Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова
Кафедра радиофизики
В.А. Тимофеев
Рассеивающие свойства
дискретных объектов
в СВЧ диапазоне радиоволн
Методические указания
по выполнению лабораторной работы
Рекомендовано
Научно-методическим советом университета
для студентов специальности Радиофизика и электроника
и направления подготовки Телекоммуникации
Ярославль 2006
1
Стр.1
УДК 621.38.01:53
ББК З 840я73
Т 41
Рекомендовано
Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного издания. План 2006 года
Рецензент
кафедра радиофизики ЯрГУ
Тимофеев, В.А. Рассеивающие свойства дискретных
Т 41
объектов в СВЧ диапазоне радиоволн : методические указания
по выполнению лабораторной работы / В.А. Тимофеев ;
Яросл. гос. ун-т. – Ярославль : ЯрГУ, 2006. – 52 с.
Рассматриваются вопросы, связанные с дифракцией
электромагнитных волн. Приводятся общие соотношения,
характеризующие взаимодействие электромагнитного излучения
с дискретными объектами. Кратко представлены методы
анализа дифракционных задач, возникающих в различных
областях науки и техники для диапазона СВЧ. Рассмотрены
статистические характеристики рассеивающих
свойств объектов.
Предназначено для студентов, обучающихся по специальности
013800 Радиофизика и электроника и направлению
подготовки Телекоммуникации очной и заочной форм
обучения (курс "Физика волновых процессов" и "Электромагнитные
поля и волны", блоки ОПД, ДС).
Табл. 3. Рис. 14. Библиогр.: 9 назв.
УДК 621.38.01:53
ББК З 840я73
Ярославский государственный университет, 2006
В.А. Тимофеев, 2006
2
Стр.2
В соответствии с Регламентом радиосвязи к радиодиапазону
относят электромагнитные волны с частотами от 3 кГц до 3 ТГц. В
этой классификации сверхвысокие частоты (СВЧ) занимают диапазон
в границах от 3 ГГц до 30 ГГц, что соответствует длинам волн
от 1 до 10 сантиметров. Данный участок электромагнитного спектра
начинает все более активно использоваться в различных системах
связи, радиолокации, навигации и дистанционного зондирования.
Это обусловлено, с одной стороны, перегруженностью соседних
диапазонов метровых и дециметровых волн, а с другой стороны
– известными перспективами применения СВЧ излучения.
Кроме того, развитие элементной базы, антенной техники позволило
вплотную приступить к практическому внедрению и эксплуатации
радиосистем различного назначения, функционирующих в
этом частотном диапазоне.
Во многих практически важных задачах приходится иметь дело
с такой ситуацией, когда на пути электромагнитного излучения
встречается какой-либо объект (препятствие), электрофизические
параметры которого отличаются от свойств окружающего пространства.
В этом случае волна, распространяется в пространстве,
как бы «огибает» данное препятствие. Это явление получило название
дифракции (от латинского слова diffractus – изломанный). В
широком смысле дифракцией называется поведение поля в некоторой
области, имеющей границу с теми или иными свойствами. Когда
на пути распространения волны возникает какое-то препятствие,
образуется рассеянное поле. Задача теории дифракции состоит
в определении поля вокруг препятствия, образованного в результате
взаимодействия падающей и рассеянной волны.
3
Стр.3
Общая постановка задачи
С математической точки зрения теория дифракции, состоящая
в решении линейных дифференциальных уравнений в частных
производных с линейными краевыми условиями, настолько сложна,
что до настоящего времени имеется строгое решение лишь для
небольшого числа задач.
С позиции электродинамики дифракционные проблемы относятся
к внешним граничным задачам электродинамики [1 – 3]. Рассмотрим
ее в самой общей постановке. Будем считать, что в области
иV заданы сторонние токи и заряды (рис. 1). Имеется объект V ,
ограниченный поверхностью S и заполненный материалом с комплексной
диэлектрической и магнитной проницаемостями
εка 1 и
а1, соответственно. Электромагнитное поле на S удовлетворяет
заданным граничным условиям. Среда, заполняющая объем 0V , в
котором расположена точка наблюдения N, является линейной однородной
и изотропной, ее параметры определяются комплексной
диэлектрической
V и в общем случае может быть расположена на любом расстоянии
от объекта. Случай, когда область иV расположена в непосредственной
близости от поверхности S или на самой поверхности, характерен
для антенной техники. Практический интерес при этом
представляет знание полного поля, являющегося наложением первичного
(падающего) поля и вторичного (отраженного, или рассеянного
объектом) поля. Полное поле порождает вся система, состоящая
из стороннего источника и объекта. Целью решения граничной
задачи в этом случае может быть, например, вычисление
амплитудной и фазовой диаграмм направленности излучающей
системы при заданных форме поверхности S объекта, граничном
условии на S и положении стороннего источника.
Область иV может быть расположена на большом расстоянии
от объекта V . Этот случай характерен для радиолокации и связи.
Линейные размеры объекта при этом намного меньше расстояния
между антенной и объектом; можно считать, что это расстояние
стремится к бесконечности. При этом на объект падает локально
плоская волна. Целью решения граничной задачи в этом случае
4
εка 0 и магнитной а0 µ проницаемостями. Область
µ
Стр.4
может быть, например, вычисление амплитуды поля, рассеянного
объектом, в той точке наблюдения, где расположена приемная антенна
(зонд), вычисление зависимости рассеянного поля от азимутального
и угломестного углов (характеристики рассеяния – амплитудной
и фазовой) при заданных форме объекта, положения
стороннего источника (передающей антенны), граничных условиях.
Вектор Пойнтинга рассеянного поля в дальней зоне определяет
эффективную площадь рассеяния объекта, которая входит в основное
уравнение радиолокации и используется при расчете радиолиний.
При
решении задач дифракции считается, что векторы напряженностей
первичного (или падающего) поля
Ei H
,
ричного (рассеянного объектом) поля обозначим через
Es H
,
V и
V
ε a µ
ε a µ
к 1 , a 1
N
Рис. 1.
мами:
Полное (дифракционное) поле определяется векторными сум
E
E E H H H
d = + ,
i
s
d = +
i
s .
(1)
определяют амплитуды, фазы и поляризации векторов рассеянного
или полного поля как функции формы и параметров
Первичное поле известно. Поэтому при изучении дифракции
εка1 , аµ 1
5
к 0 , a 0
s .
i , возбуждаемого
сторонним источником в неограниченном пространстве
в отсутствие объекта V , известны. Векторы напряженностей вто
Стр.5