РАЗДЕЛ 2
МЕТОД КВАЗИОПТИЧЕСКОГО ВОЛНОВОДНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ (КВМ)
При изучении рассеяния электромагнитных волн физическими объектами особую важность приобретают лабораторные исследования, моделирующие условия "свободного пространства", когда исследуемый объект или его масштабная модель облучается квазиплоской волной, а в принимаемом рассеянном (вторичном) излучении вклад от побочных излучений, вызванных присутствием посторонних предметов или других источников, достаточно мал [4].
При проведении таких исследований в ближнем миллиметровом (БММ) и субмиллиметровом (СММ) диапазонах длин волн возникают существенные трудности, связанные со сложностью формирования квазиплоской волны в рабочем объеме - области пространства, в которой размещен исследуемый объект, сложностью и дороговизной измерительного оборудования и т.п. Особенно большие трудности возникают при исследовании характеристик обратного рассеяния объектов, которые имеют очень малую отражательную способность при сравнительно больших характерных размерах по отношению к длине волны [11].
Нами предложен и развит новый лабораторный метод исследования характеристик рассеяния физических объектов в БММ и СММ диапазонах волн - метод квазиоптического волноводного моделирования (КВМ) [69-71], который дает возможность в значительной мере преодолеть вышеуказанные трудности.
В данном разделе изложена основная идея метода, сделан краткий обзор квазиоптических направляющих структур класса "полый диэлектрический волновод", используемых в качестве средства для реализации метода КВМ, проведен сравнительный анализ двух основных видов ПДВ - круглой и прямоугольной формы сечения, теоретически исследована задача рассеяния и преобразования волноводных мод на локальной неоднородности в ПДВ, установлена связь между характеристиками рассеяния объекта в свободном пространстве и параметрами рассеяния волноводных мод на этом объекте в ПДВ, теоретически рассмотрены и проанализированы общие закономерности волновых процессов рассеяния на объекте в ПДВ применительно к образцовому сферическому рассеивателю.
2.1. Идея и физическое обоснование метода КВМ
Идея метода состоит в том, что рассеиватель (т.е. исследуемый объект или его физическую модель) при выполнении определенных условий, о которых будет сказано ниже, помещают в квазиоптическую (КО) линию передачи класса "полый диэлектрический волновод" (ПДВ), возбуждают в ПДВ основную моду (рабочую волну) и ею облучают рассеиватель, транслируют рассеянное излучение по ПДВ в зону приема, выделяют из принятого излучения основную моду и по ее измеренным параметрам - волноводным коэффициентам отражения и прохождения - определяют характеристики рассеяния объекта, которые связаны с указанными волноводными параметрами основной моды вполне определенным образом.
В данном методе используется квазиоптический волноводный принцип формирования падающего поля в рабочем объеме, в котором основную роль играют электродинамические свойства квазиоптической волноведущей структуры класса "полый диэлектрический волновод". К волноводам этого класса принадлежат линии передачи в виде канала круглой, прямоугольной или иной формы сечения, больших по сравнению с длиной волны характерных поперечных размеров, образованного граничными структурами различного вида - диэлектрическими [35, 102, 103], слоисто-диэлектрическими [104-106], газово-диэлектрическими [107-109], металло-диэлектрическими [36, 37, 110-112], трубчато-диафрагменными [113], магнито-диэлектрическими [114] и т.п.
Благодаря малости углов скольжения парциальных плоских волн Бриллюэна, формирующих основную моду ПДВ, в некоторой внутренней околоосевой области волноведущего канала образуется квазиплоское амплитудно-фазовое распределение электромагнитного поля. Эта область квазиплоского поля может быть достаточно далеко расширена в поперечном направлении путем соответствующего выбора размеров волноведущего канала, а благодаря хорошим волноведущим свойствам ПДВ - может иметь значительную аксиальную протяженность и, следовательно, может в принципе быть использована в качестве рабочего объема для целей ЭДМ. Это обстоятельство в совокупности со способностью ПДВ эффективно подавлять побочные (высшие) моды, возбуждающиеся на различных внутренних неоднородностях, составляют физическую основу метода КВМ.
Как показывает анализ [68], фазовый фронт падающей основной моды в пределах рабочего объема в ПДВ оказывается настолько близким к плоскому, что фазовые ограничения, обычно наиболее существенные при реализации известных методов ЭДМ, практически снимаются и не оказывают влияния на точность определения характеристики рассеяния объекта. Амплитудная же неравномерность поля в радиальном и аксиальном направлениях может быть снижена до необходимого уровня выбором достаточно большого поперечного размера ПДВ. В предложенном методе КВМ, в отличие от известных, формирование плоского амплитудно-фазового распределения поля падающей волны в рабочем объеме осуществляется без использования специальных коллимирующих средств, требующих прецизионной точности выдерживания формы и чистоты рабочих поверхностей. Роль такого коллимирующего устройства выполняет сама КО линия передачи - полый диэлектрический волновод, который, благодаря своим уникальным электродинамическим свойствам, а также определенному выбору параметров, обеспечивает необходимую точность формирования поля в рабочем объеме. Сущность метода КВМ поясняется Рис. 2.1., на котором изображена условная схема квазиоптического микро-компактного полигона (МКП), реализующего предложенный метод.
Исследуемый рассеиватель 4 устанавливается внутри ПДВ 2 в рабочем объеме 3, имеющем, как правило, цилиндрическую (или сферическую) форму, центр которого находится на оси ПДВ. Из зоны излучения 1, примыкающей к одному из концов ПДВ, возбуждают в ПДВ основную моду, которой облучают рассеиватель 4, направляют рассеянное им электромагнитное излучение назад - в сторону зоны приема 1 обратной волны и вперед - в сторону зоны 5 приема прошедшей волны,
Рис. 2