Работа выполнена в Саратовском госл'дарственном университете
им. Н.Г. Чернышевского
Официальные оппоненты:
а о5в2 % 0^
О
Ведущая организация:
Член-корреспондент РАН, профессор Бахрах Л.Д., доктор физико-математических наук, профессор Голубенцев А.Ф., доктор технических наук, профессор Фурсаев М.А.
филиал Института радиотехники и электроники РАН (г. Саратов).
Защита диссертации состоится 4 О_2000?^4 30*на заседании
диссертационного совета Д 063.74.01 Саратовского государственного универси тета по адресу: 410026, Саратов, ул. Астраханская, 83, С ГУ, физический
факультет.
С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке СГУ.
Диссертация в виде научного доклада разослана
2000 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
кандидат физико-математических наук /1, В.М.Аникин
Содержание
Мнцая характеристика работы....................................3
Основное содержание работы
. Задачи дифракции и распространения свободных волн в лектродинамических волноведущих структурах
1.1 Вариационные методы расчета волноводных неоднородностей и сочленений.................................................11
1.2 Вариационные методы расчета аксиально-симметричных и плоских замедляющих систем. Расчет собственных частот аксиально-симметричных резонаторов и критических длин волн регулярных волноводов..25
1.3 Теоретические и экспериментальные исследования электродинамики замедляющих систем.........................................32
1.4 Распространение и дифракция света в анизотропных средах с пространственно-временными периодическими неоднородностями.46
1.5 Электродинамические свойства ортогонально-турникетного сочленения трех квадратных волноводов с шестигранным волноводом. Суммирование больших мощностей..........................................55
Проблема квадратичных плотностных характеристик в лектродинамике свободных волновых полей.........................62
ыводы......................................................... 79
Список ли^цатуры................................................85
КНИГА ИМЕЕТ
)бщая характеристика работы
[редмет исследования и актуальность темы
Вопросы распространения и внутренней дифракции электромагнитных волн в сложных вол-оведущих структурах представляют фундаментальный и прикладной интерес для современной адиофизики и оптики.
Разнообразие назначений и применений подобных структур и значительная математическая ложность описания, происходящих в них физических процессов, требуют постоянных теоретн-еских и экспериментальных исследований для пополнения базового комплекса решенных задач, ели рассматривать развитие волиоведуших структур оптического и СВЧ диапазонов как рас-ирение способов реализации сред распространения, то внимание к ним будет проявляться, ока отмеченные диапазоны актуальны в своих использованиях.
Для теории важным являются не только удачные формулировки соответствующих краевых ифракционных задач в своих достаточно общих постанови ах,не только разработка эффектив-ых алгоритмов решения и получения конкретных результатов, но и вопросы построения таких лотностных квадратичных форм от электромагнитных полей, которым можно было бы при-ать четкий и ясный динамический смысл. Общий вид мгновенных плотносгных форм в элек-ромагнетизмс (плотностей энергии, потоков энергии, импульса, момента и др.) до сих пор, как звестно, является дискуссионным и актуальным вопросом электродинамики, поскольку традМ' ионные плотностные формы классической теории не удовлетворяют критерию однозначности часто приводят к неправильным конкретным результатам.
Предметом исследований в диссертации являются полевые задачи внутренней дифрак-и и распространения электромагнитных воли в сложных волноведущих структурах (в вол-водах с неоднородностями, в волноводных сочленениях, в замедляющих структурах, в искуе-венных анизотропных магнитодиэлектрических структурах, в анизотропных оптических сре-х с акустооптическими и электрооптическими управляемыми пространственно-временными однородностями) и вопросы построения квадратичных полевых плотностных форм для па-тных полей волноведущих структур.
Установленные в диссертации теоретические и экспериментальные закономерности явля-тся актуальными для электродинамики свободных полей.
[ель диссертационной работы
Целью диссертационной работы явилось выяснение конкретных количественных и каче-вепных закономерностей протекания радио и оптических эффектов, возникающих при распро-ранекии и внутренней дифракции электромагнитных волн в сложных волноведущих струк-рах СВЧ диапазона, и в сложных оптических структурах с управляемыми пространственно-еменными неоднородностями, а также выяснение общих закономерностей в свободном элек-юмагнитиом иоле, обусловливающих транспорт энергии-импульса, в волноведущих структуре.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
4
1. Развитие известных и разработка новых эффективных вариационных методов аналитич ского и численного решения волновых уравнений со сложными идеальными граничным условиями, при неоднородных и кусочно-неоднородных заполнениях частичных облаете
2. Теоретические и экспериментальные исследования конкретных волыоведущих структу расчет которых проводился с использованием предложенных вариационных методов.
3. Теоретическое и экспериментальное исследование эффекта управления фазовой скор стью волноведущих СВЧ структур с помощью перестраиваемых искусственных магнит диэлектрических анизотропных стержней, с применением данного эффекта в практи измерений параметров волноведущих периодических структур.
4. Теоретические и экспериментальные исследования эффектов акустооптического и эле троонтического дифракционного управления световыми потоками.
•5. Анализ свойств винтовых волн и их пакетов, применительно к построению описаш мгновенных собственных и интерференционных пакетных плотностей энергии, потоке импульсов свободного электромагнитного ноля в рамках требований механики многоск ростного континуума.
6. Построение скалярных и векторных уравнений баланса энергии и импульса, на парциал ном и пакетном уровнях для свободного поля, с релятивистским 4-обобщением трехмерн результатов.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Предложен единый подход к решению краевых дифракционных задач электродинами сложных волноведущих СВЧ- и ИК-структур, основанный на модифицированном вари ционном методе частичных областей, пригодным для описания с высокой точностью эксг риментально наблюдаемых эффектов мноюволновот рассеяния,модовот взаимодейств и дисперсного распространения в волноводных сочленениях, замедляющих системах и кристаллических дифракционных ИК-модуляторах.
2. Учёт изменений фазовой скорости волноведущих структур от значений тензорных прон цаемостей настраеваемых искусственных магниго-диэлектрических стержней позволя адекватно связать наблюдаемые эффекты частотных расстроек резонансных отрезков риодических структур с их дисперсными и импедансными невозмущенными характер стыками.
3. В слоистом дифракционном электрооптическом модуляторе ИК-излучсния с ростом ч ела слоев N происходит уменьшение в N - раз уровня управляющего напряжения сравнении с классическими схемами модуляции.
4. Переход к общим представлениям и концепциям многоскоростнои механики копти ума приводит к однозначному построению описаний мгновенных плотностных энер импульсных характеристик свободного электромагнитного поля.
5. При распространении волнового пакета в линейной однородно-изотропной среде, отс; ствует интерференция между ’’левыми” и ’’правыми” парциальными базисными вин выми волнами.
6. Интерференция между ’’левыми-левыми” и ’’правыми-правыми” винтовыми волнами г хетного электромагнитного поля приводит и появлению набора скалярных волн плоть стей энергии, которые реализуют многоскоростной эффект переноса энергии в пакетн электромагни тном поле.
бщая характеристика работы
Г)
7. На основе методов многоскоростной континуумной механики показано, что в свободном многоволновом электромагнитном поле любые малые подвижные односкоростные макрообъемы, с соответствующим энергетическим наполнением, ведут себя как малые невзаимодействующие свободные массовые макрочастицы.
[аучная новизна
Научная новизна результатов диссертации относится к моменту их опубликования и состоит ак в разработке оригинальных методов и подходов, так и в обнаружении новых, не исследо-анных физических эффектов и свойств рассмотренных электродинамических полевых систем.
Новыми результатами в диссертационной работе являются:
1. Разработанные вариационные алгоритмы решения волновых уравнений в краевых задачах внутренней дифракции и распространения электромагнитных волн в волноведущих структурах со сложными граничными условиями на границах сопряжения частичных областей: для волноводов со скачкообразными и симметрично*протяженными четырехполюснымл неоднородностями, для волноводных скачкообразных сочленений, для ”диэлектрических" волноводных четырех полюсных неоднородностей ,для плоских и аксиально-симметричных одно- и двухступенчатых замедляющих систем.
2. Экспериментально проверенные аналитические и численные решения новых задач для конкретных волноведущих систем, выполненные на основе предложенных общих расчетных алгоритмов.
3. Впервые рассмотреные свойства незамкнутых цепочек шестииолюсников и их первые применения к расчету замедляющих систем, с конкретными расчетами и экспериментами.
4. Впервые разработанные принципиально новые методы экспериментального анализа дисперсии и сопротивлений связи замедляющих систем - методы ’’бисерных” и "спиральных” настраиваемых зондов - с созданием соответствующих радиотехнических установок для технической реализации этих методов.
5. Впервые выполненные обширные теоретические и экспериментальные исследования по электродинамике замедляющих систем дециметровою и метрового диапазонов и подробные рекомендации по их использованию в ЛБВ и ЛОВ указанных диапазонов. Разработано теоретически и экспериментально исследовано более семидесяти новых замедляющих систем.
6. Впервые разработанное и технически выполненное новое электродинамическое устройство многофункциональною назначения - ортогонально-турникетное сочленение трех квадратных волноводов с шестигранным волноводом, - пригодное для использования в качестве направленных ответвителей, волноводных мостов, анализаторов поляризаций, модовых переключателей, сумматоров и делителей СВЧ-мощностей и сигналов.
7. Впервые выполнений теоретический и экспериментальный анализ обширных электродинамических свойств ортогонально-турникетного волноводною сочленения.
8. Впервые разработанная вариационная методика строгою электродинамического расчета векторной дифракции света на пространственно-временных неоднородностях в анизотропных магнито-диэлектрических блоках и построенная на данной методике теория дифракции света на возбужденных в кристалле ультразвуковых волнах , существенно уточняющая по совокупности учитываемых объемных и поверхностных эффектов известные классические результаты Рамана-Пата и Рытова но скалярной и векторной дифракции и модуляции света на ультразвуковых возбуждениях в жидких средах.
6
9. Впервые предложенная и разработанная электродинамическая теория дифракции света слоистых программно-управляемых анизотропных структурах, с целью создания эффе тивных методов дифракционной модуляции светового излучения.
10. Впервые предложенный, изготовленный и исследованный электрооптический дифракц онный модулятор инфракрасною излучения, выполненный на программно-управляем слоисто-оптическом блоке, с очень низкими значениями управляющих напряжений.
11. Впервые построенная теория квадратичных плотностных мгновенных наблюдаемых электродинамике свободных полей, логически согласованная с общими концепциями и а паратом многоскоростной (многокомпонентной) механики континуума. Показано, что п добное согласование электродинамики и механики необходимо для устранения присущ классической теории неоднозначностей в описании плотностей энергии, потоков, импул сов, моментов и других плотностных характеристик электромагнитного поля.
12. Впервые полученные общие выражения для векторного доля скоростей энергии свобо ного электромагнитного поля, переходящие в обсужденных предельных случаях в извес ные выражения для групповых скоростей движения. Показано, что найденные скорое энергии (парциально-собственные, парциально- взаимные и полные) являются скоростя движения "жидких” малых объемов с соответствующими массовыми плотностями, вы жаемыми через плотности энергии электромагнитного поля.
13. Впервые показанная обусловленность координатно-временной зависимости любых полн квадратичных плотностных характеристик электромагнитного тюля только присутстви взаимных (интерференционных) вкладов от полей парциальных волн в полные плотное ные характеристики.
И. Впервые приводимое доказательство того, что не зависящая от времени и неподвижн наблюдаемая интерференционная картина взаимодействия волн (по энергии, импуль потоку и т.д.) возникает при нулевых скоростях движения их взаимной энергии и п равенстве частот взаимодействующих волн.
15. Впервые показанная кинематическая и динамическая необходимость учета скорости вкладов при построении теизоров напряжения-давления в свободпом электромагнита поле. Это приводит к равенству нулю парциально-собственных и парциально-взаимн тензоров напряжения-давления, при отличном от нуля полном тензоре напряжен давления полного пакетного поля, дивергенция которого равна нулю. Последнее уело физически соответствует равенству нулю равнодействующей внутреннего поверхности силового взаимодействия любого движущегося "жидкого” массовою объема с други объемами свободного полного поля,- что согласуется с концепцией свободных невзаи действующих частиц (в квантовом пределе - с концепцией невзаимодействующих фото в слабых линейных полях).
16. Впервые показанная для некоторых комбинаций винговых волн, образующих полный кет всею свободного поля, возможность приведения поверхностных сил внутренних нап жений, с нулевой равнодействующей по любому "жидкому” объему, к силам всесгоронн сжатия без сдвиговых напряжений. Такие состояния свободною поля, характеризует^ диагонально-шаровым тензором напряжения-давления, отвечают закону Паскаля, мо быть названы "гидродинамическими” и могут быть использованы в технологических п менениях.
17. Впервые теоретически и экспериментально показанная возможность получения винтов одномерных стоячих волн без узлов и пучностей, характеризуемых независимостью мо лей напряженностей электрических и магнитных полей от пространственной координа
- Київ+380960830922