Возбуждение и рассеяние электромагнитных волн на нелинейных вибраторах, расположенных в слое диэлектрика на металле тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, кандидат технических наук Костюков, Владимир Александрович

• Костюков, Владимир Александрович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Костюков, Владимир Александрович

Введение.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Некоторые публикации по экспериментальному и теоретическому исследованиям эффекта нелинейного рассеяния (ЭНР).

1.2. Обзор методов теоретического анализа ЭНР.

1.3 Вопросы возбуждения и зондирования заглубленных нелинейных отражателей.

1.4. Выводы.

2. ВОЗБУЖДЕНИЕ И РАССЕЯНИЕ ПЛОСКОЙ ВОЛНЫ НА ТОНКИХ НЕЛИНЕЙНЫХ ВИБРАТОРАХ, РАСПОЛОЖЕННЫХ В СВОБОДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ.

2.1. Рассеяние бигармонического ЭМ поля на вибраторе с нелинейной нагрузкой.

2.1.1. Постановка задачи.

2.1.2. Решение задачи.

2.1.3. Численные результаты.

2.2. Рассеяние на двух параллельных вибраторах.

2.2.1. Постановка задачи.

2.2.2. Решение задачи.

2.3. Рассеяние на нескольких вибраторах, оси которых произвольно ориентированы на плоскости.

2.3.1. Постановка задачи.

2.3.2. Решение задачи.

2.4. Выводы.

3. ВОЗБУЖДЕНИЕ ЛИНЕЙНЫХ ВИБРАТОРОВ, РАСПОЛОЖЕННЫХ В ПЛОСКОМ ОДНОРОДНОМ СЛОЕ ДИЭЛЕКТРИКА НА МЕТАЛЛЕ.

3.1.Случай элементарного магнитного вибратора, параллельного границам раздела.

3.1.1. Обоснование возможности применения метода зеркальных источников.

3.1.2. Постановка задачи.

3.1.3. Решение задачи.

3.1.4. Проверка выполнения граничных условий.

3.1.5. Численные результаты.

3.2. Случай элементарного электрического вибратора, параллельного границам раздела.

3.2.1. Постановка задачи.

3.2.2. Решение задачи.

3.3. Случай симметричного вибратора конечных размеров, параллельного границам раздела.

3.4. Случай элементарного вибратора, нормального к границам раздела.

3.4.1 Постановка задачи.

3.4.2. Решение задачи.

3.5. Случай произвольно ориентированного электрического вибратора Герца.

3.5.1 Постановка задачи.

3.5.2. Решение задачи.

3.6. Выводы.

4. ВОЗБУЖДЕНИЕ И ЗОНДИРОВАНИЕ ПЛОСКОЙ ВОЛНОЙ НЕЛИНЕЙНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВИБРАТОРА В ПЛОСКОМ ОДНОРОДНОМ СЛОЕ ДИЭЛЕКТРИКА НА МЕТАЛЛЕ.

4.1. Случай нелинейного вибратора Герца (НВГ), параллельного границам раздела сред.

4.1.1. Задача возбуждения НВГ бигармонической ЭДС.

4.1.2. Задача зондирования НВГ, помещенного в слой диэлектрика на металле, плоской волной.

4.1.3 Характеристики рассеяния НВГ в слое диэлектрика на металле.

4.1.4. Матрицы рассеяния.

4.2. Случай НВГ с произвольно ориентированной осью.

4.3. Случай нелинейного электрического вибратора конечных размеров, параллельного границам раздела.

4.3.1. Применение метода интегрального уравнения относительно поверхностных токов на комбинационных частотах.

4.3.2. Применение метода зеркальных изображений.

4.4. Выводы.

5. ВОЗБУЖДЕНИЕ И ЗОНДИРОВАНИЕ ПЛОСКОЙ ВОЛНОЙ РЕШЕТКИ НЕЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВИБРАТОРОВ В ПЛОСКОМ ОДНОРОДНОМ СЛОЕ ДИЭЛЕКТРИКА НА МЕТАЛЛЕ.

5.1. Случай решетки из нелинейных электрических вибраторов, произвольно ориентированных на плоскости.

5.2. Случай конечной периодической решетки из НВГ.

5.2.1. Постановка задачи.

5.2.2. Решение задачи.

5.2.3. Численные результаты.

5.3. Случай бесконечной двумерной периодической решетки из НВГ.

5.4. Случай бесконечной одномерной периодической решетки из НВГ.

5.5. Случай конечной периодической решетки из нелинейных полуволновых вибраторов.

5.5.1. Постановка и решение задачи.

5.5.2. Результаты численных расчетов.

5.6. Выводы.

6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Возбуждение и рассеяние электромагнитных волн на нелинейных вибраторах, расположенных в слое диэлектрика на металле»

Актуальность исследования

Любая современная радиосистема включает устройства, содержащие объекты, обладающие нелинейными по электрическому полю свойствами. Такими объектами могут быть: нелинейные элементы в виде диодов, транзисторов, электронных ламп; сложные металлические конструкции, на поверхности которых неизбежны технологические образования типа сварных швов, клепаных соединений, контактов металл-изолятор (окисел, диэлектрик, зазор) - металл, корродированные области деформации в виде трещин.

При облучении таких объектов на одной (основной) частоте в силу нелинейности их ВАХ в спектре рассеянного поля будут содержаться составляющие, расположенные на гармониках основной частоты. Если же облучение ведется бигармоническим полем, то спектральные составляющие рассеянного поля расположены на комбинационных частотах [1]. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что интенсивность комбинационных составляющих существенно зависит от вида ВАХ, интенсивности, поляризации и направлений падения полей облучения (на одной основной частоте или на двух) и может быть сопоставима с интенсивностью поля облучения [1,2]. При определенных уровнях комбинационных составляющих рассеянного поля возможно их мешающее воздействие на другие элементы того же устройства или других устройств системы. Этот эффект может проявляться особенно сильно при близко расположенных радиотехнических устройствах, по крайней мере одно из которых обладает нелинейными элементами. Поскольку в большинстве случаев между такими устройствами необходимо обеспечивать электромагнитную развязку, то эффектом нелинейного рассеяния при их проектировании и эксплуатации нельзя пренебрегать. Поэтому важное значение имеет анализ радиотехнической системы на возможность появления продуктов нелинейного рассеяния при воздействии на такую систему гармонических и бигармонических полей различного вида.

Кроме учета мешающего воздействия эффекта нелинейного рассеяния на работу радиотехнической системы разработаны и разрабатываются возможности его практического использования. Приведем несколько примеров. Практика показывает, что избирательный прием спектральных составляющих, возникающих в результате рассеяния радиоволн объектом с локально нелинейными электромагнитными свойствами, открывает возможность успешного решения радиолокационных задач при наличии помех, обусловленных отражениями зондирующего сигнала от подстилающей поверхности и предметов окружающего пространства а также влиянием мешающих излучений различных радиоэлектронных устройств [3-5]. Объект, не содержащий каких-либо элементов с нелинейными характеристиками, не будет восприниматься приемником радиолокационной станции, настроенным на гармонику зондирующей волны, в виду отсутствия трансформации спектра падающего поля. Таким образом, отсутствие нелинейных эффектов у естественного фона позволяет регистрировать волны, возникающие вследствие ЭНР на объектах искусственного происхождения, находящихся в зоне локации.

Уже разработаны специальные приемо-передающие устройства, способные принимать сигналы на частоте одной из гармоник зондирующего сигнала [6] при облучении нелинейных рассеивателей.

Перспективными направлениями развития подобных устройств являются: создание локаторов ближнего действия для быстрого осмотра людей в аэропортах с целью обнаружения спрятанного оружия; применение нелинейных локаторов в системах предотвращения столкновений автомобилей; поиск скрытно установленных подслушивающих устройств, содержащих полупроводниковые приборы [2-5]. Радиотехнические устройства, принцип действия которых основан на ЭНР, могут применяться для исследования слоистых земных покровов при проведении геологической разведки рудных полезных ископаемых, а также для обнаружения невскрытых минных полей, бункеров и замаскированной военной техники, для слежения за движущимися объектами, на которых возникают случайные контакты электропроводящих элементов конструкций. Кроме того, прием сигнала на комбинационных частотах позволяет обнаружить скрытые дефекты тех промышленных изделий, где трудно, а порой и невозможно произвести проверку качества непосредственным образом при неразрушающем контроле, как, например, в пассивных радиокомпонентах (резисторах, конденсаторах) [2].

Разработаны также и пассивные устройства, предназначенные для нелинейного рассеяния зондирующего сигнала на частоте одного из нелинейных продуктов его преобразования на нелинейных элементах (НЭ) таких устройств. Пассивные нелинейные преобразователи включают в себя один или несколько НЭ, закрепленных на "несущей конструкции" - линейных по электрическому полю металлических и (или) диэлектрических отражателях, обладающих заданными направляющими свойствами па основной частоте и ее гармониках (либо на комбинационных частотах двух зондирующих сигналов, если предполагается бигармоническое воздействие). Например, регистрация волн, нелинейно рассеиваемых пассивными маркерами, входящими в комплект индивидуальной защиты, используется как средство для поиска альпинистов, погребенных под лавинами, при проведении спасательных мероприятий в горах, определения местонахождения раненых на поле боя [7,8].

Особо следует выделить задачу преобразования энергии высокочастотного падающего поля в энергию постоянного во времени поля. Указанное преобразование возможно при использовании нелинейных элементов с определенным типом ВАХ, допускающей появление в спектре рассеянного поля комбинационной составляющей на нулевой частоте (например, это справедливо для ВАХ, хорошо аппроксимируемых квадратичной параболой). Решение этой задачи откроет, по сути, новый источник энергии. Отметим, что уже появились разработки таких антенн, предназначенные для передачи СВЧ -лучом энергии летательным аппаратам [9].

В настоящее время активно ведутся исследования, связанные с разработкой сложных нелинейных плоскослоистых структур, способных управлять энергетическим спектром рассеянного поля путем осуществления модуляции отраженного на гармониках сигнала, приводящей к его усилению или ослаблению. Использование таких структур позволяет создавать искусственные субгармонические рассеиватели, применяемые как для имитации ложных радиолокационных целей, так и для обеспечения низкого уровня рассеянных ЭМ волн, что является эффективным способом снижения заметности защищаемых от средств радиолокационной разведки объектов [1].

Из сказанного следует, что актуальной задачей современной нелинейной радиолокации является анализ электродинамических свойств пассивных нелинейных отражателей, служащих элементами конструкций радиотехнических устройств. Необходимость такого анализа для разработки нелинейных приемо-передающих устройств связана с тем, что знание электродинамических свойств облучаемого объекта позволит правильно выбрать тип и подобрать параметры зондирующего сигнала для обеспечения достаточной интенсивности отраженной волны на заданной комбинационной частоте, обеспечив тем самым ее надежный прием.

В связи с этим актуальными являются постановка и решение задач возбуждения и зондирования нелинейных отражателей, помещенных в диэлектрический слой на металлической подложке. Как видно из предыдущего, успешное решение этих задач является теоретической базой, во-первых, для разработки специальных зондов для обнаружения нелинейных отражателей искусственного и естественного происхождения, заглубленных в грунт; во-вторых - для создания управляемых радиолокационных покрытий.

Цель дисссртациоииой работы

Целью диссертационной работы является разработка способов решения задач возбуждения и рассеяния ЭМ волн на решетках из нелинейных вибраторов, помещенных в плоский диэлектрический слой на металлической подложке, и получение новых знаний о распределениях спектральных составляющих возбуждаемых и рассеянных полей.

Задачи исследования

Задачами исследования являются:

- постановка и решение задач возбуждения нелинейного вибратора (содержащего нелинейную по электрическому полю область) и решеток таких вибраторов, помещенных в плоский однородный слой диэлектрика на металле. Получение численных данных по структурам полей, возбуждаемых на комбинационных частотах.

- постановка и решение задачи рассеяния плоской ЭМ волны (с произвольными направлением падения и поляризацией) на нелинейном вибраторе и решетке из таких вибраторов, помещенных в плоский однородный слой диэлектрика на металле. Рассмотрение аналогичной задачи рассеяния для решетки из полуволновых нелинейных вибраторов. Численное исследование указанных задач нелинейного рассеяния.

- проведение эксперимента по обнаружению комбинационных составляющих в спектре рассеянного поля при облучении нелинейного отражателя в виде эквидистантной решетки нелинейных полуволновых вибраторов, помещенных в слой диэлектрика.

Научная новизна и практическая ценность

Научная новизна проведенного исследования заключается в следующем:

- впервые поставлены и решены задачи возбуждения нелинейного по электрическому полю вибратора и решеток таких вибраторов, помещенных в плоский однородный слой диэлектрика на металле. Проведен численный анализ для частных случаев (нелинейных элементарных вибраторов и плоских периодических решеток из таких вибраторов);

- - впервые поставлены и решены задачи рассеяния плоской волны на нелинейном по электрическому полю вибраторе и решеток таких вибраторов, помещенных в плоский однородный слой диэлектрика на металле. Проведен численный анализ для частных случаев (нелинейных элементарных вибраторов и плоских периодических решеток из таких вибраторов).

Практическая ценность работы состоит в том, что па основе полученных аналитических решений разработаны и реализованы способы кисленного моделирования возбуждения и рассеяния ЭМ волн на исследованных нелинейных отражателях, являющихся одними из основных элементов перспективных на сегодняшний день управляемых радиолокационных покрытий. Кроме того, полученные аналитические и численные результаты могут быть применены для разработки нелинейных локаторов для зондирования заглубленных в диэлектрический слой (например, грунт) объектов с нелинейными по электрическому полю свойствами.

Результаты исследования использованы в

• НИР "Шаль", проводимой согласно постановлению Правительства РФ;

• г/б НИР № 11055, проводившейся в соответствии с тематическим планом

Таганрогского государственного радиотехнического университета;

• учебном процессе на каф. АиРПУ Таганрогского государственного радиотехнического университета.

Методы исследования

В работе используются такие известные методы, как:

- комплексных амплитуд для нелинейного случая [10-12] - используется при переходе от временной области к спектральной при анализе ЭНР на нелинейных отражателях;

- интегрального уравнения [1,10]- при решении задач возбуждения и рассеяния на нелинейных вибраторах и решеток из таких вибраторов, расположенных в свободном пространстве, а также при анализе рассеяния плоского поля на электрическом вибраторе конечных размеров с нелинейной по электрическому полю областью, заглубленном в слой диэлектрика на металле;

- метод зеркальных источников [13,14]- при решении задач возбуждения и зондирования нелинейных вибраторов, помещенных в слой диэлектрика на металле.

В настоящей работе предложен метод, позволяющий с помощью представлений о зеркальных источниках рассчитывать поля рассеяния от решеток тонких прямолинейных вибраторов с сосредоточенной областью нелинейности, помещенных в плоский однородный слой диэлектрика на металле. При этом делается допущение относительно малости комбинационных составляющих рассеянных полей по сравнению с уровнем зондирующего поля на основной частоте.

По заданному падающему полю ищутся сторонние электродвижущие силы, воздействующие на область нелинейности каждого из вибраторов, и далее решается система интегральных уравнений с заданными НГУ относительно комбинационных составляющих вторичных токов на плечах всех вибраторов (учитывая тем самым взаимодействие между вибраторами и между комбинационными составляющими их вторичных токов). Затем с помощью представлений о зеркальном изображении комбинационные составляющие напряжепностей искомого рассеянного поля представляются в виде бесконечных рядов по частичным полям построенной упорядоченной системы зеркальных источников. Полученные ряды достаточно быстро сходятся. Тем самым становится возможным решить задачу нелинейного рассеяния.

Заметим, что в приведенном методе промежуточным образом используется метод интегрального уравнения на основе заданных НГУ.

Достоверность и апробация диссертационной работы

Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, заключается, во-первых, в применении математических моделей, которые неоднократно применялись различными авторами и прошедших экспериментальную проверку на адекватность описываемым ими физическим процессам; использовании строгих методов решения электродинамических задач. Во-вторых, полученные численные результаты были качественно подтверждены экспериментом.

Результаты исследования докладывались на всероссийских, научно-практических и студенческих конференциях, проводившихся в Таганрогском государственном радиотехническом университете, в том числе:

• Всероссийская конференция "Излучение и рассеяние электромагнитных волн", Таганрог, 2003;

• Всероссийская конференция "Излучение и рассеяние электромагнитных волн", Таганрог, 2004;

• Всероссийская конференция "Излучение и рассеяние электромагнитных воли", Таганрог, 2005.

Основные результаты исследования опубликованы в работах [47] - [57].

Положения, выносимые па защиту

На защиту выносятся следующие положения:

• Решение задачи рассеяния плоской волны на нелинейном вибраторе Герца и решетках из таких вибраторов, расположенных в свободном пространстве;

• Разработка метода теоретического и численного анализов возбуждения и рассеяния ЭМ поля на нелинейном вибраторе Герца, расположенном в слое диэлектрика на металле;

• Применение разработанного метода для решения задач возбуждения и рассеяния ЭМ поля на эквидистантной решетке из нелинейных вибраторов Герца, расположенных в слое диэлектрика на металле; рассмотрение тем же методом аналогичной решетки полуволновых вибраторов;

• Проведение эксперимента по обнаружению комбинационных составляющих в спектре рассеянного поля при облучении нелинейного отражателя в виде решетки нелинейных полуволновых вибраторов, помещенных в слой диэлектрика.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Заключение диссертации по теме «Антенны, СВЧ устройства и их технологии», Костюков, Владимир Александрович

5.6. Выводы

Методом зеркальных источников решена в общем виде задача зондирования решетки из нескольких электрических вибраторов конечных размеров, помещенных в слой диэлектрика нам металле.

Решена задача зондирования плоской волной конечной двумерной периодической решетки из нелинейных вибраторов Герца, помещенной в слой диэлектрика на металле. В частности, получены следующие результаты:

• показано, что, если к каждому из вибраторов подводятся одинаковые ЭДС постоянного и переменного "смещений", то амплитудные распределения поверхностных токов на всех секторах (рис.5.4), каждый из которых соответствует одному из вибраторов, одинаковы; фазовые распределения этих токов в общем случае различны и на каждом секторе зависят от его номера (т.е. положения в решетке), комбинационной частоты и вида аппроксимирующего полинома ВАХ;

Тем самым установлена применимость известной теоремы Флоке (о решении дифференциальных уравнений с периодическими коэффициентами) в нелинейном случае, а именно: если имеется периодическая структура, каждый элемент которой содержит нелинейный излучатель, то при условии одинаковости всех нелинейных излучателей поле, возбуждаемое такой решеткой, полностью определяется на основе поля, порождаемого одним элементом решетки, вольтамперной характеристики каждого нелинейного объекта и геометрии решетки.

• получены выражения для составляющих вектора напряженности электрического поля на комбинационных частотах в зоне Фраунгофера решетки в виде суперпозиции неоднородных сферических волн;

• рассчитаны характеристики рассеяния.

Решена задача зондирования плоской волной бесконечной двумерной периодической решетки из нелинейных вибраторов Герца, помещенной в слой диэлектрика на металле для случая, когда направление падения плоской волны близко к нормальному. Показано, что поле рассеяния при этом есть суперпозиция счетной системы неоднородных плоских волн.

Решена задача зондирования плоской волной бесконечной прямолинейной периодической решетки из нелинейных вибраторов Герца, помещенной в слой диэлектрика на металле для случая, когда направление падения плоской волны перпендикулярно направлению периодичности решетки. Показано, что в пренебрежении всеми членами, убывающими с ростом сферической координаты R быстрее, чем R'312, рассеянное поле есть суперпозиция счетной системы неоднородных цилиндрических волн.

Рассмотрен случай конечной периодической решетки из нелинейных электрических полуволновых вибраторов. Показана применимость теоремы Флоке для данного случая.

6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для подтверждения теоретических и соответствующих им численных результатов был проведен эксперимент по обнаружению комбинационных составляющих в спектре рассеянного поля при облучении нелинейного отражателя в виде решетки нелинейных полуволновых вибраторов, помещенных в слой диэлектрика (е = 3) на металлической подложке, монохроматическим локально плоским полем частоты / = ЪГГц. К каждому нелинейному вибратору подводились постоянное и переменное частоты F = 40.545 кГц напряжения

На рис.6.1 показан вид макета. В разрез каждого вибратора включен коммутационный диод ГА501Д (германиевый кристалл, рабочее постоянное напряжение 0.3 В). Для равномерного питания диодов током с каждым из них включен последовательно резистор номиналом R = 2кОм. На рис.6.2 приведена схема питания макета.

Измерительный стенд состоит из приемной и передающей частей. В передающую часть входит СВЧ- генератор и рупорная передающая антенна (РПА) Юсл/ - диапазона. Приемная часть состоит из приемной рупорной антенны (РПрА) того же диапазона и анализатора спектра, индикатор которого позволяет визуализировать спектр принятого сигнала. Для того чтобы падающее на макет СВЧ- поле и принимаемое РПрА поле были максимальными, оси рупоров были ориентированы под углами 45° к нормали металлической подложки макета. Общая схема измерительной установки приведена на рис.6.3.

СВЧ- генератор настроен на частоту / = 3 ГГц. Расстояние от РПА до макета таково, что падающее на макет поле практически является локально плоским. Эффект нелинейного рассеяния приводит к тому, что в спектре отраженного поля в общем случае будут присутствовать комбинационные составляющие частот fmn =mf + nF, m,n = ±1,±2,±3,.

На рис.6.4-6.6 приведены основные результаты эксперимента. На рис.6.4 показан график зависимости относительного уровня сигнала на основной частоте U°0 = U"0 /U?0tmax, принятого приемной частью, от напряжения постоянного смещения U£0, подводимого к диодам макета. Из графика видно, что без смещения уровень Ux0 максимален; однако его можно заметно снизить минимум в два раза) путем управления по постоянному напряжению.

На рис.6.5 показаны спектрограммы, характеризующие уровни принятых составляющих на частотах fXiX, fx ±2 по отношению к основной составляющей на частоте / = 3 ГГц при четырех значениях напряжения постоянного смещения: U"0 =0.2,1, 5 и 10 В. При этом уровень низкочастотного сигнала, подводимого к макету, был равен UqX=5B. Из этих спектрограмм видно, что при значении постоянного напряжения порядка U^ = 0.2 В удается добиться для составляющей на частоте fx х - максимального уровня -12.7дБ, а для составляющей на частоте fx2

- максимального уровня -15.29дБ по отношению к основной. Этот результат хорошо согласуется с полученными теоретически (см. подраздел 5.5) уровнями комбинационных составляющих рассеянных полей при зондировании решетки нелинейных полуволновых вибраторов, расположенных в слое диэлектрика на металле: -20дб для составляющей на частоте fx2 по отношению к составляющей на основной частоте в дальней зоне отражателя.

На рис.б.ба показан график зависимости относительного уровня сигнала на основной частоте UXOllopM = Uxo /UXI„>П1ах, принятого приемной частью, от амплитуды напряжения переменного смещения f/jJJ, подводимого к диодам макета; на рис.6.66 показана аналогичная зависимость для относительного уровня комбинационной составляющей на частоте fxx.

Из последних графиков видно, что, изменяя мощность подводимого низкочастотного сигнала, можно управлять уровнями принимаемых сигналов Uxo и Uxx.

Таким образом, экспериментальные результаты качественно подтверждают теоретические. U

Рис.6.2 - Схема питания макета

Исследуемый

КВП

РПА

Анализатор спектра

Источник л постоянного t^s/N. п тока рпрд/

СВЧ-генератор КВП

ВЧ - генератор

Рис.6.3 - Схема измерительного стенда

TTa ITТа 207

10 ' 10, max

1 i г i—I—I—I i—Г i—i—Г

0.5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 IQ,B

Рис.6.4. Зависимость относительного уровня сигнала основной частоты, принятого анализатором спектра, от напряжения постоянного смещения, подводимого к макету

0 дБ

-15,29

-12,7

0 дБ

-12,7

-15,29 fi,-2 f\,-\ /-3 /ц /12 <у/27т,ГГц а) при Uо"0 = 0.25 к

-15,8 -15,8

-17,29 1 -17,29 :-i-► б) при U& = 1В

J к ОдБ - L

ОдБ -

-20'3 "f 1 -20,3 1 -22 1 1 ООО-30,3 -32,3 ' 1 1 -30,3 „„„ , -32,3 -1-JL

Л-2 Л-1 /~3 fn f\2 бу/2л-,ГГц в) при Uq0 = 5В f\,-2 f\-\ f -3 fw fn бУ/2л-,ГГц Г) при и^=\0В

Рис.6.5. Уровни составляющих на частотах fiiV f^ по отношению к основной составляющей, дБ

If /иа u\0' lQmax

• • • •

• • •

• •

1—I—I—Г

1 I г

1 I I г

1—I-1-г

0.5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20^01'^ jja ,jja a) u\ 1' u\ Li

1 l,max

• . . •

Л I I I I I I I \ I I I I I I I I I I 05 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Uq19B

6)

Рис.6.6. Зависимость уровней принятых анализатором спектра сигналов на частотах fifi, /хлх от амплитуды напряжения переменного смещения, подводимого к макету

Заключение

В результате проделанной работы получены следующие результаты:

1. Поставлена и решена задача рассеяния бигармонической плоской волны на нелинейном тонком электрическом вибраторе. Получено общее интегральное уравнение относительно комбинационных составляющих плотности вторичного тока на плечах вибратора. Проведено численное исследование для случая идеальной ЭДС.

2. Рассмотрен случай решетки из произвольно ориентированных на плоскости тонких электрических нелинейных вибраторов. Решена задача рассеяния плоской бигармонической волны на такой решетке в пренебрежении взаимодействием между вибраторами. Получена система интегральных уравнений относительно спектральных составляющих вторичных токов на плечах вибраторов. Даны рекомендации по численному решению такой системы.

3. Поставлена задача возбуждения линейного вибратора Герца, расположенного в плоском однородном слое диэлектрика на металлической подложке.

Также рассмотрен случай возбуждения линейного элементарного магнитного вибратора, расположенного в слое диэлектрика на металле. Получены численные результаты.

4. Поставлена и решена задача возбуждения электрического вибратора конечных размеров, расположенного в плоском слое диэлектрика на металле.

5. Поставлена и решена задача возбуждения нелинейного вибратора Герца в слое диэлектрика на металле.

Решена задача рассеяния плоской волны на нелинейном вибраторе Герца, расположенном в слое диэлектрика на металле. Получены численные результаты.

6. Поставлена задача возбуждения эквидистантной плоской решетки из нелинейных вибраторов Герца, расположенной в слое диэлектрика на металле. Получены характеристики направленности и матрица рассеяния на комбинационных частотах. Проведены численные расчеты.

7. Поставлена и решена в первом приближении задача рассеяния плоской ЭМ волны на эквидистантной решетке из полуволновых (для падающего поля) электрических нелинейных вибраторов, помещенных в плоский слой диэлектрика на металлической подложке.

8. Проведен эксперимент по исследованию ЭНР на эквидистантной решетке полуволновых вибраторов, расположенных в слое диэлектрика на металле. Результаты эксперимента качественно согласуются с проведенными для соответствующей решетки расчетами.

Перспективными направлениями дальнейших исследований могут быть:

1. Более подробно численно проанализировать задачу рассеяния пункта 6.

2. Решить задачи, аналогичные описанным в пунктах 1 и 5, но для случая реальной ЭДС. Возможные проблемы здесь связаны только с большим объемом численных расчетов. Поэтому для каждой конкретной задачи необходимо разработать алгоритм, сочетающий в себе оптимальным образом два противоречивых требования: точность расчетов и приемлемый объем вычислений.

3. Для пунктов 2 и 6 решить соответствующие задачи для случая реальной ЭДС и с учетом взаимодействия между вибраторами решетки.

4. Более тщательно проанализировать влияние видов ВАХ на поля рассеяния для задач пунктов 1-6. Решить обратную задачу: задаваясь уровнем интересующей комбинационной составляющей по отношению к составляющей на основной частоте в данной области точек наблюдения, определить вид ВАХ нелинейного элемента, который бы обеспечил оптимальное в некотором смысле приближение к поставленным требованиям для уровня данной составляющей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Костюков, Владимир Александрович, 2006 год

1. Петров Б.М., Семенихина Д.В., Панычев А.И. Эффект нелинейного рассеяния: Монография. Таганрог: ТРТУ, 1997.202 с.

2. Васенкова JT.B., Горбачев А.А. Рассеяние высших гармоник статической системы нелинейных рассеивателей // Известия вузов. Радиофизика. 1995. т.38, №7, с.743-747.

3. Штейншлейгер В.Б., Мисежников Г.С. Нелинейное рассеяние радиоволн металлическими объектами.//Успехи физических наук. 1984, т.142, №1, с.131-145.

4. Разиньков С.Н. Математическое моделирование нелинейного рассеяния электромагнитных волн в радиолокации.// Зарубежная радиоэлектроника. 1997, №1, с.87-96.

5. Горбачев А.А., Ларцов С.В., Тараканков С.П., Чигин Е.П. О влиянии некоторых факторов на нелинейное рассеяние электромагнитных волн структурами с несовершенными металлическими контактами// Радиотехника и электроника, 1997, №7, т.42.- С.782-784.

6. Штейншлейгер В.Б., Мисежников Г.С. Способ дистанционного обнаружения предметов, скрытых под одеждой людей, и устройство для его осуществления. А.с. №970109609/09. Б.И. 1999, №17, ч.1, с.204.

7. Горбачев А.А., Данилов В.И., Чигин Е.П., Васенков А.А. Обнаружение нелинейных рассеивателей при проведении поисковых работ // Радиотехника и электроника. 1996. -т.41. -№8.-с.951-953.

8. Ларцов С.В. О возможности применения нелинейных рассеивателей для спасения жертв кораблекрушений // Труды 4-й международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация и связь", Воронеж, 1998, т.2, с. 1185-1190.

9. Петров Б.М. Нелинейные граничные условия // Изв. Вузов. Радиоэлектроника. 1992, т.35, №3, с.ЗО.

10. Петров Б.М. Система интегральных уравнений комбинационных составляющих тока нелинейного тонкого вибратора / в кн.: Излучение и рассеяние электромагнитных волн. -М.: Радиотехника, 2005. с. 26-30.

11. Морс Ф.М., Фешбах Г. Методы теоретической физики. М: Из-во ИЛт. 1958. - т.1.

12. Г.Т. Марков, А.Ф. Чаплин. Возбуждение электромагнитных воли. М.: Радио и связь, 1983.-296с., ил.

13. Горбачев А.А., Ларцов С.В., Тараканков С.П. Измерение характеристик объектов, нелинейно рассеивающих ЭМ волны.// Радиотехника и электроника.-2001.- т.46.- №6 -с.659-665.

14. Вернигоров Н.С. Процесс нелинейного преобразования и рассеяния электромагнитного поля электрически нелинейными объектами // Радиотехника и электроника, 1997, №10, т.42.- С.1181-1185.

15. Маюнов А. Т., Михайлов Г. Д., Разиньков С. Н. Основы технического облика нелинейного эталонного отражателя // Измерительная техника — 1997.— № 12.— С. 3538.

16. Ларцов С.В. Расширенная поляризационная матрица при нелинейном рассеянии // Радиотехника и электроника, 1998. Т.43. №2. С.180-184.

17. Михайлов Г.Д. Усиление третьей гармоники электромагнитной волны при отражении от плоскослоистой среды // Радиотехника и электроника. 1988. №8. с. 1770-1773.

18. Горбачев А.А., Заборонкова Т.М., Тараканков С.П. Влияние границы раздела двух сред на структуру электромагнитного поля, рассеянного нелинейной полуволновой рамкой // Радиофизика. 1995. - т.38. - №9. - с.961-968.

19. Михайлов Г.Д., Разиньков С.Н., Гайворонская С.А. Рассеяние электромагнитных волн заглубленной круговой рамкой, нагруженной полупроводниковыми диодами // Радиоэлектроника, 1998, №10, с.43-49.

20. Петров Б.М. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Радио и связь 2000 г., 559 с.

21. Auzanneau, F. and Ziolkowski, R.W. Microwave Signal Rectificatuon Using Artificial Composite Materials Composed of Diode Loaded, Electricaly Small Dipole Antennas, IEEE Trans. MTT. November 1998, vol. MTT-46, no. 11, pp. 1628-1637.

22. Tretyakov, S.A., Kharina, T.G., Maslovski, S.I., et al., Artificial Composite Materials and thinLayers with Active Inclusions, Proceedings of Int. Conf. on Electromagnetics inAdvenced Applications (ICEAA'99). Sept. 13-17,1999, Torino. Italy, pp. 35-38.

23. Розанов K.H., Преображенский E.A. Применение нелинейных и активных материалов для создания широкополосных радиопоглотителей / Успехи современной радиоэлектроники. 2003, №3, с.26-39.

24. Розанов К.Н. Фундаментальное ограничение для ширины рабочего диапазона радиопоглощающих покрытий. Радиотехника и электроника, 1999, т.44, №5, с.526-530.

25. Shih, R., Fetterman, H.R., Но, W.W., et al. Microwave Phase Conjugation in a Liquid Suspension of Elongated Microparticles, Phys. Rev. Lett., 1990, vol. 65, no. 5, pp. 579-582.

26. Астапенко Ф.П., Михайлов Г.Д., Ушаков Д.М. Анализ электродинамических характеристик управляемой плоскослоистой структуры. // В. кн. "Распространение и дифракция электромагнитных волн в неоднородных средах", М.: РНТО РЭС им. А.С. Попова, 1992.

27. Астапенко Ф.П., Михайлов Г.Д. Методика расчета управляемых покрытий, предназначенных для создания пассивных средств защиты ВВТ от высокоточного оружия. // Воронеж, вч 33872, Научно-методический сборник, 1993.

28. Бодров В.В. Разработка алгоритмов расчета электромагнитных полей устройств СВЧ. М.: Моск. энерг. ин-т, 1986, 56с.

29. Чебышев В.В. Микрополосковые антенные решетки в слоистых средах. М.: "Радиотехника" 2003 г.

30. Г.Т. Марков, Д.М. Сазонов. Антенны. М.: Энергия, 1975.- 523с.

31. Р.С. Гутер, Кудрявцев Л.Д., Левитан Б.М. Элементы теории функций. М.: Физматгиз, 1963.-244с.

32. Левитан Б.М. Почти-периодические функции.-М.:ГИТТЛ.-1953.-396 с.

33. Соболев С.Л. Уравнения математической физики М.: Наука.-1966.- 443с.

34. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. -М.: Наука, 1984.-831с.

35. Вычислительные методы в электродинамике. Под ред. Митры, М.:Мир.- 1977.- 485 с.

36. Кобак В.О. Радиолокационные отражатели М.: Сов. радио.-1975. - 248с.

37. Никольский В.В. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Наука. 1978. -544 е., илл.

38. Степаненков М.А. Возбуждение нелинейно нагруженного вибратора идеальной ЭДС. // Труды Международной конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн»

39. ИРЭМВ 2003). Таганрог.:2004.-е. 175-181.

40. Вайнштейн Л.А. Электромагнитные волны. М.: "Радио и связь", 1988. - 440с.

41. Пересада В.П. Радиолокационная видимость морских объектов. Л.: Судпромгиз, 1961,- 159с.

42. Тамм И.Е. Основы теории электричества. М.: Наука. 1989 - 504с.

43. Канторович Л.В., Крылов В.И. Приближенные методы высшего анализа. М.: Госуд. из-во технико-теоретической литературы, 1952 -695с.

44. Федорюк М.В. Метод перевала. М.: Наука, 1977. — 368с.

45. Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Методы теории функций комплексного переменного. М.: Физматгиз. 1958. - 678с.

46. Петров Б.М., Костюков В.А. Рассеяние бигармонического ЭМ поля на вибраторе с нелинейной нагрузкой. // Межведомственный сборник научно-технических статей «Рассеяние электромагнитных волн», выпуск 13- Таганрог.:2004.-с. 182-190.

47. Костюков В.А. Зондирование нелинейного вибратора, расположенного под поверхностью раздела сред. // Межведомственный сборник научно-технических статей «Рассеяние электромагнитных волн», выпуск 13 Таганрог.:2004-с. 191-197.

48. Петров Б.М., Костюков В.А. Зондирование нелинейного вибратора, расположенного под поверхностью раздела сред. // Межвузовский сборник научных трудов "Методы и устройства передачи и обработки информации". С-П.: Гидрометеоиздат, 2004, с. 1824.

49. Петров Б.М., Костюков В.А. Рассеяние бигармонического ЭМ поля на вибраторе с нелинейной нагрузкой. // Вопросы специальной радиоэлектроники. Выпуск 1. Москва-Таганрог, 2004. с. 183-194.

50. Петров Б.М., Костюков В.А. Зондирование нелинейного вибратора, расположенного в слое диэлектрика на металле // Труды Международной конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн» (ИРЭМВ 2005). Таганрог.:2005 -с.204-209.

51. Костюков В.А., Петров Б.М. Возбуждение нелинейного вибратора Герца в слое диэлектрика на металле.// Известия вузов. Радиоэлектроника, 2006, №2.

52. Измерение вольтамперных характеристик материалов на основе анилина и когереров. Отчет о х./д. НИР (промежуточный). Рук. д.т.н., проф. Петров Б.М. Таганрог, 2002 г. 293302 с.

53. Расчет отражателя в виде решетки нелинейных вибраторов, расположенных под границей раздела сред. Отчет по х./д. НИР (промежуточный). Рук. д.т.н., проф. Петров Б.М. Таганрог, 2003 г. 148-159 с.