2.4 Определение энергетического критерия дальней границы зоны коллимирования
в общем случае...............................................44
2.5 Выводы к главе 2.............................................74
3 Результаты исследований процесса излучения СШП сигналов во временной области (расчет и эксперимент) 75
3.1 Условия проведения эксперимента
и формулировка критерия для адекватного сравнения результатов эксперимента
с результатами численного моделирования .....................75
3.2 Сравнение результатов численного
моделирования с экспериментом................................81
3.3 Выводы к главе 3.............................................84
Заключение 85
Список литературы 87
3
Введение
В данной работе рассмотрена задача коллимирования потоков электромагнитных волн сверхширокополосных (СШП) сигналов. Такая задача актуальна и для узкополосных (квазикогерентных) систем, формирующих слаборас-ходящиеся пучки радиоволн. В оптике и радиооптике она. позволяет резко снизить потери при распространении и технически реализуется с помощью линз, зеркал и других дифракционных приборов, имеющих размеры апертуры существенно больше средней длины волны спектра. Идеальное колли-мирование создает нерасходящийся на любом расстоянии от апертуры поток электромагнитных волн, сечение которого сравнимо с апертурой. Реальные антенны конечных электрических размеров могут создавать только слаборас-ходящиеся пучки волн в ограниченном диапазоне расстояний от коллимирующего раскрыва.
В настоящее время в радиолокации, радиосвязи и измерительной технике физического эксперимента все чаще внедряются сигналы, относительная ширина спектра которых стремится к единице. Такие сигналы удобнее характеризовать относительным диапазоном частот эффективного спектра, который достигает октавы и более /в//я > 2 (/в,/я - верхняя и нижняя частоты спектра). Обычно их называют СШП сигналами. Использование таких сигналов резко расширяет возможности радиолокации и связи, а также метрологические возможности измерительных систем. А задача коллимирован ия потоков электромагнитных волн СШП сигналов для снижения потерь распространения еще более актуальна, чем для квазикогерентных сигналов с
4
относительной полосой частот 2А///ср < 1 [1-3].
Решение этой задачи позволит добиться новых результатов в задачах, относящихся к радиолокации, высокому разрешению изображений и методам неразрушающего контроля. Применения коллимирования в области связи и военном деле также чрезвычайно широки. В частности, одним из важнейших применений коллимирования потоков электромагнитных волн СШП сигналов является создание образцов вооружения и военной техники, способных на большом расстоянии выводить из строя электронику противника. Кроме того, вследствие волнового характера многих процессов (не обязательно электромагнитной природы) применение решения задачи коллимирования может быть существенно расширено. Например, можно коллимировать звуковые волны в жидкости, земле и воздухе, что также представляется актуальной задачей с многочисленными применениями.
Как известно [4-10], процессу распространения волн принципиально присуще явление дифракции, вследствие чего но мере распространения любого ограниченного по сечению пучка волн в однородной среде, его поперечное сечение увеличивается. Таким образом, задача коллимирования принципиально сводится к определению условий, необходимых для создания устройств, позволяющих создать наиболее слабо расходящийся пучок волн на максимально большом расстоянии. Для СШП сигналов в настоящее время формируется математический аппарат решения таких задач, а экспериментальные
*
результаты - единичны [28].
В настоящей работе рассматривается задача коллимирования потока электромагнитных волн СШП сигналов апертурными излучателями для передачи их энергии на возможно большие расстояния. В литературе ее часто называют задачей пространственно-временной фокусировки. Однако в традиционном понимании (оптика, квазиоптика) термин “фокусировка” используется в смысле получения сходящегося волнового пучка и получения в фокальной
5
плоскости максимально возможного поперечного сжатия, то есть максимальной плотности потока энергии в пределах площадки, соизмеримой с длиной волны. Но возможности реализации такой фокусировки в радиодиапазоне (СВЧ) на максимальных удалениях от источника как правило существенно ограничены расстояниями, составляющими единицы-десятки размеров апертуры [49]. Как уже упоминалось, под коллимированием здесь и далее будет пониматься возможность создания слаборасходящегося пучка, ограниченного по сечению размерами, сравнимыми с излучающей апертурой [501.
Зарубежные исследователи также предпринимали неоднократные попытки найти возможность бездифракционного распространения волн, однако большинство исследователей в своих теоретических построениях использовали заведомо физически нереализуемые условия, что ставит под большое сомнение практическую ценность их работ. Приведем, однако, краткий обзор ряда зарубежных работ, посвященных темам, связанным с коллимированием электромагнитных волн. Приведенный здесь обзор в общих чертах соответствует обзору [11] с небольшими дополнениями и сокращениями.
За прошедшее с начала исследования время за рубежом выделилось несколько основных направлений в изучении такого рода задач. К таким направлениям можно отнести следующие - Электромагнитный снаряд ("Electromagnetic missile"), Бесселевы лучи ("Bessel beams"), Последовательность электромагнитных импульсов направляемой энергии ('’Electromagnetic directed-energy pulse train"), Электромагнитные пули ("Electromagnetic bullets"). Существующие в настоящее время направления исследований в какой-то степени сводятся к вышеперечисленным. Поэтому приведем краткую характеристику каждого из основных направлений.
Электромагнитные пули [12-15] - решения волнового уравнения, заключенные в конечной области пространства в волновой зоне. Они представляют из себя попытку решить задачу определения функции источника по заданной
6
в волновой зоне форме "электромагнитной пули". При решении этой задачи используется преобразование Радона.
Бесселевы лучи [16-18] - частные монохроматические решения волнового уравнения. Предполагается, что заданное на плоскости синфазное цилиндри-чески-симметричное распределение амплитуд поля, соответствующее функции Бесселя Jo от радиус-вектора точки плоскости будет распространяться без дифракции. Однако, для корректного воплощения этой идеи в жизнь необходима апертура бесконечных размеров, что очевидно физически нереализуемо. Как показано в [11] экспериментальные данные, полученные при попытках реализовать эту идею на конечных апертурах демонстрируют, что такие бесселевы лучи, не являются свободными от дифракции.
Последовательность электромагнитных импульсов направляемой энергии [19-24], подход, восходящий к работам, связанным с т.н. Focus Wave Modes (FWM) [25, 26] - наряду с электромагнитным снарядом является наиболее популярным направлением исследований. Рассматриваются частные решения волнового уравнения, имеющие смысл движущихся навстречу друг другу волн. Таким образом, решение волнового уравнения представляется как решение параболического уравнения, которому соответствует волна, распространяющаяся в некотором направлении, промодулированная плоской волной, распространяющейся в противоположном направлении.
Далее, из полученного представления выбираются частные решения, представляющие систему функций, с помощью которой и предполагается синтезировать сигналы. Однако, вводимые при таком подходе комплексные источники сигнала не имеют ясного физического смысла. Проведенные же Ziolkowski эксперименты с т.н. Modified Power-Spectrum Pulse (MPS) [23] медали оснований, чтобы делать какие-либо однозначные выводы [11]. Тем не менее работы в этом направлении ведутся достаточно интенсивно [40—48].
Электромагнитный снаряд (ЭС) [27-32.36-39], имеющий непосредствен-
7
- Київ+380960830922