ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Півненко Сергій Миколайович

УДК 537.871: 621.396

Взаємодія обмежених у просторі нестаціонарних полів із діелектричними та металеводіелектричними структурами

01.04.03 - радіофізика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Харків - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському державному університеті

Міністерства освіти України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, старший

науковий співробітник Колчигін Микола

Миколайович, Харківський державний

університет, в. о. завідувача кафедри теоретичної

радіофізики - професор.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

Дмитрієв Віталій Михайлович,

Фізико-технічний інститут низьких температур

НАН України, завідувач відділу надпровідності

(м. Харків),

кандидат фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник

Кочін Валерій Миколайович,

Радіоастрономічний інститут НАН України,

старший науковий співробітник відділу

обчислювальної математики (м. Харків)

Провідна установа: Інститут радіофізики та електроніки

НАН України, відділ інтроскопії (м. Харків)

Захист відбудеться “ 1 ” липня 1999 р. о 15.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.02 Харківського державного університету за адресою: 310077, м. Харків, пл. Свободи 4, ауд. 3-9.

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського державного університету за адресою: 310077, м. Харків, пл. Свободи 4.

Автореферат розісланий “ 1 ” червня 1999 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Ляховський А. Ф.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Робота присвячена теоретичному та експериментальному дослідженню спрямованого випромінювання обмежених у просторі нестаціонарних полів (імпульсних хвильових пучків) та їх розсіяння на шаруватих діелектричних і металеводіелектричних структурах із втратами.

Суттєву роль в підвищенні інтересу до дослідження і використання нестаціонарних сигналів грають зростаючі практичні потреби, пов'язані з необхідністю підвищення швидкості передачі даних, широкосмуговим дослідженням біологічних об'єктів і поглинаючих матеріалів, дистанційним зондуванням середовища, розробкою засобів пошуку і розпізнавання об'єктів у вільному просторі та поблизу границі розділу двох середовищ, неруйнуючим контролем якості матеріалів. Застосування для цих цілей нестаціонарних надширокосмугових сигналів має ряд переваг у порівнянні з сінусоідальними сигналами. Нестаціонарні надширокосмугові сигнали мають високу розділяючу здатність, що дозволяє досліджувати внутрішню структуру шаруватих об'єктів, глибше проникають в середовища з втратами, що дозволяє виявляти і розпізнавати підповерхневі об'єкти. Процес виміру характеристик матеріалів може бути значно прискорений завдяки широкосмуговості нестаціонарних сигналів. Таким чином, з'являється можливість здійснювати поточний контроль і вимірювати характеристики матеріалів, параметри яких швидко змінюються з часом. І нарешті, за допомогою нестаціонарних сигналів можна виявляти об'єкти з поглинаючими покриттями, оскільки останні зазвичай є добре поглинаючими лише в обмеженій смузі частот.

Актуальність теми. При описанні взаємодії нестаціонарного електромагнітного поля з матеріальним середовищем ключовою є задача про падіння нестаціонарного поля на границю розділу вільного простору та шаруватого магнітодіелектричного середовища із втратами. Задача про проходження та відбиття плоскої нестаціонарної хвилі від границі розділу двох середовищ без втрат є класичною, розв'язок якої є добре відомим. Одержані також розв'язки для задач розсіяння плоских нестаціонарних хвиль на шаруватих середовищах, середовищах з дисперсією та середовищах із втратами. Однак при описанні реальних полів, випромінених антенами, їх часто не можна представляти як плоскі хвилі, наприклад, внаслідок близькості антени, що випромінює, і об'єкту розсіяння. В цьому випадку поле, що падає, доцільно розглядати як імпульсний хвильовий пучок, тобто як поле, що обмежене у часі та в просторі. Виходячи з цього, розв'язок задачі про розсіяння імпульсного поля антени, що знаходиться поблизу розсіювача, представляє науковий і практичний інтерес.

Застосування імпульсних надширокосмугових сигналів для вимірювань і контролю параметрів матеріалів - діелектричної проникності, провідности, однорідності - дозволяє значно прискорити процес вимірювань і відмовитися від дорогих невідбиваючих камер. Для вірної інтерпретації результатів експериментальних вимірювань, обгрунтування методики вимірювань і розробки алгоритму обробки експериментальних даних необхідним є розв'язок модельної задачі про відбиття імпульсного поля, що обмежене у часі та в просторі, від шаруватих середовищ із втратами.

Практичне застосування надширокосмугових сигналів утрудняється складністю їх випромінювання, прийому і наступної обробки. Пов'язане це, головним чином, з неможливістю прямого застосування добре відомих приладів і вузлів, розроблених для монохроматичних та вузькосмугових сигналів. Таким чином, необхідні подальші дослідження, спрямовані на розробку нових приладів, спеціально призначених для роботи з нестаціонарними сигналами, або на вдосконалення існуючих приладів.

Актуальною також є задача про випромінювання апертурної антени, збудженої нестаціонарним сигналом з довільними часовою залежністю та амплітудним розподілом щільності струму по апертурі з урахуванням довільної несинхронності функції збудження по апертурі. Урахування несинхронності збудження апертури дозволить промоделювати низку цікавих і корисних у практичному відношенні ефектів, таких як електронне сканування проміню діаграми спрямованості і фокусировку нестаціонарного поля випромінювання в ближній зоні.

Внаслідок складності та об’ємності модельних задач випромінювання та розсіяння нестаціонарних сигналів, а також у зв’язку з необхідністю розробки практичних рекомендацій щодо їх застосування потрібне проведення експериментів, які підтвердять достовірність та точність результатів числового моделювання.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Проведена робота виконана в рамках основного напрямку дослідження радіофізичного факультету ХДУ і кафедри теоретичної радіофізики “Перспективні інформаційні технології, прилади комплексної автоматизації систем зв'язку”, а також є складовою частиною держбюджетних НДР, що виконувались на кафедрі теоретичної радіофізики (номери держреєстрації 0194U018557, 0197U015768).

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є виявлення фізичних закономірностей взаємодії обмежених у просторі нестаціонарних полів з діелектричними структурами і розробка рекомендацій щодо випромінювання і підповерхневого зондування.

Для досягнення поставленої мети необхідно теоретично і експериментально розв’язати такі задачі:

1. Розсіяння обмеженого як у часі так і в просторі поля на границях розділу діелектричних структур із втратами.

2. Випромінювання апертурної антени, збудженої нестаціонарним сигналом з довільною часовою залежністю і амплітудним розподілом щільності струму по апертурі, з урахуванням довільної несинхронності функції збудження по апертурі.

3. Створення експериментальної установки на основі металеводіелектричних щілинних ліній із застосуванням відеоімпульсів і дослідження об'єктів в лініях передачі і у вільному просторі.

Наукова новизна. В ході виконання роботи одержані наступні нові результати:

1. Одержані розв'язки двовимірної та тривимірної задач про відбиття імпульсного хвильового пучка на границі розділу вільного простору і магнітодіелектричного напівпростору із втратами. Встановлені залежності характеристик відбитих полів від матеріальних констант структури, що розсіює. Визначені умови розміщення випромінювача для формування заданого розподілу поля з метою викриття об'єкту поблизу поверхні.

2. Для випадку відбиття тривимірного імпульсного хвильового пучка від шару діелектрика із втратами, що розташований на однорідному напівпросторі, в явному вигляді одержано вираз для відбитого поля з урахуванням малих втрат в шарі. Вдосконалено методику вимірювань і запропоновано алгоритм визначення матеріальних і розмірних параметрів структури, що відбиває, і широкосмугової частотної залежності коефіцієнту відбиття для кількох значень куту падіння за одне вимірювання. Розроблені рекомендації по урахуванню кутових і спектральних залежностей, а також полярності імпульсних сигналів в задачах підповерхневого зондувания.

3. В загальному вигляді одержано розв’язок задачі про випромінювання апертурної антени, збудженої нестаціонарним сигналом з довільними часовою залежністю і амплітудним розподілом щільності струму по апертурі, з урахуванням довільної несинхронності функції збудження по апертурі. Одержано аналітичний вираз випроміненого поля для конкретного випадку несинхронності збудження (лінійна затримка). Проведене числове моделювання випромінювання нестаціонарного поля і визначені залежності характеристик випроміненого поля при сферичній і лінійній несинхронності функції збудження.

4. Створена експериментальна установка для досліджень в часовій області в лініях передачі та у вільному просторі з використанням металеводіелектричних антен із щілиною, що розширюється. Експериментально вимірені характеристики (коефіцієнт відбиття і діаграми спрямованості) металеводіелектричних антен з неоднорідною діелектричною підложкою та з експоненціально і кусково-апроксимованою щілиною, що розширюється, при збудженні субнаносекундними відеоімпульсами.

5. По розробленому алгоритму з експериментальних даних вимірювань в часовій області розраховані характеристики (діелектрична проникність, товщина шару, частотно-кутова залежність коефіцієнту відбиття) кількох видів шаруватих металеводіелектричних структур і радіопоглинаючих матеріалів.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані теоретичні результати можуть бути використані для інтерпретації даних експериментальних вимірювань параметрів матеріалів, при неруйнуючому контролі шаруватих і поглинаючих матеріалів. Запропоновані вдосконалена методика вимірювань і алгоритм обробки експериментальних даних при визначенні діелектричної проникності, провідності і частотної залежності коефіцієнту відбиття шару діелектрика дозволяють значно прискорити процес вимірювань, здійснювати поточний контроль якості матеріалу, що виготовляється. Одержаний в загальному вигляді розв’язок задачі про нестаціонарне випромінювання несинхронно збудженої антени буде корисним при проектуванні імпульсних підповерхневих радіолокаторів, моделюванні і синтезі нових типів антен для нестаціонарних сигналів. Експериментально досліджені антени є перспективними для спрямованого випромінювання нестаціонарних сигналів і можуть знайти застосування у різних галузях науки і техніки - у вимірюваннях, у підповерхневому зондуванні, в неруйнуючому контролі якості матеріалів тощо. Результати проведених теоретичних і експериментальних досліджень можуть бути використані в навчальних курсах для студентів фізичних і радіофізичних факультетів.

Результати теоретичних розрахунків розподілу поля поблизу поверхні були використані при розробці і реалізації системи попередження наїзду дверезйомних машин на людину, що підтверджене актом про використання на “Авдіївському коксохімічному заводі”.

Особистий внесок здобувача. В роботах, що опубліковані із співавторами, здобувачу належать: [1, 2, 4, 6, 7, 9] - розв'язки задач розсіяння, розробка програмного забезпечення, числове моделювання і аналіз фізичних закономірностей розсіяного поля, [3, 10] - розв'язки задач, числове моделювання процесу розсіяння, розробка алгоритму обробки експериментальних даних, [5, 8] - постановка і проведення експериментів, обробка даних, аналіз одержаних результатів.

Апробація роботи. Результати роботи обговорювалися на наукових семінарах кафедри теоретичної радіофізики, на конференціях молодих вчених радіофізичного факультету ХДУ, а також були представлені на конференціях: IEEE International Antennas and Propagation Symposium and URSI National Radio Science Meeting (Montreal, Canada, 1997), International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (Torino, Italy, September 15-18, 1997), International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory (Kharkov, June 2-5, 1998).

Публікації. Матеріали дисертації викладені в 10 наукових публікаціях. З них 5 статей в українських і зарубіжних наукових журналах, 1 депонований рукопис, 4 тези доповідей на конференціях.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел. Загальний обсяг роботи - 140 стор., з них основного тексту - 129 стор., 45 ілюстрацій, 4 таблиці. Список використаних джерел на 11 стор. нараховує 109 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В Вступі викладається актуальність і обгрунтовується необхідність виконання роботи, визначена мета досліджень, перераховані необхідні для досягнення поставленої мети задачі, одержані нові результати, галузі їхнього можливого застосування.

В Розділі 1 проведений огляд літератури по темі досліджень, перераховані основні розв’язані на теперішній час задачі, визначені основні припущення, прийняті при їхньому рішенні, вказані ситуації, в яких вимагається урахування обмеженості нестаціонарних полів. Визначене коло невирішених або недостатньо розглянутих питань і виділені напрямки, що вимагають подальшого дослідження.

В Розділі 2 “Розсіяння импульсного хвильового пучка на плоско-шаруватій структурі із діелектрику з втратами” розглядаються двовимірна і тривимірна задачі про відбиття поля імпульсного хвильового пучка (ІХП) від границі розділу вільного простору та шаруватого магнітодіелектричного середовища з втратами. Поле імпульсного хвильового пучка моделюється за допомогою нескінченної щілини або прямокутної апертури із заданим розподілом електричного поля з довільною часовою і амплітудною залежністю. Задачі розв’язуються методом розкладання поля пучка на просторові і часові монохроматичні гармоніки, що дозволяє використовувати відомі розв'язки, що одержані для плоских хвиль. Після взаємодії парціальних хвиль з границею розділу структури досліджується просторово-частотний спектр повного відбитого поля. Інтеграл по хвильовому числу асимптотично оцінений в дальній зоні із застосуванням методу сідлової точки. Поле відбитого ІХП в точці з координатами r, 0, 0 в системі координат Xr, Yr, Zr, зв'язаної з відбитим полем, одержане в наступному вигляді:

,

де V(, 0, 0) — коефіцієнт відбиття Френеля для монохроматичної плоскої хвилі з частотою , що падає на напівпростір під кутом ,

= t r/c - затриманий час, U (, 0, 0) — Фурьє-образ поля, що падає. В окремому випадку, коли відбиваючий напівпростір є середовищем без втрат і коефіцієнт відбиття не залежить від частоти, відбите поле для часової залежності поля збудження у вигляді гаусової функції знайдене в аналітичному вигляді. В загальному випадку відбиття від середовищ із втратами інтеграл розраховувався за допомогою числових методів.

На основі одержаних розв'язків двовимірної та тривимірної задач проведено аналіз впливу діелектричної проникності і провідності відбиваючого напівпростору на форму, тривалість та амплітудно-кутові характеристики відбитих полів. Показано вплив матеріальних параметрів підстилаючої поверхні на ІХП, що розповсюджується вздовж неї: в залежності від поляризації поля ІХП відносно підстилаючої поверхні і висоти точки спостереження буде спостерігатися або взаємна компенсація або збільшення сумарної амплітуди імпульса за рахунок складання в точці спостереження прямого імпульса та імпульса, відбитого від підстилаючої поверхні.

Для випадку відбиття тривимірного ІХП від шару діелектрика з втратами на однорідному напівпросторі вираз для відбитого поля одержаний в явному вигляді з урахуванням малих втрат в шарі:

,

де rjk являють собою коефіцієнти відбиття Френеля на границі розділу суміжних j-го і k-го середовищ для випадків E - та H-поляризацій, відповідно, , , d - товщина шару, 1 та 1 - реальна та уявна частини діелектричної проникності шару, відповідно, - константа ослаблення, tg = 11, .

Урахування кутових характеристик імпульсного поля, випроміненого апертурною антеною, при моделюванні процесу відбиття від шаруватої структури дозволило вдосконалити методику вимірювань і запропонувати ефективний алгоритм обробки даних експериментальних вимірювань для визначення параметрів шаруватих структур і радіопоглинаючих матеріалів — діелектричної проникності, товщини шару, тангенса куту втрат матеріалу шару і частотно-кутової залежності коефіцієнту відбиття.

Визначені наступні вимоги до вимірювальної установки. Зондуюча антена повинна мати широку діаграму спрямованості і розміщена таким чином, щоб кут між направленням максимума діаграми спрямованості антени і нормаллю до площини структури, що досліджується, складав приблизно 45. Кілька приймачів мають бути розміщені на різних відстанях від зондуючої антени таким чином, щоб охопити потрібні значення кутів падіння. За час одного вимірювання отримуємо набір часо-кутових характеристик відбитого поля для кількох значень кутів падіння. Оскільки параметри , d і tg структури, що досліджується, не залежать від куту падіння, для їхнього визначення можна використати будь-яку з одержаних часо-кутових характеристик згідно з наступним алгоритмом:

·

· З часу затримки імпульса, відбитого від нижньої границі шару, відносно імпульса, відбитого від границі розділу структури, що досліджується, визначається товщина шару;

· Для відомих тривалості імпульса, параметрів шару d і , а також відношення амплітуди імпульса, відбитого від нижньої границі шару, до амплітуди імпульса, відбитого від границі розділу структури, що досліджується, визначається тангенс куту втрат матеріалу шару.

Застосовуючи до одержаних часо-кутових характеристик процедуру перетворення Фурьє з використанням "часового вікна" для виділення необхідного сигналу, одержуємо набір частотно-кутових характеристик відбитого поля в широкій смузі частот та для кількох значень кутів падіння. Частотно-кутові характеристики поля, що падає, одержуємо аналогічним чином, використовуючи ідеально відбиваючу поверхню. Нормуючи частотно-кутові характеристики поля, відбитого від структури, що досліджується, на відповідні характеристики поля, що падає, одержуємо частотну залежність коефіцієнту відбиття структури, що досліджується, в широкому діапазоні частот для ряду значень кутів падіння.

Розділ 3 “Випромінювання апертури з несинхронним імпульсним збудженням” присвячений розв’язку задачі про випромінювання прямокутної апертурної антени, збудженої нестаціонарним сигналом з довільними часовою залежністю і амплітудним розподілом щільності струму по апертурі з урахуванням довільної несинхронності функції збудження по апертурі. Вважаючи, що вектор щільності струму направлений вздовж осі Ox, вираз для поля в зоні Френеля (R0 >> a, b, де 2a, 2b - розміри апертури) одержаний у вигляді:

,

де x, y, z - координати точки спостереження, , - координати точки на апертурі антени,, А(, ) - функція амплітудного розподілу щільності струму по апертурі, td(, ) - функція часової затримки, f (t) - довільна функція часу, , = t R0 /c.

В зоні Фраунгофера R0 >> a2/ 2cT (T - тривалість імпульса):

.

Розглянуто окремий випадок зміни амплітудного розподілу і часової затримки функції збудження вздовж однієї координати по апертурі. Для випадку лінійної залежності функції часової затримки td() = (nT/a) (n - коефіцієнт, що визначає величину лінійної затримки на краю апертури) поле в площині Ox одержане в аналітичному вигляді:

,

де позначено. При B 0 кінцева різниця перейде в похідну:

.

Умова x/R0с nT/a = 0 визначає кут повороту проміню поля випромінювання. Одержаний аналітичний вираз дозволив провести безпосередній аналіз впливу лінійної несинхронності на просторово-часовий розподіл поля випромінювання. Рис. 1 ілюструє залежність нормованої енергії випроміненого поля від куту спостереження ( = 0, Е-площина) для різних значень параметру лінійної часової затримки n.

Досліджено вплив сферичної несинхронності збудження апертури, що описує збудження апертури ТЕМ-рупора, на просторово-часові та енергетичні характеристики поля випромінювання. Одержана умова, що визначає максимальне викривлення хвильового фронту - при заданій межі зменшення енергії випроміненого імпульса викривлення хвильового фронту не повинно перевищувати певної величини. Досліджена можливість фокусировки імпульса в ближній зоні апертурної антени. Визначена залежність положення точки фокусировки від значення параметру негативної сферичної часової затримки (Рис. 2.).

В Розділі 4 “Експериментальне дослідження випромінювання і взаємодії коротких імпульсів із шаруватими діелектричними та металеводіелектричними структурами” описано розроблену і створену установку для експериментального дослідження в часовій області різноманітних приладів та вузлів у лініях передачі і об'єктів у вільному просторі за допомогою відеоімпульсів тривалістю сотні пікосекунд. Установка складається з таких блоків: генератор короткого відеоімпульса, широкосмуговий дільник потужності, приймальна антенна-зонд, стробоскопічний осцилограф, аналогово-цифровий перетворювач, персональний комп'ютер. Установка дозволяє вимірювати коефіцієнт відбиття та проходження чотириполюсника, діаграми спрямованості антен, імпульсні характеристики розсіяння об'єктів у вільному просторі. Для дослідження об'єктів у вільному просторі застосовуються спеціально розроблені металеводіелектричні антени із щілиною, що розширюється.

Було досліджено кілька типів щілинних антен в режимі імпульсного збудження: з кусково-неоднорідною щілиною, що розширюється, та з плавною зміною ширини щілини по експоненційному закону на однорідній підложці; з плавною зміною ширини щілини по експоненційному закону на загостреній підложці (товщина підложки плавно зменшується поблизу апертури антени на довжині /5, - тривалість імпульса); з кусково-неоднорідною щілиною, що розширюється, на подовженій підложці (довжина підложки без покриття становить /4); з плавною зміною ширини щілини по експоненційному закону на подовженій підложці.

В часовій області вимірювалися коефіцієнти відбиття і діаграми спрямованості цих антен по піковій амплітуді в двох площинах і рівень крос-поляризації. Ширина діаграми спрямованості антен по піковій амплітуді становить 52 - 58 в Е-площині і 70 - 88 в Н-площині. Рівень прийнятого сигналу по крос-поляризації (пікова амплітуда) не перевищує 10 дБ в Н-площині і 12 дБ в Е-площині для всіх типів досліджених антен. З одержаних часових даних розраховані частотні залежності коефіцієнту відбиття антен в широкій смузі частот. Плавне зменшення товщини підложки поблизу апертури, а також подовження підложки (без металізації) дозволяє зменшити коефіцієнт відбиття антен. Розраховані з одержаних часових даних значення коефіцієнту підсилення антен становлять 7 - 8 дБ.

В часовій області вимірювалися коефіцієнти відбиття та проходження для переходів між коаксіальною та щілинною лініями передачі. Показано, що коаксіально-щілинні переходи мають невелике затухання (1 дБ на один перехід) і малі втрати на відбиття (не більш 17 дБ в часовій області) для випадку передачі коротких відеоімпульсів з тривалістю 0.3 - 0.5 нс. Два типу переходів - перпендикулярний та співвісний, мають близькі характеристики і можуть замінювати один одний.

Наведено результати експериментальних досліджень розсіяння поля імпульсного хвильового пучка на наступних шаруватих металеводіелектричних структурах: шар деревини товщиною 22 см на металевій площині, шар прісної води товщиною 7 мм на металевій площині, два типи радіопоглинаючих матеріалів (шаруватий та дифузний) на металевій площині. Були вимірені часові залежності поля ІХП, відбитого від ідеально провідної поверхні та від шаруватих структур, що досліджуються, для трьох значень куту падіння. Результати теоретичних розрахунків відбитого поля ІХП від шаруватих металеводіелектричних структур та одержані експериментальні результати дуже добре збігаються. З вимірених часо-кутових даних по запропонованому в другому розділі алгоритму розраховані характеристики шару діелектрика - товщина і діелектрична проникність. Для випадку, коли просторова тривалість випроміненого імпульса менше товщини шару, відхилення розрахованої товщини шару від істинного значення не перевищує 6,3%. Точність вимірювань погіршується, якщо просторова тривалість зондуючого імпульса більше товщини шару. З вимірених часо-кутових характеристик поля ІХП, відбитого від радіопоглинаючих матеріалів, розраховані частотно-кутові залежності коефіцієнту відбиття для цих матеріалів у широкій смузі частот.

Таким чином, результати експериментів підтвердили розв'язок теоретичної задачі про відбиття поля апертурної антени, збудженої коротким імпульсом, від шаруватої металеводіелектричної структури, утвореної шаром діелектрика з втратами, що розташований на діелектричному або ідеально провідному напівпросторі, і обгрунтували вірогідність і точність запропонованого алгоритму обробки експериментальних даних, що дозволяє розраховувати параметри відбиваючої структури — діелектричної проникності, товщини шару, тангенса куту втрат матеріалу шару і частотно-кутової залежності коефіцієнту відбиття.

ВИСНОВКИ

За допомогою спектрального методу одержані розв'язки задач розсіяння двовимірних та тривимірних імпульсних хвильових пучків (ІХП) на діелектричних та металеводіелектричних структурах із втратами. Вирази для відбитого поля в часовій області одержані у вигляді однократних інтегралів по частоті. Для випадку відбиття тривимірного ІХП від шару діелектрика із втратами, що розташований на однорідному напівпросторі, в явному вигляді одержаний вираз для відбитого поля з урахуванням малих втрат в шарі.

Проведений аналіз впливу матеріальних параметрів відбиваючого напівпростору на просторово-часові характеристики відбитого поля ІХП показав, що для кутів падіння близьких до куту Брюстера спостерігаються істотні відміни між відбитими Е- та Н-поляризованими полями ІХП. В кутовій залежності Н-поляризованого поля ІХП, відбитого від середовища із втратами, є мінімум енергії, зумовлений наявністю куту Брюстера. Положення і глибина мінімуму енергії відбитого Н-поляризованого поля визначаються співвідношенням провідності середовища і тривалості імпульса падаючого поля (його спектральним складом). Полярність відбитого Н-поляризованого імпульса по різні сторони від куту Брюстера протилежна. Якщо середовище має дисипацію, зміна полярності в залежності від куту спостереження відбувається поступово. Якщо провідність відбиваючого середовища мала, полярність змінюється стрибком, а в напрямку куту Брюстера відбите Н-поляризоване поле дорівнює нулю. Кутова залежність відбитого Е-поляризованого поля ІХП майже співпадає із кутовою залежністю падаючого поля. Показано вплив матеріальних параметрів підстилаючої поверхні на просторово-часові характеристики ІХП, що розповсюджується вздовж неї.

На основі розв'язку задачі про відбиття поля ІХП від шаруватого середовища з втратами запропоновано вдосконалення методики вимірювань і алгоритм визначення параметрів відбиваючої структури (діелектричної проникності, провідності, товщини шару) і частотної залежності коефіцієнту відбиття для кількох значень куту падіння за одне вимірювання. Визначені вимоги до вимірювальної установки.

В загальному вигляді одержаний розв'язок задачі про випромінювання прямокутної апертурної антени, збудженої нестаціонарним сигналом з довільними часовою залежністю і амплітудним розподілом щільності струму по апертурі, з урахуванням довільної несинхронності функції збудження по апертурі.

Досліджено вплив сферичної несинхронності збудження апертури, що описує збудження апертури ТЕМ-рупора, на просторово-часові і енергетичні характеристики поля випромінювання. Показано, що зі збільшенням викривлення хвильового фронту енергія випроміненого імпульса зменшується в порівнянні з енергією імпульса, випроміненого синхронною апертурою. Ефект стає особливо вираженим для апертури з малими значеннями співвідношення просторової тривалості імпульса до ширини апертури. Одержана умова максимального викривлення хвильового фронту — при заданій межі зменшення енергії випроміненого імпульса викривлення хвильового фронту не повинно перевищувати певної величини.

З проведеного аналізу впливу лінійної несинхронності одержана умова, що визначає кут повороту проміню поля випромінювання в залежності від параметру лінійної несинхронності функції збудження і співвідношення між просторовою тривалістю імпульса і розміром апертури.

Для випадку фокусировки випроміненої енергії поля визначена залежність положення точки фокусировки від значення параметру негативної сферичної часової затримки. Ефект фокусировки енергії є особливо вираженим для малих значень співвідношення просторової тривалості імпульса до ширини апертури.

Описано розроблену і створену експериментальну установку для досліджень в часовій області за допомогою відеоімпульсів тривалістю сотні пікосекунд об'єктів та вузлів в лініях передачі та у вільному просторі.

В часовій області вимірені коефіцієнти відбиття і діаграми спрямованості металеводіелектричних антен із щілиною, що розширюється, по піковій амплітуді в двох площинах і рівень прийнятого сигналу по крос-поляризації. Показано, що металеводіелектрична щілинна антенна з розміром апертури близько 2 і довжиною близько 3 ( - тривалість імпульса) є ефективним спрямованим випромінювачем відео і радіоімпульсів.

По результатах вимірювань в часовій області визначені параметри кількох діелектриків, що розташовані на ідеально відбиваючій поверхні, - товщина і діелектрична проникність; з вимірених часо-кутових характеристик розраховані частотно-кутові залежності коефіцієнту відбиття радіопоглинаючих матеріалів. Для випадку, коли просторова тривалість випроміненого імпульса менше товщини шару, відхилення розрахованої товщини шару від істинного значення не перевищує 6.3%.

Експериментальні результати підтвердили вірогідність і точність запропонованого алгоритму швидких вимірювань матеріальних і розмірних параметрів шаруватих структур в широкому діапазоні кутів падіння без повороту випромінюючої антени з широкою діаграмою спрямованості.

Розроблено низку практичних рекомендацій по застосуванню результатів розрахунків розподілу поля при вирішенні проблем підповерхневого зондування та розповсюдження імпульсніх сигналів увздовж підстилаючої поверхні.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

АНОТАЦІЯ

Півненко С. М. Взаємодія обмежених у просторі нестаціонарних полів із діелектричними та металеводіелектричними структурами. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.03 - радіофізика. - Харківський державний університет, м. Харків, 1999.

Теоретично та експериментально досліджено спрямоване випромінювання обмежених в просторі нестаціонарних полів (импульсних хвильових пучків) та їх розсіяння на границях розділу шаруватих металеводіелектричних структур із втратами. Запропоновано алгоритм обробки просторово-часових експериментальних даних для визначення діелектричної проникності, провідності, товщини шару та частотно-кутової залежності коефіцієнту відбиття шаруватих структур.

В загальному вигляді одержаний розв'язок задачі про випромінювання прямокутної апертурної антени, що збуджена нестаціонарним сигналом з довільними часовою залежністю і амплітудним розподілом щільності струму по апертурі з урахуванням довільної функції несинхронності збудження.

Створено установку для експериментальних досліджень в часовій області за допомогою відеоімпульсів тривалістю сотні пікосекунд із застосуванням розроблених антен із щілиною, що розширюється. З вимірених часо-кутових характеристик визначені параметри кількох типів шаруватих діелектриків та радіопоглинаючих матеріалів.

Ключові слова: імпульсний хвильовий пучок, розсіяння, спектральний метод, просторово-часова характеристика, шарувата структура, експеримент, щілинна антена, метод вимірювання, випромінювання, несинхронне збудження.

SUMMARY

Pivnenko S. N. Interaction of restricted in space transient fields with dielectric and metal-dielectric structures. - Manuscript.

Thesis for candidate’s degree by speciality 01.04.03 - radiophysics. - Kharkov State University, Kharkov, 1999.

A directed radiation of restricted in space transient fields (pulsed wave beams) and their scattering on boundaries of layered metal-dielectric lossy structures is investigated both theoretically and experimentally. An algorithm for processing space-time experimental data to determine permittivity, conductivity, slab thickness and frequency-angular dependence of reflection coefficient of layered structures is proposed.

A general solution to the problem of radiation from rectangular aperture antenna excited with transient signal of arbitrary time dependence and amplitude distribution of current density along the aperture is obtained taking into account an arbitrary function of non-synchronous excitation.

A setting for experimental investigations in time domain using videopulses of hundreds of picosecond duration and developed tapered slot antennas is created. Parameters of several types of layered dielectrics and radio-absorbing materials are determined from the measured time-angular characteristics.

Key words: pulsed wave beam, scattering, spectral method, space-time characteristic, layered structure, experiment, slotline antenna, method of measurement, radiation, non-synchronous excitation.

АННОТАЦИЯ

Пивненко С. Н. Взаимодействие ограниченных в пространстве нестационарных полей с диэлектрическими и металлодиэлектри-ческими структурами. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.03 - радиофизика. - Харьковский государственный университет, г. Харьков, 1999.

В работе теоретически и экспериментально исследуется направленное излучение ограниченных в пространстве нестационарных полей (импульсных волновых пучков) и их рассеяние на слоистых диэлектрических и металлодиэлектрических структурах с потерями. Поле импульсного волнового пучка моделируется с помощью бесконечной щели либо прямоугольной апертуры с заданным распределением электрического поля с произвольной временной и амплитудной зависимостью. Задача решается методом разложения поля импульсного волнового пучка на пространственные и временные монохроматические гармоники, что позволяет использовать известные решения, полученные для плоских волн. В общем случае отражения от полупространства с потерями решение получено в виде однократного интеграла по частоте. Для частного случае, когда отражающее полупространство является средой без потерь и коэффициент отражения не зависит от частоты, отраженное поле для временной зависимости поля возбуждения в виде гауссовой функции найдено в аналитическом виде.

На основе полученных решений двумерной и трехмерной задач проведен анализ влияния диэлектрической проницаемости и проводимости отражающего полупространства на форму, длительность и амплитудно-угловые характеристики отраженных полей. Показано влияние материальных параметров подстилающей поверхности на поле распространяющегося вдоль нее импульсного волнового пучка.

Для случая отражения трехмерного ИВП от слоя диэлектрика с потерями на однородном полупространстве решение для отраженного поля получено в явном виде с учетом малых потерь в слое. Учет угловых характеристик импульсного поля, излученного апертурной антенной, при моделировании процесса отражения от слоистой структуры позволил усовершенствовать методику измерения и предложить эффективный алгоритм обработки данных экспериментальных измерений для определения параметров слоистых структур и радиопоглощающих материалов — диэлектрической проницаемости, толщины слоя, тангенса угла потерь материала слоя и частотно-угловой зависимости коэффициента отражения.

В общем виде получено решение задачи об излучении прямоугольной апертурной антенны, возбужденной нестационарным сигналом с произвольными временной зависимостью и амплитудным распределением плотности тока по апертуре с учетом произвольной несинхронности функции возбуждения по апертуре. Рассмотрен частный случай изменения амплитудного распределения и временной задержки функции возбуждения вдоль одной координаты по апертуре. Для случая линейной зависимости функции временной задержки выражение для поля излучения получено в аналитическом виде, что позволило провести непосредственный анализ влияния линейной несинхронности на пространственно-временное распределение поля излучения. Определена зависимость угла поворота луча поля излучения от параметра линейной функции несинхронности возбуждения и соотношения между пространственной длительностью импульса и размером апертуры.

Исследовано влияние сферической несинхронности возбуждения апертуры, которая описывает возбуждение апертуры ТЕМ-рупора, на пространственно-временные и энергетические характеристики поля излучения. Получено условие, определяющее максимальное искажение волнового фронта - при заданном пределе уменьшения энергии излученного импульса искажение волнового фронта не должно превышать определенной величины. Исследована возможность фокусировки импульса в ближней зоне апертурной антенны. Установлена связь положения точки фокусировки и параметра отрицательной сферической временной задержки.

Разработана и создана установка для экспериментального исследования во временной области с помощью видеоимпульсов длительностью сотни пикосекунд в линиях передачи и в свободном пространстве. Для исследования объектов в свободном пространстве применяются специально разработанные металлодиэлектрические расширяющиеся щелевые антенны. По результатам измерений во временной области определены параметры слоя диэлектрика на идеально отражающей плоскости - толщина и диэлектрическая проницаемость; из измеренных время-угловых характеристик рассчитаны частотно-угловые зависимости коэффициента отражения радиопоглощающих материалов.

Экспериментальные результаты подтвердили достоверность и точность предложенного алгоритма быстрого измерения материальных и размерных параметров слоистых структур в широком диапазоне углов падения без поворота излучающей антенны с широкой диаграммой направленности.

Ключевые слова: импульсный волновой пучок, рассеяние, спектральный метод, пространственно-временная характеристика, слоистая структура, эксперимент, щелевая антенна, метод измерения, излучение, несинхронное возбуждение.