Интерференционные явления в слоистых структурах и их применение в задачах приема сигналов и диагностики неоднородных сред (1097557), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Таким образом, получим:⎞x ⎟.⎟⎟⎠(5)II. ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ В РЕЗОНАНСНЫХ СТРУКТУРАХ.1. Интерференционные явления в слое с поглощением [1-6].В принятой нами постановке задачи предполагалось,что некоторая среда,представляющая собой плоскопараллельный слой с комплексной относительнойдиэлектрической проницаемостьюεи толщиной d0, полностью заполняет поперечноеkсечение волновода с волновым сопротивлением z0, регулярного со стороны падающей на слойСВЧ-волны и нагруженного на некоторую нагрузку zн,отстоящую от слоя на расстояние dкз.Как уже отмечалось выше,целью исследования было установление оптимальных значений(интервалов значений) величин d0, dкз и zн с точки зрения переноса вариаций удельнойпроводимости слоя на вариации параметров СВЧ-волны.Исследование проводилось численно и аналитически для двух принципиальноотличающихся случаев: симметричного расположения слоя в волноводе (zн=z0) и несимметричного (zн ≠ z0).

В результате анализа в широком диапазоне значений удельнойпроводимости слоя−1σ ∈10 ÷ 10 (ом× м) было установлено, что для обоих случаев участки с−33максимальной крутизной dr dσ соответствуют минимальным значениям r . Причем,вслучае симметричного расположения слоя в волноводе, это условие соответствуетполуволновой толщине слоя. Кроме того, было показано, что ни при каких условиях в случаесимметричного расположения слоя в волноводе невозможно обеспечить полное поглощение внем волновой энергии.В отличие от симметричного, при не симметричном расположении слоя в волноводе(нами была исследована наиболее эффективная не симметричная схема, при которой вкачестве нагрузки был выбран отражатель, на СВЧ это короткозамыкающая нагрузка, прикоторой zн=jz0 tg β dкз) было показано, что можно при определенных соотношениях d0,dкз и σобеспечить полное поглощение волновой энергии в слое. На основе метода импедансных///характеристик для случая малых потерь ( ε 〈〈ε ), пренебрегая членами второго порядкамалости по ε // , аналитически было получено в явном виде условие полного поглощенияволновой энергии в слое:11d0=2λλσ ρεdкз=arcth0λ arctg2πλλεвλвλ tg(6),ε2π dλвгдеλ ,λ ,λвсоответственно,ε,(7)0ε- длина волны в свободном пространстве, в волноводе и в слоеρ0- волновое сопротивление свободного пространства.

Одновременноевыполнение условий (6) и (7) обеспечивает режим полного поглощения, т.е. нахождениеглобального экстремума функции dr / d (σ , d 0 , d кз , λ ) .В то же самое время условие (7), как было установлено в результате анализа, определяетполное множество значений dкз , при которых имеют место локальные максимумыпоглощения при любой, отличной от оптимального значения по (6), толщине слоя.Причем,как показало исследование распределения напряженности электрической компоненты поляволны, экстремальным значениям поглощения соответствует такое распределение поляволны, что максимальное значение напряженности электрической компоненты всегданаходится на передней (по отношению к падающей волне) грани слоя, т.е., например, если( λ / 2) k ,d0= λε / 4 ,то dкз= вгде k = 0,1,2,... и наоборот, если d0= λε / 2, то dкз= ( λв / 4)l , где l = 2k + 1 ит.д. Таким образом, полученные соотношения позволяют с одной стороны обеспечить режиммаксимального поглощения энергии волны в слое, а с другой-максимальную крутизнузависимости r (σ ) , т.е.

максимальное разрешение по СВЧ ( или оптическому) каналувозможных вариаций удельной проводимости слоя.Проведенный численный, аналитический и экспериментальный анализ показали, что вокрестности глобального и локальных экстремумов характер функции r (σ , d 0 , d кз , λ ) в первомприближении имеет линейный характер и при наличии возмущений удельной проводимости~слоя σ = σ + ∆σсправедливо соотношение ∆ r = ξ∆σ , где ξ -постоянная для данногоматериала среды и характеристик волны и волноведущей линии.

Причем, для тонких слоев−42−1( d 0 〈〈 λ ) в широком диапазоне удельных проводимостей слоя 10 〈σ 〈10 (ом ⋅ м ) справедливо−3соотношение ∆ r = −10 ∆σd 0 , где d 0 [мкм] .Таким образом, проведенный анализ интерференционных явлений в слое с поглощениемпозволил определить условия оптимального взаимодействия электромагнитной волны сосредой, а полученные при анализе простые аналитические соотношения их практическуюреализацию.Однако, на практике далеко не всегда приемлемы толщины, определяемые условием (6),как правило они оказываются значительно меньше.

В этих случаях приходится, используяусловие (7), формировать взаимодействие волны со средой в области одного из локальныхэкстремумов поглощения,но при этом, поскольку не обеспечивается полное поглощениеэнергии волны в слое, происходит, иногда значительное, ухудшение качества параметровсистемы в целом:в случае приема излучений - уменьшение дальности приема и потеряинформации; при диагностике-ухудшение разрешающей способности и чувствительностиметода и т.д. С другой стороны из анализа общих условий согласования было очевидно, что врассматриваемом нами случае существует возможность для любого из локальных12экстремумов поглощения реализовать режим полного поглощения энергии волны в слое присоответствующем подборе волновых характеристик (волнового сопротивления) среды изкоторой на слой падает волна, т.е.

расположением между волноведущей линией и слоемнекоторой среды или определенной совокупности сред, удовлетворяющей по своим волновымхарактеристикам этому требованию.2. Интерференционные явления в многослойных резонансных поглощающих структурах.Задача обеспечения максимально возможного поглощения волновой энергии вматериальных средах имеет, как уже отмечалось выше, достаточно общий и приоритетныйхарактер в самых разнообразных областях физики. В этой постановке происходит сближениепроблем радиофизики и оптики, причем, если исторически методы синтеза специальных цепейв радиофизике начали интенсивно развиваться примерно на два десятилетия раньше, чем воптике, то интенсивное развитие аналогичных методов в оптике в 50-годы, во многомзаимствованных из радиофизики в силу схожести проблем, со своей стороны указало наэффективный путь решения схожих задач использованием интерференционных явлений вмногослойных структурах. Особенно это стало актуальным с освоением в радиофизикесантиметрового, миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн.

Многослойныеструктуры, обеспечивающие полное поглощение волновой энергии в слабо поглощающих, илисильно отражающих слоях, могут широко применяться для приема, детектирования испектрального анализа коротковолновой энергии, фильтрации и анализа сигналов,диагностики сред и визуализации электромагнитных полей.Поскольку идея использования многослойных структур в радиофизических СВЧустройствах пришла из оптики, то было естественным проанализировать уже достаточнохорошо к этому времени развитые в оптике математические методы синтеза и анализамногослойных структур и достигнутые при этом результаты.Aнализ показал, что действительно, в теории оптики многослойных покрытийрассматривалась задача обеспечения максимального поглощения волновой энергии вслабопоглощающем слое, и при этом было показано, что многослойные структуры,включающие в себя тонкий слой слабопоглощающего материала, обрамленного одинаковыминаборами непоглощающих слоев с чередующимися показателями преломления, могутобеспечить значительное, но не превышающее 50% поглощение падающей энергии (Кард П.Г.Анализ и синтез многослойных интерференционных пленок.

Таллин, ”Валгус”, 1971г.).Сдругой стороны, многочисленные экспериментальные, численные и аналитическиеисследования, проводившиеся нами в СВЧ-диапазоне и, особенно, результаты представленныев настоящем докладе ранее (соотношения (6) и (7)) и сделанные на основе их анализа выводы,однозначно указывали на принципиальную возможность осуществления 100% поглощенияэнергии в слабопоглощающем слое при использовании не симметричных (имеющих различноеколичество слоев), обрамляющих этот слой, многослойных структур.

Поскольку в теории ипрактике анализа и синтеза многослойных покрытий в оптике использовались резонансные,состоящие из четвертьволновых по оптической толщине слоев, структуры, то нами былпроведен анализ оптимальности такого выбора толщины слоев многослойной структуры, врезультате которого было установлено, что при таком выборе толщины слоев, реализуетсяоптимальное решение задачи согласования относительно такого параметра многослойнойструктуры, как общее число ее слоев, т.е. такой выбор толщины слоев обеспечивает при13минимальном числе слоев максимальную согласующую (отражательную) способностьструктуры.2.1 Многослойный интерференционный поглотитель волновой энергии [7-16].Используя развитый для решения такого типа задач метод импедансных характеристик,анализ был проведен для конкретного случая, переход к которому отнюдь не ограничивалобщности рассмотрения. В случае различных волноведущих линий, в том числе и длясвободного пространства, анализ впоследствии проводился аналогичным образом ссоответствующими заменами импедансных характеристик слоев и граничных сред.Пусть многослойная система помещена в прямоугольный волновод, возбужденный наосновном типе колебаний H 10 .

Характеристики

Список файлов диссертации