Влияние диэлектрического покрытия и плазмы на направленные свойства и коэффициент усиления щелевых антенн тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Аль-Абади Мохаммад Садон Мохаммад

• Аль-Абади Мохаммад Садон Мохаммад
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Аль-Абади Мохаммад Садон Мохаммад

Список основных обозначений

Введение

Глава 1 Обзор областей применения антенн с диэлектрическими

покрытиями и методы их исследования

1.1 Свойства плазменного антенного покрытия

1.2 Антенны с диэлектрическими покрытиями

1.3 Сферические щелевые антенны с диэлектрическими покрытиями

1.4 Выводы по главе

Глава 2 Разработка методики контроля параметров плазмы в слоистой

структуре, содержащей слой плазмы

2.1 Введение

2.2 Аналитическая модель

2.3 Модель плазменного слоя

2.4 Отражения в двухслойной системе

2.5 Исследование свойств плазмы с помощью макета слоистой среды

2.6 Выводы по главе

Глава 3 Сферическая щелевая антенна с однослойным

покрытием

3.1 Введение

3.2 Электродинамическая модель однослойной антенной системы

3.3 Основные соотношения

3.4 Представление диаграмма направленности

3.4.1 Свойства сферической щелевой антенны с однослойным диэлектрическим покрытием

3.4.2 Свойства сферической щелевой антенны с однослойным плазменным покрытием

3.5 Улучшение направленных свойств сферической щелевой

антенны с однослойным покрытием

3.5.1 Выбор радиуса антенны

3.5.2 Выбор толщины слоя делектрического покрытия

3.5.3 Выбор толщины слоя плазмы

3.5.4 Зависимость поля излучения от электронной плотности плазмы

3.6 Выводы по главе

Глава 4 Сферическая щелевая антенна с двухслойным

покрытием

4.1 Введение

4.2 Соотношения для диаграммы направленностисистемы с двухсслойным покрытием

4.3 Совместное влияние плазмы и диэлектрического покрытия на излучение антенны

4.4 Улучшение направленных свойств антенны

4.4.1 Выбор рабочей частоты

4.4.2 Выбор напряжения возбуждения щеля

4.4.3 Выбор местоположения щели

4.5 Выводы по главе

Заключение

Список использованной литературы

Список публикаций, отражающих основное содержание диссертации

Приложение

Список основных обозначений

(х,У,г) декартовая система координат

(гДр) сферическая система координат

) единичные орты сферических координат

ЕМ электромагнитные волны

ЭПР эффективная поверхность рассеивания

ИФУ Интегро-функциональные уравнения

п единичный вектор внешней нормали к поверхности

пе плотность электронов в плазме

X длина волны

и угловая частота

плазменная частота

е заряд электрона

те масса электрона

с скорость света

3 плотность тока

Е вектор напряженности электрического поля

Н вектор напряжённости магнитного поля

г радиус-вектор текущей точки наблюдения

Ч единичный орт радиуса-вектора точки наблюдения

£о диэлектрическая проницаемость свободного пространства

относительная диэлектрическая диэлектрическая проницаемость

диэлектрическая проницаемость плазмы

диэлектричесаяпроницаемость космического пространства

ёг комплексная диэлектрическая проницаемость

р. Г1ПС мощность падающей волны

Рг передаваемая мощность

р гаЬБ поглощенная мощность

Рг

О к к

^п(кг)

У(кг) Р™(соБв)

А, вп, вп

Уп Оп

т Та ТР

х) ДН

Р в)

отраженная мощность проводимость

постоянная распространения комплексная постоянная распространения сферическая функция Ганкеля сферическая функция Бесселя ассоциированный полином Лежандра коэффициенты сферических гармоник

волновое сопротивление внешнего пространства

коэффициент отражения сферической гармоники

коэффициент передачи сферической гармоники

коэффициент поглощения сферической гармоники

обобщенная отражательная способность радиус сферической щелевой антенны толщина слоя

толщина диэлектрического слоя

толщина плазменного слоя

дельта-функции Дирака

диаграмма направленности

диаграмма направленности электрического поля

Введение

Антенная техника, пройдя более чем столетний путь развития, продолжает развиваться и совершенствоваться, осваивая новые частотные диапазоны, объекты размещения, выполняемые функции. Значительную роль при этом играет и применение новых диэлектрических материалов, а в последнее время и плазмы. Среди специфичных материалов плазму можно выделить одним из особых. Плазма представляет собой электрически нейтральную газовую среду с достаточным количеством ионов и свободных электронов, существенно влияющих на распространение радиоволн. Примерами сред и объектов, содержащих плазму, являются: ионосфера, солнце, термоядерные реакторы. Из-за высокой концентрации свободных электронов по электрофизическим свойствам она похожа на металлы. Плазма появляется при газовом разряде в люминисцентных лампах. Электрофизические свойства плазмы характеризуются плазменной частотой (частотой колебаний электронов), определяющей её диэлектрическую проницаемость. Плазма в широком диапазоне частот имеет показатель преломления меньше единицы, а её проводимость, опредляющая мнимую часть диэлектрической проницаемости, при взаимодействии плазмы с электромагнитными волнами характеризуется тремя частотными областями:

• Область низких частот, где проводимость плазмы велика и плазма ведет себя как металлический проводник (особенно при высоких кинетических температурах).

• Область промежуточных частот, где плазма действует как волновод за пределами области отсечки, где волна не распространяется сквозь нее и отражается.

• Область высоких частот, где плазма становится диэлектриком с низкими потерями, из-за чего волны распространяются с небольшим затуханием.

Коэффициент отражения, коэффициент передачи и поглощающая способность зависят от плотности плазмы, частоты столкновений. Этими её

параметрами можно управлять, изменяя напряженность электрического поля, давление. Т. е. плазму можно рассматривать как материал с управляемыми электрофизическими параметрами. На этой основе недавно появидась новая разновидность технологии «Стелс». Плазма с большой частотой столкновений, имеющая комплексную диэлектрическую проницаемость, может использоваться в качестве хорошего поглотителя электромагнитных волн в широком диапазоне частот. Это поглощение приводит, с одной стороны, к уменьшению ЭПР (эффективной поверхности рассеивания). Кроме того, поглотитель из плазмы имеет несколько преимуществ, демонстрируя высокое затухание в широком диапазоне, относительную легкость включения и выключения при необходимост. При этом масса самой плазмы незначительна. Некоторые переспективы применение плазмы имеет и в антенной технике.

Существует множество типов антенн, используемых для разных целей, в том числе параболических, щелевых, решеточных, спиральных, петлевых, Удо-Яги, рогообразных и т.д.

Щелевая антенна имеет ряд преимуществ, таких как низкий профиль, конформность с различными поверхностями, высокая эффективность и простота изготовления. Эти характеристики делают её широко используемой во многих практических применениях. Щелевые антенны, установленные на самолетах, космических челноках и ракетах, покрыты материалами, имеющими дополнительные функциональные качества. Например, щелевая антенна космического челнока покрыта теплозащитной плиткой. В некоторых случаях покрытие может защитить щелевые антенны от окисления или повреждений. Кроме того, электрофизические свойства материалов конструкций и покрытий могут использоваться для дальнейшего контроля излучаемой мощности в качестве дополнительных степеней свободы. Поэтому проводятся обширные исследования по совершенствованию характеристик щелевых антенн. Вместе с тем исследование щелевых антенн в комплексе с конструктивными элементами, диэлектрическими покрытиями и, тем более, со слоем плазмы, встречает значительные трудности и число подобных исследований, несмотря на

значительную актуальность сравнительно невелико. Даже исследование влияния одного только слоя плазмы на работу антенны представляет собой сложную задачу. Можно получить решение этой задачи, полностью отвечающее всем практическим требованиям, с довольно серьезными материальными и временными затратами. На свойства антенны существенно влияет ее геометрическая форма, геометрические и электрофизические параметры окружающих элементов и среды распространения. При этом результат совместного дейсьвия всех этих факторов предсказать трудно, даже располагая знанием того, как влияет на работу антенны каждый отдельный фактор. Таким образом для изучения поведения антенны важно представлять её как систему, то есть как саму антенну и окружающую среду, включая диэлектрическое покрытие и слой плазмы. Это возможно сделать для системы с простой геометрической формой поверхностей, позволяющей разработку ее электродинамической модели. Разумно ограничиться простыми моделями, которые, с одной стороны, имеют прозрачную физическую интерпретацию результатов, а с другой стороны, пригодны для экстрополирования этих результатов на более сложные системы для понимания их работы и улучшения функциональных параметров.

Согласно этому в настоящей работе рассматривается система с двухслойымкусочно однородным покрыытием с постоянными электрическими параметрами, расположенным у поверхности идеально проводящейсферы с щелевым излучателем с синфазным возбуждением, т. е. как антенна с осевой симметрией геометрических параметров и полей возбуждения. Внешний слой представляет собой однородную плазму, а внутренний слой - диэлектрическое покрытие.

Модели могут быть построены с использованием различных методов. В данной работе для создания модели используется методинтегро-функциональных уравнений, поскольку этот метод имеет большую общность и может применяться даже для моделей с некоординатными границами. При исследовании влияния плазменного слоя на работу портативных антенн первостепенный интерес представляют поле в дальней зоне (диаграмма направленности) и поле вблизи

излучающего элемента (щели), которое определяет входное сопротивление антенны и ее согласование, то есть нас интересует поле, внешнее по отношению к плазме. Одной из особенностей метода интегрально-функциональных уравнений является возможность применять уравнение для внешнего поля, не включая поле внутри плазмы в число неизвестных. В этом случае размерность алгебраической системы вдвое меньше, чем у метода граничных условий полей. Однако поле внутри плазмы при необходдимости однозначно определяется по найденному внешнему полю с помощью вспомогательных интегральных соотношений. Другой особенностью метода интегро-функциональных уравнений является возможность использования отдедьно уравнения относительно электрического или магнитного поля. В данной работе самым простым по векторной структуре является магнитное поле, которое имеет только азимутальную составляющую. Это позволяет решить задачу в скалярной постановке.

Актуальность темы исследования. Щелевые антенны, устанавливаемые на самолетах, космических челноках и ракетах, имеют покрытия для герметичности, теплозащиты, защиты от окисления и других неблагоприятных воздействий. Электромагнитные свойства этих покрытий существенно влияют на характеристики направленности, согласование и коэффициент полезного действия антенны. Аналогичное действие на работу антенны оказывает плазма, которая может присутствовать на радиолинии в виде неоднородности, а в последнее время, использоваться в качестве средства маскировки в непосредственной близости прилегая к поверхности покрытия антенны. Все более актуальной становится задача не столько анализа влияния покрытия и плазмы на свойства уже спроектированной антенны, а проектирования антенной системы, состоящей из антенны, покрытия и плазмы, для достижения оптимальных характеристик этой системы.

Целью диссертационной работы является исследование влияния диэлектрического покрытия и плазмы на направленные свойства и коэффициент усиления антенной системы для улучшения её характеристик.

Для достижения этой цели в работе предполагается решение следующих

задач:

1. Разработка методики контроля параметров плазмы в слоистых структурах, содержащих слой плазмы.

2. Адаптация электродинамической модели для используемого диапазона параметров антенной системы.

3. Определение параметров антенной системы, влияющих на ее эксплуатационные свойства.

4. Исследование коструктивных параметров антенной системы (радиуса сферической щелевой антенны, толщины диэлектрического слоя и толщины плазменного слоя) для достижения максимального коэффициента усиления.

5. Исследование возможности улучшения работы антенны в нелинейном режиме при высокой плотности плазменного слоя.

Объектом исследования является антенная система, состоящая из сферической щелевой антенны, диэлектрического покрытия и слоя плазмы.

Предметом исследования являются направленные свойства, условия согласования, коэффициент усиления сферической щелевой антенны, покрытой слоем диэлектрического материала и слоем плазмы, с помощью электродинамической модели, полученной на основе метода интегро-функциональных уравнений, численно реализованной с использованием приложения МАШСАБ.

Основные выводы по диссертационной работе сформулированы в заключении.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. С помощью новой модели, не требующей матричного подхода и свободной от присущего ему накопления ошибок с ростом числа слоев рассчитаны коэффициенты отражения при распространении электромагнитных волн в плазме, в двухслойной и трехслойной средах, содержащих слой плазмы.

2. Осуществлена адаптация известной модели синфазной сферической щелевой антенны под однослойным диэлектрическим покрытием путем

включения дополнительного плазменного слоя для построения электродинамической модели антенной системы из щелевой сферической антенны, диэлектрического покрытия и слоя плазмы, поле которой представлено суммой волновых сферических гармоник. Для каждой гармоники получены соотношения для коэффициента отражения в диэлектрическом покрытии и коэффициента передачи во внешнее пространство через слой плазмы, позволяющие контролировать основные эксплуатационные параметры системы: согласование антенны, направленные свойства и коэффициент полезного действия с учетом потерь в диэлектрике и плазме. Разработанная модель позволяет подбором параметров добиваться оптимальных значений ее эксплуатационных характеристик.

3. Установлено, что в достаточно широкой полосе частот преобладает поле основной гармоники, что обеспечивает стабильность диаграммы направленности. Это позволяет использовать данную систему в качестве широкополосной антенны.

4. С учетом резонансных свойств антенной системы выявлены значения размеров ее элементов, вблизи которых достигается максимальный коэффициент усиления и направленность: радиус сферы щелевой антенны равен У2, толщина слоя плазмы или диэлектрического слоя составляет Ш0 - Х/6. Установлена возможность улучшения эффективности антенны путём использования нелинейных свойств (в частности, путем увеличения диэлектрической проницаемости) плазменного слоя.

Для теории значение данной работы состоит в том, что на основе разработанной в ней методики контроля параметров плазмы получила подтверждение применяемая теоретическая модель распространения волн в неоднородных средах и модель Друде электрофизических свойств плазмы для рассматриваемых диапазонов частот, размеров и параметров плазмы и диэлектрика.

Практическое значение заключается в том, что она открывает возможности проектирования антенных систем рассматриваемого вида с

высокими эксплуатационными характеристиками - коэффициентом усиления, режимом согласования.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 9 научных публикациях, включая 4 статьи в ведущих научных изданиях, входящих в перечень ВАК, 3 статьи в изданиях, цитируемых наукометрических базах Scopus и WoS, в том числе статью в журнале второго квартиля (Q2), 2 работы в материалах международных конференций.

Методы исследования. При решении поставленных задач использованы элементы теории антенн, численные методы электродинамического моделирования, а также экспериментальные методы.

Разработка программных средств осуществлялась с применением среды MATHCAD.

Личный вклад автора в получении результатов, изложенных в диссертации, определяется тем, что все экспериментальные и теоретические результаты получены лично автором при его определяющем участии.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние диэлектрического покрытия и плазмы на направленные свойства и коэффициент усиления щелевых антенн»

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях:

1. (ТТТ-2019) III Международная Научно-Техническая Конференция, "Отражение, поглощение и передачи микроволн плазменным слоем", Казань, Россия.

2. (ФИТПВП -2019) VI Международная Научно-Техническая Конференция, физика и технические приложения волновых процессов,"Частотная зависимость диаграммы направленности и уровня излучения изолированной сферической щелевой антенны, покрытой плазменным слоем", Казань, Россия.

3. (ICOASE-2019), International conference on Advanced Science and Engineering, "Radiation Pattern of Spherical Slotted Antenna Coated by Dielectric Material and Plasma", Zakho - Duhok, Iraq.

4. (SIBCON-2021), International Siberian Conference on control and communications, "The optimal excitation voltage for spherical slotted antenna coated by two layers of dielectric material and plasma", Kazan, Russia.

Соответствие диссертации научной специальности: Диссертация соответствует специальности 2.2.14 - Антенны, СВЧ-устройства и их технологии. Представленные в ней результаты соответствуют паспорту специальности: п. 2 «Исследование характеристик антенн и СВЧ-устройств для их оптимизации и модернизации.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Приведены коэффициенты отражения и передачи при распространении электромагнитных волн в плазме, в двухслойной и трехслойной средах, содержащих слой плазмы.

2. Определены параметры антенной системы, состоящей из щелевой сферической антенны, диэлектрического покрытия и слоя плазмы в режиме преобладания основной гармоники, обеспечивающие максимальный коэффициент усиления антенны.

3. Определены параметры антенной системы, оптимальные для достижения максимального коэффициента усиления.

4. Найдены характеристики антенной системы, улучшающие работу антенны при высокой плотности и большой диэлектрической проницаемости плазменного слоя.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования, сформулированы цель работы и задачи исследования, основные положения, выносимую на защиту, показана научная новизна и практическая значимость результатов работы.

В первой главе дан обзор областей применения антенн с диэлектрическими покрытиями, методов их исследования, включая области использования сферической щелевой антенны, покрытой слоями диэлектрического материала и плазмы антенн для летательных аппаратов, работающих в неоднородной среде.

Во второй главе с помощью электродинамической модели и приложения МЛТНСАО рассчитаны коэффициенты отражения, поглощенич и передачипри распространения электромагнитных волн в плазме, в двухслойной среде и в трехслойной среде, учитывающие электрофизические параметры слоев. Для проверки адекватности модели проведены эксперименты с использованием макета излюминесцентных ламп, содержащих плазму, как эквивалента трехслойной среды в виде слоя плазмы между слоями стекла.

В третьей главе исследуется влияние одиночного слоя диэлектрика или плазмы на работу сферической щелевой антенны. В случае, когда антенна покрыта слоем диэлектрика, было исследовано влияние частоты и толщины диэлектрика на диаграмму направленности. В случае покрытия антенны слоем плазмы было изучено влияние концентрации электронов плазмы, толщины слоя плазмы, а также размера антенны на её работу. В дополнение к этому, было проведено исследование работы антенны на частотах за пределами рабочего диапазона.

В четвертой главе рассмотрена антенная система, состощая из сферической щелевой антенны, диэлектрического слоя и слоя плазмы. Проводится сопоставление с результатами, полученными во второй главе. Антенная система исследовна и улучшена для получения высокой эффективности и возможности использования антенны в нелинейном режиме работы при высокой плотности плазмы и при различных её толщинах, рабочих частотах и напряжениях возбуждения.

Глава 1 Обзор областей применения антенн с диэлектрическими покрытиями и методы их исследования

1.1 Свойства плазменного антенного покрытия

Применение плазмы в антенной технике - относительно новое направление. Несколько авторов рассматривали распространение плоской волны в неоднородной плазме, свойства которой меняются в направлении распространения. Шокли и Хоу проиллюстрировали использование волновых матриц при выводе коэффициентов отражения и пропускания для ограниченного плазменного слоя [1]. Другой матричный метод, который оказался намного проще и намного быстрее, чем предыдущие методы, представлен в работе [2], где степень точности вычисленных комплексных коэффициентов пропускания и отражения зависит от количества пластин, выбранных для аппроксимации фактической электронной плотности и распределения частот столкновений.

Традиционно подходы к расчету коэффициентов пропускания и отражения и полей электромагнитной волны в намагниченном плазменном слое можно разделить на два вида. Один из подходов заключается в интегрировании системы обыкновенных дифференциальных уравнений с одной стороны слоя на другую (например, Pittway [3]; Чесселл [4, 5]; Миллер и Смит [6]). Второй подход заключается в разделении слоя на множество тонких слоев и расчета прохождения волнового поля через слой с использованием граничных условий на всех смежних границах слоев (например, Нюгрен [7, 8]). В 1991 году был представлен новый метод [9], основанный на решении системы обыкновенных дифференциальных уравнений как двухточечной краевой задачи. Особенность этого нового метода состоит в том, чтобы наложить ограничения на амплитуду и фазовые соотношения, которые удовлетворяютграничным условиям на обоих грпницах слоя.

Лонтано и Лунин (1991) предложили новую аналитическую процедуру для определения коэффициентов отражения и пропускания в плазме, основанную на

применении приближения Магнуса (приближение Магнуса было первоначально введено для изучения эволюции квантовых систем, описываемых во временной области).

В работе [10] отмечено, что изменение плазменной частоты показывает, что при низкой плазменной частоте коэффициенты пропускания и поглощения минимальны, а коэффициент отражения максимален.

Подтверждение обоснованности теоретического подхода и одновременно исследование границ его примененимости представлено в работе [11] на основе сравнения аналитических прогнозов, полученных с использованием приближения Магнуса, с точным решением полученного волнового уравнения, а также численно с помощью матричного метода Берремана. Сравнение позволило определить диапазон физических параметров, в которых различный порядок аппроксимации можно считать обоснованным. Более того, даже когда аналитический подход не может быть использован, все же можно получить коэффициенты отражения и пропускания электромагнитного поля через плазменный слой, используя матричный метод Берремана для прямого интегрирования уравнения распространения волны.

В работе [12] авторы в основном занимаются поиском подходящих режимов параметров плазмы, которые либо минимизируют отражение, либо максимизируют поглощение. Для расчета общей отраженной мощности плазма разделена на 12 слоев с постоянным значением плотности в каждом слое с четкими границами, разделяющими их. При этом общий профиль плотности аппроксимируется параболической кривой. С одной стороны, обнаружено, что у плазмы низкой плотности с высокой частотой столкновений отражение волны меньше. А высокая плотность и низкая частота столкновений довольно сильно увеличивает отражение и поглощение волны. Эти результаты показывают, что на практике намагниченная плазма может быть приспособлена как отражатель или поглотитель микроволнового излучения.

При взаимодействии микроволн с плазмой, генерируемой при атмосферном давлении [13], существуют два частотных диапазона, характеризующих этот тип

плазмы. Первый - это диапазон частот, в котором фазовая скорость и затухание волны увеличиваются с частотой. Второй - это диапазон, в котором фазовая скорость и затухание волны остаются постоянными. Также обнаружено, что для малая глубина проникновения наблюдается при плотности плазмы, близкой к значению 1013 см-3.

Результаты расчетов в работе [14] показывают значительное влияние напряженности магнитного поля и градиента плотности на поглощаемую мощность и полосу частот резонансного поглощения. Полный анализ с применением метода матрицы рассеивания используется для сравнения с результататами расчета, в которых пренебрегают многократными отражениями на границах слоев. Широкополосное поглощение электромагнитных волн может быть достигнуто путем изменения напряженности магнитного поля и плотности плазмы. Более 90% мощности электромагнитной волны может быть поглощено в намагниченном неоднородном плазменном слое толщиной 12 см, а ширина полосы поглощения может варьироваться от 1 до 20 ГГц при различных параметрах плазмы и напряженности внешнего магнитного поля.

В работе [15] показано, что плазма низкой плотности и при низкой частоте в значительной степени поглощает и передает энергию. Но поглощенная энергия уменьшается, а передаваемая энергия увеличивается при увеличении частоты плазмы. Отраженной энергией можно пренебречь, поскольку она меньше -60 дБ. Тем не менее, в плазме высокой плотности можно наблюдать, что на высокой частоте микроволновое излучение в значительной степени отражается (отраженная энергия превышает 95%). Поглощенная энергия очень мала и уменьшается при увеличении частоты плазмы. Переданная энергия близка к нулю. Кроме того, когда частота столкновений увеличивается, увеличивается передаваемая энергия и, а поглощенная и отраженная энергии уменьшаются. При наклонном падении с увеличением угла падения увеличивается передаваемая энергия, а поглощенная и отраженная соответственно уменьшаются. Следовательно, плазма низкой плотности являяется эффективным поглотителем для микроволнового излучения.

Эффективная поверхность рассеивания (ЭПР) - это мера способности зондируемого объекта отражать радиолокационные сигналы в направлении приемника. Радар обнаруживает цели путем оценки интенсивности, времени, фазового сдвига и направления потока энергии, возвращаемой в приемник, по сравнению с энергией, излучаемой передатчиком. ЭПР связано с отношением отраженной электромагнитной мощности к падающей. Следовательно, уменьшение ЭПР может быть достигнуто путем управления отражением от поверхности облучаемого объекта. Плазменная оболочка является одним из способов контроля отражений и, соответственно, ЭПР.

Видмар Р. Дж. [16] показал от каких параметров зависит поглощение электромагнитных волн и произвел оценки ЭПР раздичных объектов. Кроме того, он отметил снижение от 20 до 25 дБ ЭПР для системы-прототипа в радиолокационном диапазоне за счет намагниченной плазмы

Метод конечных разностей во временной области (FDTD) широко используется при решении электромагнитных задач, в том числе связанных с дисперсией в плазменных средах. При расчете ЭПР обратного рассеивания проводящего цилиндра, покрытого изменяющейся во времени неоднородной плазмой, ЭПР уменьшается с увеличением толщины плазмы [17]. Кроме того, на низких частотах плазма может увеличить ЭПР. Физически это можно объяснить тем, что плазма действует как фильтр верхних частот. А именно, частоты электромагнитных волн выше плазменной частоты составляют полосу пропускания, а частоты ниже плазменной частоты составляют полосу поглощения. Кроме того, ЭПР уменьшается с уменьшением времени релаксации в сравнительно широком частотном диапазоне. При более низкой плотности плазмы, меньше молекул поляризовано. Таким образом, поглощение слабее. Соответственно, когда плотность плазмы выше, поглощение становится довольно значительным.

В работе [18] установлено изменение направления распространения волн в области меньшей плотности плазмы, что играет важную роль в определении степени обратного рассеивания. В ней показано, что уменьшение сигнала

обратного рассеивания связано с двумя причинами. Первая - это поглощение, а вторая - изменение направления распространения волн, падающих и рассеиваемых из-за непрерывного изменения показателя преломления через плазму. Это имеет важное значение для применений плазмы для маскировки. До сих пор предполагалось, что поглощение плазмы является основным механизмом. Теперь становится ясным, что изменение направления распространения может фактически улучшить радиолокационное рассеивание в направлениях, отдичных от направления падения.

ЭПР плоской пластины, покрытой холодной неоднородной плазмой, было изучено в работе [19] с использованием трехмерного варианта метода FDTD для электромагнитных приложений. Плазменный кожух можно успешно использовать для уменьшения ЭПР плоской пластины практически при всех углах рассеяния, хотя при некоторых отдельных углах ЭПР может увеличиваться. Это новое расширение применения метода FDTD для расчета ЭПР объекта при разных направлениях зодирования и измерения отраженного поля, экранированного неоднородной плазмой на различных частотах.

Распространение электромагнитных волн через слой из неоднородной диссипативной бесстолкновительной плазмы, погруженной во внешнее постоянное магнитное поле, рассмотрено в работе [20]. Было обнаружено, что в неоднородной намагниченной пластине падающая волна полностью отражается в полосе частот с помощью подбора величины магнитного поля в определенных пределах. Угол падения и температура также влияют на прозрачность структуры. Кроме того, при наличии внешнего магнитного поля эта плазменыхная пластина может быть прозрачной, когда она облучается под особым углом падения волны.

1.2 Антенны с диэлектрическими покрытиями

Наружная поверхность космического аппарата и, соответственно, антенны покрыты слоем изоляционного материала для защиты внутренней аппаратуры от

чрезмерного нагрева при входе в атмосферу Земли с гиперзвуковыми скоростями и для защиты от других факторов [21].

В работе [22] рассматривается поглощающее покрытие, предназначенное для спиральных и рамочных антенн в зависимости от переменных показателей преломления для микроволновой области электромагнитного спектра, с использованием метода характеристических матриц. Показано, что при нормальном падении отражательная способность меди снижается с 17.38% до 0.1065% при покрытии двумя слоями MgO и ВеО в качестве материалов покрытия с низким и высоким индексами соответственно. Показано также, что коэффициент отражения увеличивается при смещении в сторону более коротких длин волн.

Значительное изменение диаграммы направленности, вызванное добавлением диэлектрического покрытия к щелевой цилиндрической антенне [23], заключается в усилении ее изрезанности. Физически можно предположить, что излучение от щели распространяется вокруг периферии цилиндра в обоих направлениях. Покрытие, по-видимому, в некоторой степени «захватывает» эти периферические поверхностные волны и, следовательно, усиливает картину стоячей волны. Единственным существенным эффектом увеличения размера цилиндра является увеличение количества осцилляций и некоторое уменьшение их величины.

Важной задачей является изучение влияния эксцентриситета между центром диэлектрического покрытия и центром проводящего цилиндра на характеристики антенны. Для изучения влияния эксцентриситета между этими двумя центрами, усиление антенны вдоль центрального угла нахождения щели рассчитывается по отношению к эксцентриситету при различных значениях диэлектрической проницаемости [24]. Установлено, что изменение усиления антенны при малых значениях диэлектрической проницаемости несущественно. Однако по мере того, как ее значение становится больше, усиление антенны увеличивается. Например, для значения равного 9 наблюдаются нестационарные явления: усиление антенны немного увеличивается на некоторый промежуток

времени по заданному направлению, а затем резко уменьшается. Эти результаты полезны по двум причинам. Во-первых, они дают максимальный допуск на эксцентриситет для тех, кто проектирует щелевые антенны с концентрической цилиндрической оболочкой. Во-вторых, это полезно для получения оптимальной конструкции, соответствующей требованию стабильности усиления.

В работе [25] исследована двухдиапазонная антенна, состоящая из двух излучающих щелей. Щели прорезаны на полой прямоугольной проводящей полости с питанием от L-зонда, которая покрыта защитным диэлектрическим слоем. Установлено, что частоты двух резонансных режимов можно регулировать независимо. Это значительно облегчает конструирование антенны.

Исследованы характеристики щелевой антенны на идеально проводящем эллиптическом цилиндре, покрытом неконфокальным диэлектриком [26]. Спроектированы, изготовлены и испытаны прототипы эллиптических щелевых антенн без покрытия и с диэлектрическим покрытием. Обнаружено, что диаграммы направленности излучения при наличии покрытия становятся более направленными. Щелевая антенна, покрытая метаматериалом с потерями, имеет более направленный луч с более низкими боковыми лепестками, чем антенна, покрытая обычным диэлектрическим материалом или метаматериалом без потерь [27]. Благодаря нанесению диэлектрического покрытия на щелевую антенну в стенке волновода при надлежащем выборе диэлектрической проницаемости слоя покрытия уровень боковых лепестков и взаимное влияние между элементами решетки антенны снижается [28].

Материал с высокой диэлектрической проницаемостью может быть использован для уменьшения размера диэлектрического резонатора за счет уменьшения ширины полосы по сравнению с широкополосной диэлектрической резонаторной антенной [29], где электрическое поле и распределение тока резонансных мод тщательно изучаются, чтобы понять их влияние на диаграмму направленности. Диэлектрический резонатор, частично покрытый металлом, может быть смоделирован как полость, имеющая идеально проводящие электрические и магнитные стенки на разных участках поверхности. Результаты

демонстрируют широкую полосу пропускания около 47%, в которой диаграмма направленности в горизонтальной плоскости является почти всенаправленной.

Наличие заземления в эллиптической антенне с осевой щелью, покрытой обычным диэлектриком или метаматериалом [30] приводит к снижению коэффициента усиления антенны по сравнению со случаем обычного диэлектрического покрытия, в то же время коэффициент усиления не изменяется, когда антенна покрыта метаматериалом. Видно также, что усиление возрастает с увеличением толщины.

В последнее время для систем беспроводной связи широко используются антенны с круговой поляризацией, поскольку они мало чувствительны к взаимной ориентации передатчика и приемника, чем антенны с линейной поляризацией. Новая двухдиапазоннаядвухщелевая антенна круговой поляризации [31] состоит из зональной щели и кольцевой щели, которые отвечают за нижнюю и верхнюю полосы антенны соответственно. Две щели прорезаны в проводящей полости с защитным диэлектрическим покрытием. Поскольку две частоты круговой поляризации независимы друг от друга, двухщелевую антенну легко настрамвать. Две прорези введены симметрично в зональной щели для возбуждения полей круговой поляризации в нижней полосе, тогда как три участка меандровой щели были использованы для асимметричного возбуждения кольцевой щели для генерации полей круговой поляризации в верхней полосе. Внутри полости расположен один L-зонд для одновременного возбуждения зональной и кольцевой щелей. Для каждой из щелей полное сопротивление и коэффициент эллиптичности могут быть легко настроены путем регулировки возбууждения щели, а коэффициент эллиптичности кольцевого паза относительно более чувствителен к изменениям параметров, чем у зональной щели. Кроме того, коэффициент отражения антенны является более стабильным, чем коэффициент эллиптичности и диаграмма направленности.

Поскольку реализация стандарта мобильной связи в одном устройстве всегда является целью инновации, она не только уменьшает количество устройств, работающих одновременно, но также включает простоту в

использовании и непрерывный мониторинг на всех частотах. Теперь наблюдателю за погодой не нужно носить метеорологический зонд, устройство передачи данных и GPS отдельно. Оператор судового радиолокатора может непрерывно наблюдать за погодой и местоположением судна одновременно.

В последние годы были предложены различные конструкции многоканальных щелевых антенн [32-39]. Двухдиапазонные функции щелевых антенн в работах [32-35] были получены путем травления нескольких узких щелей на основных плоскостях или нескольких заглушек на больших щелях, соответственно. Трехдиапазонные антенны в работах [36-39] реализуются с использованием трех прилегающих друг к другу пазов, выгравированных на заземляющих плоскостях, или нескольких заглушек на щелях соответственно. Среди этих трехдиапазонных щелевых антенн, антенна в работе [37] имела наименьшую излучающую апертуру 0,46Я^ х 0,2Лд (Лд - длина волны в волноводе), а антенна в работе [39] достигла наименьшего общего размера 0,44Л5 х 0.38Л5.

Электромагнитные параметры, такие как диэлектрическая проницаемость среды, волновое сопротивление являются основными факторами, которые влияют на распространение радиоволн и определяют коэффициент передачи и коэффициент затухания электромагнитной волны, тем самым определяя дисперсию и поглощение.

Характеристики распространения в многослойных диэлектрических периодических структурах на основе матричного подхода рассмотрены в [40]. Каждая диэлектрическая пластина состоит из однородного диэлектрика, который можно считать бесконечным вдоль поперечных координат. Подбирая набор таких пластин в пределах периода структуры можно управлять частотными характеристиками. Кроме того, наблюдается заметное изменение свойств структуры при введении диэлектрических слоев в элементарную ячейку. Рабочая точка может быть изменена, что позволяет возбуждать другие режимы. Конструкция устройств с прямоугольными периодическими решетками,

использующими несколько слоев на одну элементарную ячейку вместо двух, может смягчить конкретные требования к £Г1 (относительной диэлектрической проницаемости ьй диэлектрической пластины) для достижения требуемых характеристик.

Электромагнитные поля во внутреннем сферическом многослойном и внешнем свободном пространстве неоднородной плазменной анизотропной сферической структуры могут быть представлены в виде разложений по сферическим векторным волновым функциям [41]. Шар разделяется на ^ +1) однородных сферических слоев и центральную сферу, радиусы которых от внешнего к внутреннему обозначаются как а1.а2,..., а5, и где ^ +1) области обозначены, как область 0, область 1 , ... и область S. При этом область 0 (г > а1) и область S (г < а5) являются свободным пространством. Электромагнитные поля во внутреннем сферическом многослойном и внешнем свободном пространстве неоднородной плазменной анизотропной сферической структуры представлены в виде сферических векторных волновых функций в плазменной анизотропной среде. Решения получены в форме одннномерных интегральных представлений, удобных для численных оценок.

Метод преобразования полного сопротивления с несколькими диэлектриками используется для анализа распространения электромагнитных волн в многослойной структуре [42], где волна падает под углом в0 и круговой частотой ю из воздушной области на поверхность поглощающей структуры. Прозрачная пластина без потерь и согласующий слой расположены на каждой стороне плазмы. Чтобы получить достаточно большое поглощение волны, параметры плазмы должны соответствовать параметрам согласующего слоя. Кроме того, на затухание электромагнитной волны в структуре сильно влияют:

1) характеристики согласующего слоя;

2) толщина плазменного слоя;

3) параметры внешнего слоя;

4) электронная плотность плазмы;

5) частота столкновений между электронами и нейтронами.

Однако, когда плотность электронов увеличивается до определенного значения, отражение волны будет полным. Причина заключается в том, что с увеличением плотности частота плазмы увеличивается, а частота резонансного поглощения в диапазоне частот плазмы перемещается на более высокий уровень [43].

Для облегчения анализа частичного отражения, поглощения и пропускания в каждом из подслоев плазменного слоя применен новый аналитический метод для описания отражения, поглощения и пропускания неоднородного слоя плазмы, названный методом матрицы рассеяния [44], где неоднородная намагниченная плазменная обдасть моделируется рядом вспомогательных пластин. Каждый подслой имеет фиксированную электронную плотность. Общий профиль плотности по всем слоям соответствует любой встречающейся на практике функции распределения. Поскольку поле в каждом дочернем слое может быть представлено суммой отраженного и падающего компонентов, коэффициенты частичного отражения и передачи могут быть получены путем последовательного применения граничных условий на всех поверхностях раздела. Используя метод матрицы рассеивания, распространение электромагнитной волны в терагерцовом диапазоне в намагниченной плазме, неоднородной как по частоте столкновений, так и по плотности электронов, анализируется в работе [45]. Параметры электронной плотности, частота столкновений, толщина плазмы и электронная температура могут сильно влиять на спектры поглощения. Численные расчеты показали, что мощность поглощения ТГц-ой волны сильно зависит от этих параметров.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Аль-Абади Мохаммад Садон Мохаммад, 2022 год

Список использованной литературы

[1] T. D. Shockley, Jr. and M. L. Howe, "Transmission and reflection coefficients of a bounded plasma slab". IEEE, p. 320. 1965.

[2] Bein, G. "Plane wave transmission and reflection coefficients for lossy inhomogeneous plasmas". IEEE, p. 511-513. 1966.

[3] Pittway, M. L, "The numerical calculation of wave-fields, reflection coefficients and polarizations for long radio waves in the lower ionosphere, I, Philos. Trans. Soc., London, Set. A, vol.257, p.219-241, 1965.

[4] Chessell, C. I., The numerical calculations of reflection and transmission coefficients for thin highly ionized layers including the effect of the Earth's magnetic field, J. Atmos. Terr. Phys., vol.33, p.1515-1532, 1971.

[5] Chessell. C. I., "Results of numerical calculations of reflection and transmission coefficients for thin highly ionized layers and their application to Sporadic-E reflections", J. Atmos. Terr. Phys., vol.33, p.1803-1822, 1971.

[6] Miller, K. L. and L. G. Smith, "Reflection of radio waves by Sporadic-E layers", J. Atmos. Terr. Phys., vol.39, p.899- 911, 1977.

[7] T. Nygrén, "A simple method for obtaining reflection and transmission coefficients and fields for an electromagnetic wave in a horizontally stratified ionosphere", Planet. Space Sci., vol.29, p. 521-528, 1981.

[8] T. Nygrén, "A method of full wave analysis with improved stability", Planet. Space Sci., vol. 30, p.427-430, 1982.

[9] D. Y. Zhang, "A new method of calculating the transmission and reflection coefficients and fields in a magnetized plasma layer", Radio Science, vol.26, N.6, P. 1415-1418, 1991.

[10] Y. P. Singh; N. L. Varma, "Power reflection, transmission and absorption coefficients for a moving plasma slab", John Wiley and Sons, vol. 25, p.19-25, 1985.

[11] E. Busatti, A. Ciucci, M. De. Rosa, V. Palleschi, S. Rastelli, M. Lontano, N. Lunin, "Propagation of electromagnetic waves in inhomogeneous plasmas", IEEE, vol. 52, P. 443-456, 1994.

[12] MounirLaroussi, J. Reece Roth, "Numerical calculation of the reflection, absorption, and transmission of microwaves by a nonuniform plasma slab", IEEE, vol. 21, No. 4, p.366-372, 1993.

[13] MounirLaroussi, "Interaction of microwaves with atmospheric pressure plasmas", International journal of infrared and millimeter waves, vol 16, No. 12, p.2069-2083, 1995.

[14] D. L. Tang, A. P. Sun, X. M. Qiu, and Paul K. Chu, "Interaction of electromagnetic waves with a magnetized nonuniform plasma slab", IEEE, vol. 31, p.405-410, No. 3, 2003.

[15] Yan Yi, Su DongLin, "The reflection, transmission, and absorption of microwave in nonuniform plasma", IEEE, p.518-522, 2003.

[16] R. J. Vidmer, "On the use of atmospheric pressure plasma as electromagnetic reflectors and absorbers", IEEE Trans. Plasma Sci., vol.18, no. 2, pp. 733-741, Apr. 1990.

[17] Song Liu, Ping Wu, Shuangying Zhong, Shuyi Zhao, "Numerical calculation of the RCS of conductive objects covered with time-varying inhomogeneous plasma", IEEE, p.426-429, 2011.

[18] BhaskarChaudhury and ShashankChaturvedi, "Three-dimensional computation of reduction in radar cross section using plasma shielding", IEEE, vol.33, No.6, p.2027-2034, 2005.

[19] BhaskarChaudhury and ShashankChaturvedi, "Study and optimization of plasma-based radar cross section reduction using three-dimensional computations", vol.37, No.11, p.2116-2127, 2009.

[20] Bahram Jazi, ZeinabRahmani, and BabakShokri, "Reflection and absorption of electromagnetic wave propagation in an inhomogeneous dissipative magnetized plasma slab", IEEE, vol.41, No.2, p.290-295, 2013.

[21] Marion C. Bailey, "Design of dielectric-covered resonant slots in a rectangular waveguide", IEEE, vol.15, No. 5, p. 594-598, 1967.

[22] Ghasak T. Suhail and Saeed N. Turki, "Design and improve coatings for some antennas", IOSRJEN, vol.04, p. 50-56, 2014.

[23] James R. Wait and Walter Mientka, "Slotted-Cylinder antenna with a dielectric coating", Journal of research of the national bureau of standards, vol.58, No.6, p.287-296, 1957.

[24] H.A. Ragheb, E.E. Hassan, "Radiation characteristic of slots on conducting circular cylinder covered by eccentric dielectric cylinder", IEE, vol.142, No.2, p.168-172, 1995.

[25] B. Li, K. W. Leung, and Y. C. Or, "Dualband dielectric-covered slot antenna", IEEE, vol.55, p.1768-1773, 2007.

[26] Biglar N. Khatir and Abdel R. Sebak, "Radiation by a slotted conducting elliptic cylinder coated by a nonconfocal dielectric, IEEE, vol.60, No.11, p.5433-5436, 2012.

[27] A.-K. Hamid, "Study of lossy effects on the characteristics of axially slotted circular or elliptical cylindrical antennas coated with metamaterials", IEE, vol.152, No.6, p.485-490, 2005.

[28] Byung-Kwan Kim and Seong-Ook Park, "Efficient calculation of permeability and permittivity of coating layer on Leaky-Wave Slot Waveguide Antenna", IEEE, p. 518-522, 2003.

[29] Tze-Hsuan Chang and Jean-Fu Kiang, "Broadband dielectric resonator antenna with metal coating", IEEE, vol.55, No.5, p.1254-1259, 2007.

[30] A-K. Hamid, "Metamaterial coated slotted elliptic antenna embedded partially in a ground plane", IEEE, p.1-4, 2016.

[31] Yong Ding; Kwok Wa Leung, "Dual-band circularly polarized dual-slot antenna with a dielectric cover", IEEE, vol.57, No.12, p.3757-3764, 2009

[32] K. L. Wong, and L. C. Lee, "Multiband printed monopole slot antenna for WWAN operation in the laptop computer", IEEE, vol.57, No.2, P. 324-330, 2009.

[33] Y. Cao, B. Yuan, and G. F. Wang, "A compact multiband open-ended slot antenna for mobile handsets", IEEE, vol.10, P. 911-914, 2011.

[34] Y. C. Lu and Y. C. Lin, "A mode-based design method for dual-band and self-diplexing antennas using double T-stubs loaded aperture," IEEE, vol.60, No.12, P. 5596-5603, 2012.

[35] M. J. Chiang, S. Wang, and C. C. Hsu, "Compact multifrequency slot antenna design incorporating embedded arc-strip", IEEE, vol.11, P.834-837, 2012.

[36] A. P. Saghati, M. Azarmanesh, and R. Zaker, "A novel switchable singleandmultifrequency triple-slot antenna for 2.4-GHz bluetooth, 3.5-GHz WiMax, and 5.8-GHz WLAN", IEEE, vol.9, P. 534-537, 2010.

[37] J. H. Lu and B. J. Huang, "Planar compact slot antenna with multi-band operation for IEEE 802.16m application", IEEE, vol.61, No.3, P.1411-1414, 2013.

[38] L. Dang, Z. Y. Lei, Y. J. Xie, G. L. Ning, and J. Fan, "A compact microstrip slot triple-band antenna for WLAN/WiMAX applications", IEEE vol.9, P.1178-1181, 2010.

[39] W. Hu, Y. Z. Yin, P. Fei, and X. Yang, "Compact triband square-slot antenna with symmetrical L-Strips for WLAN/WiMAX applications", IEEE, vol.10, P.462-465, 2011.

[40] Crisostomo. J., Costa. W.A., Giarola. A.J., "Electromagnetic Wave Propagation in Multilayer Dielectric Periodic Structures", IEEE, vol.41, P. 1432-1438, 1993.

[41] You-Lin Geng, Xin-Bao Wu, Le-Wei Liand Bo-Ran Guan, "Electromagnetic scattering by an inhomogeneous plasma anisotropic sphere of multilayers", IEEE, vol.53, No.12, P.3982-3989, 2005.

[42] Cheng-Xun Yuan, Zhong-Xiang Zhou, Jingwen W. Zhang, Xiao-Li Xiang, Yue Feng, and Hong-Guo Sun, "Properties of propagation of electromagnetic wave in a multilayer radar-absorbing structure with plasma and radar absorbing material", IEEE, vol.39, No.9, P.1768-1775, 2011.

[43] B. Guo and X. G. Wang, "Power absorption of high-frequency electromagnetic waves in a partially ionized magnetized plasma," Phys. Plasmas, vol.12, No.8, P.084 506-1-084 506-4, 2005.

[44] Bin Jie Hu, Gang Wei, and Sheng Li Lai, "SMM analysis of reflection, absorption, and transmission from nonuniform magnetized plasma slab", IEEE, vol.27, No.4, P.1131-1136, 1999.

[45] Lin-Jing Guo, Li-Xin Guo, "propagation of electromagnetic wave in magnetized and non-uniform plasma", IEEE, P.238-241, 2016.

[46] B. DeWitt and W. Burnside, "Electromagnetic scattering by pyramidal and wedge absorber", IEEE, Vol.36, No.7, P.971-984, 1988.

[47] W. W. Salisbury, "Absorbent body for electromagnetic waves," U.S. Patent 2-599-944, 10, 1952.

[48] N. Engheta, "Thin absorbing screens using metamaterial surfaces", in Proc. IEEE, P.392-395, 2002.

[49] Edalati, A. and K. Sarabandi, "Wideband, wide angle, polarization independent RCS reduction using nonabsorptive miniaturized-element frequency selective surfaces", IEEE, Vol.62, P.747-754, 2014.

[50] AlirezaGhayekhloo, Ali Abdolali and Seyyed Hossein MohseniArmaki, "Observation of radar cross-section reduction using low-pressure plasma-arrayed coating structure", IEEE, P.1-8, 2017.

[51] Xiaojun Liu, Xinrong Shi, JinKe, Haitao Wang, "Radiation properties of microstrip patch antenna covered withan anisotropic dielectric layer and a plasma sheath", ELSEVIER, P.1770-1774, 2013.

[52] AlirezaGhayekhloo and Ali Abdolali, "Use of collisional plasma as an optimum lossy dielectric for wave absorption in planar layers, analysis, and application", IEEE, Vol.42, No.8, P.1999-2006, 2014.

[53] AlirezaGhayekhloo, Majid Afsahi, and Ali A. Orouji, "Checkerboard plasma electromagnetic surface for wideband and wide-angle bistatic radar cross section reduction", IEEE, P.1-7, 2017.

[54] Kwok Wa Leung, "Theory and experiment of a rectangular slot on a sphere", IEEE, Vol.46, No.12, P.2117-2123, 1998.

[55] Kwok Wa Leung, "Rectangular and zonal slots on a sphere with a backing shell: theory and experiment", IEEE, Vol.51, No.7, P. 1434-1442, 2003.

[56] S. L. Berdnik, V. A. Katrich, M. V. Nesterenko and Yu. M. Penkin, "Spherical antenna excited by a slot in an impedance end-wall of a rectangular waveguide", IEEE, P.111-114, 2013.

[57] S. L. Berdnik, V. S. Vasylkovskyi, M. V. Nesterenko and Yu. M. Penkin, "Radiation fields of the spherical slot antenna in material medium", IEEE, P.1-3, 2015.

[58] M. E. Mussler,"Cavity-backed slot antenna", U.S. Patent 4,733,245, Mar 22,

1988.

[59] G. S. Sanford,"Cavity-backed slot antenna", U.S. Patent 6,160,522, Dec 12,

2000.

[60] Y. Liu and Z. Shen, "A compact dual- and wideband cavity-backed slot subarray," IEEE, Vol.6, P.80-82, 2007.

[61] S. Yun, D. Kim and S. Nam, "Bandwidth enhancement of cavity-backed slot antenna using a via-hole above the slot," IEEE, Vol.11, P.1092-1095, 2012.

[62] Hu Yang, Junqi Lu, Chenglong Lin, Chongshuo Song, and Ge Gao, "Design of wideband cavity-backed slot antenna with multi-layer dielectric cover", IEEE, P.1-4, 2015.

[63] A.-K. Hamid, "Radiation by slotted elliptic antenna coated by lossy and lossless multi-dielectrics metamaterials", IEEE, P.511-514, 2008.

[64] R. A. Hurd, "Radiation patterns of a dielectric coated axially slotted cylinder" Canadian J. Phys., vol. 34, p. 638-642, 1956.

[65] C. M. Knop, "External admittance of an axial slot on a dielectric coated metal cylinder" Radio Sci., vol. 3, p. 803-818, 1968.

[66] L. Shafai, "Radiation from an axial slot antenna coated with a homogenous material" Canadian J.Phys., vol. 50, no. 23, 1972.

[67] J. Y. Wong, "Radiation pattern of slotted elliptic cylinder antenna" IEEE, vol. AP-3, p. 200-203, 1955.

[68] J. Y. Wong, "Radiation conductance of axial and transverse slots in cylinders of elliptical cross section," Proc. IRE, vol. 41, p. 1172-1177, 1953.

[69] J. H. Richmond, "Axial slot antenna on dielectric coated elliptic cylinder" IEEE, vol. AP-37, p. 1235-1241, 1989.

[70] H. A. Ragheb, A. Sebak, and L. Shafai, "Radiation by axial slots on dielectric coated nonconfocal conducting elliptic cylinder" IEE, vol. 143, no. 2, p. 124 -130, 1996.

[71] M.I. Hussein and A-K. Hamid, "Radiation characteristics of N axial slots on a conducting elliptical antenna coated by a lossy dielectric layer" Canadian Journal of Physics, vol. 82, no. 2, p. 141- 149, 2004.

[72] R. Ruppin, "Extinction properties of a sphere with negative permittivity and permeability" Solid State Communications, vol. 116, p. 411-415, 2000.

[73] N. Engheta, "An idea for thin subwavelength cavity resonators using metamaterials with negative permittivity and permeability", IEEE, vol. 1, p. 10-13, 2002.

[74] C. Li and Z. Shen, "Electromagnetic scattering by a conducting cylinder coated with metamaterials", Progress in Electromagnetics Research, PIER 42, p. 91105, 2003.

[75] D.R. Smith, S. Schultz, P. Markos, and C.M. Soukoulis, "Determination of effective permittivity and permeability of metamaterials from reflection and transmission coefficients", Physical Review B, vol. 65, p. 195104-(1-5), 2004.

[76] A.-K. Hamid, "Radiation by Slotted Elliptic Antenna Coated by Lossy and Lossless Multi-Dielectrics Metamaterials", IEEE. P.511-514., 2008.

[77] Karr P.R., "Radiation Properties of Spherical Antennas as a Function of the Location of the Driving Force", Res. Nat. Bur. Stand. 1951. Vol. 46. pp. 422-436.

[78] Mushiake, Y. and R. E. Webster, "Radiation characteristics withpower gain for slots on a sphere," IRE Trans. Antennas Propag., Vol. 5, No. 1, pp. 47-55, Jan. 1957.

[79] Kerker, M., "The Scattering of Light and Other ElectromagneticRadiation", Academic Press, New York, 1969.

[80] Towaij, S. J. and M. A. K. Hamid, "Diffractionby a multilayereddielectric-coated sphere with an azimuthal slot," Proc. IEEE, Vol. 119, 1209-1214, Sep. 1971.

[81] Shafai, L. and R. K. Chugh, "Resonance effects in slotted sphericalantennas coated with homogeneous materials," Can. J. Phys., Vol. 51, 2341-2346, 1973.

[82] M. Ng MouKehn, "spherical slotted antenna coated with double layer of materials having combinations of singly and doubly negative parameres and consequences of mode resonances", Progress in Electromagnetics Research, vol. 45, p.223-249, 2012.

[83] O.Sh. Dautov. Excitation of the one-dimensional inhomogeneous isotropic media by the monochromatic electromagnetic plane wave //Environ. Radioecol. Appl. Ecol., Vol. 13. No. 1. P. 16-29. 2007.

[84] Seshadri, S.R., "Fundamentals of Plasma Physics". P.545, American Elsevier Publisher, New York, 1973

[85] 2- Hema Singh, Simy Antony, Rakesh Mohan Jha, "Plasma-based Radar Cross Section Reduction", Springer Briefs in Electrical and Computer Engineering. 2016.

[86] H. Rishbeth, J. Atmos, "Semiannual and annual variations in the height of the ionospheric F2-peak", Solar-Terr. Phys. 63, P.285-299, 2001.

[87] Hitendra K. Malik and Anil K. Aria, "Microwave and plasma interaction in a rectangular waveguide: Effect of ponderomotive force", J. Appl. Phys., Vol. 13, P. 1091. 2013.

[88] Даутов О. Ш. Применение функциональных уравнений для решнния задач возбуждения диэлектрических тел // Сб. науч.- метод. статей по прикладной электродинамике Вып. 2. М: Высшаяшкола. 1978. С. 113 -120.

[89] M. A. Lieberman and A. J. Lichtenberg, Principles of Plasma Discharges and Materials Processing, John Wiley & Sons, 2005.

[90]. Балханов В.К., Башкуев Ю.Б., Ангархаева Л.Х. Пространственная характеристика функции ослабления на примере озера Сульфат Горный информационно-аналитический бюллетень, № 12, с. 281-285. 2015.

[91] Osman ShakirovichDautov, Mohammad Sadon AL-Abadi, Haidar N. Al-Anbagi. "New Proposed Spherical Slotted Antenna Covered by the Layers of Dielectric Material and Plasma", (IJECE). Vol. 10, No. 2, pp. 1728-1735, 2020.

[92] C. C. LlN, KCX-MU CHEN, "Improved Radiation from a Spherical AntennabyOverdense Plasma Coating", IEEE, pp. 674-678, 1969.

[93] ShuvashisDey, Nemai Chandra Karmakar., "Design of novel super wide band antenna close to the fundamentaldimension limit theory", SCIENTIFIC REPORT, Vol. 10, pp.163-178, 2020.

[94] E.V. Appleton, J.A. Ratcliffe, "On a Method of Determining the State of Polarization of down coming Wireless Waves", vol.117, P.576-588, Royal Society, 1928.

[95] Chen, F.F., "Introduction to plasma physics". New York: Plenum press, P.329, 1974.

[96] Seshadri, S.R., "Fundamentals of Plasma Physics". P.545, American Elsevier Publisher, New York, 1973

[97] Ginzburg, V.L., "Propagation of electromagnetic waves in plasma". New York: Gordon and Breach Science Publishers, P.822, 1961.

[98] J. P. Rybak and R. J. Churchill, "Progress in reentry communications," IEEE, vol. 7, pp. 879-894, 1971.

[99] V. L. Ginzberg, "The Propagation of Electromagnetic Waves in Plasma". New York: Pergammon, 1970.

[100] Lin-JinGuo, Li-Xin Guo, "Propagation of electromagnetic wave in a magnetized and non-uniform plasma", IEEE, P. 238-241, 2016.

[101] T. M. Smith, and K. E. Golden, "Radiation Patterns from a Slotted Cylinder Surrounded by a Plasma Sheath," IEEE, Vol.13, P. 775-780, 1965.

[102] Calvin T. Swift, "Radiation Patterns of a Slotted-cylinder Antenna in the Presence of an Inhomogeneous Lossy Plasma," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol.12, P. 728-738, 1964.

[103] Li Wei, QiuJinghui, Deng Weibo, Suo Ying, "Research on an Axially Slotted Cylinder Antenna Coated with Plasma Sheath", IEEE, 2008.

[104] M. Hussein, A. Sebak, and M. Hamid, "Scattering and coupling properties of a slotted elliptic cylinder," IEEE, vol. 36, No. 1, 1994.

[105] T. Hinata and H. Hosono, "Scattering of electromagnetic waves by an axially slotted conducting elliptic cylinder," IEEE, pp. 28-31, 1996.

[106] J. H. Richmond, "Axial slot antenna on dielectric-coated elliptic cylinder," IEEEvol. 37, No. 10, 1989.

[107] M. I. Hussein and A. K. Hamid, "Radiation by axial slot elliptical antenna coated by a lossy dielectric material," IEEE, pp. 146-149, 2003.

[108] M. I. Hussein and A. K. Hamid, "Radiation characteristics of axial slot antenna on a lossy dielectric-coated elliptic cylinder," Can. J.Phys., vol. 82, pp. 141— 149, 2004.

[109] B. N. Khatir and A. R. Sebak, "Slot antenna on a conducting elliptic cylinder coated by chiral media," Electromagnetics, vol. 29, no. 7, pp. 522-540, 2009.

[110] H. A. Ragheb, A. Sebak, and L. Shafai, "Radiation by axial slots on a dielectric-coated nonconfocal conducting elliptic cylinder", IEEE, vol. 143, no. 2, 1996.

[111] B. N. Khatir and A. R. Sebak, "Slot antenna on a conducting elliptic cylinder coated by nonconfocal chiral media", in proc. progr. Electromagn. Res., PIER 93, pp. 125-143, 2009.

[112] О.Ш. Даутов, Мохаммад, СадонАль-Абади. "Направленные свойства щелевой антенны с диэлектрическим покрытием на металической сфере в зависимости от частоты и параметров покрытия", Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева, № 4. pp. 172-177, 2018.

[113] О.Ш. Даутов, М.С. Аль-Абади, "Оптимальна условия для работы щелевой антенны на металической сфере под слоем плазмы", Научно-технический вестник Поволжья, №2. pp.55-60, 2019.

[114] O.Sh. Dautov, M. S. Al-abadi, Riyadh Khlf Ahmed, "Radiation Pattern of Spherical Slotted Antenna Coated by Dielectric Material and Plasma", IEEE, pp. 165169, 2019.

[115] Ekajit Khoomwong, Chuwong Phongcharoenpanich. "Analysis of an Arbitrarily Rotated Slot on a Conducting Spherical Cavity", IEEE, pp. 1-4, 2007.

[116] Г. Т. Марков, А. Ф. Чаплин., "Возбуждение электромагнитных волн", С.146, 1983.

[117] O. S. Dautov and M. S. Al-abadi, "The optimal excitation voltage for spherical slotted antenna coated by two layers of dielectric material and plasma," 2021 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON), pp. 1-6, 2021.

[118] О.Ш. Даутов, М.С. Аль-Абади, "Влияние рабочей частоты и толщины покрытия на характеристики изолированной сферической щелевой антенны в плазме". Вестник ПГТУ. № 1 (49). С. 31-39, 2021.

[119] О.Ш. Даутов, М. С. Аль-Абади, "Оптимальные условия для работы щелевой антенна на металлической сфере под слоем плазмы", Научно-технический вестник Поволжья, № 2, С. 55-60, 2019.

[120] М. С. Аль-Абади, "Методика контроля параметров плазмы для антенных измерений", Вестник ПГТУ, № 3 (51). С. 6-13, 2021.

Список публикаций, отражающих основное содержание диссертации

Научные статьи, опубликованные в ведущих ВАК:

1. О. Ш. Даутов, М. С. Аль-Абади, Напровленые свойства щелевой антенны с диэлектрическим покрытием на металлической сфере в зависимости от частоты и параметров покрытия. // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева, № 4, C. 172-177, 2018.

2. О.Ш. Даутов, М. С. Аль-Абади. Оптимальные условия для работы щелевой антенна на металлической сфере под слоем плазмы. // Научно-технический вестник Поволжья, № 2, C. 55-60, 2019.

3. О.Ш. Даутов, М.С. Аль-Абади, Влияние рабочей частоты и толщины покрытия на характеристики изолированной сферической щелевой антенны в плазме. // Вестник ПГТУ. № 1 (49). С. 31-39, 2021.

4. М. С. Аль-Абади, Методика контроля параметров плазмы для антенных измерений. // Вестник ПГТУ, № 3 (51). С. 6-13, 2021.

Публикации в других изданиях:

Публикации, индексированные в Scopus/WoS

5. O.Sh. Dautov, M. S. Al-abadi, Riyadh Khlf Ahmed., Radiation Pattern of Spherical Slotted Antenna Coated by Dielectric Material and Plasma. International Conference on Advanced Science and Engineering (ICOASE), Zakho - Duhok, Iraq. Р.165-169, 2019.

6. O.Sh. Dautov, M. S. Al-abadi, Haidar N. Al-Anbagi., New proposed spherical slotted antenna covered by the layers of dielectric material and plasma. XI International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE). No. 2, P. 1728-1735, 2020.

7. O.Sh. Dautov, M. S. Al-abadi., The optimal excitation voltage for spherical slotted antenna coated by two layers of dielectric material and plasma, International Siberian Conference on control and communications (SIBCON), Kazan, P. 1-6, 2021.

Публикации в Трудах Международных научно-технических конференций

8. М. С. Аль-Абади, О. Ш. Даутов., Отражение, поглощение и передачи микроволн плазменным слоем. XV Международная Научно-Техническая Конференция (ТТТ-2019), Казань.С. 454-457.

9. М. С. Аль-Абади., Частотная зависимость диаграммы направленности и уровня излучения изолированной сферической щелевой антенны, покрытой плазменным слоем. VI Международная Научно-Техническая Конференция, физика и технические приложения волновых процессов (ПРЭФЖС-2019), Казань. С. 65-68.

Приложение Список иллюстративного материала

Глава 2

Рисунок 2.1 Коэффициенты отраженная, поглощенная, перелачи по

мощности в зависимости от плотности электронов плазмы и частоты......... 39

Рисунок 2.2 Влияние изменения частоты падающего излучения на распространение плоской волны в двухслойных средах: а) аналитические

расчеты; б) результаты эксперимента......................................................... 40

Рисунок 2.3 Общий вид макета из плазменной решетка (положение ламп)... 43

Рисунок 2.4 Коэффициент отражения при выключенной плазме.............. 45

Рисунок 2.5 Коэффициент передачи при выключенной плазме................ 45

Рисунок 2.6 Коэффициент отражения при включенной плазме................ 46

Рисунок 2.7 Коэффициент передачи при включенной плазме.................. 47

Глава 3

Рисунок 3.1 Сферическая щелевая антенна с однослойным покрытием...... 50

Рисунок 3.2 Зависимость диаграммы направленности от частоты: при а -

1ГГц; б - 2 ГГц; в - 3 ГГц; г - 5 ГГц; д - 8 ГГц; е - 10 ГГц........................... 61

Рисунок 3.3 Зависимость диаграммы направленности от толщины диэлектрического покрытия: а - без покрытия; б - 2 см; в - 4 см; г - 5 см; д -

5.53 см; е - 6 см; ж - 8 см; з -10 см.................................................... 64

Рисунок 3.4 Зависимость диаграммы направленности от частоты: при а - 1

ГГц; б - 2 ГГц; в - 3 ГГц; г- 5 ГГц; д - 8 ГГц; е - 10 ГГц........................... 66

Рисунок 3.5 Зависимость диаграммы направленности от толщины плазменного слоя: а-без плазменного слоя; б - 2 см; в - 4 см; г - 5 см; д - 6 см;

; е - 8 см; ж - 10 см.............................................................................. 69

Рисунок 3.6 Влияние концентрации электронов в плазме в см-3 на диаграмму направленности при: а-1010; б- 1011; в-1012; г- 1013.............................. 71

Рисунок 3.7 Влияние концентрации электронов в плазме в см-3 на

диаграммунаправленности при: а- 0.99*1012; б- 1.1*1012............................. 72

Рисунок 3.8 Зависимость поля излучения от радиуса сферы при радиуса: а)

А; б) А/2; в) А/3; г) А/4............................................................................................. 75

Рисунок 3.9 Диаграмма направленности антенны при различных значениях

толщины (Тё) слоя диэлектрического материала.................................. 76

Рисунок 3.10 ДН при различных значениях толщины плазменного слоя (Тп) 77 Рисунок 3.11 Зависимость поля излучения от электронной плотности

плазмы при Пе: а- 1010; б- 1011; в-1012; г-1013; д-1014 см-3................................... 78

Рисунок 3.12 - Уровень ДН при различных значениях толщины плазменного

слоя (Тп).................................................................................................................. 80

Рисунок 3.13- Зависимость поля излучени, прошедшего через плазму, от электронной плотности плазмы пепри: а)1010; б)10п; в)1012; г)1013; д)1014 см-3.......................................................................................................................... 83

Глава 4

Рисунок 4.1 Сферическая щелевая антенна, покрытая двойным слоем......... 87

Рисунок 4.2 ДН при различных значениях концентрации плазмы (пе)........... 93

Рисунок 4.3 Коэффициенты отражения, пропускания и поглощения первой

гармоники при пе=1010см-3..................................................................... 94

Рисунок 4.4 Уровень ДН при общей толщине двух слоев при диэлектрическая проницаемость диэлектрика: а) 2, б) 3, в) 4, г) 5, д) 6, е) 7,

ж) 8.......................................................................................................................... 96

Рисунок 4.5Коэффициенты отражения, пропускания и поглощения при

Пе=1014 см-3.................................................................................................. 97

Рисунок 4.6 Уровень ДН при частоте 300 ГГц и плотность плазмы 1014см-3 .. 101 Рисунок 4.7 Коэффициенты отражения, передачи и поглощения первой

гармоники при частоте 300 ГГц и плотность плазмы 1014 см-3......................... 102

Рисунок 4.8 ДН при плотности плазмы: а) 1014 см-3; б) а) 1013 см-3............... 104

Рисунок 4.9 Радиационная проводимость С как функция в0 для нескольких

значений к0Я0.........................................................................................................

Рисунок 4.10 Диаграмма направленности сферической щелевой антенны...... 106

Рисунок 4.11 - Диаграмма сферической щелевой антенны, покрытой: а)

диэлектрическим слоем, б) слоем плазмы.................................................. 107

Рисунок 4.12 - Диаграмма сферической щелевой антенны, покрытой двумя

слоями диэлектрического материала и плазмы................................................... 107

Список таблиц

Глава 2

Таблица 2.1 - Частотная зависимость коэффициента отражения двухслойной системы из стекла и материала стекловолокна........................................... 41

Глава 3

Таблица 3.1- Зависимость уровень диаграммы направленности от антенной

частоты.......................................................................................... 67

Таблица 3.2 - Зависимость уровня диаграммы направленности от толщины

слоя................................................................................................................. 70

Таблица 3.3 - Зависимость уровнядиаграммы направленности от толщины

слоя диэлектрика.................................................................................. 79

Таблица 3.4 - Зависимость уровня диаграммы направленности от толщины плазменногослоя............................................................................... 81

Глава 4

Таблица 4.1- Оптимальная толщина диэлектрика при фиксированной

толщине плазмы................................................................................................... 98

Таблица 4.2- Уровень диаграмма направленности до и после после улучшения................................................................................................ 108