дифракция радиоволн

ДИФРАКЦИЯ РАДИОВОЛН - пространственное и временное перераспределение волнового поля при встрече радиоволн с препятствиями. Такими препятствиями могут быть неоднородности внутри объёмных резонаторов, нерегулярности коаксиальных и волновод-ных трактов, элементы приёмных и передающих антенн, естеств. (напр., метеорные следы) и искусств. неоднородности (возмущения) в атмосфере, земная поверхность и её неровности (горы, деревья, здания, волны на море и т. д.), а также самолёты, спутники и др. тела. Д. р. на к--л. теле существенно зависит от его электрич. и магн. свойств, его формы, соотношения между длиной волны и линейными размерами тела l, от поляризации волны, взаимной ориентации тела и направления распространения (падения) волны. Поскольку радиодиапазон охватывает эл--магн. колебания с от сотен км до долей мм, то при Д. р. встречаются любые значения параметра . Различают три характерные области: квазистатическую , промежуточную, или резонансную , и квазиоптическую , в каждой из к-рых Д. р. имеет свои особенности (см. также Дифракция волн).

В квазистатической области размеры тела много меньше длины волны , что выполняется, напр., при рассеянии сантиметровых радиоволн на гидрометеорах (капельки дождя или тумана, снежинки и др.). Падающая волна вызывает в теле перераспределение электрич. зарядов и токов, характеризуемое дипольными (или мультипольными) электрич. и магн. моментами. Создаваемое ими рассеянное поле имеет вблизи тела .квазистатич. характер. В каждый данный момент времени оно приближённо совпадает с полем статич. диполей, моменты к-рых равны мгновенным значениям моментов индуциров. диполей. Как правило, последние не зависят от частоты (хотя бывают и исключения, напр. в плазме). Вдали от тела рассеянное поле имеет вид расходящейся сферич. волны с амплитудой, пропорциональной . При расчётах дифракц. поле обычно ищут в виде разложения в ряд по целым положит. степеням волнового числа или частоты . Коэф. ряда являются неизвестные ф-ции пространств. координат, к-рые не зависят от частоты и находятся из решения рекуррентной системы задач теории потенциала. Практически удаётся вычислить лишь неск. первых членов соответствующих рядов. Найденное таким путём рассеянное поле представляет собой суперпозицию полей мультиполей: диполя, квадруполя, октуполя и т. д. В данной области частот эффективны также прямые численные методы решения граничных задач для ур-ний Максвелла и, в частности, численные методы решения интегр. ур-ний.

В промежуточной (или резонансной) области частот размеры тела сравнимы с длиной волны . Здесь существ. роль в формировании рассеянного поля могут играть т. н. собств. эл--магн. колебания, возбуждаемые в теле падающей волной. Каждому телу присущ свой дискретный набор собств. колебаний. Частота этих колебаний комплексна. Её мнимая часть (т. е. коэф. затухания по амплитуде) определяется тепловыми потерями в объёме тела и потерями на излучение в окружающее пространство. Осн. вклад в рассеянное поле даёт излучение того собств. колебания, частота и поляризация к-рого ближе к частоте и поляризации падающей волны. При совпадении частоты падающей волны с веществ. частью частоты одного из собств. колебаний наступает явление резонанса: амплитуда данного собств. колебания, а следовательно, и излучаемого им поля резко возрастает, если добротность колебания достаточно высока. Такие резонансные эффекты проявляются, напр., при Д. р. на тонких металлич. полуволновых вибраторах и ленточных рассеивателях, к-рые используют, в частности, для создания помех радиолокац. системам. При низкой добротности колебаний (значит. коэф. затухания) резонансные свойства тела практически не проявляются, поскольку резонансная часть поля становится сравнимой с нерезонансной или даже меньше её. В данном диапазоне частот дифракц. поля находят с помощью аналитич. или численных методов решения соответствующих граничных задач для ур-ний Максвелла. К числу классич. задач Д. р., для к-рых получены строгие аналитич. решения и проведен их анализ, можно отнести задачи о дифракции на бесконечном однородном круговом цилиндре, однородном шаре, бесконечной щели в идеально проводящем и импедансном клине и бесконечной идеально проводящей ленте, открытом конце идеально проводящего волновода и др.

В квазиоптической области частот размеры тела намного превышают длину волны Такое соотношение между l и соблюдается, в частности, при дифракции дециметровых и сантиметровых радиоволн на самолётах и космич. кораблях, при дифракции миллиметровых радиоволн в квазиоптич. линиях и т. п. (см. Квазиоптика). В отличие от квазистатической и промежуточной областей, где рассеянное поле формируется всем объёмом тела, здесь на первый план выступают локальные свойства тела и поля. При этом относит. вклад собств. колебаний в рассеянное поле, как правило, мал (исключение составляют системы типа открытых резонаторов). Большиеразмеры тела и разнообразные искривления его границы дают простор для образования разл. типов рассеянных полей.

На рис. схематически изображены нек-рые типы полей, образующихся при дифракции волн на непрозрачном теле сложной формы. В освещённой части пространства осн. вклад в рассеянное поле вносят геометрооптич. лучи А, отражённые от поверхности тела (см. Геометрической оптики метод). Вблизи границ падающих и отражённых лучей возникают полутеневые поля В, С.

Рёбра и вершины на поверхности тела порождают краевые волны, к-рые можно интерпретировать как дифракц. лучи D. На вогнутой стороне тела могут возбуждаться волны шепчущей галереи E. Вблизи границы свет - тень на гладкой части поверхности тела образуются волны соскальзывания F, к-рые уходят вдоль геодезических линий на теневую сторону тела, испытывая при этом экспоненц. затухание из-за высвечивания G. При индуктивном импедансе на поверхности тела могут возбуждаться поверхностные волны Н, к-рые высвечиваются слабо и затухают практически только из-за тепловых потерь в самом теле. Реальная картина формирования рассеянного поля усложняется взаимной трансформацией разл. типов волн, напр. краевые волны могут порождать волны соскальзывания и наоборот.

Расчёт дифракц. полей в квазиоптич. области составляет предмет асимптотич. теории дифракции (АТД). К ней принадлежит, в частности, метод параболич. ур-ния (МПУ), опирающийся на т. н. принцип поперечной диффузии лучевой амплитуды - диффузии амплитуды поперёк лучевых трубок (вдоль волновых фронтов). Этот метод используют при изучении открытых волноводов и резонаторов, при исследовании распространения волновых пучков в линейных и нелинейных однородных, регулярно и статистически неоднородных средах (напр., в атмосфере, ионосфере) и т. п. (см. Леонтовича параболическое уравнение, Параболического уравнения приближение). Одним из первых применений МПУ была классич. задача о распространении радиоволн вдоль поверхности Земли (асимптотич. решение Леонтовича и Фока). К АТД относится также ряд приближённых подходов, опирающихся на принцип локальности и строгие решения модельных задач. В частности, для расчётов радиолокац. поперечников металлич. тел сложной формы используют геом. оптики метод (ГОМ), физической оптики метод (ФОМ), геометрическую теорию дифракции (ГТД) иметод краевых волн (MKB). При помощи ГОМ и ФОМ определяют гл. член асимптотич. разложения (при ) для поля в освещённой области пространства. ГТД является обобщением ГОМ и даёт рецепты построения краевых волн и волн соскальзывания. MKB является обобщением ФОМ и позволяет вычислять краевые волны. И ГТД, и MKB применительно, напр., к задачам дифракции на телах с рёбрами опираются на решение классич. задачи о дифракции на клине. Оба эти метода дают гл. член асимптотич. разложения для каждой краевой волны, возникающей при многократной дифракции. Для определения след. членов этого асимптотич. разложения необходимо решение дополнит. модельных задач. Между упомянутыми методами существует тесная связь. Геометрооптич. выражение для рассеянного поля вытекает из асимптотич. оценки интегралов, описывающих это поле в приближении ФОМ. Точно так же выражения для краевых волн, постулируемых в ГТД, следуют из интегральных представлений рассеянного поля в MKB.

В теории антенн используют апертурный метод расчёта диаграмм направленности, в основе к-рого лежит предположение о том, что распределение эл--магн. поля в излучающей апертуре (раскрыве) соответствует невозмущённой возбуждающей волне. Такая аппроксимация тем лучше, чем больше параметр , где l - линейный размер апертуры. Поле, излучаемое антенной, вычисляют затем с помощью Грина формул. Такой метод представляет собой обобщение на задачи Д. р. известного в оптике и акустике Кирхгофа метода; он удовлетворительно описывает главный и первые боковые лепестки диаграммы направленности. Для расчёта дальних боковых лепестков необходимо принимать во внимание краевые волны, к-рые возникают при дифракции возбуждающей волны на краях апертуры.

Представляют интерес задачи Д. р. на телах, покрытых радиопоглощающим материалом, на космич. аппаратах, входящих в атмосферу Земли со сверхзвуковой скоростью и окружённых неоднородной плазмой, на естеств. и искусств. неоднородностях ионизации в атмосфере и ионосфере; задачи распространения (линейного и нелинейного) радиоволн в разл. неоднородных средах, в частности в естеств. волноводных каналах (прежде всего, ионосферных), и, наконец, задачи диагностики разных сред и объектов с помощью радиоволн.

Лит.: Уфимцев П. Я., Метод краевых волн в физической теории дифракции, M., 1962; Xенл X., Mауэ А., Вестпфаль К., Теория дифракции, пер. с нем., M., 1964; Вайнштейн Л. А., Открытые резонаторы и открытые волноводы, M., 1966; Фок В. А., Проблемы дифракции и распространения электромагнитных волн, M., 1970; Боровиков В. А., Кинбер Б. E., Геометрическая теория дифракции, M., 1978; Electromagnetic and acoustic scattering by simple shapes, Amst., 1969; James G. L., Geometrical theory of diffraction for electromagnetic waves, Stevenage, 1976; Electromagnetic scattering, N. Y., 1978. П. Я. Уфимцев.

   <<      Предметный указатель      >>