Збудження та випромінювання електромагнітних полів регулярними і нерегулярними хвилевідно-щілинними структурами

Показано, що через сильний взаємний вплив двох щілин зв'язку мінімальне значення коефіцієнту відбиття досягається при поздовжньому зсуві щілин на z0=0.4g. Визначено умови, за яких двощілинна система дозволяє створити: 3-х децибельний відгалужувач на заданій частоті; 3-х децибельний відгалужувач, параметри якого на резонансній частоті для поодинокої щілини не залежать від відстані між щілинними елементами; рівноплечий відгалужувач, або відгалужувач, коли вся падаюча потужність від генератора надходить тільки в одне плече.

Для комбінованих (“групових”) випромінювачів шляхом зміни взаємного зв'язку між щілинами можна змінювати добротність, форму залежності енергетичних характеристик від робочої довжини хвилі та напрямок головного максимуму діаграми спрямованості випромінювача. Робоча смуга частот за рівнем -3дБ випромінюваної потужності може бути меншою за 1% у вузькосмугових і понад (3040)% у широкосмугових випромінювачах.

Отримані результати розв'язання крайових задач дозволяють дослідити характеристики хвилевідно-резонаторно-щілинних структур із застосуванням об'ємних резонаторів на щілинних елементах, які є аналогами смугових або режекторних фільтрів НВЧ Такі структури перспективні для формування необхідних частотно-енергетичних характеристик і діаграм спрямованості решіток, параметри яких неможливо реалізувати на основі поодиноких щілинних елементів.

Показано, що при створенні багаточастотних щілинних решіток у багатомодовому хвилеводі необхідно враховувати багатопараметричну залежність характеристик випромінюваних щілинами полів від їх геометричних і матеріальних параметрів, параметрів хвилевідного тракту, його дисперсійних властивостей, оскільки при виникненні вищих типів хвиль щілини не збуджуються.

Рішення, отримані з використанням базисних функцій (7), дозволяють визначити розв'язання задачі про випромінювання електромагнітних хвиль багатоелементною системою щілин у стінках кінцевої товщини нескінченного (напівнескінченного) прямокутного хвилеводу (або резонатору), з урахуванням їх взаємного впливу. Розрахунки щілинних решіток (N>50200) показали, що сильний взаємний зв'язок між випромінювачами можна використати як додатковий параметр управління полями в розкривах хвилевідно-щілинних та резонаторно-щілинних антен. Показано, що, наприклад, при заданій апертурі антени “витікаючої хвилі”, яка складається з поперечних щілин у широкій стінці прямокутного хвилеводу, шляхом вибору геометричних розмірів щілинних елементів можна реалізувати амплітудний розподіл, спадаючий до країв апертури, і тим самим створити нееквідистантну антену з діаграмою спрямованості, яка має низький рівень бічних пелюстків.

Застосування електродинамічного методу для розрахунку багатоелементних хвилевідно-резонаторно-щілинних структур уперше дозволило встановити умови, за яких при заданих кількості щілинних випромінювачів N у резонаторі, поперечних перетинах хвилеводу й резонатору, робочій довжині хвилі , умовах збудження резонатору можна реалізувати необхідний амплітудно-фазовий розподіл поля (наприклад, постійний на апертурі резонаторної решітки).

Уперше отримані вирази для взаємних провідностей нахилених щілин у вузькій стінці хвилеводу, які мають вирізи в його широкій стінці, дозволили застосувати метод наведених магніторушійних сил для розрахунку системи таких щілин. Наведено розрахункові залежності коефіцієнта випромінювання системи щілин від довжини хвилі, залежності зміни фаз напруг на щілинах і максимального коефіцієнта випромінювання для двох щілин, а також відповідної йому довжини хвилі від кута нахилу кожної із щілин. Побудовано математичну модель розрахунку характеристик багатоелементних решіток з нахиленими щілинами у вузькій стінці прямокутного хвилеводу, що дозволило вперше провести розрахунок хвилевідно-щілинних решіток, в яких кожна із щілин може мати різні геометричні розміри. Це дозволяє реалізувати необхідні амплітудно-фазові розподіли у розкривах фазованих решіток біжучої хвилі та решіток “витікаючої хвилі” й оптимізувати їх характеристики спрямованості (наприклад, одержати рівень бокових пелюстків діаграми спрямованості менший за -30дБ при |S|2>0.9 і коефіцієнті відбиття меншим 0.01). Добре узгодження розрахункових даних з експериментальними підтверджує ефективність розробленої математичної моделі.

Отримано строге розв'язання задачі збудження відкритої структури у вигляді незамкнутої циліндричної поверхні магнітним диполем, розташованим у довільній області простору. При цьому використано метод задачі Рімана-Гільберта й представлення розсіяного щілиною поля у вигляді інтеграла Фур'є. Для елементарної щілини, розташованої в стінці циліндричного хвилеводу з нескінченно довгою щілиною, проаналізовані характеристики спрямованості залежно від її кутового розташування відносно кромки довгої щілини та показано, що при розташуванні диполя на циліндрі з невеликим розкривом і кутовим розташуванням диполя відносно щілини близьким до 900 вплив щілини на характеристики спрямованості диполя практично не проявляється. При розташуванні магнітного диполя поблизу кромки відкритої циліндричної структури можна керувати напрямком головного максимуму діаграми спрямованості.

Із застосуванням методу моментів побудована модель випромінюючої структури на ізольованому дзеркальному діелектричному хвилеводі з електрично довгим випромінюючим елементом. Експериментально досліджені характеристики електрично довгих випромінювачів. Уперше показана можливість управління характеристиками випромінювання багатоелементних систем на базі таких випромінювачів шляхом зміни взаємної орієнтації випромінюючих елементів.

Показано, що на основі мікрополоскових випромінювачів із високою направленістю може бути створена перспективна для запровадження двовимірна нееквідистантна плоска гостроспрямована антенна решітка малої товщини з відхиленим головним максимумом діаграми спрямованості під кутом 450 від напрямку нормалі до решітки, яка працює на двох ортогональних лінійних поляризаціях.

У шостому розділі “Випромінювання щілинними структурами нестаціонарних полів” наведені результати дослідження випромінювання нестаціонарних і монохроматичних електромагнітних полів із щілинних структур, виконаних на основі широкосмугових ліній передачі. Використовуючи широкодіапазонні властивості смужкової планарної лінії передачі на діелектричній підкладці за рахунок розширення щілини і використання підкладок з малою діелектричною проникністю можна створити оптимальні умови для спрямованого випромінювання енергії хвилі, що поширюється вздовж такої структури.

Проведено теоретичні та експериментальні дослідження різноманітних варіантів широкосмугових щілинних випромінювачів: плоских, апертурних і комбінацій з них. Для розв'язання задачі випромінювання широкосмугової щілинної антени, що розширюється, з довільним профілем використовувався декомпозиційний метод. При цьому враховано відбиття сигналу від розкриву антени, крайовий ефект на краях апертури, втрати у діелектрику і при випромінюванні. Правомірність такої моделі для щілинної антени, що розширюється, перевірена експериментально для випадку збудження монохроматичним сигналом. Із аналізу діаграм спрямованості визначені оптимальні параметри антени.

Декомпозиційним методом отримано аналітичний вираз для поля випромінювання лінійних і двовимірних антенних решіток (без врахування міжелементної взаємодії) при збудженні імпульсами довільної форми і довільним часом затримки. Показана можливість електронного сканування діаграми спрямованості з мінімальним спотворенням випромінюваного імпульсу поля.

Розв'язання задачі випромінювання надширокосмугових електромагнітних хвиль із кільцевої щілини, що розташована у торці коаксіального хвилеводу, розділяється на дві задачі. Перша - це розв'язання задачі зі східчастою часовою залежністю хвилі і друга - обчислення інтегральної згортки. Перша задача розв'язана в часовому просторі шляхом розкладання електромагнітного поля усередині щілини й у вільному просторі за модовим базисом, сполучення цих полів у поперечному перерізі та використання загальних розв'язків рівняння Клейна-Гордона і хвильового рівняння. Порівняння експериментальних даних і теоретичного розв'язання, отриманого методом модового базису, показало, що отримане рішення дозволяє досить точно моделювати випромінювання надширокосмугових полів кільцевими щілинами.

Задача випромінювання надширокосмугових полів прямокутною щілиною у хвилеводі розв'язана у часовому просторі за допомогою методів еволюційних рівнянь, функції Рімана та методу векторного потенціалу в наближенні Кірхгофа. Показано, що для формування коротких зондувальних імпульсів треба послабляти вплив дисперсійних властивостей хвилеводу шляхом використання плоского джерела у вигляді широкої смуги з рівномірним розподілом щільності струму. Розроблені рекомендації щодо побудови решіток з електричним скануванням променя, яке здійснюється зміною часової затримки у збудженні елементів. Відзначено, що через те, що часова залежність поля на апертурі подібна до затухаючого коливання, випромінене поле системи випромінювачів має ті ж властивості, що й у випадку гармонічної часової залежності: для однакових часових затримок при збільшенні відстані між випромінювачами відхилення максимуму діаграми спрямованості та ширина головної пелюстки зменшуються, а рівень бічних підвищується.

У Висновках наведені основні результати дисертаційної роботи.

У Додатку А представлено список 27 науково-дослідних робіт за тематикою дисертації, у виконанні яких автор брав участь.

У Додатках Б, В, Д, Ж, З, К наведено додаткові матеріали щодо викладених у дисертації розв'язань задач з визначення розподілу струмів у випромінювачах, збуджуваних щілинними структурами електромагнітних полів, та провідностей випромінювачів.

ВИСНОВКИ

У роботі одержано розв'язання комплексу внутрішніх і зовнішніх задач електродинаміки, які пов'язані з вирішенням проблеми розвитку теорії, створення математичних моделей і розробки ефективних методів розрахунку основних характеристик щілинних випромінювачів і багатоелементних щілинних систем, а також із з'ясуванням фізичних закономірностей і особливостей збудження, розсіяння та випромінювання стаціонарних і нестаціонарних електромагнітних полів щілинними структурами довільної довжини, конфігурації, об'єму, кількості випромінюючих елементів, їх взаємної орієнтації та з різними матеріальними параметрами. Практична цінність отриманих результатів обумовлена можливістю створення на основі розвинутої теорії й виявлених фізичних властивостей випромінюваних електромагнітних полів хвилевідно-щілинних антен, малогабаритних випромінюючих і фідерних пристроїв з поліпшеними або новими функціональними можливостями, що сприятиме подальшому розвитку елементної бази НВЧ і КВЧ діапазонів та створенню приймально-передавальних систем для сучасних радіотехнічних комплексів.

Основні результати роботи:

1. Запропоновано нові методи та підходи до розв'язання інтегро-диференціального рівняння щодо магнітного струму в щілинних випромінювачах й отворах зв'язку, які дозволяють створити вдосконалені математичні моделі, ефективні методи та алгоритми розрахунку характеристик випромінюваних монохроматичних та нестаціонарних полів:

- уперше методом усереднення отримано нове наближене аналітичне розв'язання рівняння для струму в щілині довільної довжини (0.35 2L/ 2.75), яке ефективне для розв'язання задач відносно щілин різної орієнтації у стінках багатомодового хвилеводу та резонатору й задач щодо багатоелементних щілинних систем;

- запропоновано й обґрунтовано методику визначення амплітудно-фазового розподілу струму в електрично довгій (десятки й сотні довжин хвиль) щілині з застосуванням обмеженої кількості тригонометричних базисних функцій розподілу поля в ній. Розроблена методика дозволила модифікувати метод Гальоркіна і вперше застосувати його для розв'язання електродинамічних задач щодо хвилеведучих структур з такими випромінювачами і значно скоротити час для розрахунку їх характеристик;

- уперше отримано електродинамічне розв'язання задач збудження хвилеводу поздовжньою щілиною довільної довжини із шириною, що змінюється вздовж неї;

- сформульовано й розв'язано задачу про випромінювання криволінійною щілиною, яка прорізана в широкій стінці прямокутного хвилеводу. Побудовано математичну модель, що дозволила вперше врахувати товщину стінки хвилеводу, діелектричне заповнення і різну кривизну щілини;

- уперше отримано ефективне і доступне для широкого практичного застосування електродинамічне розв'язання граничної задачі для нахилених щілин, прорізаних у вузькій стінці кінцевої товщини прямокутного хвилеводу, коли щілина має вирізи в його широкій стінці;

- розвинено декомпозиційний метод для розв'язання задач випромінювання монохроматичних і нестаціонарних полів щілинними структурами, які виконані на основі широкосмугових ліній передачі, з урахуванням крайових ефектів і втрат на випромінювання. Уперше у часовій області розв'язано задачі щодо випромінювання й розсіяння нестаціонарних полів на кільцевих і прямокутних щілинах, а також системі таких щілин. Отримано аналітичне розв'язання задачі для амплітуд випромінюваного поля при збудженні щілини хвилею з довільною залежністю від часу.

2. Отримані в роботі аналітичні й чисельно-аналітичні розв'язання задач збудження хвилеводу щілинами прямокутної і непрямокутної форми й довільної електричної довжини з різними геометричними та матеріальними параметрами дозволили застосувати електродинамічні методи для розрахунку їх характеристик за різними режимами збудження і виявити ряд нових фізичних закономірностей щодо формування електромагнітного поля, випромінюваного такими структурами, а також підтвердити й кількісно оцінити ряд раніше відомих та гіпотетично передбачуваних результатів:

- уперше показано, що для електрично довгих щілин (l(30-50)) може бути реалізований амплітудний розподіл не тільки сильно осцилюючий або експоненціально спадаючий уздовж щілини, але й спадаючий до країв щілини (близький до виду напівперіоду синусоїди). Встановлено, що апроксимація розподілу експоненціально спадаючою або постійною функціями, які, як правило, використовуються на практиці, є не коректною й не може бути основою для створення антен з оптимальними робочими характеристиками. Показано перспективність створення на основі таких щілин антен “витікаючої хвилі” з високим значенням коефіцієнта підсилення і рівнем бічних пелюстків меншим, ніж -20дБ;

- виявлено, що залежно від положення щілини у стінці хвилеводу можлива поява двох і більше резонансних частот, а також збіг резонансних частот щілини при різних її зсувах;

- уперше проаналізовано характеристики щілинного випромінювача, розташованого у надрозмірному хвилеводі, збуджуваного вищими типами хвиль. Показано, що при переході в багатомодовий режим його збудження щілини не випромінюють на частотах, які відповідають збудженню вищих модів;

- уперше розраховано частотні залежності коефіцієнтів випромінювання й резонансних довжин поодиноких щілин і системи нахилених щілин, прорізаних у вузькій стінці кінцевої товщини прямокутного хвилеводу з вирізами в його широкій стінці для різної геометрії щілин. Показано, що електрична довжина резонансної щілини при будь-яких кутах її нахилу та вирізах завжди більша за напівхвильове значення щілини. При зміні кута нахилу щілини й довжини вирізу в широку стінку хвилеводу реактивна частина провідності щілини може залишатися постійною або рівнятися нулю при зміні кута нахилу щілини до 20 від нормалі до широкої стінки хвилеводу;

- уперше виявлено, що в системі з двох щілин зв'язку в спільній широкій стінці двох прямокутних хвилеводів при розташуванні однієї з щілин на осі хвилеводу спостерігається два резонанси, зсунутих на f від резонансної частоти поодинокої щілини, збуджуваної H10 хвилею. Визначено умови їх виникнення. Встановлено, що через сильний взаємний вплив щілин зв'язку мінімальне значення коефіцієнту відбиття досягається при відстані між щілинами z0=0.4g, а не при z0=0.25g, як це відзначається в літературі, коли не враховується взаємодія щілин;

- шляхом застосування щілинних елементів з різними геометричними та матеріальними параметрами можна створити як вузькосмуговий, так і широкосмуговий випромінювач на будь-яку задану робочу довжину хвилі хвилеводу. При цьому робоча смуга частот за рівнем -3дБ випромінюваної потужності у комбінованому (“груповому”) випромінювачі може скласти менш 1% у вузькосмугових і понад (3040)% у широкосмугових випромінювачах;

- на основі отриманого вперше розв'язання задачі збудження напівнескінченного хвилеводу імпульсом струму з довільною залежністю від часу в наближенні Кірхгофа розраховано поле, яке випромінюється відкритим кінцем прямокутного хвилеводу з безкінечним фланцем. Показано, що для формування коротких зондуючих імпульсів необхідно послабляти вплив дисперсійних властивостей хвилеводу шляхом використання плоского джерела у вигляді широкої смуги з рівномірним розподілом щільності струму;

- на основі строгого розв'язання модельної задачі збудження відкритої незамкнутої циліндричної поверхні магнітним диполем, розташованим у довільній області простору, показано, що при наявності вузької поздовжньої щілини у циліндричному хвилеводі (циліндра з невеликим розкривом) і розташуванням паралельного до ребра розкриву магнітного диполя під кутом близьким до 90 від напрямку на щілину відносно вісі циліндра вплив поздовжньої щілини на характеристики спрямованості диполя практично не позначається. Розташування магнітного диполя безпосередньо поблизу ребра відкритої циліндричної структури може істотно змінювати напрямок головного максимуму його діаграми спрямованості.

3. Використання функцій як базисних, отриманих методом усереднення та модифікованим методом Гальоркіна, дозволило значно знизити порядок СЛАР і вперше застосувати електродинамічний метод наведених магніторушійних сил для розрахунку характеристик випромінювання багатьох видів щілинних структур, у тому числі багаточастотних і на багатомодових хвилеводах та зі спільною або секціонованою апертурою, а також провести чисельну оптимізацію їх характеристик і вказати шляхи практичної реалізації антен та антенних решіток з високими, раніше не досяжними робочими характеристиками:

- уперше теоретично показано, що сильний внутрішній і зовнішній взаємний зв'язок між випромінювачами багатоелементних решіток можна нарівні з довільними геометричними та матеріальними параметрами щілинних елементів цілеспрямовано використовувати для керування амплітудно-фазовим розподілом полів на випромінюючій апертурі антен біжучої хвилі, фазованих антенних решіток поперечного випромінювання та антен “витікаючої хвилі”, а також для створення еквідистантних та нееквідистантних антенних систем з оптимальними частотно-енергетичними та просторовими характеристиками;

- побудована математична модель, яка дозволила вперше застосувати електродинамічний метод розрахунку багаточастотних хвилевідно-щілинних решіток із довільною довжиною щілинних елементів у підрешітках, у тому числі зі спільною апертурою та на базі багатомодових хвилеводів. Показано, що при створенні багаточастотних щілинних решіток при виборі параметрів щілинних випромінювачів у підрешітках необхідно враховувати дисперсійні властивості хвилеводу;

- показано, що у хвилевідно-резонаторно-щілинних решітках із секціонованою апертурою взаємний вплив між щілиною зв'язку й випромінюючими щілинами призводить до сильної залежності випромінюваної потужності, коефіцієнта відбиття, амплітудно-фазового розподілу у решітках від положення щілин зв'язку і випромінюючих щілин у стінках резонаторів, що утворюють її апертуру. Наведені рішення дозволяють визначити умови, за яких можливо реалізувати необхідні частотно-енергетичні та просторові характеристики решіток;

- побудована математична модель розрахунку характеристик багатоелементних решіток з нахиленими щілинами у вузькій стінці прямокутного хвилеводу, яка дозволила вперше розрахувати хвилевідно-щілинні решітки із щілинами різної загальної довжини та різною довжиною вирізів у широкій стінці хвилеводу при довільній орієнтації й відстані між ними. Проведені розрахунки лінійної фазованої антенної решітки біжучої хвилі й антен “витікаючої хвилі” дозволили реалізувати решітки, що мають велике значення коефіцієнта випромінювання (|S|2>0.9) і низьке значення коефіцієнта відбиття (|S11|<0.1) у хвилевідному тракті та низький (менше -35дБ) рівень бокових пелюстків діаграми спрямованості.

4. Отримано розв'язання задач для поля, що випромінюється системою щілин при збудженні їх імпульсами з довільними формою та часом затримки. Досліджено характеристики і надано рекомендації щодо створення ефективних випромінювачів і випромінюючих систем на основі металодіелектричних структур:

- теоретичні й експериментальні дослідження планарних металодіелектричних щілинних антен з апертурою, що розширюється, при монохроматичному й нестаціонарному збудженні показали, що такі антени мають широку робочу смугу частот і слабку дисперсію. Розроблено щілинну антену, що розширюється, з оптимізованим профілем розкриву й робочою частотною смугою (0.512)ГГЦ у монохроматичному режимі збудження, яка дає при збудженні гаусовим імпульсом тривалістю Т ? 1нс мінімальне спотворення часової форми випромінюваного сигналу;

- отримано аналітичне розв'язання задачі для поля розсіяння складних антенних структур, у тому числі лінійних і двовимірних антенних решіток у випадку збудження їх нестаціонарним полем з довільними формою та часом збудження. Показано можливість формування імпульсного випромінювання й електронного сканування діаграми спрямованості за рахунок заданої часової затримки;

- уперше із залученням методу моментів побудована модель випромінюючої структури на основі гібридної лінії передачі з поздовжнім електрично довгим випромінюючим елементом. Показана можливість керування режимом "витікання" потужності шляхом зміни взаємної орієнтації випромінюючих елементів структури. Експериментально показана можливість створення випромінюючої системи на базі ізольованого дзеркального діелектричного хвилеводу з електродинамічними характеристиками, перспективними для практичного застосування;

- показано перспективність застосування смужкових випромінюючих елементів з екраном у вигляді смужкових випромінювачів з підвищеною спрямованістю при створенні нееквідистантних двовимірних, двополяризаційних плоских антенних решіток із відхиленим максимумом діаграми спрямованості і зниженими (у порівнянні, наприклад, з еквідистантними фазованими антенними решітками) вагогабаритними характеристиками.

5. Практично всі отримані в роботі теоретичні результати підтверджені результатами експериментальних досліджень. Там, де це можливо (або в окремих випадках, або у випадку можливих граничних переходів до об'єктів, дослідження яких відомі у літературі) проведене порівняння з теоретичними й експериментальними результатами, отриманими авторами інших робіт.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Пенкин Ю.М., Катрич В.А. Возбуждение электромагнитных волн в объемах с координатными границами. - Харьков: Факт, 2003. - 231 с.

2. Горобец Н.Н., Жиронкина А.В., Катрич В.А., Филипов Л.В., Яцук Л.П. Расчет резонансных волноводно-щелевых антенн со щелями в обеих широких стенках прямоугольных волноводах // Техника средств связи. Сер. Техника радиосвязи. - 1982. - Вып. 2. - C.23-32.

3. Горобец Н.Н., Жиронкина А.В., Катрич В.А., Лященко В.А., Яцук Л.П. Вопросы приближенной теории волноводно-щелевых излучателей и отверстий связи // Сб. науч.-метод. статей по прикладной электродинамике. -1983. - Вып 5. - C. 150-188.

4. Яцук Л.П., Катрич В.А. Щели в волноводе со слоистым диэлектриком // Изв. вузов. Радиофизика. -1984. - Т. 27, № 8. - C. 1037-1042.

5. Яцук Л.П., Жиронкина А.В., Катрич В.А. Произвольно расположенное щелевое отверстие связи в полубесконечном волноводе // Электродинамика и радиофизическое приборостроение. - Днепропетр.: ДГУ, 1985. - С. 22-23.

6. Яцук Л.П., Жиронкина А.В., Катрич В.А., Пенкин Ю.М. Решение задачи возбуждения прямоугольного волновода магнитным током // Изв. вузов. Радиоэлектроника. - 1987. - Т. 30, № 5. - С. 37-41.

7. Жиронкина А.В., Яцук Л.П., Катрич В.А. Сдвоенная щель как элемент связи электродинамических объемов // Радиотехника. - 1993. - №1. - С. 56-63.

8. Яцук Л.П., Жиронкина А.В., Катрич В.А. Резонансные свойства узких щелей в широкой стенке бесконечного прямоугольного волновода // Радиотехника. -1996. - №7. - С. 36-40.

9. Яцук Л.П., Катрич В.А., Жиронкина А.В. Вопросы теории элементов и устройств СВЧ трактов // Изв. вузов. Радиоэлектроника. - 1996. - Т. 39, № 9-10. - С. 29-38.

10. Dumin A.N., Katrich V.A., Pivnenko S.N. Radiation of Short Pulses from the Open End of Coaxial Waveguide // Telecommunication and Radio Engineering. - 1997. - Vоl. 51, № 11-12. - P.81-89.

11. Горобец Н.Н., Горобец Ю.Н., Жолобенко А.Б., Катрич В.А., Кийко В.И., Попов В.С., Шугаев П.И. Двухканальная антенна сканирующего радиометра 20-сантиметрового диапазона // Изв. вузов. Радиоэлектроника. - 1999. - Т. 42, № 12. - С. 16-23.

12. Жакин А.И., Катрич В.А., Лященко В.А. Криволинейная щель в стенке прямоугольного волновода // Вісн. Дніпропетр. ун-ту. Фізика. Радіоелектроніка. - 1999. - № 5. - С. 167-178.

13. Katrich V.A. On Calculation of Radiation Field from Complex-Shaped Slot in Rectangular Waveguide // Telecommunication and Radio Engineering. - 1999. - Vol. 53, № 4-5. - P.83-87.

14. Жакин А.И., Катрич В.А., Мартыненко С.А. Об излучении узкой криволинейной щели в прямоугольном волноводе // Вісн. Дніпропетр. ун-ту. Фізика. Радіоелектроніка. - 2000. - № 6. - С. 89-99.

15. Думин А.Н., Катрич В.А., Колчигин Н.Н., Пивненко С.Н., Третьяков О.А. Дифракция нестационарной ТЕМ-волны на открытом конце коаксиального волновода // Радиофизика и радиоастрономия. - 2000. - Т. 5, №1. - С. 55-66.

16. Lyashenko V.A., Katrich V.A. External Admittances of Wide Slots // Telecommunication and Radio Engineering. - 2002. - Vol. 57, № 1. - Р. 1-7.

17. Горобец Н.Н., Катрич В.А., Шепилко Е.В. Излучение магнитного диполя, расположенного вблизи цилиндрической ленты или цилиндра с продольной щелью // Изв. вузов. Радиоэлектроника. - 2000. - Т. 43, № 10. - С. 27-34.

18. Katrich V.A., Pogarsky S.A., Saprykin I.I., Chumachenko V.A. Wave Interaction Between Eigenmode of Hybrid Structure and Microstrip Elements // International Journal of Infrared and Millimeter Waves. - 2000. - Vol. 21, № 3. - Р. 429-436.

19. Katrich V.A., Pogarsky S.A., Saprykin I.I., Shaulov E.A. The Mechanism of Isolated Image Guide Eigenmode and Elementary Microstrip Radiators Interaction // International Journal of Infrared and Millimeter Waves. - 2001. - Vol. 22, № 5. - Р. 773-778.

20. Катрич В.О., Лященко В.О., Шепілко Є.В. Про одну властивість щілин у хвилеведучих структурах // Вісн. Харків. нац. ун-ту. Радіофізика та електроніка. - 2001. - № 513. - С. 123-125.

21. Катрич В.А., Лященко В.А., Полуяненко Н.А. Волноводно-щелевые излучатели вытекающей волны // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. - 2001. - № 6. - С. 72-79.

22. Katrich V.A., Nesterenko M.V. Power Characteristics of Electrically Long Longitudinal Slots in Rectangular Waveguides // Telecommunication and Radio Engineering. - 2002. - Vol. 53, № 11-12. - P. 37-43.

23. Катрич В.А., Нестеренко М.В., Хижняк Н.А. Асимптотическое решение интегрального уравнения для магнитного тока в щелевых излучателях и отверстиях связи // Радиофизика и радиоастрономия. - 2001. - Т. 6, № 3. - С. 230-240.

24. Katrich V.A., Martynenko S.A., Yatsuk L.P. Inclined Slot in the Narrow Wall of Rectangular Waveguide // Telecommunication and Radio Engineering. - 2002. - Vol. 57, № 8-9. - P. 33-39.

25. Berdnik S.L., Katrich V.A., Lyashchenko N.A., Polyanov N.A. Energy Characteristics and Directed Properties of Electrically Long Longitudinal Slot in a Rectangular Waveguide // Telecommunication and Radio Engineering. - 2002. - Vol. 58, № 3-4. - P. 93-100.

26. Бердник С.Л., Катрич В.А., Лященко В.А. Энергетические и направленные характеристики комбинированных волноводно-щелевых излучателей // Вісн. Харків. нац. ун-ту. Радіофізика та електроніка. - 2002. - № 544. - С. 39-42.

27. Katrich V.A., Nesterenko M.V. The Near-Zone Field and Resonant Frequencies of Narrow Longitudinal Slоts in the Broad Face of a Rectangular Waveguide // Telecommunication and Radio Engineering. - 2003. - Vol. 60, № 1-2. - P. 125-131.

28. Катрич В.А., Нестеренко М.В. Электромагнитная связь прямоугольных волноводов через узкие щели в общих стенках // Радиотехника: Всеукр. межвед. научн.-техн. сб. - 2002. - Вып. 127. - С. 77-84.

29. Катрич В.А., Нестеренко М.В., Яцук Л.П., Бердник С.Л. Метод наведенных магнитодвижущих сил для электрически длинных щелей в стенках волноводов // Изв. вузов. Радиоэлектроника. - 2002. - Т. 45, № 12. - С. 14-22.

30. Бутрым А.Ю., Катрич В.А., Колчигин Н.Н., Пивненко С.Н. Влияние несинхронности возбуждения апертуры на излучение импульсных сигналов// Вісн. Дніпропетр. ун-ту. Фізика. Радіоелектроніка. - 2002. - № 9. - С. 74-85.

31. Катрич В.А., Нестеренко М.В., Хижняк Н.А. Сравнительный анализ аналитических методов решения интегральных уравнений для магнитного тока в щелевых излучателях // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. - 2002. - № 12. - С. 15-25.

32. Катрич В.А., Мартыненко С.А., Яцук Л.П. Энергетические характеристики системы двух наклонных щелей в узкой стенке прямоугольного волновода // Радиофизика и радиоастрономия. - 2002. - Т. 7, № 3. - С. 289-295.

33. Butrym A.Yu., Katrich V.A., Kazansky O.V., Kolchigin N.N., Pivnenko S.N. Time-Domain Modeling of Short Pulses Radiation With Aperture Decomposition Method // Radio Physics and Radio Astronomy. - 2002. - Vol. 7, № 4. - Р. 394-397.

34. Бердник С.Л., Катрич В.А., Лященко В.А. Двухчастотные щелевые антенны на многомодовых волноводах // Вісн. Харків. нац. ун-ту. Радіофізика та електроніка. - 2002. - № 570. - С. 18-21.

35. Катрич В.А., Нестеренко М.В., Бердник С.Л. Метод наведенных магнитодвижущих сил для системы поперечных щелей в широкой стенке прямоугольного волновода // Радиотехника: Всеукр. межвед. научн.-техн. сб. - 2003. - Вып. 131. - С. 76-82.

36. Катрич В.А., Лященко В.А., Бердник С.Л. Электрически длинные волноводно-щелевые антенны с оптимальными излучающими и направленными характеристиками // Изв. вузов. Радиоэлектроника. - 2003. - Т. 46, № 2. - С. 51-60.

37. Катрич В.А., Думин А.Н. Излучение нестационарных полей из открытого конца прямоугольного волновода // Изв. вузов. Радиоэлектроника.- 2003. - Т. 46, № 11. - С. 34-42.

38. Нестеренко М.В., Катрич В.А. Метод магнитодвижущих сил для резонаторно-щелевых излучателей и отверстий связи // Изв. вузов. Радиоэлектроника. - 2004. - Т. 47, № 1-2. - С. 12-20.

39. Катрич В.А., Мартыненко С.А., Пшеничная С.В. Волноводно-щелевая антенна с наклонными щелями в узкой стенке прямоугольного волновода // Радиотехника: Всеукр. межвед. научн.-технич. сб. - 2004. - Вып. 137. - С. 79-87.

40. Катрич В.А., Воргуль И.Ю., Лященко В.А., Белогуров Е.Ю., Кийко В.И. Продольная щель с изменяющейся шириной в прямоугольном волноводе // Вісн. Харків. нац. ун-ту. Радіофізика та електроніка. - 2004. - №622. - С. 145-149.

41. Катрич В.А. Нестационарное излучение системы прямоугольных щелевых излучателей с конечной толщиной стенки // Вісн. Харків. нац. ун-ту. Радіофізика та електроніка. - 2004. - № 646. - С. 176-179.

42. Горобец Н.Н., Катрич В.А., Ляховский А.А., Шепилко Е.В. Влияние на поле в дальней зоне положения магнитного диполя относительно внешнего края открытого цилиндрического объема // Изв. Вузов. Радиоэлектроника. - 2004. - Т. 47, №7-8. - С. 44-50.

43. Катрич В.А., Ляховский А.А., Ляховский А.Ф. Влияние условий возбуждения резонатора на характеристики резонансной щелевой линейной антенной решетки // Радиотехника: Всеук. межвед. научн.-техн. сб. - 2004. - Вып. 139. - С. 20-27.

44. Катрич В.А., Лященко В.А., Бердник С.Л., Пшеничная С.В. Оптимизация характеристик излучения электрически длинных продольных щелей в узкой стенке прямоугольного волновода // Радиофизика и радиоастрономия. - 2004. - Т. 9, № 4. - С. 439-447.

45. Нестеренко М.В., Катрич В.А., Пенкин Ю.М. Дифракция волны типа на ступенчатом сочленении двух прямоугольных волноводов с импедансной щелевой диафрагмой // Радиофизика и электроника: Сб. научн. тр. Ин-т радиофизики и электроники НАН Украины. - 2004. - Т. 9, № 2. - С. 325-334.

46. Катрич В.А. Энергетические характеристики многоэлементных резонаторно-щелевых излучателей // Радиоэлектроника и информатика. - 2004. - № 4. - С. 14-17.

Результати дисертації додатково висвітлені в таких працях:

47. Катрич В.А. Электрически длинные излучатели на основе изолированного зеркального диэлектрического волновода // Вісн. Харків. нац. ун-ту. Радіофізика та електроніка. - 2004. - № 646. - С. 93-97.

48. Катрич В.А., Ляховский А.А., Ляховский А.Ф., Жиронкина А.В. Расчет щелевой антенной решетки на прямоугольном резонаторе // Вісн. Харків. нац. ун-ту. Радіофізика та електроніка. - 2002. - № 570. - С.13-17.

49. Думин А.Н., Катрич В.А. Преобразование энергии нестационарной ТЕМ-волны на излучающей апертуре коаксиального волновода // Вісн. Харків. нац. ун-ту. Радіофізика та електроніка. - 2002. - № 570. - С. 26-29.

50. Катрич В.А., Лященко В.А., Белогуров Е.Ю., Бердник С.Л. Поперечные щели в стенках прямоугольного волновода // Вісн. Харків. нац. ун-ту. Радіофізика та електроніка. - 2004. - № 622. - С. 82-88.

51. Катрич В.А., Нестеренко М.В., Бердник С.Л. Метод наведенных магнитодвижущих сил для системы продольных щелей в стенке волноводов // Вісн. Харків. нац. ун-ту. Радіофізика та електроніка. - 2004. - № 622. - С. 95-101.

52. Бутрым А.Ю., Иванченко Д.Д., Казанский О.В., Катрич В.А., Колчигин Н.Н. Синтез и оптимизация широкополосной расширяющейся щелевой антенны // Радиотехника: Всеукр. межвед. научн.-технич. cб. - 2004. - Вып. 137. - С. 194-197.

53. Катрич В.А., Яцук Л.П. Носенко О.Н. Проводимости узкой нерегулярной щели в широкой стенке прямоугольного волновода // Вісн. Харків. нац. ун-ту. Радіофізика та електроніка. - 2004. - № 646. - С. 150-154.

54. Жакин А.И., Катрич В.А., Мартыненко С.А., Пшеничная С.В. Диаграмма направленности криволинейной щели в прямоугольном волноводе // Вісн. Харків. нац. ун-ту. Радіофізика та електроніка. - 2002. - № 544. - С. 50-55.

55. Катрич В.А., Новохатский Ф.С. Интегральное представление функции Грина для уравнения Гельмгольца в плоскопараллельном и прямоугольном волноводах // Вісн. Харків. нац. ун-ту. Радіофізика та електроніка. - 2002. - № 544. - С. 12-23.

56. Катрич В.А., Думин А.Н. Излучение нестационарных полей из открытого конца прямоугольного волновода //- Муром (Россия). - 2003. - C. 77-81.

57. Katrich V.A. Components and Devices of Microwave-Frequency Circuits // Proc. International Conf. on Antenna Theory and Techniques (ICATT95). - Kharkov (Ukraine). - 1995. - Р. 90-91.

58. Нестеренко М.В., Катрич В.А., Кийко В.И. Щелевые антенны в торцах волноводов со встроенными проходными резонаторными фильтрами // Сб. научн. докл. V Междунар. симп. по электронной совместимости и электромагнитной экологии (ЭМС-2003). - Санкт-Петербург (Россия). - 2003. - C. 187-190.

59. Катрич В.А., Нестеренко М.В., Бердник С.Л. Понижение уровня бокового излучения волноводно-щелевых антенных решеток // Сб. докл. Восьмой Российской научн.-техн. конф. по электромагнитной совместимости и электромагнитной безопасности” (ЭМС-2004). - Санкт-Петербург (Россия). - 2004. - C. 272-277.

АНОТАЦІЯ

Катрич В.О. Збудження та випромінювання електромагнітних полів регулярними і нерегулярними хвилевідно-щілинними структурами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.03 - радіофізика. - Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Харків, 2005.

Дисертацію присвячено дослідженню фізичних процесів збудження, випромінювання та розсіювання електромагнітних полів щілинними структурами довільних геометричних розмірів і форм та з різними матеріальними параметрами, розташованими у хвилеведучих трактах, збуджуваних гармонічними, широкосмуговими та нестаціонарними полями й випромінювачами на гібридних структурах.

Розвинуто низку аналітичних і чисельно-аналітичних методів розв'язання інтегро-диференціальних рівнянь для магнітного струму в щілинних випромінювачах і розроблено високоефективні за точністю й швидкістю розрахунків фізико-математичні моделі, методи і алгоритми. Виявлено ряд нових фізичних закономірностей щодо формування характеристик електромагнітного поля, яке випромінюється щілинними структурами. Визначено умови, за яких можливо реалізувати необхідні частотно-енергетичні, просторові, часові, просторово-часові, поляризаційні та спрямовані характеристики полів, які збуджуються хвилевідно-щілинними та смужковими структурами, у тому числі багатоелементними та з діелектричними неоднорідностями.

Ключові слова: електромагнітне поле, хвилевід, щілинний випромінювач, нестаціонарні поля, щілинна решітка, діаграма спрямованості.

Катрич В.А. Возбуждение и излучение электромагнитных полей регулярными и нерегулярными волноводно-щелевыми структурами. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.03 - радиофизика. - Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина, Харьков, 2005.

Работа посвящена развитию теории, созданию математических моделей и разработке методов расчета основных характеристик щелевых излучателей и многоэлементных систем, а также выяснению физических закономерностей и особенностей возбуждения, рассеяния и излучения стационарных и нестационарных полей волноводно-щелевыми структурами с произвольными длинами, конфигурацией, объемом, количеством излучающих элементов, их взаимной ориентацией.

Предложены новые методы и подходы к решению интегро-дифференциальных уравнений для магнитных токов в щелевых излучателях, которые позволили создать более совершенные математические модели, методы и алгоритмы расчета характеристик излучаемых монохроматических и нестационарных полей. Методом усреднения получены новые аналитические решения уравнения для магнитного тока в щелях произвольной, (0.352.75), длины. Показана эффективность использования полученного выражения для тока при решении задач определения характеристик полей, излучаемых щелями различной ориентации в стенках многомодовых волноводов или резонаторов и многоэлементными щелевыми структурами. Предложена и обоснована методика определения амплитудно-фазового распределения поля в электрически длинных (десятки и сотни длин волн) щелях прямоугольной формы и с изменяющейся шириной с использованием ограниченного числа тригонометрических базисных функций при аппроксимации распределения поля в щели. Это позволило модифицировать метод Галеркина и впервые применить его для решения электродинамических задач о волноведущих структурах с электрически длинными одиночными или многоэлементными излучателями, оптимизировать их частотно-энергетические характеристики и характеристики направленности, значительно сократить время для их расчета. Впервые показано, что для щелей длиной в 50 и более длин волн может быть реализовано спадающее к краям щели амплитудное распределение. Построена математическая модель криволинейной щели, позволившая учесть толщину стенки волновода, диэлектрическое заполнение и разную кривизну щели. Получено эффективное и доступное для широкого практического применения электродинамическое решение граничной задачи для системы наклонных щелей в узкой стенке прямоугольного волновода, имеющих вырезы в его широкой стенке, позволившее исследовать характеристики фазированных антенных решеток и антенн "вытекающей волны" на их основе. Применительно к синтезу антенн и антенных решеток развит декомпозиционный метод для решения задач излучения монохроматических и нестационарных полей щелевыми структурами, выполненными на основе широкополосных линий передачи. Впервые во временной области методом эволюционных уравнений решены задачи об излучении нестационарных полей на кольцевых и прямоугольных щелях и системе таких щелей. Получены аналитические решения для амплитуд поля, излученного в свободное пространство, при возбуждении щели волной с произвольной временной зависимостью.

Полученные решения задач возбуждения волноводов щелями с разными геометрическими и материальными параметрами позволили впервые применить электродинамические методы для расчета их характеристик при различных режимах возбуждения и выявить ряд новых физических закономерностей в формировании электромагнитного поля, излучаемого такими структурами, а также подтвердить и количественно оценить ряд ранее известных или гипотетически предполагаемых закономерностей.

Полученные решения для магнитного тока в щелях позволили значительно снизить порядок системы линейных алгебраических уравнения и впервые применить электродинамический метод наведенных магнитодвижущих сил для расчета характеристик излучения многих видов синфазных щелевых решеток или решеток "вытекающей волны", в том числе многочастотных, с совмещенной или секционированной апертурой и на многомодовых волноводах. Показано, что численный анализ по оптимизации их характеристик позволяет определить пути реализации антенн и антенных решеток с высокими, ранее недостижимыми рабочими характеристиками.

Исследованы характеристики излучающих систем на основе металлодиэлектрических структур в случае возбуждения их нестационарным полем с произвольной формой и временем возбуждения. Показана возможность формирования импульсного излучения и электронного сканирования диаграммой направленности путем изменения временной задержки возбуждения излучателей. Даны практические рекомендации по созданию более эффективных излучающих систем на основе металлодиэлектрических структур.

Ключевые слова: электромагнитное поле, волновод, щелевой излучатель, нестационарные поля, щелевая решетка, диаграмма направленности.

Katrich V.O. Exciting and radiating electromagnetic fields with regular and irregular waveguide-slot structures. - Manuscript.

A dissertation for a Doctor's degree in Physics and Mathematics by speciality 01.04.03. - radiophysics. - V.N. Karazin Kharkiv National University, Kharkiv, 2005.

The dissertation is devoted to the investigation of the physical processes of exciting, radiating and scattering electromagnetic fields with the slot structures with arbitrary geometric sizes and medium parameters and with the hybrid structure radiators. The slot elements are situated in waveguide tracts excited by the monochromatic, wideband and transient fields.

Some analytical and numerical-and-analytical methods of solving the integrodifferential equations for magnetic currents in the slot radiators are developed. The physical and mathematical models, which are high-effective by the precision and calculation speed, are built. A number of new physical regularities of forming the characteristics of slot structures are discovered. Conditions under which the necessary frequency, energy, spatial, time, spatially-temporal, polarizational and directional characteristics of the fields, excited with the waveguide-slot and microstrip structures including multielement and dielectric insertion ones are determined.

Key words: electromagnetic field, waveguide, slot radiator, transient fields, slot array, radiation pattern.

Відповідальний за випуск Горобець М.М.

Підписано до друку 25 березня 2005 р.

Формат 6090/16. Папір офсетний. Надруковано на різографі.

Умовн. друк. арк. 1,9. Тираж 100 примірників. Зам. № 77/2005

Надруковано на РІЗО Харківського національного університету

імені В.Н. Каразіна

61002, Харків, вул. Мироносицька,1

Размещено на Allbest.ru