2013, т. 4(18), № 1
СПЕКТРАЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ В ТЕОРИИ ДИФРАКЦИИ ВОЛН НА СЛОИСТО-НЕОДНОРОДНЫХ СРЕДАХ
А. В. Бровенко, П. Н. Мележик, А. Е. Поединчук
Исследование дифракционных характеристик слоисто-неоднородных сред обусловлено их широким использованием. Однако на сегодняшний день в научной литературе известно лишь незначительное количество специальных зависимостей материальных параметров слоя от пространственных координат, когда удается получить аналитические решения, описывающие волновые процессы, происходящие в них. В основном эти решения строятся с помощью асимптотических или прямых численных методов. При построении решения спектральной задачи для неоднородного магнитодиэлектрического слоя был применен так называемый метод Риккати. В итоге получен устойчивый в вычислительном отношении алгоритм решения спектральных задач, который позволил исследовать резонансные эффекты, сопровождающие процесс взаимодействия волн со слоисто-неоднородной средой, а также описать с помощью собственных частот и собственных колебаний хорошо известные понятия, как запрещенная зона в теории распространения волн в периодических структурах и резонанс в запрещенной зоне при нарушении периодичности материальных параметров среды. Результаты исследований позволят проводить изучение волновых процессов в неоднородных магнитодиэлектрических, неоднородных плазмоподобных и других такого типа слоях без существенных ограничений на их материальные параметры и могут быть использованы при решении обратных задач электродинамики, а также в голографии, томографии, радиолокации и др.
СОБСТВЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ И РЕЗОНАНСНЫЕ СВОЙСТВА ОДНОМЕРНО-ПЕРИОДИЧЕСКИХ
РЕШЕТОК ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ БРУСЬЕВ
ЧАСТЬ II. КОМПАУНДНАЯ РЕШЕТКА
А. О. Перов, А. А. Кириленко, С. Л. Сенкевич
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 данной 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. В работе рассмотрены закономерности, проявляющиеся при рассеянии Н-поляризованной плоской волны на одномерно-периодической компаундной решетке из металлических брусков. Исследованы низшие собственные колебания таких многоэлементных структур, ответственные за резонансное поведение при введении различных сбоев в геометрию крупнопериодической ячейки. Установлена связь особенностей характеристик рассеяния и спектров компаундных решеток с разной структурой периода. На этой основе дана оценка количества резонансов в зависимости от топологии и геометрии решетки, а также представлена новая интерпретация «фазовых» резонансов. 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.
РЕЗОНАНСНЫЙ СПОСОБ СОГЛАСОВАНИЯ ДВОЙНОЙ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ В ГЕНЕРАТОРЕ ДИФРАКЦИОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
В. С. Мирошниченко, М. Ю. Демченко, Е. Б. Сенкевич
Генераторы дифракционного излучения, в которых используются открытые резонансные системы, являются перспективными источниками средней мощности для коротковолновой части миллиметрового и терагерцевого диапазонов. Однако с укорочением рабочей длины волны в этих генераторах для увеличения эффективности обмена энергии между электронным пучком и резонансным полем необходим поиск новых резонансных систем. Вторая проблема – это сгущение спектра колебаний в открытой резонансной системе при укорочении рабочей длины волны. Одним из путей преодоления указанных трудностей является переход от фазового к резонансному способу согласования двойной периодической структуры в открытой резонансной системе генератора, который сопровождается существенным изменением структуры поля резонансного колебания. Приведены результаты электро-магнитного моделирования открытой электродинамической системы генератора дифракционного излучения, в котором двойная периодическая структура согласована с полем открытого резонатора при помощи резонансной ступенчатой неоднородности в виде прямоугольной канавки. Показано, что благодаря выбору резонансного способа согласования двойной периодической структуры с полем открытого резонатора удается существенно разредить спектр возбуждаемых колебаний и повысить коэффициент использования электронным пучком поля резонансного колебания. Представлены результаты сравнения двух открытых резонансных систем – с традиционным фазовым и резонансным способами согласования двойной периодической структуры в 5-мм диапазоне длин волн. Проведенные исследования позволяют повысить КПД генераторов дифракционного излучения в коротковолновой части миллиметрового диапазона и преодолеть трудности при освоении этими генераторами терагерцевого диапазона.
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ МАЛОАПЕРТУРНЫМИ СВЧ-АНТЕННАМИ
И. В. Иванченко, Н. А. Попенко, В. И. Пищиков, М. М. Хруслов, Р. Е. Чернобровкин
В настоящее время одна из основных проблем состоит в создании широкополосных малоапертурных одиночных излучателей и антенных решеток для беспроводных локальных сетей, задач неразрушающего контроля, мониторинга окружающей среды, биологии, медицины и др. В условиях, когда размеры излучателя становятся сравнимыми с рабочей длиной волны, возрастающее взаимное влияние отдельных элементов антенны и увеличивающаяся роль краевых эффектов в формировании излучения антенн становятся принципиальными и требуют самостоятельного и детального изучения. В работе реализован подход, связанный с применением анализа распределений электромагнитного (ЭМ) поля в промежуточной зоне излучателей для объяснения особенностей формирования излучения в антенной решетке и планарной спиральной антенне. Измеряются распределения ЭМ-поля в промежуточной зоне, и проводится их анализ совместно с распределениями ЭМ-поля в дальней зоне. При этом используются специальные волноводные зонды. Показано, что для элементов антенной решетки ЭМ-волны, рассеянные как на их границах, так и на экране обусловливают осцилляции интенсивности в главном лепестке диаграммы направленности (ДН) и увеличение уровня кросс-компоненты. Для спиральной антенны отличия в распределениях ЭМ-поля в промежуточной зоне на ортогональных компонентах приводят как к различию соответствующих ДН, так и к неравномерному изменению коэффициента эллиптичности в рабочем частотном диапазоне. Предложенный в работе подход к анализу характеристик антенн, а также исследованные антенны могут найти применение при создании устройств систем связи.
РЕЗОНАНСНЫЕ СВОЙСТВА ПЛАНАРНОГО МЕТАМАТЕРИАЛА, СФОРМИРОВАННОГО МАССИВОМ РОЗЕТОК НА НЕНАМАГНИЧЕННОЙ ФЕРРОДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПОДЛОЖКЕ
С. Ю. Полевой, С. Л. Просвирнин, С. И. Тарапов
Киральные структуры представляют интерес как для фундаментальной физики, где они могут успешно использоваться для моделирования распространения электромагнитных волн и элементарных возбуждений в конденсированных средах (от кристаллических до аморфных), так и с прикладной точки зрения. Такие структуры могут быть весьма перспективны при создании компактных магнитоуправляемых СВЧ-устройств. Однако в миллиметровом диапазоне длин волн, который является одним из наиважнейших сегодня с прикладной точки зрения, объем экспериментальных исследований плоско-киральных структур оказывается явно недостаточным. В данной работе исследованы электродинамические резонансные свойства планарного метаматериала в виде массива металлических плоско-киральных розеток на ненамагниченной ферритовой подложке. Получены экспериментальные и расчетные частотные зависимости коэффициента передачи для нескольких величин периода структуры. Проанализирована зависимость частоты резонансного пика коэффициента передачи от величины периода структуры. Проведен совместный анализ экспериментальных и теоретических данных. Результаты исследований могут найти применение в области телекоммуникаций, высокочастотной технике (при разработке фильтров, поляризаторов, направленных ответвителей), антенной технике.
А. Щекотов, Е. Федоров, Я. Хобара, М. Хаякава
ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ МЕТОДА ROOT-MUSIC ПРИ РАДИОЛОКАЦИОННОМ ИЗМЕРЕНИИ УГЛОВ МЕСТА ЦЕЛЕЙ ВБЛИЗИ ПОВЕРХНОСТИ МОРЯ
Ю. А. Педенко
Метод высокого спектрального разрешения root-MUSIC рассматривается в последнее время как одно из средств, позволяющих решить задачу повышения точности измерения угла места маловысотных целей над взволнованным морем. Однако традиционный подход к выбору априорных параметров метода, разработанный с позиций спектрального анализа, не позволяет выявить его преимущество в точности измерений по сравнению с лучшими специальными методами, предложенными для решения рассматриваемой задачи. Это послужило причиной разработки различных модификаций метода. В настоящей работе с помощью компьютерного моделирования выполнено исследование метода в его классической форме, но при использовании априорных параметров, в том числе существенно отличающихся от используемых в других исследованиях. В первую очередь это касается размерности подпространства сигналов. Показано, что увеличение размерности от значения равного двум, обусловленного использованием зеркальной модели отражения радиоволн от поверхности раздела, до пяти-семи, позволяет повысить точность измерения угла места маловысотных целей в несколько раз. Установлено, что повышение точности проявляется как при сильном диффузном, так и сильном зеркальном отражении радиоволн от моря.
МОНИТОРИНГ АТМОСФЕРЫ НАД ХАРЬКОВСКИМ РЕГИОНОМ ПОСРЕДСТВОМ GPS
А. Л. Коворотный, Ю. В. Гончаренко, В. Н. Горобец, Ф. В. Кивва, А. И. Горб, А. Ю. Балан
Оценка состояния атмосферы, а также прогнозирование погоды и климата были и остаются актуальными для различных областей науки и техники. Работа посвящена разработке методики определения тропосферной зенитной задержки (ZTD) по данным дистанционного зондирования при помощи системы GPS и экспериментальной проверке предложенного алгоритма. Исходные данные, используемые для вычисления зенитной задержки, а в дальнейшем – метеопараметров в каждой из приемных точек, получены при помощи региональной системы высокоточных спутниковых геодезических измерений в Харьковской области (NGCNET). В работе описана методика определения гидростатической и влажной (ZWD) компонент тропосферной задержки на основании данных, полученных с помощью двухчастотных приемников GPS. Проведено сравнение между данными, рассчитанными по известным моделям, и полученными от NGCNET. Показано, что коэффициенты корреляции между значениями ZWD составляет 0,5–0,6 – для летних и 0,7–0,8 – для зимних и весенних измерений. В работе также оценены радиусы корреляции значений ZWD для различных сезонов.
АНОМАЛЬНАЯ ПРОЗРАЧНОСТЬ ПЕРИОДИЧЕСКИ МОДУЛИРОВАННЫХ ПЛАСТИН СЛОИСТЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ В ТЕРАГЕРЦЕВОМ ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ
Д. В. Кадыгроб, Н. М. Макаров, Ф. Переc-Родригеc, Т. М. Слипченко, О. И. Любимов, В. А. Ямпольский
Возбуждение собственных электромагнитных волн в ограниченных проводниках сопровождается рядом резонансных явлений, важных с точки зрения их использования в устройствах управления светом, солнечных батареях, приборах обнаружения и фильтрации излучения в видимом и дальнем инфракрасном диапазонах частот. Желательно расширить диапазон частот, при которых наблюдаются такие явления, на терагерцевую область. В настоящей работе предсказано усиленное прохождение терагерцевого излучения через периодически модулированные пластины слоистых сверхпроводников, обусловленное дифракцией падающих волн и резонансным возбуждением собственных мод. Предполагается, что толщина пластины во много раз превышает глубину скин-слоя, и в отсутствие модуляции прозрачность пластины равна нулю с экспоненциальной точностью. В модулированной пластине электромагнитное поле переносится от облучаемой ее стороны к противоположной благодаря возбуждению волноводных мод, которые не затухают вглубь пластины, в отличие от металлов, где усиленное прохождение света связано с возбуждением поверхностных волн. Показано, что в эксперименте на графике зависимости коэффициента прохождения от угла падения волны должны наблюдаться серии резонансных пиков, соответствующих равенству волнового вектора дифрагированной волны волновому вектору одной из собственных волноводных мод. Рассмотрен также противоположный эффект, когда прозрачность модулированной тонкой пластины (с толщиной, много меньшей глубины скин-слоя) заметно уменьшается за счет резонансного возбуждения собственных мод.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДВУХЧАСТОТНЫХ РЕЖИМОВ В ГЕНЕРАТОРАХ ДИФРАКЦИОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
В. Г. Курин
В настоящее время многочастотные сигналы находят применение в многоканальных системах связи и многочастотных радиолокационных станциях (РЛС). Использование многочастотных РЛС повышает эффективность обнаружения, распознавания и различения объектов, что существенно повышает достоверность определения координат групповых целей и играет не последнюю роль в разработке интеллектуальных радиолокационных систем автоматического распознавания объектов. Для формирования радиолокационного изображения важное значение имеет не только диапазон, но и разнос частот формирователя (генератора) зондирующих сигналов. Разнос частот содействует формированию радиолокационных изображений, которые оказываются близки по визуальному восприятию и привычны для человека. В исследуемом генераторе разнос частот можно регулировать путем изменения анодного напряжения, что, несомненно, является одним из условий, обусловливающих высокоэффективную работу двухчастотных РЛС миллиметрового диапазона. Задача по возбуждению в генераторе двух частот решалась путем подбора условий для одновременного возбуждения в генераторе двух режимов, а именно, режима дифракционного излучения и так называемого лэд-дертронного режима. В обоих этих режимах энергию из объема открытого резонатора можно выводить на быстрых (объемных) волнах посредством отверстия связи, выполненном в одном из зеркал («верхнем») открытого резонатора. Оказалось, что в генераторе возбуждаются на разных частотах указанные режимы в случаях, когда в открытом резонаторе возбуждается резонансная мода, образующая в пространстве взаимодействия (в направлении движения электронного потока) два противофазных пятна поля. В этом случае электронный поток преобразуется из однопоточного в двухпоточный, что и обусловливает устойчивую работу генератора на двух частотах. Экспериментальные результаты показали устойчивость и эффективность одновременной работы генератора в указанных режимах. Причем, разнос генерируемых частот можно было изменять путем изменения анодного напряжения. Результаты исследований расширяют функциональные возможности применения генераторов в различных областях науки и техники. В частности, представляет интерес исследование возможности (или невозможности) совпадения частот указанных режимов.
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ЭМИТТИРУЮЩЕГО УЗЛА КАТОДА МАГНЕТРОНА С АВТОЭМИССИОННЫМ ЗАПУСКОМ
А. А. Гурко, К. И. Сучков
В настоящее время отсутствуют методики прогнозирования долговечности катода и его работоспособности при пониженной температуре окружающей среды, а вывод об удовлетворении требованиям технических условий (ТУ) по этим параметрам оценивается только по результатам натурных испытаний контрольной партии. В научной литературе не существует единой точки зрения на способы определения эмиссионной способности материала катода для приборов со скрещенными полями. В связи с этим имеются значительные трудности обоснования выбора параметров катода для каждого конкретного прибора. Выполнено исследование различных партий материала Pd–Ba, применяемого в катодах серийных магнетронов. Проверено условие перехода автоэмиссии во взрывную путем оценки работоспособности магнетрона при скважности, существенно превышающей требования ТУ. По результатам исследования сделан вывод о существовании корелляции между долговечностью магнетрона и его работоспособностью при пониженной температуре. В качестве критерия предлагается превышающая максимальное эксплуатационное значение и определяемая экспериментально величина скважности, при которой в нормальных климатических условиях реализуется выход на рабочий режим при первом включении магнетрона. Полученная методика позволяет осуществлять 100 % прогнозирование выполнения требований ТУ по долговечности. Она адекватна методике проверки на холодоустойчивость, но при нормальных климатических условиях.
ПОДАВЛЕНИЕ ЩЕЛЕВОГО ВИДА КОЛЕБАНИЙ В КОАКСИАЛЬНЫХ МАГНЕТРОНАХ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН
А. А. Омиров
Среди всех конкурирующих видов колебаний в коаксиальном магнетроне (КМ) наибольшие трудности создает щелевой вид. Применение эффективного реактивного подавления этого вида позволяет повысить КПД магнетрона за счет ослабления диссипативного подавления. Имеющиеся в научной литературе методы расчета параметров щелевого вида колебаний содержат ошибки и некорректны в случае применения периферийной стенки анодной замедляющей системы (АЗС) более 0,1l. Также отсутствуют исследования по применению реактивного подавления щелевого вида колебаний в КМ миллиметрового (мм) диапазона длин волн. Устранены ошибки в существующем методе расчета параметров щелевого вида колебаний. Предложена модификация алгоритма расчета, а также новый метод, применимый при использовании АЗС с толщиной периферийной стенки более 0,1l. Предложен способ реактивного подавления щелевого вида колебаний в КМ мм диапазона длин волн путем изготовления щелей связи прямоугольного профиля различной аксиальной протяженности. Рассмотрен процесс «разрушения» спектра пространственных гармоник и структуры ВЧ-поля щелевого вида колебаний при применении реактивного подавления. Результаты исследования свидетельствуют о том, что при группировке щелей связи прямоугольного профиля различной аксиальной протяженности в КМ мм диапазона длин волн возможно достижение реактивного «разрушения» щелевого вида колебаний как минимум, не хуже, чем в сантиметровом (см) диапазоне длин волн при применении щелей связи различного профиля. Результаты исследований расширяют знания о способах реактивного подавления щелевого вида колебаний в КМ и могут быть применены при разработке и улучшении параметров КМ как см так и мм диапазона длин волн.
ИМПЕДАНС И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ГЕНЕРАЦИИ ПЛАНАРНОГО ДИОДА С РЕЗОНАНСНО-ТУННЕЛЬНОЙ ГРАНИЦЕЙ НА ОСНОВЕ GaAs
Э. Д. Прохоров, О. В. Боцула, О. А. Реутина
В настоящее время активно исследуются приборы, которые могут работать в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах. Для освоения данного диапазона используют твердотельные генераторы, работающие на частотах 100…150 ГГц, с последующим умножением с помощью умножителей частоты этих относительно низких частот до необходимого уровня (реально, пока, до 1…2 ТГц). Ранее были предложены полупроводниковые приборы, которые могут применяться как генераторы, усилители. Они представляют собой диоды с отрицательной дифференциальной проводимостью, которая возникает за счет боковых туннельной или резонансно-туннельной границ (РТГ). В данном исследовании рассматриваются электронные процессы в диодах с РТГ на основе GaAs, при условии, что РТГ ограничена по протяженности. Определяются зависимости активной и реактивной составляющих импеданса планарного диода с РТГ для реальных параметров диодов. Показано, что частотные возможности диода с РТГ существенно зависят от местоположения границы и эффективность генерации и частотный диапазон уменьшаются при перемещении РТГ к аноду.
ВЫСОКОДОБРОТНЫЕ ТИПЫ КОЛЕБАНИЙ В НЕРЕГУЛЯРНЫХ ГИБРИДНЫХ СТРУКТУРАХ
И. Н. Бондаренко, А. В. Галич, С. И. Троицкий
Для бесконтактной микроволновой диагностики материалов и сред в сканирующей микроволновой микроскопии активно применяются резонаторные измерительные преобразователи с коаксиальными микрозондами. Чувствительность измерений при этом определяется добротностью резонаторной части измерителя и эффективностью ее сопряжения с зондом. Целью нашего исследования является проведение анализа условий возбуждения и поддержания высокодобротных колебаний в нерегулярных гибридных структурах типа коаксиального конуса, объемного усеченного конуса, соединенного с коаксиальным конусом, объемного цилиндра, соединенного с усеченным объемным конусом и коаксиальным конусом. С помощью численного моделирования и экспериментальных исследований макетов устройств определены условия возбуждения и типы высокодобротных колебаний в таких нерегулярных гибридных структурах, а также условия обеспечения связи высокодобротных колебаний с апертурой коаксиальной зондовой части. Нерегулярные гибридные структуры в конфигурациях, рассмотренных в работе, могут быть использованы для создания высокодобротных резонаторных измерительных преобразователей для бесконтактной микроволновой диагностики различных объектов.