповерхностной радиолокации для обнаружения людей за непрозрачными средами// технологий 2011№ 9 (51), том 3, С 49-55.

2. Горбачев А. А., Колданов А. П. Методы зондирования электромагнитными волнами сред с нелинейными включениями в задачах поиска терпящих бедствие людей// Радиоэлектроника.

Наносистемы._Информационные_технологии. 2009

№ 1-2, том 1. С59-63.

3. Семенихина Д.В., Гамолина И.Э. Рассеяние плоской электромагнитной волны бесконечной периодической микрополосковой нелинейно нагруженной структурой //Радиотехника и электроника, 2000. Т.45, №5. С.552-556.

4. Семенихина Д.В. Анализ эффекта нелинейного рассеяния электромагнитных волн // Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ, 1998. Т.6. №1-2(21). С. 119-126.

5. Технические средства и методы защиты информации: Учебник для вузов / Зайцев А.П., Шелупанов А.А., Мещеряков Р.В. и др.; под ред. А.П. Зайцева и А.А. Шелупанова. - М.: ООО «Издательство Машиностроение», 2009 - 508 с.

6. Горбачев А.А., Заборонкова Т.М. Нелинейный рассеиватель ЭМВ как ретранслятор сигналов // Нелинейный мир, 2004, т. 2, № 5-6, с. 343345.

7. Thomas T.L. Development of Robust Hybrids for Smart Skin Avionics Applications // Smart Skins Program Boeing Military Airplanes: Сб. ст. / Boeing Company. - 1989. - P. 131-139.

8. Петров Б.М., Семенихин А.И. Управляемые импедансные покрытия и структуры // Зарубежная радиоэлектроника. 1994. № 6. С. 9-16.

9. Eastma n A., Horl e L.— Proc. IRE, 1940, v. 28, p. 438.

10. Bett s J., Ebeneze r D.—Proc. IEE, 1973, v. 120, p. 1337.

11. Штейншленгер В.Б., Мисежников Г.С. Исследование эффекта нелинейного рассеяния радиоволн металлическими объектами. //Радиотехника и электроника, 1984, т. 39. Вып. 6. С. 902 - 906.

12. Ларцов С.В. О нелинейном рассеянии при использовании многочастотного и одночастотного зондирующих сигналов // Радиотехника и электроника. 2001. Т. 46. № 7. с. 833 - 838.

13. Вернигоров Н.С., Борисов А.Р., Харин В.В. К вопросу о применении многочастотного сигнала в нелинейной радиолокации // Радиотехника и электроника. 1998. Т. 43. Вып. 1. с. 63 - 66.

14. Kin-Lu Wong, Compact and Broadband Microstrip Antennas, John Wiley & Sons, Inc., New York, 2002.

15. Слюсар В. Метаматериалы в антенной технике:основные принципы и результаты. - //Первая миля 3-4/2010 - С 44 - 60.

16. Пономарев О.П., Клишин С.М. Улучшение электрических характеристик планарных антенн на основе метаматериалов и перспективы их использования, Калининград, 2010 .

17. Шифрин Я.С., Лучанинов А.И., Щербина А.А. Нелинейные антенные эффекты. - //Изв.вуз. Радиоэлектроника. - 1990. - Т.33. - № 2. - С. 4 - 13.

18. Sarkar T.K., Weiner D.D., Harrington R.F. Analysis of Nonlinearly Loaded Multiport Antenna Structures over an Imperfect Ground Plane Using the Volterra Series Method, IEEE Trans. Electromagn. Compatib. 20, 278 (1978).

19. Sarkar T.K., Weiner D.D., Harrington R.F. Analysis of Nonlinearly Loaded Multiport Antenna Structures, Dept. of Electrical and Computer Eng., University of Syracuse, Tech. Rpt. No. 2, April 1976.

20. Франческетти Дж., Пинто И. Антенны с нелинейной нагрузкой. -В кн.: Нелинейные электромагнитные волны/ Под ред. Усленги П. - М. - Мир. - 1983. - С. 223-249.

21. Кузнецов А. С. Методы исследования эффекта нелинейного рассеяния электромагнитных волн / А. С. Кузнецов, Г. И. Кутин // Зарубежная радиоэлектроника. — 1985. — № 4. — С. 41-53.

22. Шифрин Я. С., Лучанинов А. И. Современное состояние теории антенн с нелинейными элементами// Изв. Вузов. Радиоэлектроника, 1996. Т. 39. №9-10. С. 4-16.

23. Kanda M. Analitical and Numerical Technique for Analysing an Electrically Short Dipole with Nonlinear Load// IEEE Trans. Antenna and Propag., 1980. V.AP-28. N1. PP.71-78. 30.Liu 46

24. T.K., Tesche F.M., Deadrick F.J. Transient Excitation of an Antenna with Nonlinear Load: Numerical and Experimental Results// IEEE Trans. on Antennas. and Propag., 1977. №7. PP.539-542.

25. Куликов Ю. М., Яшнов В. А. Труды Научной конференции по радиофизике, Анализ нелинейных рассеивателей на основе рядов Вольтерра, 2003. - C 102 - 103.

26. Zhang Zushun, Shen Can Моделирование нелинейных микроволновых цепей на основе баланса гармоник в частотной области// Dianil xucbao. Acto electron, sin., 1995. V.28. №3. PP.62-67.

27. Потапов Ю. Новый подход к моделированию нелинейных устройств. // Технологии в электронной промышленности, № 2'2010. С

50 - 52.

28. Петров Б.М. Электродинамика и распространение радиоволн. -М.:Радио и связь, 2000. C 19 - 34.

29. Петров Б.М., Семенихина Д.В., Панычев А.И. Эффект нелинейного рассеяния. Таганрог: ТРТУ. 1997. 202C.

30. Семенихина Д.В. Анализ электродинамических структур с нелинейными нагрузками// дис. доктора тех. наук.05.12.07 Таганрог -2000. 500 с.

31. Декало И.Э. Пространственно-временной спектр электромагнитного поля, рассеянного микрополосковой решеткой с нелинейными элементами.//В кн.: Труды XI Всероссийской школы-конференции по дифракции и распространению радиоволн.М.:МГУ,1998.С.199-200.

32. Демшевкий В.В. Параметрическое возбуждение бесконечной микрополосковой решетки с нестационарными нелинейными нагрузками : дис. кандидата технических наук : 05.12.07 / Таганрог -2014. 148 с.

33. Фельд Я.Н. Теоремы и задачи нестационарных процессов электродинамики// Радиотехника и электроника, 1993. Т.38. №1. С.38-48.

34. Касьянов А.О. Характеристики рассеяния микрополосковых отражательных антенных решеток с импедансными включениями // Научно-технический и теоретический журнал «Антенны», вып.4 (59), М.: ИПРЖР, 2002, с.23-28.

35. Касьянов А.О., Обуховец В.А., Загоровский В.И.

Электродинамический анализ многослойных микрополосковых отражательных антенных решеток // Научно-технический и теоретический журнал Антенны, вып.4 (59), М.: ИПРЖР, 2002, с.4-11.

36. M. Zhou, S. B. S0rensen1, O. S. Kim, S. Pivnenko, and G. Toso3 Investigations on accurate analysis of microstrip reflect array

37. Е.А. Литинская, С.В. Поленга, Ю.П. Саломатов, Разработка и исследование отражательной антенной решетки для сетей дуплексной спутниковой связи// Доклады ТУСУРа, № 2 (24), часть 1, декабрь 2011, с 214-218

38. Поленга С.В. Оптимизация характеристик микрополосковых отражательных антенных решеток / С.В. Поленга, Ю.П. Саломатов // Современные проблемы радиоэлектроники: сб. науч. тр. - Красноярск: ИПК СФУ, 2009. - С. 152-156.

39. Горбачев А. А., Колданов А. П. Методы зондирования электромагнитными волнами сред с нелинейными включениями в задачах поиска терпящих бедствие людей. - //Нелинейная радиолокация, том 1 № 1-2. - 2009 Новгород. - С 59 - 63

40. Шиндин А. В., Яшнов В. А. Экспериментальное исследование фрактальных нелинейных рассеивателей. - //Труды Научной к о нференци и по р адио физике, ННГУ, 2004. - С 70 - 71

41. Грецких Д.В., Гомозов А.В., Назаренко В.А., Ш.Ф.А. Алъ-Самарай. Методика расчета приемно-выпрямительных элементов ректенн систем беспроводной передачи энергии.// Авиационно-космическая техника и технология, 2011, №4(81), с. 94-105.

42. Веселаго В.Г. Электродинамика материалов с отрицательным коэффициентом преломления. - //Успехи физических наук - 2003. - Т 173. №7. - С 790 - 794.

43. Вендик И.Б., Вендик О.Г., Одит М.А. Изотропный метаматериал на основе сегнетокерамических сферических включений - // Физика твердого тела, 2009, том 51, вып. 8. - С 1499 - 1503.

44. S. Anantha Ramakrishna, Tomasz M. Grzegorczyk. Physics and Applications of Negative Refractive Index Materials. - Taylor & Francis Group - 2009.

45. S Anantha Ramakrishna. Physics of negative refractive index materials.// Department of Physics, Indian Institute of Technology, Kanpur 208 016, India. P.475. 2005

46. H.-M. Lee, H.-S. Lee. А metamaterial based microwave absorber composed of coplanar electric-field-coup-led resonator and wire array.// Progress In Electromagnetics Research C, Vol. 34, 111-121, 2013

47. Панченко Б.А.б Гизатуллин М.Г. Нано-антенны. Изд. Радиотехника - 2010 - С 13 - 16.

48. Richard W. ZIOLKOWSK. Metamaterial-Based Antennas: Research and Developments. - IEICE TRANS. ELECTRON., VOL.E89-C, NO.9 SEPTEMBER 2006. S. 1267-1274.

49. Марков Г.Т., Петров Б.М., Грудинская Г.П. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Сов. Радио. - 1979. 376с.

50. Иваненко Д., Соколов А. Классическая теория поля. Гостехиздат. 1951.

51. Тихонов А.Н., Свешников А.Г. Теория функций комплексного переменного. - М. - Наука. - 1979.

52. Марков Г.Т., Васильев Е.Н. Математические методы прикладной электродинамики. - М. - Советское радио. - 1970. - 120с.

53. Gans M.J. A General Proof of Floquet's Theorem. - IEEE Trans. Microwave Theory and Technics. - 1965. - V. 13. - № 3. - P. 384 - 385.

54. Галишникова Т.Н., Ильинский А.С. Численные методы в задачах дифракции. - М. - Изд-во МГУ. - 1987. - 208 с.

55. Григорьев А.Д. Методы вычислительной электродинамики. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2012. - С. 287-328.

56. Дручинин С.В. Критерий отсутствия искажений при решении интегрального уравнения электрического поля методом моментов. -Радиотехника и электроника. - 1995. - Вып. 12. - С. 1766 - 1777.

57. Depine, R. A. and A. Lakhtakia, \A new condition to identify isotropic dielectric-magnetic materials displaying negative phase velocity," Microwave Opt. Tech. Lett., Vol. 41, 315-316, 2004.

58. Флетчер К. Численные методы на основе метода Галёркина. — М.-Мир — 1988.

59. Шестопалов В.П. и др. Дифракция волн на решетках. Харьков. -Изд-во харьковского университета. - 1973. - 287с.

60. Broyden C.G. A new method of Solving Nonlinear Simultaneous Equations. - Computer J. - 1969. - V. 12. - № 1. - P. 94 - 99.

61. Broyden C.G. , Dennis J.E., More J.J. On the Local and Super Linear Convergence of Quasi - Newton Methods. - J.I.M.A.-1973. - N2. - P.223-246.