Теоретическое и экспериментальное исследование эффекта волнового обтекания цилиндрических объектов в СВЧ диапазоне

Вертикальной поляризацией будем называть поляризацию падающей волны (Е-волна), у которой вектор напряженности электрического поля параллелен оси исследуемого образца (ось z), соответственно, горизонтальная поляризация - поляризация падающей волны (H-волна), перпендикулярная оси образца. Однако стоит заметить, что в статье [28] показан результат только для одной поляризации падающей волны.

Для создания искусственной среды, которая работала бы сразу при двух поляризациях падающей волны, можно использовать обычную гладкую спираль (рисунок 21(б)). Преимуществом гладкой спирали по сравнению с канонической спиралью является простота изготовления и реализация в любом диапазоне частот. Для создания искусственной среды с параметрами (32), на основе гладких спиралей, необходимо использовать правосторонние и левосторонние спирали, для компенсирования (уничтожения) киральности в среде.

Рисунок 21 - Геометрия спиралей: а) каноническая спираль; б) гладкая правосторонняя двухвитковая спираль

Для получения искусственной среды с параметрами (32), необходимо знать диэлектрическую и магнитную проницаемости, которые могут быть выражены через диэлектрическую и магнитную восприимчивости среды.

Как известно, каждая спираль характеризуется одновременно диэлектрической, магнитной и киральной восприимчивостью. Метод расчета всех компонент тензоров восприимчивостей для любых спиралей с заданными параметрами был рассмотрен в [29,30]. Расчет компонент тензоров производился в программе ANSYS HFSS. Как указывалось выше, программа предназначена для расчета параметров электромагнитных полей в сложных СВЧ устройствах, поэтому идеально подходит для поставленной задачи.

Формулы для расчета необходимых компонент тензоров восприимчивостей спирали приведены ниже:

1) Ex?0, Ну?0 - эти компоненты векторов определяют поляризацию падающей плоской электромагнитной волны.

, , ,

, , (33)

2) Ey?0, Hx?0:

, , , (34)

3) Ez?0, Hx?0:

, , ,

, , (35)

4) Ex?0, Hz?0:

, , , (36)

Здесь , - напряженность электрического поля падающей электромагнитной волны, f - частота, на которой проводятся измерения, - напряженность электрического поля волны, излучаемой спиралью (нижний индекс обозначает направление, вдоль которого ведется измерение, а верхний - проекцию вектора на данное направление).

Для создания искусственной среды будем использовать двухвитковые спирали, так как они обладают преимуществом, по сравнению с одновитковыми спиралями. В статье [31] показан теоретический расчет параметров идеально проводящей двухвитковой спирали, для которой выполняется равенство диэлектрической, магнитной и киральной восприимчивостей. Такая спираль обладает одинаковым откликом для любой поляризации падающей волны. В статье [27] предоставлены данные осевых компонент тензоров двухвитковой спирали с параметрами как в статье [31], у которых расхождение в значениях компонент составляет порядка 10%. Этот результат можно улучшить, используя метод расчета компонент тензоров восприимчивостей, можно оптимизировать параметры двухвитковой спирали. Оптимизированные параметры двухвитковой спирали являются следующими:

Двухвитковая спираль: NВ=2, б=6,35°; L=0,05 м; r=3,3•10-3 м; h=2,3•10-3 м; d=0,5•10-3 м,

где NВ - число витков спирали, б - угол подъема спирали относительно плоскости, перпендикулярной оси спирали, L - длина проволоки, из которой изготовлена спираль, r - радиус витка, h - шаг спирали, d - диаметр проволоки. Эти оптимальные параметры были использованы при компьютерном моделировании электромагнитных свойств спиралей.

На рисунке 22 показаны осевые компоненты тензоров восприимчивости оптимизированной двухвитковой спирали.

Рисунок 22 - График частотной зависимости действительных и мнимых частей осевых компонент тензоров восприимчивостей двухвитковой спирали

Полученные данные рассматриваются в дальней зоне в диапазоне частот от 3 до 3,25 ГГц, где наблюдается главный частотный резонанс токов. Из графика видно, что различия в значениях осевых компонент тензоров составляет не более 1%.

Как известно, чтобы использовать формулу (32) необходимо рассчитать компоненты тензоров диэлектрической и магнитной восприимчивостей, а через них диэлектрическую и магнитную проницаемость среды. Относительная диэлектрическая и магнитная проницаемость среды может быть рассчитана, используя формулу Клаузиуса-Моссоти [32]:

(33)

где и - диэлектрическая и магнитная восприимчивости среды, n объемная концентрация частиц в среде.

Прежде всего, чтобы удовлетворить условию для радиальных параметров анизотропной среды, нужно не забывать о том, что диэлектрическая и магнитная проницаемости среды должны быть равны между собой . Этому условию удовлетворяет оптимизированная двухвитковая спираль, так как она имеет одинаковые осевые компоненты тензоров диэлектрической и магнитной проницаемостей, которые дают основной вклад в излучение спирали.

Исходя из данных на рисунке 22 и используя формулы (32) и (33) можно рассчитать необходимую объемную концентрацию частиц (спиралей) в среде.

(34)

Количество частиц в среде для цилиндрического слоя рассчитывается по формуле как

(35)

где V - объем слоя, S - площадь слоя, h - высота слоя.

Для расчета необходимого количества спиралей можно использовать формулу (35), при этом задавая произвольно радиус цилиндра и радиус маскирующей оболочки, но параметр r должен изменяться непрерывно. Этого очень трудно добиться, поэтому делают дискретную оболочку, где параметр r разбивается (дискретизируется), в пределе между радиусом оболочки и радиусом цилиндра (), на конечное число, которое соответствует числу слоев в оболочке.

Создадим искусственную дискретную оболочку со спиральными включениями, состоящей из четырех слоев. Для примера, количество спиралей в первом слое рассчитывается по формуле

(36)

где - толщина первого слоя, r1 - расстояние от центра до середины первого слоя. Аналогично рассчитывается количество спиралей в остальных слоях. На рисунке 23 показана схема дискретной оболочки, состоящая из четырех слоев, окружаемая скрываемый цилиндр.

Рисунок 23 - Схема дискретной оболочки

Параметр r берется равным от центра всей структуры до середины каждого слоя, так как именно на этом расстоянии будут располагаться спирали, которые и сформируют слои оболочки.

Расчет искусственной структуры проводится при следующих параметрах:

- радиус цилиндра a=7,75 см;

- радиус оболочки b=15,5 см;

- толщина структуры h=1 см;

- восприимчивость двухвитковой спирали на частоте 3,14 ГГц равна минус 13,8 см3.

Значение действительной части восприимчивостей двухвитковой спирали выбирается максимально отрицательной, для того, чтобы диэлектрическая восприимчивость среды изменялась в пределах от единицы до нуля (см. формулу 32).

Основываясь на теоретических расчетах и параметрах структуры, были рассчитаны диэлектрическая проницаемость среды и количество двухвитковых спиралей в каждом слое. Данные приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Параметры дискретной оболочки

№ ряда	r, мм.		N, штук
1	87,1875	0,025	12
2	106,5625	0,149	12
3	125,9375	0,296	10
4	145,3125	0,436	10

Схема расстановки спиралей в образце выбрана с учетом симметрии относительно цилиндра и изображена на рисунке 24.

Рисунок 24 ? Схема расстановки спиралей в образце

Основываясь на рассчитанных параметрах, было проведено моделирование бесконечной многослойной искусственной структуры с использованием программы ANSYS HFSS. Результаты моделирования представлены на рисунке 25, в виде распределения напряженности электрического поля для вертикальной поляризации падающей волны.

Рисунок 25 ? Распределение напряженности электрического поля на частоте 3,01 ГГц для вертикальной поляризации: а) металлический цилиндр без оболочки; б) металлический цилиндр, окруженный искусственной оболочкой

Из рисунка 25 видно, что фронт волны частично восстанавливается для вертикальной поляризации на 3,01 ГГц, но при этом присутствует достаточно большое рассеяние на структуре.

На рисунке 26 показано распределения напряженности магнитного поля для горизонтальной поляризации падающей волны.

Рисунок 26 ? Распределение напряженности магнитного поля на частоте 2,97 ГГц для горизонтальной поляризации: а) металлический цилиндр без оболочки; б) металлический цилиндр, окруженный искусственной оболочкой

Из рисунка 26 следует, что напряженность магнитного поля за цилиндром с искусственной оболочкой лишь немного превышает амплитуду магнитного поля за цилиндром без оболочки.

Количественной характеристикой явления огибания электромагнитной волной препятствия, может служить интенсивность прошедшей волны за препятствием. В моделировании, для измерения интенсивность прошедшей волны электрического поля строиться плоскость, которая расположена позади цилиндра, на расстоянии 30 см от его края. Интенсивность электрического поля в HFSS рассчитывается по формуле:

(37)

где - комплексная величина напряженности электрического поля; комплексно-сопряженная величина напряженности электрического поля; S - площадь плоскости, созданной за искусственной структурой.

На рисунке 27 показана частотная зависимость интенсивности прошедшей волны относительно падающей при различной поляризации падающей волны.



Рисунок 27 ? Частотная зависимость интенсивности прошедшей волны относительно падающей при горизонтальной и вертикальной поляризации

Из рисунка 27 следует, что интенсивность прошедшей волны при вертикальной поляризации на частоте 3,01 ГГц за цилиндром с искусственной оболочкой, состоящей из двухвитковых спиралей больше на 18%, чем интенсивность волны для цилиндра без оболочки. Интенсивность прошедшей волны при горизонтальной поляризации на частоте 2,97 ГГц за цилиндром с искусственной оболочкой больше на 13%, чем для цилиндра без оболочки.

Следовательно, можно сделать вывод о том, что для двух поляризаций падающей волны, огибание СВЧ волнами искусственной оболочки на основе двухвитковых спиралей, окружающей цилиндр, присутствует, но лишь частично востанавливается фронт плоской электромагнитной волны за искусственной структурой. При этом главным недостатком исследуемой структуры является достаточно большое рассеяние. Это можно объяснить тем, что большая часть энергии падающей волны рассеивается на скрываемом цилиндре, но по теоретическим расчетам, этого не должно происходить.

3.3 Методика изготовления экспериментального образца на основе двухвитковых спиралей. Проведение эксперимента

Основываясь на результатах, полученных в параграфе 3.2, был проведен эксперимент в соответствии с моделированием. Предварительно, нужно изготовить двухвитковые спирали, металлический цилиндр, а так же иметь соответствующую аппаратуру для измерения.

Для получения более точного соответствия спиралей рассчитанным параметрам была разработана технология изготовления спиральных элементов: медная проволока наматывается на заранее изготовленный шаблон (рисунок 28), это обеспечивает взаимную идентичность двухвитковых спиралей и точное соблюдение заданных размеров. Для снятия проволоки с шаблона с сохранением параметров, вдоль продольной бороздки, нанесённой на шаблоне, на проволоке ставятся метки, соответствующие полному витку спирали. Затем проволока скручивается с шаблона, и по меткам нарезаются спиральные элементы, полностью соответствующие расчетным параметрам. На рисунке 29 показана фотография изготовленных правой и левой двухвитковых спиралей.

Рисунок 28 - Фотография шаблонов для изготовления правосторонних и левосторонних двухвитковых спиралей

Рисунок 29 - Фотография изготовленных правосторонних и левосторонних двухвитковых спиралей с углом подъема 6,35є

На основании схемы (рисунок 24) был изготовлен искусственный образец, состоящий из гладких правосторонних и левосторонних двухвитковых спиралей для реализации возможности огибания цилиндрических объектов СВЧ волнами. В качестве подложки выбран пенопласт, так как этот материал является радиопрозрачным в исследуемом диапазоне частот и не влияет на результаты измерений. На рисунке 30 показаны фотографии одного слоя маскирующего покрытия.

Рисунок 30 ? Фотографии искусственной оболочки на основе двухвитковых спиралей

Следовательно, была изготовлена искусственная структура, состоящая из 12 слоев, в совокупности представляющую собой многослойную объемную структуру высотой 16 см (рисунок 31), а также металлический цилиндр радиусом 7,75 см и высотой 17 см. На каждой пенопластовой пластине были закреплены по два слоя двухвитковых спиралей.

Рисунок 31 ? Фотографии объемной многослойной искусственной структуры

Для проведения эксперимента используется следующая измерительная аппаратура:

1) Генератор сигналов высокочастотный Г4-80 (рисунок 33), рассчитан на диапазон частот 2,56 4 Ггц. Предназначен для регулировки, проверки и исследования радиоэлектронной аппаратуры в отапливаемых помещениях в пределах рабочих температур от +5°С до +40°С и относительной влажности до 95% при температуре воздуха +30°С.

Рисунок 33 ? Генератор сигналов высокочастотный Г4-80

Генератор сигналов высокочастотный выполняет функции источника СВЧ сигналов, калиброванных по частоте, уровню выходной мощности и по параметрам импульсной модуляции [33].

2) Приемник измерительный П5-5Б (рисунок 34), предназначен для абсолютных и относительных измерений мощности синусоидального сигнала, измерения плотности потока мощности и напряженности электромагнитного поля при наличии измерительных антенн с известными параметрами, а также для индикации пикового значения напряжения сигналов непрерывной генерации, амплитудно-модулированных и импульсно-модулированных сигналов. Приемник измерительный обеспечивает возможность измерений в диапазоне частот 2,35 4 ГГц.

а ? блок измерительного приемника, б ? блок питания

Рисунок 34 ? Приемник измерительный П5-5Б

3) Для эксперимента, в качестве излучающей и приемной антенны, используется рупорная антенна П6-23А (рисунок 35) в диапазоне сверхвысоких частот.

1? кабель; 2 ? волновод; 3 ? рупор

Рисунок 35 ? Рупорная антенна П6-23А

Применение рупора на конце волновода делает излучение более направленным. Максимум излучения получается в направлении, перпендикулярном плоскости раскрыва рупора. Рупорные антенны широко применяются главным образом в диапазоне сверхвысоких частот. Степень направленного действия рупорной антенны определяется характером распределения амплитуд и фаз электромагнитного поля в плоскости раскрыва рупора, а также формой и размерами самого рупора. Помимо концентрации излучения волн, рупор создает также плавный переход от волновода к свободному пространству и тем самым значительно снижает отражение волн от открытого конца волновода.

Для измерения и испытания радиотехнической аппаратуры, излучающей в свободное пространство, применяются безэховые камеры. Безэховая камера представляет собой помещение, облицованное изнутри радиопоглощающим материалом (PML) с целью уменьшения отражения от стен и обеспечения в некотором объёме камеры - безэховой зоне - заданного малого уровня отражений, то есть условий, приближающихся к условиям «свободного пространства». Стенки современных безэховых камер с высокой эффективностью экранирования от магнитных и электрических полей выполняются из железосодержащих сплавов. Тонкий стальной экран позволяет гасить магнитное поле на 60 дБ.

Используя в эксперименте вышеперечисленную аппаратуру, исследования были проведены в безэховой камере в диапазоне частот от 2,85 до 3,55 ГГц. Схема проведения эксперимента показана на рисунке 32.

1 ? приемник измерительный П5-5Б (2,35-4,0 ГГц); 2 ? генератор ГЧ-80 (2,56-4,0 ГГц); 3 ? стена из радиопоглощающего материала; 4,5 ? антенны измерительные П6-23А; 6 - искусственная оболочка (пенопласт, с включениями из медных двухвитковых спиралей); 7 - металлический цилиндр; 8 ? безэховая камера; 9 - камера, в которой фиксируются измерения

Рисунок 32- Схема проведения эксперимента (вид сверху)

Наблюдатель (экспериментатор) находиться в камере (см. рисунок 32), в которой находиться измерительная аппаратура, и фиксирует показания на приемнике. Вручную переключает на генераторе частот нужную частоту и калибрует ее на измерительном приемнике. Для каждой отдельной частоты нужно калибровать приемник для установления точного показания в пределах погрешности прибора, поэтому процесс снятия данных проходит довольно долгое время.

Искусственный образец имеет конечные размеры, поэтому для того, чтобы плоская электромагнитная волна не огибала искусственную структуру снизу и сверху образца, на/под образец ставяться снизу/сверху дополнительные слои радиопоглащающего материала. При этом, основная часть излучение будет проходить только через искуственную структуру, следовательно, уменьшается погрешность рассеяния и огибания падающей волны в свободном пространстве.

На рисунке 33 показаны экспериментальные кривые частотной зависимости интенсивности прошедшей волны относительно падающей при различной поляризации падающей волны. Для сравнения приведены кривые из рисунка 27, которые были рассчитанны в моделировании.

Рисунок 33 ? Частотная зависимость интенсивности прошедшей волны относительно падающей

Из рисунка 33 следует, что интенсивность прошедшей волны при вертикальной поляризации для экспериментальной кривой на частоте 3 ГГц за цилиндром с искусственной оболочкой, состоящей из двухвитковых спиралей больше на 12%, чем интенсивность волны за цилиндром без оболочки. Интенсивность прошедшей волны при горизонтальной поляризации на частоте 3 ГГц за цилиндром с искусственной оболочкой, больше на 15%, чем для цилиндра без оболочки. Так же наблюдается пик на частоте 3,09 ГГц, при этом, интенсивность прошедшей волны за искусственной структурой превышает интенсивность за цилиндром на 17%. Экспериментальные кривые приблизительно сходяться с кривыми, полученными в моделировании. Погрешность экспериментальных данных составляет не более 13%.

Различия экспериментальных кривых и кривых, полученных в моделировании, объясняются наличием краевых эффектов на искуственном образце, так как структуры конечной, в то время как в моделировании, физическая модель является идеализированной и бесконечной.

Можно сделать вывод о том, что рассмотренная искусственная структура, на основе оптимизированных двухвитковых спиралей, при двух поляризациях падающей волны дает только частичный эффект огибания цилиндрических объектов СВЧ волной. Из-за присутствующих недостатков, данная структура подлежит дальнейшему улучшению и оптимизации.

цилиндр электромагнитный волна двухвитковый

Глава 4. Оптимизация исследуемой искусственной структуры на основе двухвитковых спиралей

4.1 Оптимизация искусственной структуры, состоящей из одного слоя двухвитковых спиралей

Для улучшения результатов, полученных в главе 3, проведена оптимизация исследуемой структуры. В процессе исследования было установлено, что достаточно одного ряда двухвитковых спиралей. Параметры структуры являются следующими:

a=7,75 см; b=11 см; д=32,5 см; N=36,

где а - радиус металлического цилиндра, b - радиус искусственной оболочки, д - расстояние от края цилиндра до спиралей, N - количество спиралей в одном слое.

Схема расстановки спиралей изображена на рисунке 34.

Рисунок 34 ? Схема расстановки спиралей в образце

На рисунке 35 показано распределение напряженности электрического поля для искусственной оболочки с одним рядом оптимизированных двухвитковых спиралей при вертикальной поляризации.



Рисунок 35 ? Распределение напряженности электрического поля на частоте 2,93 ГГц при вертикальной поляризации: а) металлический цилиндр без искусственной оболочки; б) металлический цилиндр, окруженный искусственной оболочкой

На рисунке 36 показано распределения напряженности магнитного поля для горизонтальной поляризации падающей волны.

Рисунок 36 ? Распределение напряженности магнитного поля на частоте 2,85 ГГц при горизонтальной поляризации: а) металлический цилиндр без искусственной оболочки; б) металлический цилиндр, окруженный искусственной оболочкой

Из рисунков 35 и 36 видно, что фронт волны за искусственной структурой частично восстанавливается для вертикальной поляризации на 2,93 ГГц и для горизонтальной поляризации на 2,85 ГГц.

На рисунке 37 показана частотная зависимость интенсивности прошедшей волны относительно падающей. Интенсивность прошедшей волны измеряется на расстоянии равным 30 см от края металлического цилиндра.

Рисунок 37 ? Частотная зависимость интенсивности прошедшей волны относительно падающей

Из рисунка 37 видно, что интенсивность волны за искусственной структурой, в диапазоне частот 2,65 - 2,97 ГГц, при двух поляризациях падающей волны больше, чем интенсивность волны за металлическим цилиндром.

4.2 Разработка и изготовление искусственного образца

На основании схемы (рисунок 34) был изготовлен искусственный образец, состоящий из правосторонних и левосторонних двухвитковых спиралей для реализации возможности огибания цилиндрических объектов СВЧ волнами. На рисунке 38 показана фотография искусственной оболочки, состоящая из одного ряда оптимизированных двухвитковых спиралей.

Рисунок 38 - Фотография искусственной оболочки на основе двухвитковых спиралей

Искусственная структура состоит из 14 слоев, в совокупности представляющую собой многослойную объемную структуру высотой 15 см (рисунок 39), а также металлический цилиндр радиусом 7,75 см и высотой 17 см. На каждой пенопластовой пластине были закреплены по два слоя спиралей.

Рисунок 39 ? Фотографии многослойной искусственной структуры

На рисунке 40 показаны экспериментальные кривые частотной зависимости интенсивности прошедшей волны относительно падающей при различной поляризации падающей волны. Для сравнения приведены кривые из рисунка 37, которые были рассчитанны в моделировании.

Рисунок 40 ? Частотная зависимость интенсивности прошедшей волны относительно падающей

Из рисунка 40 видно, что интенсивность прошедшей волны, при вертикальной поляризации, для экспериментальной кривой на частоте 2,84 ГГц за цилиндром с искусственной оболочкой, состоящей из двухвитковых спиралей больше на 31%, чем интенсивность волны за цилиндром без оболочки. Интенсивность прошедшей волны, при горизонтальной поляризации, на частоте 2,95 ГГц за цилиндром с искусственной оболочкой, больше на 30%, чем интенсивность волны за цилиндром без оболочки. В моделировании, интенсивность прошедшей волны, при вертикальной поляризации, на частоте 2,94 ГГц за искусственной структурой больше на 35%, чем за металлическим цилиндром. Интенсивность прошедшей волны, при горизонтальной поляризации, на частоте 2,85 ГГц за цилиндром с искусственной оболочкой, больше на 33%, чем интенсивность волны за металлическим цилиндром.

Следовательно, рассмотренная оптимизированная искусственная структура, на основе одного слоя двухвитковых спиралей, дает лучший эффект огибания цилиндрических объектов СВЧ волной, при вертикальной и горизонтальной поляризации падающей волны, в отличие от искусственного образца, состоящего из четырех рядов двухвитковых спиралей.

4.3 Экспериментальные исследования искусственной структуры на основе прямолинейных проводников

В данном параграфе рассматривается рассеяние плоской электромагнитной волны только с вертикальной поляризацией, на искусственной структуре, состоящей из металлического цилиндра, окруженном медными прямолинейными проводниками. Прямолинейные проводники в исследуемом диапазоне частот являются не резонансными. В процессе исследования были найдены оптимальные параметры структуры в исследуемом диапазоне частот. Параметры искусственной структуры являются следующими:

r=77,5 мм; R=91 мм; д=13,5 мм; h=36 мм; l=30 мм; r0=0,5 мм; N= 30,

где r - радиус цилиндра, R - радиус структуры, д - расстояние от края цилиндра до проводников; h - толщина одного слоя структуры, l - длина проводника, r0 - радиус проводника, N - количество проводников в одном слое структуры. На рисунке 41 приведена схема расстановки прямолинейных проводников относительно скрываемого цилиндра.

Рисунок 41 ? Схема расстановки прямолинейных проводников в образце

На рисунке 42(а) показана геометрия структуры, состоящей из 4 слоев прямолинейных проводников, расположенных симметрично относительно скрываемого объекта.

Рисунок 42 - Геометрия структуры: а) в моделировании; б) в эксперименте

Основываясь на рассчитанных параметрах искусственной структуры, было проведено моделирование бесконечной многослойной искусственной структуры на основе прямолинейных проводников.

Результаты моделирования представлены на рисунке 25, в виде распределения напряженности электрического поля при вертикальной поляризации падающей электромагнитной волны.

Рисунок 43 - Распределение напряженности электрического поля на частоте 3,1 ГГц: а) металлический цилиндр без искусственной оболочки; б) металлический цилиндр, окруженный искусственной оболочкой на основе прямолинейных не резонансных проводников

Из рисунка 43(б) следует, что плоский фронт волны за цилиндром с искусственной структурой на частоте 3,1 ГГц восстанавливается, при этом рассеяние волны уменьшается.

На основании полученных результатов был изготовлен искусственный образец, состоящий из 5 слоев прямолинейных не резонансных проводников (рисунок 42(б)) и металлического цилиндра. В качестве крепления проводников в структуре используется пенопласт.

На рисунке 33 показаны экспериментальные кривые частотной зависимости интенсивности прошедшей волны относительно падающей при вертикальной поляризации падающей волны и приведены кривые, рассчитанные в моделировании.



Рисунок 44 - График частотной зависимости интенсивности прошедшей волны относительно падающей

Из рисунка 44 следует, что интенсивность прошедшей волны относительно падающей, при вертикальной поляризации, для экспериментальной кривой на частоте 3,05 ГГц за цилиндром с искусственной оболочкой, состоящей из прямолинейных проводников, больше на 44%, чем интенсивность волны за цилиндром без оболочки. В моделировании, интенсивность прошедшей волны, при вертикальной поляризации, на частоте 3,12 ГГц за искусственной структурой, больше на 50%, чем интенсивность волны за металлическим цилиндром.

Так как прямолинейные проводники являются не резонансными, то восстановление волнового фронта наблюдается во всем исследуемом диапазоне частот 2,85 - 3,55 ГГц. Из экспериментальной кривой следует, что максимум интенсивность волны за цилиндром с искусственной оболочкой наблюдается в диапазоне частот от 3,03 до 3,15 ГГц.

Следовательно, рассмотренная искусственная структура, на основе прямолинейных не резонансных проводников, при вертикальной поляризации падающей волны, дает лучший эффект огибания цилиндрических объектов СВЧ волной по сравнению с искусственными образцами, рассмотренными в главе 3 и параграфах 4.1, 4.2.

Заключение

Технологии обнаружения в последние десятилетия не отставали от технологий маскировки: для каждого нового способа маскировки очень быстро находился свой способ обнаружения объекта по косвенным признакам (тени, рассеянному излучению или по путному следу). В связи с этим имеется острая потребность в такой маскировке, которая минимизировала бы все эти косвенные признаки. В последние годы было предложено несколько новых типов маскировки. Наибольшее развитие благодаря своей универсальности получила идея маскировки по методу волнового обтекания.

В данной работе рассмотрены основные методы маскировки тел, их различные маскирующие оболочки, позволяющие скрывать объекты различной формы. Подробно рассмотрена первая экспериментальная демонстрация маскировки по методу волнового обтекания.

Теоретически рассмотрена задача рассеяния плоской электромагнитной волны на идеально проводящем цилиндре. Построены диаграммы рассеяния при различном параметре ka. Проверено решение этой задачи с помощью программ ANSYS HFSS и Comsol Multiphysics. Рассчитанные теоретически диаграммы рассеяния сходятся с высокой точностью с диаграммами рассеяния, построенными с помощью компьютерных программ, даже при использовании различных методов расчета.

Рассмотрены свойства дискретной оболочки, позволяющие перейти к реализации данной оболочки на практике.

Выполнен расчет параметров искусственной структуры для реализации возможности огибания цилиндрических объектов СВЧ волнами. Проведено моделирование исследуемой структуры и на основании полученных результатов был изготовлен искусственный образец, состоящий из двенадцати слоев оптимизированных двухвитковых спиралей, для возможности реализации метода волнового обтекания. Был проведен эксперимент для подтверждения и сравнения полученных данных с моделированием.

По полученным результатам, можно сделать вывод о том, что рассмотренная искусственная структура, на основе оптимизированных двухвитковых спиралей, при двух поляризациях падающей волны дает только частичный эффект огибания цилиндрических объектов СВЧ волной. Различия экспериментальных кривых и кривых, полученных в моделировании, объясняются наличием краевых эффектов на искуственном образце, так как структуры конечной, в то время как в моделировании, физическая модель является идеализированной и бесконечной.

С учетом недостатков искусственной структуры рассмотренной в главе 3 выполнена оптимизация данного образца с помощью моделирования. Был проведен эксперимент для исследования электромагнитных свойств оптимизированной искусственной структуры и подтверждения полученных результатов с моделированием. Рассмотренная оптимизированная искусственная структура, на основе четырнадцати слоев двухвитковых спиралей, дает лучший эффект огибания цилиндрических объектов СВЧ волной, при вертикальной и горизонтальной поляризации падающей волны, в отличие от искусственного образца, состоящего из двенадцати слоев двухвитковых спиралей.

Так же рассмотрена искусственная структура на основе не резонансных прямолинейных проводников. Данная структура смоделирована с помощью программы ANSYS HFSS и на основании полученных данных проведен эксперимент. Из полученных данных в моделировании следует, что восстановление волнового фронта наблюдается во всем исследуемом диапазоне частот 2,85 - 3,55 ГГц. Из экспериментальной кривой следует, что максимум интенсивность волны за цилиндром с искусственной оболочкой наблюдается в диапазоне частот от 3,03 до 3,15 ГГц. Поэтому, рассмотренная искусственная структура, на основе прямолинейных не резонансных проводников, при вертикальной поляризации падающей волны, дает лучший эффект огибания цилиндрических объектов СВЧ волной по сравнению с искусственными образцами, рассмотренными в главе 3 и параграфах 4.1, 4.2.

К сожалению, все полученные результаты дают лишь частичное восстановление волнового фронта за исследуемой искусственной структурой. В связи с этим необходимо дальнейшее исследование возможности разработки и создания искусственных неоднородных структур, с целью создания возможности огибания цилиндрических объектов СВЧ волнами.

Список использованных источников

1. Дубинов, А. Е. Маскировка материальных тел методом волнового обтекания// А. Е. Дубинов, Л. А. Мытарева, УФН. - 2010. - том 180, №5. - С. 475-501.

2. Розанов Н. Н. / Н. Н. Розанов // Природа №6, 3, 2008 г.

3. Pendry, J. B. Controlling electromagnetic fields / J. B. Pendry, D. Schurig, D. R. Smith // Science. - 2006. - Vol. 312. ? P. 1780?1782.

4. Schurig, D. Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies / D. Schurig [et al.] // Science. - 2006. - Vol. 314. - P. 977?980.

5. Leonhardt, U. Optical conformal mapping Science. - 2006. - Vol. 312. - pp. 1777-1780.

6. Leonhardt U, Philbin T. G. General relativity in electrical engineering // Leonhardt U, Philbin T. G. // 2006 New J. Phys. 8 247

7. Schurig, D. Calculation of material properties and ray tracing in transformation media / Schurig D., Pendry J. B., Smith D. R // Optics Express, Vol. 14, Issue 21, pp. 9794-9804 (2006).

8. Розанов, Н.Н. Достижима ли идеальная невидимость даже при монохроматическом излучении? / Н.Н. Розанов // УФН том 181 №7 2011 г. с. 787-788.

9. Борн, М. В. Основы оптики / М. Вольф Борн // М.: Наука, 1970 г.

10. Дубинов, А.Е. Возможна ли маскировка без сингулярностей? Новые идеи маскировки / А.Е Дубинов, Л.А. Мытарева // УФН том 182 №3 2012 г. с. 337-341.

11. Вендик, И.Б. Метаматериалы и их применение в технике сверхвысоких частот / И.Б. Вендик, О.Г. Вендик Журнал технической физики, 2013, том 83, вып. 1, с. 3-28.

12. Веселаго, В. Г. Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями и / В. Г. Веселаго // УФН. ? 1967. ? Т. 92, вып. 3. ? С. 517?526.

13. Smith D.R., Padilla W.J., Vier D.C., Nemat-Nasser S.C., Schultz S. // Phys. Rev. Lett. 2000. Vol. 84. N 18. P. 4184-4187.

14. Pendry J.B., Holden A.J., Stewart W.J., Youngs I. // Phys. Rev. Lett. 1996. Vol. 76. N 25. P. 4773-4776.

15. Pendry J.B., Holden A.J., Robbins D.J., Stewart W.J. // J. Phys. Cond. Matter. 1998. Vol. 10. P. 4785-4809.

16. Pendry J.B., Holden A.J., Robbins D.J., Stewart W.J. // IEEE Trans. Microw. Theory. Tech. 1999. Vol. 47. N 11. P. 1075-1084.

17. Shelby R.A., Smith D.R., Schultz S. // Science. 2001. Vol. 292, P. 77-79

18. Cummer, S. A. Full-wave simulations of electromagnetic cloaking structures / Steven A. Cummer*, Bogdan-Ioan Popa, David Schurig, and David R. Smith // Phys. Rev. E 74, 036621 (2006) [5 pages].

19. Cai W., Chettiar U.K., Kildishev A.V., Shalaev V.M. // Nature Photonics. 2007. V.1. №4. P.224--227.

20. Jiang, W. X. Arbitrarily elliptical-cylindrical invisible cloaking / Wei Xiang Jiang, Tie Jun Cui, Guan Xia Yu, Xian Qi Lin, Qiang Cheng and Jessie Yao Chin 2008 J. Phys. D: Appl. Phys. 41 085504.

21. Jiang, W. X. Analytical design of conformally invisible cloaks for arbitrarily shaped objects / Wei Xiang Jiang, Jessie Yao Chin, Zhuo Li, Qiang Cheng, Ruopeng Liu, and Tie Jun Cui // Phys. Rev. E 77, 066607 (2008) [6 pages]

22. Yao, K. Two-dimensional dissimilar electromagnetic cloak for irregular regions / K. Yao, C. Li, F. Li // Applied Physics B, 2009, V. 96, pp 355-361.

23. Гольштейн, Л. Д. Электромагнитные поля и волны / Л. Д. Гольштейн, Н. В. Зернов // Изд. 2-ое перераб. и дополненное, М. Изд-во “Советское радио”, 1971 г., с. 359-365.

24. Банков, С.Е. Проектирование СВЧ устройств и антенн с Ansoft HFSS / С.Е. Банков, А.А. Курушин // М.: «Солон».- 2009.- C. 194-197.

25. Asghar, M. Electromagnetic cloaking with a mixture of spiral inclusions// M. Asghar et al. - Proc. Metamaterials' 2007, Rome, Italy. - P. 957.

26. Фаняев И.А., Безотражательное огибание цилиндрических объектов электромагнитными волнами, Творчество молодых 2012 Сборник научных работ студентов и аспирантов, Гомель 2012, с. 229-232.

27. Фаняев И.А., Огибание цилиндрической поверхности методом волнового обтекания, Дни студенческой науки, Материалы XLI студенческой научно-практической конференции, Гомель, 2-3 мая 2012 года, с. 58.

28. Guven, K. Electromagnetic cloaking with canonical spiral inclusions// K. Guven, E. Saenz, R. Gonzalo, E. Ozbay and S. Tretyakov. - New Journal of Physics. - 2008, 115037. - no. 10.

29. I.A. Faniayeu, V.S. Asadchy, The calculation of all tensors components of the dielectric, magnetic and chiral polarizabilities for helices with the optimal parameters, 11th International Conference on Global Research and Education in Engineers for Better Life (inter-Academia), 27-30 August, 2012, Budapest, Hungary, pp. 497-504.

30. I.A. Faniayeu, V.S. Asadchy, I.V. Semchenko, S.A. Khakhomov, Calculation and analysis of the tensors of electric, magnetic and chiral polarizabilities of the helices with optimal shape, Metamaterials '2012: The Sixth International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics, St. Petersburg, September 17 - 22, 2012.

31. Semchenko, I.V. Radiation of Circularly Polarized Electromagnetic Waves by the Artificial Flat Lattice with Two-Turns Helical Elements// I.V. Semchenko, A.L. Samofalov, S.A. Khakhomov. - Bianasotropics' 2004. - 10th International Conference on Complex Media and Metamaterials, Het Pand, Chent, Belgium. - P. 236-239.

32. Tretyakov, S. A. Analytical Modeling in Applied Electromagnetics / S. A. Tretyakov. ? Norwood: Artech House, 2003. ? 260 p.

33. Генератор сигналов высокочастотный Г4?80. Описание, инструкция по эксплуатации. ? Горький, 1977. ? 102 с.

Размещено на Allbest.ru