Перетворення та випромінювання електромагнітних імпульсів структурами з осьовою симетрією - Автореферат

Разом з тим, у теорії несталих електромагнітних полів існує ряд проблем, що не одержали на цей час універсальних, обґрунтованих і практично реалізованих рішень і які обмежують можливості методів часової області щодо вивчення фізики перехідних процесів і закономірностей просторово-часових трансформацій імпульсних хвиль. Це, насамперед, проблема коректного і ефективного обмеження простору розрахунку у відкритих задачах, область аналізу яких прямує до нескінченності уздовж одного або декількох просторових напрямків. Дисертаційна робота присвячена побудові та реалізації строгих і ефективних підходів до розвязку початково-крайових задач, які описують перетворення TE0n-і TM0n-електромагнітних імпульсів структурами з осьовою симетрією: хвилеводними вузлами, компактними неоднорідностями вільного простору й випромінювачами. Електродинамічний аналіз таких структур орієнтований на розвязання актуальних практичних задач, повязаних з розширенням функціональних можливостей конструктивно простих елементів і вузлів, які можна було б інтегрувати в радіотехнічні системи різного призначення. Усикова НАН України в рамках фундаментальної держбюджетної НДР “Теоретичне й експериментальне дослідження хвильових процесів у системах мікрохвильового діапазону” (номер державної реєстрації 0103U002267), а також у рамках НДР “Перетворення та випромінювання електромагнітних імпульсів структурами з осьовою симетрією” (виконувалася по гранту НАН України для молодих вчених; номер державної реєстрації 0105U005487).Сформульовано мету і задачі дисертаційної роботи, визначено новизну та практичну значимість отриманих результатів, відзначено особистий внесок здобувача, наведено відомості щодо публікацій автора за темою дисертації. Тут для TE0n-хвиль і для TM0n-хвиль; і - вектори напруженості електричного і магнітного полів; область аналізу - частина напівплощини , обмежена контурами ; - поверхня ідеальних провідників; і - кусочно-постійні функції, що визначають провідність і відносну діелектричну проникність матеріалів; - циліндричні координати. На першому етапі проводиться неповний розподіл змінних в однорідних задачах (1), розглянутих в області вільного поширення хвиль -; , - і розвязуються однорідні задачі Штурма-Ліувілля, які визначають базисні набори поперечних функцій і набори власних поперечних чисел . Ці співвідношення являють собою точні умови випромінювання для несинусоїдних хвиль, що сформовані хвилеводним вузлом і йдуть у напрямку : Формула (5) задає поведінку просторово-часових амплітуд всіх парціальних складових (мод) хвиль, що спрямовуються регулярною структурою, а (6) - полів таких хвиль у цілому. З тієї ж причини умови типу (6) можна розглядати як точні “поглинаючі” умови: поле хвилі при перетинанні межі не деформується; відбиття в область відсутнє; хвиля повністю проходить в область , тобто начебто поглинається цією областю або її межею .У дисертаційній роботі представлене нове розвязання наукової задачі теоретичного дослідження перехідних і сталих процесів в аксіально-симетричних електродинамічних структурах, що перетворюють, розсіюють і випромінюють імпульсні та монохроматичні TE0n-і TM0n-електромагнітні хвилі. Розвязання цієї задачі базується: · на побудові й використанні в алгоритмах методу кінцевих різниць точних “поглинаючих” умов, що ефективно обмежують простір розрахунку модельних відкритих початково-крайових задач; · Розвинуто й уперше реалізовано стосовно до початково-крайових задач для електродинамічних структур з осьовою симетрією метод строгого розвязання, що базується на побудові точних “поглинаючих” умов. Виявлено й вивчено ефект модового розшарування надширокосмугових сигналів східчастими й плавними зєднаннями хвилеводів різного поперечного перерізу та ефект частотно-модового розшарування сигналів конусними заглушками круглих і коаксіальних хвилеводів. Доведено, що збудження щілинних резонансів може супроводжуватися такими новими ефектами: ефектом повного запирання східчастого розширення круглого хвилеводу та ефектом повного перетворення TM01-хвилі круглого хвилеводу в TEM-хвилю коаксіального хвилеводу розворотом “круглий хвилевід - коаксіальний хвилевід” (коаксіальні щілини у радіальних стінках вузлів); ефектом осліплення антени з тонкою поперечною закороченою щілиною у монополі, що продовжує внутрішній провідник живильної коаксіальної лінії.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У дисертаційній роботі представлене нове розвязання наукової задачі теоретичного дослідження перехідних і сталих процесів в аксіально-симетричних електродинамічних структурах, що перетворюють, розсіюють і випромінюють імпульсні та монохроматичні TE0n- і TM0n- електромагнітні хвилі. Розвязання цієї задачі базується: · на побудові й використанні в алгоритмах методу кінцевих різниць точних “поглинаючих” умов, що ефективно обмежують простір розрахунку модельних відкритих початково-крайових задач;

· на обчислювальних експериментах і електродинамічному аналізі їхніх результатів, орієнтованих на розвязання актуальних теоретичних і прикладних задач, повязаних з розширенням функціональних можливостей конструктивно простих елементів і вузлів для систем різного призначення.

Основні результати роботи полягають у наступному.

· Розвинуто й уперше реалізовано стосовно до початково-крайових задач для електродинамічних структур з осьовою симетрією метод строгого розвязання, що базується на побудові точних “поглинаючих” умов.

· Досліджено перетворюючі властивості простих неоднорідностей у багатомодових круглих й коаксіальних хвилеводах. Виявлено й вивчено ефект модового розшарування надширокосмугових сигналів східчастими й плавними зєднаннями хвилеводів різного поперечного перерізу та ефект частотно-модового розшарування сигналів конусними заглушками круглих і коаксіальних хвилеводів.

· Дістала подальший розвиток теорія щілинних резонансів, для розвязання задач якої уперше використані строгі методи часової області. Доведено, що збудження щілинних резонансів може супроводжуватися такими новими ефектами: ефектом повного запирання східчастого розширення круглого хвилеводу та ефектом повного перетворення TM01-хвилі круглого хвилеводу в TEM-хвилю коаксіального хвилеводу розворотом “круглий хвилевід - коаксіальний хвилевід” (коаксіальні щілини у радіальних стінках вузлів); ефектом осліплення антени з тонкою поперечною закороченою щілиною у монополі, що продовжує внутрішній провідник живильної коаксіальної лінії.

· Отримано, проаналізовано, узагальнено і широко представлено відомості про основні електродинамічні характеристики (амплітудно-частотні та імпульсні) ряду простих аксіально-симетричних випромінювачів TE0n- і TM0n-хвиль: монополів, дзеркальних і резонансних антен різних типів.

· Розвязано задачі, повязані з електродинамічним аналізом ділянок формуючих ліній для випромінювачів потужних коротких електромагнітних імпульсів та із синтезом компресорів НВЧ потужності.

Алгоритми методу кінцевих різниць з точними “поглинаючими” умовами, дозволяють (на відміну від відомих підходів, що базуються на використанні наближених умов) одержувати надійні дані щодо просторово-часових трансформацій електромагнітного поля в умовах можливого резонансного розсіювання хвиль. Побудова та використання точних “поглинаючих” умов істотно розширює коло строго розвязуваних відкритих задач електродинаміки несинусоїдних хвиль.

Результати, що було отримано в дисертаційній роботі, становлять інтерес і для теорії, і для практики. Вони можуть бути використані при розвязанні наукових і інженерних задач радіофізики й оптики, електроніки, акустики й антенної техніки. Так, наприклад, на реалізації щілинних резонансів можна будувати ефективні й прості схеми керування електродинамічними характеристиками аксіально-симетричних хвилеводних вузлів і всеспрямованих антен різного типу й призначення. Деякі результати роботи (розрахунок електродинамічних характеристик ділянок формуючих ліній випромінювачів коротких електромагнітних імпульсів, нова схема формування коротких імпульсів, схема модельного синтезу компресорів НВЧ потужності) можуть послужити основою для розвязання прикладних та інженерних задач, повязаних зі створенням ряду функціональних аксіально-симетричних вузлів мікрохвильової техніки та техніки потужних імпульсних полів.

1. Сиренко Ю. К., Пазынин В. Л., Вязьмитинова А. И., Сиренко К. Ю. Компактные неоднородности свободного пространства: виртуальные границы в скалярных и векторных “открытых” начально-краевых задачах теории рассеяния несинусоидальных электромагнитных волн // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2003. - Т. 8, № 11-12. - С. 33-54.

2. Сиренко К. Ю., Сиренко Ю. К. Точные “поглощающие” условия в начально-краевых задачах теории открытых волноводных резонаторов // Журнал вычислит. математики и математ. физики. - 2005. - Т. 45, № 3. - С. 509-525.

3. Пазынин В. Л., Сиренко К. Ю. Строгий подход к анализу переходных процессов в аксиально-симметричных волноводных узлах // Радиофизика и электроника: Сб. научн. тр. / НАН Украины, Ин-т радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова. - Харьков. - 2005. - Т. 10, № 2. - С. 183-192.

4. Пазынин В. Л., Сиренко К. Ю. Преобразование импульсных TE0n- и TM0n-волн аксиально-симметричными волноводными узлами. Простые неоднородности // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2005. - Т. 10, № 8. - С. 29-39.

5. Пазынин В. Л., Сиренко К. Ю. Преобразование импульсных TE0n- и TM0n-волн аксиально-симметричными волноводными узлами. Щелевые резонансы // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2005. - Т. 10, № 10. - С. 21-26.

6. Мележик П. Н., Пазынин В. Л., Сиренко К. Ю. Преобразование импульсных TE0n- и TM0n-волн аксиально-симметричными волноводными узлами. Специальные задачи // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2006. - Т. 11, № 2-3. - С. 22-29.

7. Сиренко К. Ю., Пазынин В. Л. Аксиально-симметричные излучатели импульсных и монохроматических TE0n- и TM0n-волн // Успехи современной радиоэлектроники. - 2006. - № 4. - С. 52-69.

8. Сиренко К. Ю. Щелевые резонансы в аксиально-симметричных излучателях импульсных и монохроматических TM0n-волн // Радиофизика и электроника: Сб. научн. тр. / НАН Украины, Ин-т радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова. - Харьков. - 2006. - Т. 11, № 2. - С. 196-204.

9. Сиренко К. Ю. Транспортные операторы в аксиально-симметричных задачах электродинамики несинусоидальных волн // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2006. - Т. 11, № 11. - С. 15-26.

10. Sirenko Y. K., Pazynin V. L., Vyazmitinova A. I., Sirenko K. Y. Exact absorbing conditions in initial boundary-value problems of the theory of pulse wave radiation // Proc. International Conf. ‘Antenna Theory and Techniques‘. IV. - Vol. 1. - Sevastopol (Ukraine). - 2003. - P. 110-112.

11. Sirenko Y. K., Sirenko K. Y. Exact radiation conditions in vector electromagnetic initial boundary-value problems for compact inhomogeneities of free space // Proc. International Seminar/Workshop ‘Direct and Inverse Problems of Electromagnetic and Acoustic Wave Theory‘. VIII. - Lviv (Ukraine). - 2003. - P. 78-81.

12. Вязьмитинов И. А., Пазынин В. Л., Вязьмитинова А. И., Сиренко К. Ю. Металлопластинчатые линзы в осесимметричных излучающих системах // Proc. International Conf. ‘Microwave & Telecommunication Technology’. XIV. - Sevastopol (Ukraine). - 2004. - P. 387-388.

13. Sirenko K. Y. Time-domain methods in problems of model synthesis of microwave power compressors // Proc. International Seminar/Workshop ‘Direct and Inverse Problems of Electromagnetic and Acoustic Wave Theory‘. X. - Lviv (Ukraine). - 2005. - P. 35-38.

14. Sirenko K. Y. The new scheme of the “slicer” for radiators of powerful nano- and picosecond pulses // Proc International Workshop ‘Ultra Wideband and Ultrashort Impulse Signals’. III. - Sevastopol (Ukraine). - 2006. - P. 191-193.

15. Sirenko K. Y. Axially-symmetrical radiators of pulsed TE0n- and TM0n-waves // Proc. International Conf. ‘Mathematical Methods in Electromagnetic Theory‘. XI. - Kharkiv (Ukraine). - 2006. - P. 321-323.