Анализ фронта цилиндрической волны на плоской импедансной поверхности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ фронта цилиндрической волны на плоской импедансной поверхности

Марина Юрьевна Звездина - д.ф.-м. н., зав. каф. «Радиоэлектронные системы», Александр Иванович Окорочков - к.ф.-м.н., проф., каф. «Радиоэлектронные системы»,

Антон Николаевич Самоделов - ассистент, каф. «Радиоэлектронные системы»,

Ростовский технологический институт туризма и сервиса (филиал ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса», г. Шахты)

The analysis of the total field produced by a cylindrical wave incident on a flat screen with a variable impedance is carried out; the solution is given for the task of electromagnetic field diffraction on the inhomogeneous body in a rigorous formulation for the impedance rectangle, located on a perfectly conducting plane excited by a filamentary magnetic current source, which is distributed along the z axis and is located on the edge of the rectangle; in the article are obtained the distribution of amplitude and phase of the current which excites on the plate with impedance, as well as the corresponding distribution of the complex factor orientation, it is shown that a cylindrical wave front can control the choice of the value of impedance and its distribution along the plate.

Key words: surface impedance, cylindrical wave front, adaptive antenna systems, radar coverage.

цилиндрическая волна импедансный поверхность

Осуществлен анализ полного поля, полученного при падении цилиндрической волны на плоский экран с изменяемым импедансом; приведено решение задачи дифракции электромагнитного поля на неоднородном теле в строгой постановке для импедансного прямоугольника, расположенного на идеально проводящей плоскости, возбуждаемой нитевидным источником магнитного тока, который распространяется по оси z и находится над краем прямоугольника; получены распределения амплитуды и фазы тока, возбуждаемого на пластине с импедансом, а также соответствующее ему распределение комплексного множителя направленности; показано, что фронтом цилиндрической волны можно управлять выбором величины импеданса и его распределением вдоль пластины.

Ключевые слова: поверхностный импеданс, фронт цилиндрической волны, адаптивные антенные системы, радиолокационное покрытие.

Разработка радиотехнических устройств приема и обработки информации в миллиметровом диапазоне длин волн (КВЧ) является одним из перспективных направлений развития современной радиотехники. Необходимость в эффективных антенных системах для этого диапазона, управляемых по пространственным, частотным и поляризационным характеристикам, обусловливается задачами развития систем связи, радиолокации, радиовидения, распознавания образов, наблюдения, контроля и управления, а также измерительных и медицинских систем и др.

В диапазоне КВЧ в настоящее время большое внимание уделяется исследованию дифракционных излучающих систем (антенн и рефлекторов) на основе сред с управляемыми электромагнитными параметрами. У антенн, построенных с использованием таких сред, существует потенциальная возможность динамического управления формой, расположением и физическими свойствами дифракционных элементов, т.е. можно выполнять перестройку по частоте, сканирование главного луча в пространстве, а также выбор поляризации [1 - 3].

В последние годы наметился большой интерес разработчиков к новому направлению радиотехники, способному объединять и даже интегрировать перечисленные выше варианты применений печатных антенных решеток. Речь идет о так называемых интеллектуальных покрытиях, с помощью которых можно решать целый ряд задач, например, управление полями рассеяния несущего объекта, создание гибких систем формирования направленного излучения, а также адаптивных антенных систем и радиолокационных покрытий и т.п.

Целью данной статьи является анализ полного поля, полученного при падении цилиндрической волны на плоский экран с изменяемым импедансом, на основе изменения отражающих свойств этого экрана.

Изучение дифракционного взаимодействия падающей волны с неоднородной ограниченной средой удобнее проводить, используя понятие поверхностного импеданса. Поверхностный импеданс в общем случае является функцией объемных параметров рассеивающего тела и формы его граничной поверхности. Для его определения необходимо решить электродинамическую задачу о падении волны на поверхность неоднородной среды и найти тангенциальные компоненты векторов электромагнитного поля на поверхности [4, 5]. Знание поверхностного импеданса позволяет на основании электродинамического принципа эквивалентности рассматривать поле дифракции как результат излучения только поверхностных токов, возбуждаемых падающей волной на поверхности рассеивающего тела, формально не учитывая неоднородный характер электромагнитных параметров в объеме тела. Таким образом, импедансный подход позволяет сложную задачу о дифракции электромагнитного поля на неоднородном теле свести к трем относительно независимым задачам:

1) определение поверхностного импеданса неоднородной среды;

2) расчет амплитудно-фазового распределения излучающих токов на импедансной поверхности, возбуждаемых падающей волной;

3) расчет поля дифракции как результата излучения поверхностных токов.

Задачу дифракции электромагнитного поля на неоднородном теле будем решать в строгой постановке. С этой целью составим интегральные уравнения для электрических и магнитных токов, возбуждаемых на плоскости с переменным поверхностным импедансом.

Для оценки влияния краев импедансной структуры предположим, что структура, показанная на рис. 1, занимает лишь часть плоскости, представляя собой прямоугольник , где ( мм - рабочая длина волны). Этот прямоугольник выполнен из диэлектрического материала, характеризуемого абсолютной диэлектрической проницаемостью . Остальная часть плоскости является идеально проводящим экраном. В объеме , расположенном над левым краем прямоугольника, находится нитевидный источник магнитного тока, который распространяется в направлении оси z.

Поле электрических волн имеет составляющие и QUOTE z, y и x и в пределах импеданса должно удовлетворять граничному условию

.(1)

Рис. 1. Импедансный прямоугольник на плоском проводящем экране

Интегральное уравнение для электрического поверхностного тока , полученное с использованием уравнений Максвелла и граничных условий (1) и записанное для решения численным методом, имеет вид

где QUOTE 02 - функция Ганкеля 2-го рода нулевого порядка; - волновое число свободного пространства; , - электрическая и магнитная постоянные соответственно; - циклическая частота поля излучателя.

В результате решения данного интегрального уравнения получаем одну из компонент тока, вторую получим исходя из граничного условия.

Выполним исследования влияния параметров импеданса полосы на величину множителя направленности пластины в направлении , определяемого соотношением [11]

,(3)

где S - площадь раскрыва; - комплексная амплитуда тока возбуждения.

Поскольку излучатели (токи) представляют собой дискретные источники, то при их расчете использовались численные методы, а значит, интегрирование по площади заменяется суммированием:

,

где .

На рис. 2 - 6 приведены распределения амплитуды и фазы комплексного тока, возбуждаемого на пластине с импедансом, а также соответствующий рельеф множителя направленности. При этом рис. 2 отображает результаты, полученные для однородного импеданса, нормированного к волновому сопротивлению линии Ом и равного , как было предложено в работах [4, 10].

На рис. 3 изображены зависимости, найденные для однородного вдоль направления оси и линейно нарастающего в направлении оси нормированного импеданса . На рис. 4 показаны результаты исследований, полученные для однородного вдоль направления оси и линейно нарастающего в направлении оси нормированного импеданса . Рис. 5 иллюстрирует результаты исследований, полученные для случая выполнения импеданса, однородного в направлении оси и линейно убывающего в направлении оси . Величина нормированного импеданса определяется выражением . На рис. 6 показаны результаты исследований, полученные для случая выполнения импеданса, однородного в направлении оси и линейно убывающего в направлении оси . Величина нормированного импеданса определяется выражением .

Анализ полученных результатов показывает, что максимум множителя направленности пластины располагается над центром импедансной пластины, на краях которой наблюдается максимальная амплитуда тока. Максимумы амплитуды возбуждаемого тока наблюдаются также на торцах пластины, расположенных под источником магнитного тока. По мере удаления от источника амплитуда тока затухает. Изменяя распределение импеданса вдоль пластины, можно формировать различный рельеф множителя направленности: от однолепесткового, получаемого при однородном импеданса величиной , до столообразного, максимум которого ориентирован вдоль источника при однородном вдоль направления оси и линейно изменяющемся в направлении оси импедансе , и узконаправленного максимума с незначительными боковыми лепестками и при импедансе . Кроме того, возможно получение двухлепесткового множителя направленности, который может быть сформирован при однородном в направлении оси и линейно изменяющемся в направлении оси (т.е. в направлении, поперечном ориентации излучателя) импедансе , а также и при импедансе .

Таким образом, фронтом цилиндрической волны, возбуждаемой протяженным магнитным источником, можно управлять величиной импеданса и его распределением вдоль пластины, расположенной на металлическом экране непосредственно под источником.

Литература

1. Karim Mazuoni, Lanteri, J., Yonemoto, N., Dauvignac, J.Y., Pichot, Ch., Mogliaccio, C. Millimeter wave circularly polarized Fresnel reflector for on-board radar on rescue helicopters // IEEE Transactions on antenna propagation, vol. 58 No. 8, August 2010.

2. Окорочков А.И., Самоделов А.Н. Управляемые полупроводниковые рефлекторы // Межвуз. сб. науч. тр. Шахты: Изд-во ЮРГУЭС. 2003. С. 49 - 53.

3. Семенихин А.И. Синтез импеданса цилиндрического тела по заданной поляризации рассеянного поля, независимой от угла и поляризации облучения // Рассеяние ЭМВ: Межвед. сб. научн.-техн. статей. Вып. 14. Таганрог: ТРТУ. 2006. С. 38 - 48.

4. Терешин О.Н., Седов В.М., Чаплин А.Ф. Синтез антенн на замедляющих структурах. М.: Связь. 1980.

5. Юханов А.Ю. Синтез анизотропной реактансной плоскости, возбужденной нитью магнитного тока // Мат. Междунар. конф. «Излучение и рассеяние ЭМВ». ИРЭМВ-2005. Таганрог. 2005. С. 360 - 362.

6. Обуховец В.А., Касьянов А.О. Микрополосковые отражательные антенные решетки. Методы проектирования и электродинамическое моделирование / Под ред. В.А. Обуховца. М. Радиотехника. 2006.

7. Касьянов А.О. и др. Излучение и рассеяние электромагнитных волн. Радиоэлектронные системы локации и связи. М.: Радиотехника. 2007.

8. Касьянов А.О. и др. Радиоэлектронные средства управления, локации и связи / Под ред. В.А. Обуховца. М.: Радиотехника. 2008.

9. Габриэлян Д.Д., Звездина М.Ю., Синявский Г.П. Задачи дифракции для поверхностей с радиопоглощающими покрытиями // Успехи современной радиоэлектроники. 2005. №12. С.3 - 15.

10. Марков Г.Т., Чаплин А.Ф. Возбуждение электромагнитных волн. М.-Л.: Энергия. 1976.

11. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. М.: Высшая школа. 1988.

Размещено на Allbest.ru