Випромінювання та розсіяння електромагнітних хвиль у біанізотропних середовищах - Автореферат

Біанізотропні середовища являють собою клас лінійних анізотропних середовищ з просторовою дисперсією і включають в себе, зокрема, підкласи взаємних біізотропних (кіральних) середовищ, невзаємних біізотропних середовищ (середовищ Теллегена), а також підклас природних анізотропних кристалів з гіротропними властивостями. Дослідження електродинамічних властивостей біанізотропних середовищ і побудова фізично адекватних моделей взаємодії електромагнітного поля з такими середовищами має великий науковий і практичний інтерес. Не менш важливим представляється також і те, що цілий ряд висновків, які можуть бути одержані при електродинамічних дослідженнях ефектів, обумовлених просторовою дисперсією в анізотропних середовищах, може бути застосовано при аналізі різних аспектів цього явища в акустиці та механіці суцільних середовищ. Отримані розвязки задач розсіяння для однорідних біанізотропних шарів з матеріальними тензорами спеціального вигляду дозволили виявити ряд нових електродинамічних ефектів, які можуть бути основою для створення нових пристроїв НВЧ. Метою даної дисертаційної роботи є виявлення і аналіз фізичних закономірностей взаємодії електромагнітного поля з біанізотропними середовищами на базі моделей, які враховують вплив просторової дисперсії і анізотропії середовища на поширення та розсіяння плоских електромагнітних хвиль.У Розділі 1 проведено огляд наукової літератури за темою досліджень, визначено основні поняття електродинаміки біанізотропних середовищ та теорії штучних середовищ з просторовою дисперсією, перелічено основні розвязані на теперішній час задачі, визначено припущення, які були прийняти при їхньому розвязанні, розглянуто існуючі теоретичні методи аналізу явищ дифракції плоских електромагнітних хвиль у біанізотропних середовищах. Розділ 2 "Низькочастотне розсіяння електромагнітних хвиль на біанізотропних тілах правильної форми в анізотропних середовищах" присвячено аналітичному розвязанню задачі низькочастотного розсіяння плоскої електромагнітної хвилі на біанізотропному однорідному тривісному еліпсоїді в однорідному необмеженому анізотропному середовищі. На відміну від біанізотропних частинок, кіральність яких обумовлена їх складною просторовою структурою, біанізотропія однорідних малих частинок, що розглядаються, закладена в їх мікроструктурі (молекулах або інших складаючих частинку мікрообєктах), і феноменологично визначається тензорами діелектричної і магнітної проникності і тензорами магнітоелектричної взаємодії. Для випадку, коли діелектрична проникність навколишнього середовища характеризується симетричною позитивно визначеною діадою (взаємне середовище без втрат), одночасним перетворенням польових векторів і просторових змінних квазістатична задача розсіяння на біанізотропному еліпсоїді в анізотропному середовищі може бути зведена до квазістатичної задачі біанізотропного еліпсоїда в ізотропній матриці, яка була розвязана раніше. Показано, зокрема, що диференціальний переріз розсіяння анізотропного еліпсоїда в анізотропному середовищі має симетричний вигляд відносно розсіяння уперед і розсіяння назад, а зміна орієнтації розсіювача і (або) осей анізотропії розсіювача і навколишнього середовища приводить до повороту діаграми спрямованості.Методом інтегральних рівнянь макроскопічної електродинаміки аналітично розвязано задачу низькочастотного розсіяння плоскої електромагнітної хвилі на однорідному біанізотропному еліпсоїді в однорідному анізотропному середовищі. Отримано аналітичні вирази для тензорів поляризовності еліпсоїда, що враховують в явному вигляді вплив як анізотропії навколишнього середовища, так і біанізотропії еліпсоїда на його розсіюючі властивості. Виявлено якісні закономірності низькочастотного розсіяння плоскої хвилі на біанізотропному тілі правильної форми в анізотропному середовищі та їх кількісні особливості.

Основний зміст роботи

1. Методом інтегральних рівнянь макроскопічної електродинаміки аналітично розвязано задачу низькочастотного розсіяння плоскої електромагнітної хвилі на однорідному біанізотропному еліпсоїді в однорідному анізотропному середовищі. Отримано аналітичні вирази для тензорів поляризовності еліпсоїда, що враховують в явному вигляді вплив як анізотропії навколишнього середовища, так і біанізотропії еліпсоїда на його розсіюючі властивості. Виявлено якісні закономірності низькочастотного розсіяння плоскої хвилі на біанізотропному тілі правильної форми в анізотропному середовищі та їх кількісні особливості.

2. Аналітично розвязано задачу про визначення ефективних електромагнітних параметрів штучного біанізотропного середовища, що являє собою однорідну анізотропну матрицю з малорозмірними біанізотропними еліпсоїдальними включеннями. Отримано аналітичні вирази для тензорів ефективної діелектричної і магнітної проникності та магнітоелектричної взаємодії. Досліджено вплив параметрів включень (біанізотропії електромагнітних властивостей, форми і концентрації) і анізотропії електромагнітних властивостей навколишнього середовища на ефективні електромагнітні параметри штучного середовища.

3. Для шаруватонеоднорідного довільно біанізотропного середовища з імпедансною межею розвинуто метод зведення векторної задачі дифракції електромагнітного поля до еквівалентної крайової задачі для скалярних потенціалів. На цій основі

1 розвязано векторну задачу розсіяння плоскої електромагнітної хвилі на біанізотропному шарі, матеріальні параметри якого змінюються по товщині, і розроблено чисельний скінченнорізніцевий алгоритм розрахунку коефіцієнтів відбиття і проходження плоскої хвилі, 2 отримано зображення тензорних функцій Гріна рівнянь Максвелла у плоскошаруватому середовищі через скалярні потенціали. В явному вигляді визначено регулярну і сингулярну складові спектральних діад Гріна.

4. Проведено аналіз фізичних закономірностей розсіяння плоскої електромагнітної хвилі на одновимірно-неоднорідному біанізотропному шарі, розташованому у вільному просторі або на ізотропній підкладці і встановлено залежність характеристик розсіяного поля від параметрів біанізотропного середовища.

1. Малюскин А.В., Шульга С.Н. Низкочастотное рассеяние плоской волны на анизотропном эллипсоиде в анизотропной бреде // Радиотехника и электроника. - 2000. - Т. 45, №10. - С. 1171-1177.

2. Малюскин А.В., Шульга В.М., Шульга С.Н. Дифракция плоской электромагнитной волны на однородном бианизотропном слое // Радиофизика и радиоастрономия. - 2000. - Т. 5, №1. - С. 38-46.

3. Малюскин А.В., Шульга С.Н. Об эффективных электромагнитных свойствах одного класса искусственных бианизотропных среде // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2000. - №5. - С. 41-47.

4. Жук Н.П., Малюскин А.В., Шульга С.Н. Дифракция плоской электромагнитной волны на бианизотропном слое с изотропной подложкой // Радиотехника и электроника. - 2000. - Т. 45, №6. - С. 654-661.

5. Жук Н.П., Малюскин А.В., Шульга С.Н. Тензоры Грина уравнений Максвелла для плоскослоистой бианизотропной среды // Радиофизика и радиоастрономия. - 2000. - Т. 5, №3. - С. 291-300.

6. Багацкая О.В. Малюскин А.В., Шульга С.Н. Расчет коэффициентов отражения и прохождения плоской электромагнитной волны для неоднородного гиротропного слоя методом конечных різностей // Радиотехника и электроника. - 2000. - Т. 45, №6. - С. 662-669.

7. Malyuskin A.V., Shulga S. N.. Low frequency scattering of a plane wave by an anisotropic ellipsoid in anisotropic medium // Int. Conf. on Math. Methods in EM Theory (MMET 98) - Kharkov (Ukraine). - 1998. - Р. 716-718.

8. Malyuskin A.V., Perepechai M.P., Shulga S.N. Effective electromagnetic parameters of strongly fluctuating statistically layered bianisotropic medium // Int. Conf. on Math. Methods in EM Theory (MMET 2000) - Kharkov(Ukraine). - 2000. - Р. 361-363.