Преобразователи амплитудно-фазового распределения полей на многомодовом диэлектрическом волноводе для радиоинтерферометрической диагностики объектов

• Автор: Гайнулина, Екатерина Юрьевна
• Шифр специальности: 05.12.04, 05.12.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 164 с. : ил.

АННОТАЦИЯ
Диссертация посвящена созданию на базе многомодового диэлектрического волновода преобразователей волновых полей для КВЧ радиоинтерферометрической диагностики движения объектов/процессов, находящихся в непосредственной близости от преобразователей, при учете особенностей дифракционных процессов в этой области.
Формирование необходимых зондирующих волновых пучков обеспечивается преобразованием спектра волноводных мод в широкоформатном прямоугольном диэлектрическом волноводе. Предложен алгоритм синтеза на апертуре преобразователя поля в виде пучка Гаусса-Эрмита на основе трех мод широкоформатного прямоугольного диэлектрического волновода и способ их возбуждения на локальных неоднородностях волновода.
Это позволило реализовать конструкцию волноводного преобразователя, обеспечивающую эффективное взаимодействие зондирующего волнового пучка с объектом диагностики и надежное извлечение информации о характеристиках его движения и динамике изменения его формы при многоканальной диагностике.
Специфика поставленных теоретических и практических задач обусловила применение в работе приближенных методов решения в сочетании с экспериментальными исследованиями и численным моделированием.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯ ЗОНДИРУЮЩЕГО ПОЛЯ ДЛЯ ЗАДАЧ ДИАГНОСТИКИ ДВИЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ
1.1. Анализ состояния диагностики КВЧ радиоинтерферометрами
с зондирующими устройствами на базе диэлектрических волноводов.
1.2. Экспериментальное исследование планарных и конических преобразователей
1.3. Математическая модель пучков Гаусса-Эрмита. Требования
к амплитудно-фазовому распределению зондирующего поля
1.3.1. Поля излучения торца диэлектрического волновода
1.3.2. Описание полей моделью пучков Гаусса-Эрмита
1.3.3. Метод решения задачи синтеза амплитудно-фазовых распределений поля многомодовых диэлектрических преобразователей
1.3.4. Требования к амплитудно-фазовому распределению зондирующего поля
1.3.5. Оценка требований к амплитудно-фазовому распределению поля для реальных условий многоканального радиоинтерферометра
1.4. Постановка задачи исследования и проектирования преобразователей
на основе многомодовых прямоугольных диэлектрических волноводов..
1.4.1. Базовая структура планарного преобразователя на основе прямоугольного диэлектрического волновода
1.4.2. Возможные способы реализации многомодового режима
в преобразователях на базе прямоугольного диэлектрического волновода
1.5. Резюме по первой главе
ГЛАВА 2. СИНТЕЗ АФР ЗОНДИРУЮЩЕГО ПОЛЯ НА БАЗЕ
СОБСТВЕННЫХ ВОЛН МНОГОМОДОВОГО ПРЯМОУГОЛЬНОГО
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВОЛНОВОДА
2.1. Математическое обоснование процедуры синтеза

2.2. Спектр собственных волн широкоформатного прямоугольного диэлектрического волновода
2.2.1. Модели прямоугольного диэлектрического волновода
2.2.2. Характеристики волн широкоформатного прямоугольного диэлектрического волновода
2.3. Процедура синтеза поля многомодового прямоугольного диэлектрического волновода
2.4. Резюме по второй главе
ГЛАВА 3. РЕАЛИЗАЦИЯ ТРЕБУЕМОГО МОДОВОГО СОСТАВА
ВОЛНОВОДНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
3.1. Управление модовым составом полей многомодового волновода
с помощью локальных неоднородностей
3.1.1. Связь мод прямоугольного диэлектрического волновода
на локальных неоднородностях
3.1.2. Вычисление коэффициентов связи
3.1.3. Решение системы уравнений связанных мод
3.1.4. Процедура подбора комплексных амплитуд мод
3.2. Физические процессы в клиновидном участке преобразователя
и возможность их описания
3.2.1. Математическая модель собственных волн клиновидного диэлектрического волновода
3.2.2. Численное моделирование волн клиновидного диэлектрического волновода
3.2.3. Уточнение поля на входе участка широкоформатного прямоугольного диэлектрического волновода преобразователя
3.3. Резюме по третьей главе
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
НА ШИРОКОФОРМАТНОМ ПРЯМОУГОЛЬНОМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ВОЛНОВОДЕ ДЛЯ МНОГОКАНАЛЬНЫХ РАДИОИНТЕРФЕРОМЕТРОВ

можно решать как задачу синтеза АФР ПГЭ0 на торце ШПДВ в виде разложения по базису собственных волн ДВ. Учет в базисе непрерывного спектра вытекающих волн ДВ существенно усложняет процедуру синтеза, поэтому целесообразно рассмотреть разложение по неполному базису - собственным модам дискретного спектра ДВ.
Конечной целью данной работы является решение конкретных прикладных задач. Поэтому проектирование волноводных преобразователей на основе выбора комплексных амплитуд мод на торце ШПДВ для получения АФР, близкого к ПГЭо, вполне может носить приближенный характер. Однако ясно, что в этом случае потребуется оценка точности приближения, с целью проверки пригодности его для решения прикладных задач.
При синтезе зондирующего поля ДВ в виде ПГЭ важным вопросом является и согласование ширины горловины требуемого для диагностики ПГЭ 2 асн с сечением ПДВ. Исходим из неких эвристических соображений, подтверждаемых экспериментальными исследованиями.
Целесообразно ширину горловины ПГЭо и ее соотношение с шириной ПДВ выбирать из условия эффективности преобразования потока энергии волн ПДВ в поток мощности ПГЭо- Энергия волн ДВ распределена в бесконечном сечении, однако, при коэффициентах замедления II > 1,1 плотность потока мощности в поперечном сечении уменьшается по экспоненциальному закону и становится пренебрежимо малой на расстояниях, сравнимых с длиной волны. В связи с этим, введено понятие эффективного сечения ДВс1эфф как сечения, за пределами
которого наличием поля волн ДВ практически можно пренебречь. Вне эффективного сечения переносится некоторая малая доля общей энергии [12].
Эффективное сечение с!Эфф для всех мод ДВ стремится к бесконечности
при размерах ДВ, близких к критическим размерам. Далее, с увеличением
1 В нашем случае рассматриваем <Зэфф, ограниченное двумя плоскостями, параллельными узким граням ДВ.