Введение 3
Глава 1. Резонансное рассеяние электромагнитных волн на узкой
анизотропно проводящей ленте 15
1.1. Постановка задачи 15
1.2. Интегродифференциальное уравнение для плотности
поверхностного тока 16
1.3. Поле в дальней зоне 18
1.4. Полное сечение рассеяния 19
1.5. Аналитическое решение для узкой ленты 22
1.6. Резонансы 27
1.7. Сечение обратного рассеяния ленты 34
Выводы 39
Глава 2. Низкочастотный киральный резонанс анизотропно проводящего цилиндра с узкой продольной щелью 45
2.1 Постановка задачи 45
2.2. Поле поверхностных винтовых токов 45
2.3. Интегродифференциальное уравнение для плотности
поверхностного тока 51
2.4. Предельный вид токов при ка —> 0 53
2.5. Низкочастотный резонанс 57
2.6. Квазистатическое решение задачи дифракции 58
2. Сечение обратного рассеяния цилиндра 69
Выводы
Глава 3. Волны, направляемые анизотропно проводящим цилиндром с продольной щелью 79
3.1. Постановка задачи 79
3.2. Интегродифференциальное уравнение для собственного тока... 80
3.3. Аналитическое решение в случае малых углов подъема и узкой щели 84
Выводы 89
Приложение 1. Оптическая теорема 91
Приложение 2. Некоторые тождества для функций Лежандра 94
Список литературы

Купить

Предмет исследований.
В настоящей работе исследуются двумерные незамкнутые рассеиватели резонансного типа, поперечные размеры которых малы по сравнению с длиной волны. Такими рассеивателям являются лента с анизотропной проводимостью и круговой цилиндр с узкой продольной щелью с анизотропной проводимостью вдоль винтовых линий.
Интерес к подобным рассеивателям возникает в связи с тем, что они могут применяться для создания электромагнитных структур (например, периодических решеток, каскадов решеток) с новыми электродинамическими свойствами, которые не наблюдаются при использовании металлических рассеивателей.
Так, решетка из анизотропно проводящих лент, период которой много меньше длины волны, обладает сильной частотной селективностью: в такой решетке имеют место эффекты полного внутреннего отражения и прохождения. Решетки из обыкновенных металлических лент таким свойством не обладают. В тонком металлическом цилиндре с узкой продольной щелью существует низкочастотный резонанс. В таком же цилиндре с анизотропной проводимостью вдоль винтовых линий этот резонанс приобретает свойство хиральности, в связи с чем решетки из таких рассеивателей обладают селективностью по отношению к знаку вращения круговой поляризации.
Кроме того, известно, что если цилиндрический рассеиватель проявляет резонансные свойства, то эти резонансы связаны с вытекающими волнами, что дает возможность использовать такие объекты в антенных приложениях.
Математический аппарат решения рассматриваемых задач дифракции.
Методология решения задач дифракции на объектах с анизотропной проводимостью поверхности состоит в использовании приближенных граничных условий, метода интегральных уравнений и вариационного аппарата.
Приближенные граничные условия не учитывают локальную структуру поля на границе раздела двух сред. Возможность использования таких усредненных условий возникает тогда, когда размеры области, в которой происходят значительные изменения электромагнитного поля, много меньше всех линейных размеров, участвующих в задаче, а именно длины волны, радиуса кривизны поверхности, радиуса кривизны фронта падающей волны, расстояния, на котором свойства среды заметно меняются, и т.д.
Примером усредненных граничных условий являются условия Леонтовича в теории скин-эффекта [1] для случая падения волны на металлическую поверхность. Амплитуда волны в металле спадает экспоненциально. Величина, которая характеризует скорость убывания амплитуды, называется толщиной скин-слоя. Внутри скин-слоя существует соотношение между тангенциальными компонентами полей Ё и Н :
Ex = wHy, Ey = -wHx где w = fi/a/e -волновое сопротивление металла, ось zнаправлена в металл. Это соотношение справедливо и на самой границе раздела, а так же на внешней границе раздела, поскольку компоненты поля в (1) непрерывны при переходе через эту границу. В случае идеальной проводимости металла е является бесконечно большой мнимой величиной, в результате чего w = 0, и электрическое поле на поверхности равно нулю.
Формула (1) является примером импедансных граничных условий [2], связывающих компоненты электромагнитного поля на границе раздела двух сред. Аналогичные условия можно записать и для тонкого диэлектрического слоя на поверхности металла.
Поверхностный импеданс скин-слоя и диэлектрического слоя на поверхности металла является изотропным: для двух возможных направлений поляризации он отличается только знаком. Существует также класс поверхностей, для которых импедансные граничные условия различны в разных тангенциальных направлениях. Примером такой поверхности является периодическая металлическая гребенчатая структура (гофра), канавки которой заполнены материалом с большой диэлектрической проницаемостью. Если период структуры много меньше длины волны, то можно пользоваться усредненными значениями для компонент электромагнитного поля, при этом
Еу = 0, Ех = wHу= где ось у направлена вдоль гофры. Если канавки имеют четвертьволновую глубину [3], то £, = Ну=0. (3)
Граничные условия, в которых проводимость в различных направлениях характеризуется разными значениями w,называются анизотропными импедансными условиями. Так, например, условия (2) означают, что в направлении у поверхность имеет идеальную, а в направлении X - конечную электрическую проводимость. Выражение (3) является так же условием идеальной магнитной проводимости в заданном направлении. Оно называется условием смешанной анизотропной проводимости (электрической и магнитной). Условия (1), (2) и (3) являются односторонними и позволяют независимо рассматривать поле по обе стороны границы раздела.
Усредненные граничные условия для частопериодической решетки идеально проводящих проводов, впервые предложенные Владимирским, можно записать в виде
Ey=0, Ej=0, ЕХ=Е~, Н* = НХ,
где ось у направлена вдоль проводов решетки. Индексы “+” и относятся к разным сторонам решетки. Условия (4) означают, что в плоскости решетки токи в направлении х не текут. Такие условия принято называть условиями анизотропной проводимости. Первые два уравнения в (4) имеют вид импедансных граничных условий, аналогичных (1) для случая идеальной проводимости металла, а третье и четвертое условия связывают между собой тангенциальные компоненты полей по разные стороны решетки. Таким образом, граничные условия Владимирского требуют совместно рассматривать поле по разные стороны границы раздела.
В настоящей работе исследуются цилиндрические объекты, поверхность которых представляет собой частопериодическую решетку металлических лент с коэффициентом заполнения, близким к 1/2. Для описания поля на таких поверхностях используются граничные условия Владимирского (4). Эти условия означают, что рассеянное поле создается только электрическими токами, и, следовательно, его компоненты можно выразить, пользуясь только электрическим вектором Герца:
Es =ne+-ygrad divfT, Hs=-гоШе,
Задачи являются двумерными, то есть зависимость полей от координаты z задана множителем exp(-z'Az), и электрический вектор Герца удовлетворяет двумерному уравнению Гельмгольца:
ДП(е) + к2П(е) = ikj, к = Л2 -А2 . (6)
Компоненты вектора Герца можно выразить через интегралы от поверхностных токов, после чего граничное условие (4) позволяет получить интегро дифференциальное уравнение с ядром в виде двумерной функции Грина свободного пространства:
G(r, <р, г', ср)[^2+r'2-2rr'cos(<3-^)] (7)
Поскольку поверхности рассматриваемых объектов являются незамкнутыми, полученное уравнение следует дополнить условием обращения в нуль токов на краях этих поверхностей.
Интегродифференциальное уравнение можно решать, используя квазистатическое приближение для функции Грина (7). Однако в некоторых резонансных точках такой метод не позволяет правильно определить амплитуды поверхностных токов, поскольку в квазистатическом приближении мнимая часть функции Грина, посредством которой учитывается мощность, излучаемая поверхностными токами, представляет собой константу. Для того, чтобы правильно учесть рассеянную мощность, следует использовать более точное приближение для функции Грина (7), которое учитывает следующий член разложения ее мнимой части в ряд по степеням малого параметра. Влияние этой малой добавки на решение уравнения можно учесть при помощи вариационного аппарата. Метод состоит в нахождении функционалов от поверхностного тока, стационарных на решениях исходного уравнения, то есть таких функционалов, значения которых не зависят в первом приближении от отклонений поверхностного тока от точных решений интегродифференциального уравнения. Для оценки значений функционала используются пробные функции, полученные в квазистатическом приближении, и уточненное выражение для функции Грина, что позволяет получить правильные выражения для амплитуд поверхностных токов и рассеянной мощности в общем случае.
Обзор близких по тематике работ.
Анизотропно проводящие поверхности широко используются на практике для создания антенн, волноводов и замедляющих структур. Так, например, гофрирование стенок волновода в некоторых случаях позволяет снять нежелательное вырождение системы собственных волн, в частности, в круглом волноводе [4]. Замедление волн гофрированной поверхностью применяется в электронике для достижения взаимодействия с электронным потоком. Применяется также гофрирование стенок рупорной антенны [5], [6], [7]. Одним из полезных свойств импедансных покрытий, реализованных на основе гребенчатых структур, является трансформация пространственного поля в поверхностные волны [8].
Широкое применение на практике имеет микрополосковая антенна (см. [9], [10]), граничные условия на поверхности которой описываются условиями (2). Она состоит из набора металлических лент, нанесенных на диэлектрическую плату, которая, в свою очередь, располагается на металлическом экране. Большое значение микрополосковые антенны имеют для создания фазированных антенных решеток, то есть антенн с электронным управлением диаграммой направленности [11]. Существуют варианты многослойных антенн. Микрополосковые структуры используются так же для создания частотно-селектвных устройств (фильтров, амплитудных и фазовых корректоров).
Различные виды решеток из металлических лент широко применяются в микроволновой технике и к настоящему времени подробно исследованы (см., например, [12]). Как известно, представление о том, что формулы (4) описывают решетки из проводящих лент, требует уточнений, поскольку эти формулы не учитывают влияния формы проводников и коэффициента заполнения на структуру поля в примыкающей к решетке области, размеры которой малы по сравнению с длиной волны. Учет этих факторов позволяет более точно моделировать поверхности с анизотропной проводимостью. В [13] и [14] приведены значения оптимальных коэффициентов заполнения решетки соответственно для случаев ленточных и круглых проводников. Они обеспечивают одновременно малость отражения волны, электрический вектор которой перпендикулярен к проводам решетки, и прохождения волны, электрический вектор которой им параллелен. Кроме этого, подбором коэффициента заполнения можно совместить эквивалентную плоскость отражения с плоскостью симметрии решетки. Для проводников круглого сечения вычисление такого коэффициента заполнения проведено в [15], [16]. В [17] исследованы решетки из симметричных двойных лент и определены оптимальные параметры для выполнения условий (4). Рассмотрены также задачи дифракции и рассчитаны коэффициенты прохождения плоских волн для решеток из толстых лент [18], наклонных лент [19] и др. Обзор работ, связанных с реализацией импедансных поверхностей и изучением границ применимости условий (2), (3) сделан в [20].
Теоретическое и экспериментальное исследование фазовых характеристик толстых проводящих решеток проведено в [21], исследована зависимость фазы коэффициента отражения от частоты и угла падения. Показано, что в зависимости от сечения проводников можно подобрать периодичность решетки таким образом, что фазы коэффициентов прохождения и отражения остаются постоянными в широком диапазоне частот. Угловая зависимость коэффициентов прохождения и отражения в этом диапазоне частот так же исчезает.
В [22] рассмотрена задача дифракции волны на полуплоскости с анизотропным импедансом поверхности. Предполагается, что полуплоскость является идеально проводящей в одном направлении и имеет конечную проводимость в перпендикулярном направлении. При нормальном падении анизотропия не влияет на рассеяние и решение не отличается от решения для задачи дифракции на металлической полуплоскости [23], но для случая произвольного угла падения волны возможно изменение поляризации в рассеянном поле. В [24] задача дифракции на анизотропно проводящей полуплоскости обобщена на случай произвольного выбора направлений анизотропной проводимости и наклонного падения плоской волны.
Большое количество работ посвящено задаче дифракции волн на клине, на гранях которого выполняются условия анизотропного поверхностного импеданса (см., например, [25], [26], [27]).
В [28] численно исследованы волноведущие свойства цилиндра, направление анизотропной проводимости которого параллельно его оси. В [29], [30] исследована задача дифракции на цилиндре с гофрированной поверхностью, на которой выполняются условия анизотропного импеданса (2): рассмотрены случаи, когда направление гофры параллельно и перпендикулярно оси цилиндра. В [31] рассмотрена задача возбуждения кругового цилиндра с анизотропным импедансом продольным электрическим диполем.
Широкий круг задач возникает при рассмотрении электродинамических свойств поверхностей, на которых линии проводимости не могут быть совмещены со своими зеркальными отражениями (свойство киральности). При этом соответствующие тела по-разному взаимодействуют с волнами левой и правой круговой поляризации, что дает возможность использовать тела с анизотропной проводимостью поверхности для создания сред с пространственной дисперсией (киральных сред) [32], [33]. Искусственные электромагнитные среды образуются из киральных элементов, размеры которых много меньше длины волны. Такая среда может представлять собой либо упорядоченную структуру в виде пространственной решетки, либо хаотическую смесь киральных элементов с диэлектриком. В оптике с пространственной дисперсией связано явление, которое называется оптической активностью. Оптическая активность в естественных средах не нашла широкого применения из-за малости эффекта, что связано с малостью размеров молекул по сравнению с длиной оптической волны. Размеры молекул органических веществ значительно больше, но полимеры слабо прозрачны для оптических волн. Возможности искусственных киральных сред в сантиметровом и миллиметровом диапазоне волн значительно шире, поскольку искусственные элементы могут обладать сложной структурой и поддерживать низкочастотные резонансы токов. В этом случае киральность уже не является малой поправкой, и свойства киральной среды могут значительно отличаться от свойств некиральной среды не только за счет накопления малого эффекта, как в явлении оптической активности. Поэтому искусственные киральные среды могут быть не только "трехмерными", но и тонкими по сравнению с длиной волны.
Развитие электродинамики киральных объектов и сред проводится очень активно. В настоящее время существуют два основных направления исследований в области электромагнитной киральности: исследования киральных свойств объектов как элементов искусственных структурных сред и решение задач о поведении электромагнитных полей и волн в киральных и более общих (биизотропных, бианизотропных) средах в предположении, что материальные уравнения для них известны. Основные положения и теоремы электродинамики киральных сред, включая уравнения Максвелла, принцип Гюйгенса, теорема взаимности, и т.д., сформулированы как обобщение известных положений теории некиральных сред [34], однако их применение в конкретных задачах при исследовании объектов и технических устройств еще не освоено.
Макроскопическая теория, приводящая к материальным уравнениям киральной среды в оптике, полностью разработана (см., например, [35]). В радиодиапазоне эта задача формулируется несколько иначе, она состоит в вычислении коэффициентов поляризуемости малых тел сложной структуры, то есть в решении задач дифракции [36]. Эти задачи решены лишь для нескольких киральных элементов: для маленьких металлических спиралей [37], [38], разомкнутых колечек с выступающими концами [39] (омега-среды), сфер с винтовой электрической проводимостью [40], [41]. В качестве кирального элемента также упоминается лента Мебиуса [42].
Наиболее интересная особенность омега-сред состоит в том, что в них волновые сопротивления плоских волн могут отличаться при распространении в различных направлениях. На этой основе оказывается возможным подбор параметров слоя такой среды, обеспечивающий согласование границы слоя с окружающим пространством при нормальном падении поля, и, как следствие, создание поглотителей энергии падающей электромагнитной волны [43].
В работе [44] исследована задача возбуждения магнитодиэлектрического шара с электрической проводимостью поверхности вдоль линий спирального типа в случае, когда диполь помещен на оси симметрии и ориентирован вдоль нее. Обнаружены низкочастотные резонансы и определены параметры шара, при котором излучаемое поле имеет круговую поляризацию. В [45], [46] исследованы сферические частицы с идеальной смешанной проводимостью вдоль винтовых линий. Показано, что такие частицы могут использоваться в качестве элементов для создания биизотропной среды.
Решетки, состоящие из длинных тонких киральных цилиндров, описаны в [47]. В обзоре [48], изложены результаты исследований киральных объектов в виде круговых цилиндров с анизотропной проводимостью малого по сравнению с длиной волны радиуса, решеток из них и каскадов таких решеток. Рассматриваются цилиндры, обладающие электрической и магнитной проводимостью вдоль винтовых линий, и цилиндры только с электрической проводимостью вдоль тех же линий. В этих структурах обнаружены сильные поляризационно-селективные явления, обуславливающие их фильтрующие и гиротропные свойства. Показано, что киральные эффекты могут проявляться в таких структурах, даже если их размеры малы по сравнению с длиной волны.
В работе [49] приведены результаты исследования волн, направляемых цилиндром со смешанной проводимостью вдоль винтовых линий, а в [50], [51] исследованы задачи дифракции плоской волны на таком цилиндре. Задача о нормальном падении плоской волны на решетку из цилиндров со смешанной проводимостью вдоль винтовых линий рассмотрена в [52]. Показано, что такая решетка может являться эффективным поляризационным фильтром, поскольку резонансные явления проявляются только для волны одного из направлений круговой поляризации. Резонанс проявляется как в полном прохождении, так и в полном отражении от решетки. Волна противоположного направления вращения поляризации имеет почти полное прохождение во всем диапазоне частот.
В большей части работ по теории винтовых анизотропно проводящих поверхностей используют формулы (4), поскольку уточненные граничные условия приводят к сложным выкладкам. Модель в виде цилиндра с электрической проводимостью вдоль винтовых линий хорошо описывает диэлектрические стержни с однозаходной либо многозаходной проволочной намоткой (винтовые спирали), если расстояние между осями соседних проводников много меньше длины волны, а величины зазоров лежат в определенном интервале. Проводники предполагаются тонкими по сравнению с радиусом цилиндра. Адекватность модели анизотропной проводимости поверхности реальным проволочным объектам подробно обоснована и подтверждена экспериментально в [53] и следует, в частности, из теоретических результатов работы [54].
Цилиндрические проволочные объекты используются в качестве замедляющих структур [55] и в качестве антенн вытекающих волн [56], [57]. Известны исследования замедления волн на полой винтовой спирали [58] и винтовой спирали с магнитодиэлектрическим заполнением [59]. Обнаружено, что направляемые ими круго-поляризованные волны противоположных знаков вращения поляризации принципиально различны. В отличие от волноводов, заполненных киральной средой, в винтовых спиралях это различие обязано проводимости поверхности. В [60] предложен метод исследования киральных волноводов, который пригоден для исследования винтовых спиралей, проводники которой являются толстыми, а также для круглых металлических волноводов с гофрированными стенками вдоль винтовых линий. Медленные волны в волноводах с винтовой проводимостью поверхности широко используются для осуществления взаимодействия с электронным пучком, например, в лампах бегущей волны [61].
Рассеяние волн одиночным круговым цилиндром, образованным анизотропной поверхностью, идеально проводящей вдоль винтовых линий, впервые было исследовано численно в [62]. В работах [63], [64] эта задача была исследована аналитически. В [65], [66] рассмотрена аналогичная задача для цилиндра с магнитодиэлектрическим заполнением. Определены резонансы такого стержня и изучено влияние диэлектрических потерь и поляризации источника излучения на величины поглощения и рассеяния. Обнаружено, что при низких частотах (ка«Л) имеют место резонансные явления, которые проявляют себя, в частности, в резком увеличении поперечника рассеяния, о которых докладывалось в [67]. Показано, что эти резонансы связаны с наличием слабо вытекающих волн в винтовой спирали [58]. Особенностью рассматриваемых объектов является то, что эти резонансы возникают только при определенном знаке вращения плоскости поляризации падающей волны. Описанные низкочастотные резонансы отличаются от известного резонанса Гельмгольца (см., например, [68]) необычной структурой поля и высокой добротностью. В [69] описана антенна, созданная на основе решетки из цилиндров с двузаходной намоткой, с углом подъема винтовых линий равным 4°.
Сложные поляризационные явления могут возникать в решетках из полых цилиндров с анизотропной проводимостью поверхности, в результате чего они могут служить в качестве преобразователей поляризации различных типов. Математический аппарат расчета таких решеток изложен в [70], [71]. Подробно решение задачи о нормальном падении плоской волны на решетку изложено в [72]. При определенных параметрах решетки прошедшее и отраженное поля имеют круговую поляризацию и сохраняют направление вращения падающей волны, при этом подбором параметров можно достичь полного отражения волны одной поляризации и частичного прохождения волны противоположной поляризации [73].
Параметры решетки можно подобрать так, что при падении на решетку линейно поляризованной волны образуется пара круго-поляризованных волн, причем прошедшее и отраженное поля имеют противоположные направления вращения поляризации [74]. Возможно также преобразование круго¬поляризованных волн в линейно-поляризованные [75], [76], [77], причем плоскости поляризации в прошедшей и отраженной волне перпендикулярны друг другу. Для таких решеток прошедшее и отраженное поля остаются почти линейно поляризованными в широкой полосе частот. Прошедшая и отраженная мощности для обоих направлений круговой поляризации слабо меняются с частотой и примерно равны друг другу.
В [78] исследовано возбуждение решетки линейно поляризованными волнами, у которых направление плоскости поляризации составляет ±45° с осями цилиндров. Определен класс решеток, для которого прошедшее и отраженное поля линейно поляризованы, причем электрический вектор в прошедшей волне оказывается повернутым на 90°, а электрический вектор отраженной волны сохраняет ориентацию падающего поля. При определенных условиях возникают эффекты полного внутреннего отражения и прохождения. Рассмотрено два вида решеток: со смешанной проводимостью вдоль винтовых линий и только с электрической проводимостью.
Каскады решеток также имеют ряд интересных свойств. В [79], [80] решетки находятся в параллельных плоскостях и развернуты друг относительно друга на некоторый угол. Структура обладает идеальными гиротропными свойствами, то есть без энергетических потерь преобразует волну линейной поляризации с любой ориентацией вектора электрического поля в линейно поляризованную волну с повернутым на заданный угол вектором электрического поля. Каскад решеток так же обладает возможностью идеальной фильтрации волн круговой поляризации.
Незамкнутым цилиндрическим объектам с анизотропной проводимостью поверхности, какие рассматриваются в настоящей работе, посвящено относительно мало статей. В [81] были обнаружены эффекты полного прохождения и отражения для решеток из лент, проводимость которых является анизотропной. Направление проводимости каждой ленты составляет некоторый малый угол с ее осью. В интегродифференциальном уравнении для этой задачи используется периодическая функция Грина. В отличие от известных решеток из металлических лент с изотропной проводимостью, в таких решетках уже в низкочастотной области наблюдаются резонансные эффекты. Это связано с тем, что хотя ширина отдельной ленты много меньше длины падающей волны, при малых значениях угла у/ длина линии проводимости становится сравнимой с диной волны. В работе [82] рассмотрена задача о произвольном падении плоской волны на решетку из анизотропно проводящих лент.
В [83], [84] анизотропно проводящая лента была предложена и исследована в качестве замедляющей системы. Было получено интегральное уравнение для собственных токов, а в случае узкой ленты получено аналитическое решение. В работе [85] изучены свойства комплексных волн ленты. Обнаружено, что лента может поддерживать прямые и обратные слабо вытекающие волны с малым уровнем радиационных потерь.
Анизотропно проводящий цилиндр с узкой продольной щелью является новым электродинамическим объектом. Известно решение задачи рассеяния на аналогичном металлическом объекте [68], а также исследование его волноведущих свойств [86].
Краткое содержание диссертации
В первой главе рассматривается задача дифракции плоской волны на ленте с анизотропной проводимостью. Лента имеет бесконечную протяженность, направление идеальной проводимости составляет малый угол с осью ленты. Падающая плоская волна распространяется в произвольном направлении. Необходимо определить характеристики рассеянного электромагнитного поля, которое создается поверхностными токами, индуцированными на ленте падающей волной.
В работе используется метод. Решение сводится к замене однородного уравнения, полученного в [84] уравнением с правой частью, которая описывает падающую волну. Поперечное волновое число, использованное в [84] в качестве спектрального параметра, в данной задаче является заданным и определяется углом между направлением распространения исходной волны и осью ленты.
В случае узкой ленты (ширина ленты значительно меньше длины волны) становится возможным получить аналитическое решение уравнения. Для этого используется квазистатическое представление для ядра при малых аргументах.
Для рассеивателей, не поглощающих и не выделяющих энергию, справедлива оптическая теорема, которая позволяет выразить полную рассеянную мощность через значение диаграммы рассеяния в направлении распространения падающей волны. Согласно оптической теореме полное сечение рассеяния определяется через фурье-преобразование поверхностного тока.
Полученные выражения для тока и его фурье-преобразования, через которые определяются поля в дальней зоне, содержат резонансный знаменатель. При изменении частоты или угла падения плоской волны этот знаменатель может принимать малые значения, при этом происходят резкие изменения характеристик рассеянного поля. В частности, может наблюдаться значительное увеличение сечения рассеяния. Резонансные явления обусловлены тем, что лента может поддерживать вытекающие волны с малым уровнем радиационных потерь.
В случае нормального падения волны рассеянное поле не обладает угловой направленностью. Поперечник рассеяния в резонансе оказался порядка длины волны, несмотря на то, что ширина ленты предполагалась малой по сравнению с длиной волны.
Более сложные резонансные явления могут наблюдаться при наклонном падении плоской волны. При определенных углах падения по отношению к оси ленты появляются дополнительные резонансные частоты, причем используемое приближение дает бесконечно большие значения для полного сечения рассеяния в условиях резонанса. Появление бесконечных значений объясняется тем, что мнимая часть ядра, посредством которой учитывается мощность, излучаемая поверхностным током, представляет собой константу. Такая аппроксимация не позволяет учесть излучение нечетных токов.
Чтобы получить конечное решение интегродифференциального уравнения в условиях резонанса, используется вариационный принцип. При этом для мнимой части функции Грина используется более точное представление, которое учитывает квадратичный член разложения функции Бесселя. Используемый функционал является стационарным на решениях интегродифференциального уравнения и однородным, так что нормировка пробных функций не влияет на его значение. В качестве пробных функций используются приближенные решения, которые нормируются так, чтобы они оставались конечными в условиях резонанса.
Анализ уточненных выражений показывает, что в случае наклонного падения рассеянное поле приобретает направленность: ф() « sm$?. В случае бокового падения волны на ленту полное сечение рассеяния равно ДЛ/тт, что вдвое превосходит значение в резонансе для случая нормального падения волны. Благодаря тому, что рассеянное поле имеет на резонансной частоте угловую направленность, узкие анизотропно проводящие ленты могут быть использованы для создания решеток с нестандартной зависимостью электродинамических характеристик от угла падения плоской волны.
Для экспериментального исследования рассеянного поля ленты удобно использовать понятие радиолокационного сечения рассеяния. Из формул, полученных в первой главе, следует, что при определенных условиях обратное рассеяние отсутствует (сечение радиолокационного рассеяния равно нулю). Таким образом, резонансные свойства одиночной ленты объясняют эффекты полного отражения и прохождения, обнаруженные в [81] в периодических решетках из узких анизотропно проводящих лент.
Во второй главе изучены свойства нового кирального объекта с анизотропной проводимостью вдоль винтовых линий: цилиндр с узкой продольной щелью. Направление распространения падающей волны лежит в плоскости, перпендикулярной к оси цилиндра, азимутальный угол является произвольным. Установлена связь между углом подъема винтовых линий проводимости и угловой шириной щели, при которой рассеянное поле имеет круговую поляризацию. Обнаружен низкочастотный поляризационно¬селективный резонанс, приводящий к сильному рассеянию для волны одной круговой поляризации.
Метод исследования заключается в решении интегродифференциального уравнения, которое получено из граничных условий Владимирского. Ядра уравнения выражаются через двумерную функцию Грина свободного пространства. Условие малости радиуса цилиндра по сравнению с длиной волны ка«1 позволяет воспользоваться приближенным выражением для функции Грина. Показано, что решение неоднородного уравнения можно представить в виде суперпозиции трех функций, одна из которых совпадает с решением, полученным в [68] для металлического цилиндра с продольной щелью.
При некоторых условиях соответствующее однородное уравнение имеет нетривиальное решение, при этом собственная функция и частота в рамках используемого приближения также совпадают с решением для металлического цилиндра. Однако используемое квазистатическое приближение не позволяет определить мнимую часть собственной частоты, которая характеризует добротность резонансного колебания. Для уточнения мнимой части используется вариационный принцип, при этом в качестве пробной функции используется решение неоднородного уравнения с произвольными коэффициентами At, А2, А3 для входящих в него функций. Для этих коэффициентов получена и решена линейная система алгебраических уравнений.
Анализ полученного решения показывает, что зависимость амплитуды А1 от частоты имеет резонансный характер. При малых углах подъема линий проводимости резонансная частота близка к частоте собственных колебаний металлического цилиндра с узкой щелью. В этом случае в условиях резонанса рассеянное поле обладает круговой диаграммой направленности. На резонансной частоте полное сечение рассеяния для волн левой и правой круговой поляризации значительно различаются, что позволяет использовать рассмотренный анизотропно проводящий цилиндр для создания электродинамических структур с киральными свойствами.
Анализ выражения для поперечника обратного рассеяния показывает, что при определенных условиях на резонансной частоте сечение радиолокационного рассеяния не зависит от направления поляризации.
В третьей главе рассматриваются волноведущие свойства анизотропно проводящего цилиндра с продольной щелью. Распространение волн в аналогичном металлическом волноводе исследовано в [86]. Задача о медленных волнах в цилиндрических системах состоит в нахождении решений однородных уравнений Максвелла с зависимостью от координаты zв виде exp(-zAz). Поля направляемых волн должны удовлетворять условиям Владимирского и на радиальной бесконечности иметь характер цилиндрической волны с поперечным волновым числом к. На кромках ленты ток должен обращаться в нуль.
Из граничных условий Владимирского вытекает интегродифференциальное уравнение для поверхностного тока. Спектральный параметр hсложным образом входит в это уравнение, так как его ядро зависит от поперечного волнового числа к. Для решения уравнения используется квазистатическое приближение.
Полученное уравнение можно применять и к замкнутому цилиндру, если вместо условия обращения в нуль токов на кромках ленты потребовать их периодичности. Из того же уравнения предельным переходом можно получить интегродифференциальное уравнение для собственных токов анизотропно проводящей ленты. Таким образом, предельные случаи уравнения приводят к известным результатам.
Полученное решение в виде дисперсионного уравнения правильно описывает свойства квазистатических волн, у которых в разложении доминирует фурье-гармоника с индексом т = 0. В работе показано, что низкочастотный резонанс, возникающий при рассеянии плоской волны на анизотропно проводящем цилиндре со щелью, связан со свойствами направляемых им волн.
При условии, что щель узкая, дисперсионное уравнение имеет решение, которое соответствует медленной волне. В [86] показано, что в металлическом цилиндре с узкой продольной щелью в той же области частот существует квазистатическая вытекающая щелевая волна. Медленных волн в металлическом цилиндре нет. Видно, что свойства анизотропно проводящего и металлического цилиндров существенно различаются.
Достоверность полученных результатов
В целях экспериментальной проверки сделанных теоретических выводов в ИРЭ РАН были проведены измерения обратного сечения рассеяния от ленты с анизотропной проводимостью [80] и анизотропно проводящего цилиндра с продольной щелью [87] на специально изготовленных макетах. Установка для измерений и метод эксперимента подробно описаны в [88]. Результаты эксперимента хорошо согласуются с выводами теории, из чего следует, что модели анизотропно проводящей ленты и анизотропно проводящего кругового цилиндра с продольной щелью, использующие граничные условия Владимирского, правильно передают все основные черты резонансных явлений, наблюдаемых при рассеянии на реальных физических объектах. Таким образом, граничные условия Владимирского являются адекватными для постановки задач рассеяния на незамкнутых цилиндрических объектах с анизотропной проводимостью поверхности.
Купить