2012, т. 3(17), № 4
СОБСТВЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ И РЕЗОНАНСНЫЕ СВОЙСТВА ОДНОМЕРНО-ПЕРИОДИЧЕСКИХ РЕШЕТОК ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ БРУСЬЕВ. ЧАСТЬ I. КЛАССИЧЕСКАЯ РЕШЕТКА
Перов А.О., Кириленко А.А., Сенкевич С.Л.
Перфорированные металлические решетки переживают в настоящее время новую волну интереса к их резонансным свойствам, обусловленного исследованием, интерпретацией и возможным практическим использованием явления, названного «enhanced transmission phenomena». Целью работы является анализ свойств одномерно-периодических решеток на основе работ школы В. П. Шестопалова, т. е. изучение спектров собственных колебаний, принципов формирования этих спектров, определяемых, в частности, структурой периода решетки, и затем анализ влияния таких спектров на резонансные характеристики. Рассмотрены закономерности, проявляющиеся при рассеянии Н-поляризованной плоской волны на одномерно-периодической решетке из металлических брусьев. Особенности резонансного взаимодействия трактуются с позиций спектральной теории открытых периодических резонаторов. Введена классификация спектров классической и компаундной решеток. Изучен спектр низших собственных колебаний классической решетки как функция геометрии решетки, исследовано движение собственных частот по многолистной римановой поверхности при уменьшении толщины до нуля. Показано, что предельные точки частот несимметричных колебаний соответствуют точкам отсечки высших гармоник Флоке и чем больше вариаций поля собственного колебания, тем выше номер этой гармоники. Исследованы траектории собственных частот на высших листах и закономерности их выхода на вещественную ось, где происходят преобразования пакетов волн. Резонансное поведение решетки описано с единых позиций спектральной теории, что позволяет не только установить связь между различными резонансными явлениями, но и определить первопричину такого поведения, обусловленного возбуждением определенных собственных колебаний.
ВОЛНОВОДНО-ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР С РЕЗОНАНСНЫМ КОРОТКОЗАМЫКАЮЩИМ ПОРШНЕМ
Моторненко А.П., Скуратовский И.Г., Хазов О.И.
Резонансные структуры волноводно-диэлектрического типа остаются объектом научных исследований, способствующих созданию новых разновидностей резонаторов с повышенными параметрами. Волноводно-диэлектрические резонаторы (ВДР) с короткозамыкающим (КЗ) поршнем находят широкое практическое использование благодаря большому диапазону частотной перестройки, однако собственные добротности колебаний в таких резонаторах ниже расчетных из-за несовершенства контакта поршня с волноводом. В работе обосновано использование резонансного КЗ поршня в ВДР для повышения добротности резонансных колебаний в таких резонаторах. Проведены исследования характеристик Н111-колебания в ВДР 3-см диапазона с резонансным КЗ поршнем и обычным КЗ поршнем простейшей конструкции. Сопоставлены резонансные характеристики собственной частоты и добротности основного колебания Н-типа в двух макетах ВДР от положения КЗ поршня. С помощью резонансного КЗ поршня получены добротности, близкие к расчетным значениям.
ОБОБЩЕННЫЙ МЕТОД СШИВАНИЯ В ТЕОРИИ ДИФРАКЦИИ ВОЛНОВОДНЫХ МОД. ЧАСТЬ II. СХОДИМОСТЬ ПРОЕКЦИОННЫХ ПРИБЛИЖЕНИЙ
Петрусенко И.В., Сиренко Ю.К.
Строгое обоснование применения техники редукции для приближенного решения матричных уравнений метода сшивания является нерешенной задачей на протяжении всех лет использования этого метода. Обобщенный метод сшивания, предлагаемый для решения задач дифракции мод на скачкообразных неоднородностях в волноводе, приводит к формулам Френеля для матричных операторов отражения и прохождения волн, а не к стандартным бесконечным системам линейных алгебраических уравнений. Целью настоящей статьи является нахождение проекционных приближений для указанных операторных формул Френеля и аналитическое исследование качественных характеристик их сходимости. Использована теория операторов в гильбертовом пространстве. Аналитически доказана безусловная сильная сходимость конечномерных приближений для операторных формул Френеля к истинным операторам рассеяния. Дана оценка числа обусловленности матрицы редуцированного уравнения. Полученные результаты позволяют строго обосновать обобщенный метод сшивания, предназначенный для эффективного анализа устройств СВЧ.
ОБОБЩЕННЫЙ МЕТОД СШИВАНИЯ В ТЕОРИИ ДИФРАКЦИИ ВОЛНОВОДНЫХ МОД. ЧАСТЬ III. РАССЕЯНИЕ ВОЛН НА РЕЗОНИРУЮЩИХ НЕОДНОРОДНОСТЯХ
Петрусенко И.В., Сиренко Ю.К.
Проблема обоснования корректности матричных моделей метода сшивания для задач резонансного рассеяния волн на неоднородностях в волноводах оставалась актуальной на протяжении всего времени использования этого метода. Второй нерешенной задачей является обоснование метода редукции для решения получаемых матричных уравнений. Целью настоящей работы является строгое доказательство корректности математической модели в виде операторных формул Френеля для указанного класса задач дифракции мод, построение проекционных приближений для искомых операторов рассеяния и обоснование их сходимости. Использован обобщенный метод сшивания. Для операторов рассеяния получены «обобщенные операторные формулы Френеля». Доказана универсальность построенной операторной модели в виде преобразования Кэли. Показано, что область корректности этой модели полностью определена найденными операторными свойствами обобщенной матрицы рассеяния. Аналитически доказана безусловная сходимость проекционных приближений к точному решению. Метод сшивания, широко используемый для решения скалярных задач дифракции волноводных мод, имеет матрично-операторную природу и адекватный этой природе математический аппарат, а именно теорию операторов в гильбертовом пространстве. Предложенное обобщение метода сшивания следует использовать для строго анализа микроволновых устройств.
АЗИМУТАЛЬНЫЕ КОЛЕБАНИЯ В КВАЗИОПТИЧЕСКОМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОМ РЕЗОНАТОРЕ С ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКОЙ
Белоус О.И., Пазынин В.Л., Сухоручко О.Н., Фисун А.И.
Квазиоптические диэлектрические резонаторы широко используются в современной микроволновой технике в качестве элементов стабилизации источников излучения, а также в устройствах для исследования электрофизических свойств сред. Они обладают высокой добротностью, удобны в эксплуатации, однако в режиме возбуждения колебаний типа «шепчущей галереи» частотный интервал между соседними азимутальными колебаниями невелик, что не исключает произвольного перескока частоты рабочего типа колебаний на соседние. Целью нашего исследования является теоретическое и экспериментальное исследование возможности разрежения спектра вынужденных азимутальных колебаний «шепчущей галереи» дискового диэлектрического резонатора. Исследовались три типа полудисковых резонаторов – диэлектрический резонатор без каких-либо дополнительных устройств, диэлектрический резонатор с проводящим экраном на цилиндрической поверхности и диэлектрический резонатор с дифракционной решеткой из проводящих лент на боковой цилиндрической поверхности резонатора. Компьютерное моделирование проведено с помощью метода конечных разностей во временной области (FDTD). Экспериментальное исследование проведено с использованием стандартного измерителя КСВН в диапазоне частот 8…12 ГГц. Путем компьютерного и натурного экспериментов получены спектры колебаний типа «шепчущей галереи» полудискового резонатора, резонатора с экраном и резонатора с ленточной дифракционной решеткой на боковой поверхности. При коэффициенте заполнения решетки q = 0,3 получено возбуждение азимутального типа на одной частоте с подавлением соседних типов не менее чем на 15…20 дБ. Метод FDTD является адекватным сеточным методом в моделировании процессов возбуждения вынужденных колебаний в системах, где колебательные процессы обусловлены дифракцией и формированием стоячих волн. Благодаря использованию дифракционной решетки в дисковом диэлектрическом резонаторе достигнуто практически одночастотное возбуждение колебаний типа «шепчущей галереи» в широком интервале частот.
ДВУХЧАСТОТНОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ВОДЯНЫХ КАПЕЛЬ ЭЛЛИПСОИДАЛЬНОЙ ФОРМЫ
Веселовская А.Б., Войтович О.А., Линкова А.М., Хлопов Г.И.
Разработке радиолокационных методов измерения характеристик жидких осадков уделяется значительное внимание в связи с исследованиями физических процессов в атмосфере, а также при решении прикладных задач. При этом большое внимание уделяется двухчастотному зондированию, однако большинство опубликованных работ связано с анализом капель сферической формы, в то время как форма реальных капель существенно отличается от сферической, особенно для крупных частиц. Это существенно влияет на характеристики отраженных сигналов, в связи с чем значительный интерес представляет решение задачи о рассеянии поля на диэлектрических частицах эллипсоидальной формы. Работа посвящена анализу особенностей двухчастотного зондирования капель воды эллипсоидальной формы путем численного моделирования. Рассмотрение проведено в рамках модели Пруппахера с использованием метода дипольных моментов при расчете отражаемости капель воды. Показано, что дифференциальная отражаемость эллипсоидальных капель и капель сферической формы с одинаковым среднекубическим диаметром практически не отличаются. Проведено сравнение с опубликованными данными и показано, что результаты совпадают с графической точностью для частиц воды, среднекубический диаметр которых не превышает 3 мм. Сделан вывод о слабом влиянии формы капель на результаты двухчастотного зондирования.
О ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РЛС «БУРЕВЕСТНИК» ДЛЯ НАВИГАЦИИ В РАЙОНАХ МИРОВОГО ОКЕАНА С ИНТЕНСИВНЫМ СУДОХОДСТВОМ
Дзюба В.П., Еремка В.Д., Зыков А.Ф., Мыценко И.М., Прокопенко О.И., Роенко А.Н., Роскошный Д.В.
Одной из проблем в области распространения радиоволн и радиолокационной техники является создание средств радиолокации для решения навигационных задач в районах Мирового океана с интенсивным судоходством. Украинская радиоэлектронная промышленность имеет большой опыт в разработке радиолокационных систем различного назначения, одной из которых, например, является радиолокационная станция (РЛС) «Буревестник». Эта РЛС применяется для контроля надводной обстановки на постах наблюдения военно-морских и пограничных служб Украины. Другим возможным применением упомянутой РЛС может быть ее использование в районах Мирового океана для навигации. Целью данной работы является оценка и иллюстрация возможности эффективного применения РЛС «Буревестник» для навигации в этих районах, определение статистических функций распределения дальности действия РЛС при различных эффективных площадях рассеивания (ЭПР) надводных объектов и различных условиях распространения радиоволн сантиметрового (см) диапазона. Для решения этой проблемы использована база данных множителя ослабления радиоволн см диапазона, созданная ИРЭ НАН Украины по результатам экспериментальных радиофизических исследований. Определены статистические функции распределения дальности действия РЛС «Буревестник» при ЭПР надводных объектов s = 100, 1 000, 10 000 м2 в различных по метеорологическому режиму районах Мирового океана. Проведено сопоставление с экспериментальными исследованиями, в которых использовались стационарные навигационные РЛС «Дон», «Наяда», «МРЛ-5». Сделан вывод, что созданная в Украине современная РЛС может служить базовой моделью при разработке ряда новых модификаций навигационных РЛС.
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПРЕЛОМЛЕНИЯ ТРОПОСФЕРЫ В ПРОИЗВОЛЬНОЙ ТОЧКЕ ПРОСТРАНСТВА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИЗМЕРЕНИЯ МЕТЕОПАРАМЕТРОВ В ОПОРНЫХ ПУНКТАХ
Луценко В.И., Луценко И.В., Сытник О.В., Ань Н.С., Гудков В.Н.
Для определения местоположения объектов широкое распространение получили системы глобальной навигации. Однако возмущения и неоднородности ионосферы и тропосферы приводят к появлению ошибок измерения координат объектов, возможными путями снижения которых является учет влияния тропосферы при обработке информации в системе космического навигационного обеспечения (СКНО). Возможны два основных режима введения поправок: в реальном времени и послесеансного введения. Оба эти подхода опираются на вычисление тропосферных задержек с использованием данных метеостанций на уровень моря. Проведенный для Украины анализ показал, что порядок аппроксимирующей модели практически не сказывается на ошибке измерения тропосферной задержки. На основании этого был сделан вывод о возможности использования нулевого порядка модели, т. е. средних по Украине данных. Но для более крупных стран использование усредненных по всей территории значений коэффициента преломления будет приводить к неоправданно большим ошибкам. Поэтому было рассмотрено использование стандартных данных метеоцентров для прогнозирования коэффициента преломления тропосферы в заданной точке пространства. Определены критерии выбора подобных (по поведению коэффициентов преломления атмосферы и значению функции потерь) опорных точек прогноза. На примерах Украины, России, Великобритании и Китая показана возможность использования предлагаемого подхода к формированию баз опорных точек для прогнозирования. Получены соотношения для прогноза значений коэффициентов преломления в заданной точке пространства. Предложенный метод может использоваться в СКНО страны при введении тропосферных поправок в приемники систем глобальной навигации.
Хаякава М., Хобара Я., Рожной А., Соловьева М., Ота К.,
Изуцу Дж., Накамура Т., Ясуда Я., Ямагучи Х., Касахара Я.
Используя наблюдения распространения СДВ/ДВ-радиоволн над Тихим океаном на японской и российской сети станций, удалось обнаружить значительное возмущение ионосферы, предшествовавшее последнему мощному землетрясению в Японии 11.03.2011 г. Эпицентр землетрясения находился в море, в области Тохоку, а само событие относится к исключительно мощным землетрясениям, связанным с перемещением тектонических плит. Явно выраженная аномалия (уменьшение ночной амплитуды сигнала при увеличении ее дисперсии) была обнаружена 5 и 6 марта на трассе распространения от передатчика NLK (Сиэтл, США) к наблюдателю в Чофу, Япония (аналогичные явления – на трассах распространения в Кочи и Кацугаи). Аналогичная длительная аномалия в СДВ-распространении регистри-ровалась с 1 по 6 марта с минимальной ночной амплитудой 3 и 4 марта на трассе от передатчика JJI (Миязаки, Кюсю) до Камчатки, Россия.
КОГЕРЕНТНОЕ СЛОЖЕНИЕ МОЩНОСТИ В ЛАВИННО-ГЕНЕРАТОРНЫХ ДИОДАХ
Лукин К.А., Максимов П.П.
Основной задачей современной полупроводниковой микроэлектроники является повышение энергетических характеристик генераторов и увеличение частотного диапазона их работы. Традиционно повышение мощности генераторов на основе лавинно-пролетных диодов достигается путем сложения мощности нескольких диодов, включенных в один резонансный контур. В данном исследовании повышение энергетических характеристик достигается в лавинно-генераторных диодах в режиме когерентных автоколебаний. В этом режиме автоколебания электронной и дырочной составляющих плотности полезной мощности происходят на одной частоте, что обеспечивает их когерентное сложение в обедненном слое Si p–n-перехода. Расчет параметров и моделирование работы лавинно-генераторных диодов в режиме двухчастотных когерентных автоколебаний выполнены с помощью апробированных численных методов решения уравнений диффузионно-дрейфовой модели полупроводников. Рассчитаны энергетические и спектральные характеристики лавинно-генераторных диодов. Изучена зависимость частоты, полезной мощности и электронного КПД от концентрации примесей и напряжения обратного смещения. Результаты исследования представляют интерес для разработчиков мощных генераторов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн.
О ПЕРСПЕКТИВАХ СОЗДАНИЯ КОАКСИАЛЬНОГО МАГНЕТРОНА КОРОТКОВОЛНОВОЙ ЧАСТИ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН
Омиров А.А.
По сравнению с другими типами магнетронов коаксиальный магнетрон (КМ) обладает наилучшими эксплуатационными параметрами, однако его минимальная длина волны составляет 8 мм. Из литературных источников известен ряд попыток создания КМ, генерирующих в диапазоне длин волн менее 8 мм, однако полученные в ходе этих экспериментов параметры макетов оказались неудовлетворительными. В научной литературе отсутствует единая идеология проектирования КМ. Имеющиеся рекомендации предназначены для сантиметрового диапазона длин волн и содержат в себе ошибки. Описаны и сложности, возникающие при продвижении КМ в коротковолновую часть миллиметрового (мм) диапазона длин волн, однако отсутствуют рекомендации по их преодолению. Предложена методика проектирования КМ мм диапазона длин волн, использующая последние научные исследования (например, возможность применения в КМ режима взаимодействия электронного потока с высшей пространственной гармоникой p-вида колебаний). Рассмотрены пути преодоления таких трудностей, возникающих при продвижении КМ в коротковолновую часть мм диапазона, как увеличение плотности перестройки частоты, рост температурной нагрузки на ламели, снижение жесткости цилиндрической части анодной замедляющей системы. Предложенная методика открывает путь для создания КМ коротковолновой части мм диапазона длин волн. В работе показано, что в настоящее время возможно создание КМ 4-мм диапазона длин волн.
АНАЛИЗ И РАСЧЕТ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ПОЛЯ НЕОДНОРОДНОЙ РЕЗОНАТОРНОЙ СИСТЕМЫ МАГНЕТРОНА
Чистяков К.И.
Как показала практика разработки магнетронов коротковолновой части миллиметрового (мм) диапазона длин волн, наиболее успешным оказался режим взаимодействия электронного потока с низшей пространственной гармоникой вырожденного вида колебаний. Для устранения ряда недостатков этого режима в производстве применяют управляющие неоднородности в резонаторной системе магнетрона. Эти неоднородности устраняют внутридублетную конкуренцию на рабочем виде колебаний и конкуренцию с дублетными составляющими высоковольтного вида – конкурента. Приведенные в литературе методы расчета неоднородных резонаторных систем обладают ограничениями, не позволяющими проводить необходимый для разработки магнетронов анализ влияния управляющих неоднородностей на структуру высокочастотного (ВЧ) поля замедляющей системы. Предложен новый метод расчета, изложенный на основе теории поля и позволяющий проводить поиск всех собственных частот и соответствующих распределений ВЧ-поля в замедляющей системе магнетрона с управляющими неоднородностями. В работе приведен пример расчета распределения ВЧ-поля и спектр пространственных гармоник замедляющей системы магнетрона 2-мм диапазона длин волн с управляющими неоднородностями. Проведено сравнение различных комбинаций расположения управляющих неоднородностей. Получена новая методика, необходимая для расчета неоднородных резонаторных систем магнетронов в коротковолновой части мм диапазона длин волн.
ПОВЫШЕНИЕ ИНФОРМАТИВНОСТИ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ МАГНЕТРОНА НА НИЗКОМ УРОВНЕ МОЩНОСТИ
Гурко А.А., Чистяков К.И.
Магнетрон – широко применяемый в радиолокации задающий генератор СВЧ-излучения. Снижение рабочей длины волны локатора необходимо для увеличения его разрешающей способности и (или) уменьшения габаритов антенны. При продвижении в коротковолновую часть миллиметрового диапазона длин волн растет относительная погрешность изготовления резонаторной системы магнетрона. Технологические погрешности изготовления искажают структуру ВЧ-поля рабочей дублетной составляющей. Это приводит к росту брака магнетронов по КПД. Предлагается способ косвенной оценки «разрушения» спектра пространственных гармоник ВЧ-поля замедляющей системы магнетрона, позволяющий в процессе производства своевременно обнаруживать признаки возникновения дефектов колебательной системы магнетрона, приводящих к образованию скрытого брака по КПД. Предлагаемая методика контроля реализуется с помощью стандартной, используемой при изготовлении любого магнетрона, аппаратуры конт-роля параметров колебательной системы на низком уровне мощности, легко вписывается в типовой технологический процесс. Проведение ряда начальных экспериментов позволит получить необходимые для использования описанной методики данные. В результате будет уменьшен брак готовых магнетронов.
ДИФРАКЦИЯ КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТЯХ С НЕГАУССОВОЙ СТАТИСТИКОЙ ШЕРОХОВАТОСТИ
Дзюбенко М.И., Колпаков С.Н., Попов И.В., Приемко А.А.
Распределение дифракционных максимумов полученных в результате взаимодействия дифракционного поля или спекл-поля с плоскостью приемника определяет характер отражающей поверхности. Однако вопрос формирования спекл-полей, наблюдаемых в результате взаимодействия когерентного излучения с диффузно рассеивающими поверхностями, описываемыми негауссовым распределением шероховатостей, является недостаточно изученным. В работе теоретически и экспериментально исследовано распределение амплитуды спекл-полей возникающих в результате дифракции лазерного излучения на поверхностях подвергшихся механической обработке. Проведено математическое моделирование спекл-полей, распределение амплитуды которых не подчиняется гауссовой статистике. Доказано, что спекл-поля, образованные в результате взаимодействия когерентного излучения с шероховатыми поверхностями, не являются абсолютно случайными, а содержат в себе информацию о той степени упорядочения, которая характеризует объект.
50 ЛЕТ ЛАЗЕРАМ В ИНСТИТУТЕ РАДИОФИЗИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ ИМ. А. Я. УСИКОВА НАН УКРАИНЫ
Дзюбенко М.И., Корниенко Ю.В.
Описываются история запуска первого лазера в ИРЭ АН УССР, подготовка эксперимента по локации Луны, создание и развитие лазеров на красителях.