2013, т. 4(18), № 2
АНАЛИТИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ О СВЯЗИ ЧЕРЕЗ МАЛОЕ ОТВЕРСТИЕ ДИПОЛЬНЫХ МОД РЕЗОНАТОРОВ
Н. И. Айзацкий, Е. Ю. Крамаренко
Задача о связи дипольных мод резонаторов имеет большое прикладное значение, так как она является базовой для описания аксиально-несимметричных колебаний в диафрагмированных волноводах. Эти колебания ответственны за поперечное смещение ускоряемого пучка и, как следствие, за развитие поперечной неустойчивости в линейных резонансных ускорителях. До последнего времени отсутствовал метод, позволяющий на основании строгого электродинамического подхода рассчитывать коэффициенты связи дипольных мод резонаторов при различных предположениях о геометрии отверстия связи и резонаторов. Поэтому эти коэффициенты вычислялись приближенными методами, основанными на использовании решений электростатических и магнитостатических задач. Электромагнитные поля в различных областях нами были представлены в виде разложений по полным наборам собственных функций, состоящих из соленоидальных и потенциальных подсистем. Бесконечные системы алгебраических уравнений для коэффициентов разложения поля на апертуре, полученные при использовании граничных условий, были трансформированы в системы парных интегральных уравнений. Получены аналитические решения этих интегральных уравнений. Их анализ показал, что в разложении тангенциальной составляющей электрического поля на апертуре по малому (~a) параметру отсутствует нулевое приближение. Тангенциальная составляющая электрического поля пропорциональна как тангенциальным составляющим магнитного поля мод ТМ110 и ТЕ111 (~a/l, l – длина волны), так и нормальной (к плоскости апертуры) составляющей электрического поля моды ТМ110 (~a/b, b – радиус резонатора). Получены также выражения для коэффициентов связи мод ТМ110 и ТЕ111. Показано, что коэффициенты связи, определенные с точностью до а3, зависят только от соленоидальной составляющей электрического поля на апертуре. В отличие от широко используемого эвристического подхода, основанного на подборе параметров цепочки связанных контуров, предложенный подход дает возможность более корректно описывать характеристики аксиально-несимметричных колебаний в замедляющих структурах и процесс их возбуждения сильноточным электронным пучком.
РЕЖИМ АВТОКОЛЛИМАЦИИ ПРИ ОТРАЖЕНИИ ТРЕХМЕРНОГО ГАУССОВА ПУЧКА ОТ ДВУМЕРНО-ПЕРИОДИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ ИЗ ЗАКОРОЧЕННЫХ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ВОЛНОВОДОВ
А. В. Грибовский, О. А. Елисеев
При создании современных спектральных приборов используются, главным образом, отражательные дифракционные решетки, работающие в автоколлимационном режиме. Использование отражательных решеток волноводного типа в режиме автоколлимации для конструирования различных приборов может дать существенный выигрыш по сравнению с решетками не волноводного типа. Исследования рассеивания гауссовых волновых пучков на двумерно-периодических решетках в режиме автоколлимации ранее не проводились. Исследуя характеристики рассеяния электромагнитного поля при падении трехмерного гауссова волнового пучка на двумерно-периодическую структуру необходимо определить углы, под которыми распространяется незеркальный пучок. Для построения энергетических зависимостей пучка, диаграмм направленностей (ДН) в дальней зоне требуется новый алгоритм, отличающийся от того, который используется при анализе энергетических свойств зеркального пучка. Исследован режим автоколлимации при отражении трехмерного гауссова волнового пучка от двумерно-периодической решетки из закороченных волноводов прямоугольного сечения. Представлены результаты для случаев падения p- и s-поляризованного пучка кругового сечения на решетку с прямоугольной сеткой. Рассчитаны зависимости коэффициентов отражения по мощности от длины закороченных волноводов для зеркального и незеркального пучка. Исследованы зависимости формы ДН отраженных пучков в дальней зоне от параметров решетки и падающего пучка. Рассчитаны трехмерные ДН по мощности зеркального и незеркального пучков в дальней зоне. Дано физическое объяснение эффектов перераспределения энергии между зеркальным и незеркальным пучком. Установлен эффект расщепления ДН отраженного пучка. Впервые получены энергетические характеристики и трехмерные ДН в дальней зоне для незеркального пучка. Анализ полученных результатов дает возможность определить, при каких параметрах падающего пучка и отражательной решетки возможна аппроксимация падающего поля пучка полем плоской волны.
СЛУЧАЙНЫЕ ЛИНЕЙНЫЕ АНТЕННЫ С УПРАВЛЯЕМОЙ ДИАГРАММОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ
А. А. Майстренко, С. С. Мельник, Г. М. Притула, О. В. Усатенко
В работе изучены линейные антенные решетки, широко используемые как в теоретических исследованиях, так и в практических целях. Предполагается, что в интенсивности дипольных излучателей решетки и расстояния между ними являются случайными величинами, что существенно усложняет изучаемую проблему. Показано, что интенсивность интерференционного поля излучения может быть выражена через корреляционные функции случайных величин. Разработан метод построения двух случайных последовательностей с заданными бинарными автокорреляционными и корреляционными функциями, позволяющий решить обратную задачу синтеза случайных антенн по заданной диаграмме направленности. Приведены примеры численной реализации метода построения таких антенн, которые могут быть использованы в практических применениях.
МОДЕЛЬ МНОГОЛУЧЕВОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ МИЛЛИМЕТРОВЫХ РАДИОВОЛН НАД МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ ПРИ СИЛЬНЫХ ЗАТЕНЕНИЯХ
В. Б. Разсказовский, Ю. Ф. Логвинов
Важность модели распространения радиоволн над морской поверхностью при сильных затенения обусловлена практической значимостью этой задачи и потребностями фундаментальной науки для изучения физических процессов при распространении волн. В основе используемых в настоящее время расчетов электромагнитного поля над морской поверхностью с ветровыми волнами при малых углах скольжения лежит гипотеза о том, что неровности (морские волны) являются следствием возмущения в среднем плоской границы раздела и характеризуются малыми наклонами. Однако такие условия распространения радиоволн довольно редко встречаются на практике. Нами исследован альтернативный этому случай, соответствующий существованию сильных затенений, исключающих отражение от квазиплоских, близких к горизонтальным, элементов поверхности. Полученные результаты позволяют существенным образом переосмыслит физические процессы при рассеянии радиоволн в условиях сильных затенений. Методом численного моделирования определены координаты и кривизна незатененных элементов, которые являются вершинами волн, показано, что переизлученное ими поле представляется результатом действия дифракции Френеля и отражений от выпуклых цилиндрических (в исследуемом двумерном случае) поверхностей. Для радиоволн Ka-диапазона (длина волны 8 мм) оценены распределения мощности переизлучения по длине трассы, угловые спектры волн, приходящих в апертуру приемной антенны, знание которых необходимо для анализа работы пеленгационных радиосистем. В работе получены и проанализированы особенности распределения по длине трассы и углам прихода в точку приема мощностей когерентной и некогерентной компонент переизлученного поверхностью моря поля, существенно влияющие на точность систем измерения угловых координат источников излучения, в том числе использующих современные методы спектрального оценивания.
ПРИМЕНЕНИЕ РЛС «БУРЕВЕСТНИК ЗГ» ДЛЯ ЗАГОРИЗОНТНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ НАДВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
В. П. Дзюба, А. Д. Дориченко, В. Д. Ерёмка, А. Ф. Зыков, Л. П. Милиневский, И. М. Мыценко, А. Н. Пивень, О. И. Прокопенко, А. Н. Роенко, Д. В. Роскошный
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 является радиолокационная станция (РЛС) «Буревестник». Эта РЛС применяется для контроля надводной обстановки на постах наблюдения военно-морских и пограничных служб Украины. В работе предложено модернизировать РЛС «Буревестник-1» для навигации и загоризонтного обнаружения надводных объектов. Приводятся оценка и иллюстрация возможности эффективного применения РЛС «Буревестник ЗГ» для загоризонтного обнаружения надводных объектов в районах Мирового океана. Для этого использована база данных множителя ослабления радиоволн сантиметрового диапазона, созданная Институтом радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины по результатам экспериментальных радиофизических исследований. Определены статистические функции распределения дальности действия РЛС «Буревестник ЗГ» в районах Мирового океана, проведено сопоставление с экспериментальными исследованиями, в которых использовались стационарные навигационные РЛС «Дон», «Наяда», «МРЛ-5». Сделан вывод, о возможности использования РЛС «Буревестник ЗГ» в районах Мирового океана для навигации и загоризонтного обнаружения надводных объектов.
КОРРЕКЦИЯ РАДИОМЕТРИЧЕСКИХ ОШИБОК НА ИЗОБРАЖЕНИЯХ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ДАЛЬНОСТНО-ДОПЛЕРОВСКОГО АЛГОРИТМА В РАДИОЛОКАТОРАХ С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ
Е. Н. Горовой, А. А. Безвесильный, Д. М. Ваврив
Радиолокатор с синтезированной апертурой (РСА) является эффективным инструментом для формирования изображений поверхности земли с высоким пространственным разрешением. Одним из факторов, влияющих на качество получаемых изображений, являются нестабильности полета самолета. Проблема состоит в том, что несмотря на применение общепринятой процедуры компенсации отклонений траектории, которая необходима для построения синтезированной апертуры, нестабильности ориентации реальной антенны остаются нескомпенсированными. Это приводит к радиометрическим (яркостным) искажениям на изображениях. Такая проблема особенно актуальна в случае применения кадровых алгоритмов обработки данных РСА, основанных на использовании быстрого преобразования Фурье (например, дальностно-доплеровского алгоритма), которые предполагают постоянную ориентацию луча антенны в пределах больших блоков данных. В работе рассмотрен метод коррекции радиометрических искажений на радиолокационных изображениях при проведении РСА-обработки в частотной области. Идея метода основана на построении увеличенного числа РСА-взглядов, что соответствует расширению обрабатываемой полосы доплеровских частот. Показано, что расширение полосы частот позволяет компенсировать влияние двух эффектов: изменения углов ориентации антенны во времени относительно вектора скорости самолета, а также возможного дополнительного расширения полосы доплеровских частот принятых сигналов в результате применения процедуры компенсации ошибок движения. Полученное увеличенное число РСА-взглядов используется для восстановления многовзглядового РСА-изображения без радиометрических искажений. Предложенные методы коррекции радиометрических ошибок являются эффективной заменой дорогостоящей системы стабилизации реальной антенны и активно используются в действующих РСА-системах. Эффективность разработанных алгоритмов проиллюстрирована на примерах реальных радиолокационных данных.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ СИГНАЛОВ С АНТЕННОЙ, ВЫПОЛНЕННОЙ ИЗ ПЛАЗМЫ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА
В. В. Овсяников, С. Н. Мороз
Взаимодействие электромагнитных сигналов с плазменными антеннами (ПА) является актуальной задачей радиофизики и электроники, так как они применяются в различных отраслях радиотехники, в том числе для нужд Вооруженных сил. Несмотря на значительное количество публикаций, посвященных ПА, на данный момент не освещена проблема влияния паров ртути на их электродинамические характеристики. Предложен способ расчета проводимости холодной плазмы с добавлением паров ртути, выполнен расчет характеристик ПА с парами ртути и без них в двух частотных диапазонах в программной среде FEKO, проанализировано влияние паров ртути на параметры ПА. Расчеты показали, что введение паров ртути в ПА приводит к существенному снижению ее КПД и изменяет характеристику коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН), особенно с повышением частоты электромагнитных сигналов. Для улучшения параметров, особенно КПД исследуемых антенн, выданы рекомендации по снижению количества ртути в них. Рассмотренные антенны могут быть использованы для установки на аэрокосмических аппаратах.
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОЛН В ОГРАНИЧЕННОЙ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЕ ВБЛИЗИ ЭКСИТОННЫХ ПОЛОС
В. В. Байбак, А. А. Булгаков
Исследование электромагнитных волн терагерцевого (ТГц) диапазона является интенсивно развивающимся направлением в радиофизике. Однако ТГц-диапазон остается экспериментально более труднодоступным и менее изученным, чем граничащие с ним СВЧ- и ИК-диапазоны. В работе мы решаем задачу о распространении поверхностных электромагнитных волн в слоисто-периодических структурах, содержащих слои с экситонами, в ТГц-диапазоне длин волн. Рассмотрены дисперсионные свойства электромагнитных волн для безграничной и ограниченной периодических структур. Исследуется возможность существования поверхностных электромагнитных волн, распространяющихся вдоль поверхностей ограниченного периодического образца в зонах, в которых объемные волны не распространяются. С помощью комплексной теоремы Пойнтинга показано, что рассматриваемые поверхностные волны могут существовать независимо или одновременно на каждой поверхности структуры. Полученные результаты позволяют анализировать особенности поверхности, к которой прикладывается периодический образец. Это дает возможность изучать качество тонких пленок на поверхности твердых тел, поверхности биологических материалов и т. д.
АКУСТИЧЕСКИЕ СПИН-ВОЛНОВЫЕ РЕЗОНАНСЫ В НАПРЯЖЕННОМ КРИСТАЛЛЕ БОРАТА ЖЕЛЕЗА
В. И. Хижный, Т. М. Хижная, В. В. Тараканов, А. П. Королюк
Антиферромагнетик и одновременно слабый ферромагнетик борат железа FeBO3 обладает рядом уникальных свойств. Высокая температура Нееля и громадное эффективное поле однородного обмена приводят к большой величине его магнитоупругой связи. Особенности динамических проявлений сильной магнитоупругой связи в борате железа представляют существенный физический интерес, поскольку динамические и статические упругие деформации могут изменять магнитные свойства кристалла. При распространении продольной гиперзвуковой волны вдоль оси симметрии С3 кристалла FeBO3 в магнитном поле, авторами были обнаружены осцилляционные структуры амплитуды и фазы коэффициента прохождения. Ранее авторами была предложена физическая модель явления. Она состоит в том, что в режиме стоячей звуковой волны в образце может возникать магнитная модуляционная (несоразмерная) структура. В данной работе экспериментально исследована частотная зависимость наблюдаемых резонансов во внешнем магнитном поле и проведено их численное моделирование. Сделано сопоставление и анализ результатов эксперимента и моделирования. Исследования показали качественное согласие выбранной модели взаимодействия звука с магнитной системой. Обнаруженные явления представляют интерес с точки зрения приложений в спинтронике, акустооптике и акустоэлектронике.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ВАРИЗОННЫХ ALINN ДИОДОВ ГАННА
М. В. Кайдаш
По своим свойствам полупроводниковые нитриды являются перспективными материалами для быстродействующих твердотельных электронных приборов, в том числе работающих на эффекте междолинного переноса электронов. Однако, из-за ряда причин, в частности, большой потребляемой мощности и сложности отвода тепла из активной области прибора, в научной литературе отсутствуют сведения об экспериментальной генерации электромагнитных колебаний с помощью диодов Ганна на основе GaN или InN. В данном исследовании, во-первых, предлагается идея уменьшить потребляемую мощности и повысить эффективность диодов Ганна, во-вторых, проведены численные эксперименты по генерации с помощью диодов Ганна на основе варизонного AlInN, в-третьих, оптимизированы параметры и получены выходные характеристики диодов с разными катодными контактами в широком диапазоне частот. Работа диодов рассмотрена для гармонического и бигармонического режимов работы. Исследование показало, что варизонные AlInN диоды Ганна превосходят однотипные InN и AlN диоды по эффективности генерации, выходной мощности и предельной рабочей частоте, которая составила 0,9¸1,3 ТГц при длине активной области 0,15 мкм. Потребляемая мощность варизонных AlInN диодов на 3¸20 % меньше потребляемой мощности InN диодов. Результаты исследования расширяют знания о физических процессах переноса носителей заряда в сложных полупроводниковых структурах и могут быть использованы для технологических разработок новых быстродействующих приборов на основе полупроводниковых нитридов.
ЭСТАФЕТНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ В ПРИБОРАХ СВЧ
Г. А. Алексеев, Л. В. Стулова
Обзорная работа посвящена изучению особенностей коллективного взаимодействия распределенных сгустков, пересекающих пространственно-сосредоточенный слой СВЧ-поля, при кратковременном взаимодействии отдельных электронов с поперечной компонентой поля бегущей пространственной гармоники. Показано, что при условии синхронизма перемещения области кратко-временного взаимодействия и фазовой скорости гармоники интенсивность когерентного коллективного взаимодействия максимальна. Качественно этот режим соответствует эстафетному взаимодействию электронного сгустка и бегущей гармоники ВЧ-поля. Актуальность задачи определяется необходимостью поиска новых механизмов взаимодействия и новых конструктивных решений для вакуумных СВЧ-генераторов. Сделан вывод, о возможности создания приборов, в которых учитывается коллективное эстафетное взаимодействие распределенных сгустков и бегущей волны электродинамической системы с повышенной выходной мощностью генерации.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПЕРЕСЕЧЕНИЯ РЕЗОНАНСНЫХ ОБЛАСТЕЙ ОТКРЫТОГО РЕЗОНАТОРА ГЕНЕРАТОРА ДИФРАКЦИОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА УРОВЕНЬ ЕГО ВЫХОДНОЙ МОЩНОСТИ
В. Г. Курин
Расширение диапазона непрерывной перестройки частоты генераторов, в частности генераторов дифракционного излучения, является важной научной и практической задачей. В исследуемых генераторах расширение диапазона непрерывного генерирования достигалось путем применения плавной комбинированной (электронная + механическая) перестройки. Однако до настоящего времени физические явления, сопровождающие процесс комбинированной перестройки не были подробно изучены. Подробное экспериментальное исследование характера поведения уровня выходной мощности генератора показало, что процесс плавной комбинированной перестройки сопровождается пересечением соседних резонансных областей (резонансов) электродинамической системы генератора. В областях пересечения регулярно (почти периодически) наблюдается явление конструктивной интерференции, которая обнаруживает себя в виде реализаций пиков уровня выходной мощности в зонах комбинированной перестройки. Таким образом, эффекты пересечения резонансов в электродинамической системе исследуемого генератора позволяют не только осуществлять непрерывную перестройку генератора в широком диапазоне частот, но и значительно повышать уровень его выходной мощности.
ДОБРОТНОСТЬ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВОЗБУЖДЕНИЯ ПЛАСТИНЧАТЫХ КВАЗИОПТИЧЕСКИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРОВ
А. Я. Кириченко, Г. В. Голубничая, И. Г. Максимчук, В. Б. Юрченко
Несмотря на широкое изучение электродинамических свойств диэлектрических резонаторов, до настоящего времени отсутствуют сведения о добротности одного из видов квазиоптических дисковых резонаторов – пластинчатых резонаторов, изготовленных из тонких дисковых пластин с промежутками между пластинами. Это препятствует применению указанных резонаторов для измерения электрических характеристик веществ, окружающих такой резонатор, с которыми вследствие своей конструкции резонатор имеет повышенную связь. Настоящие исследования направлены на устранение этого пробела. Трудности теоретического расчета добротности пластинчатых резонаторов, обусловленные их сложной геометрической формой, заставляют отдать предпочтение экспериментальному изучению моделей таких резонаторов. В данной работе впервые прямыми экспериментальными методами изучены добротность и эффективность возбуждения дисковых пластинчатых резонаторов в зависимости от количества пластин и от ширины воздушного промежутка между пластинами. Найдено минимальное количество пластин, необходимое для возбуждения резонатора, и ширина воздушного промежутка, при котором достигается максимальное значение добротности. Исследования проведены на резонаторах с большим (n ~ 50 в случае дисков из плавленого кварца) и меньшим значением азимутального индекса (n < 20 для дисков из поликора). Показано, что в обоих случаях добротность пластинчатых резонаторов снижается на порядок по сравнению с добротностью сплошных дисковых диэлектрических резонаторов, выполненных из того же материала, в которых при одинаковых внешних размерах отсутствует неоднородность в аксиальном направлении в форме промежутков между отдельными дисковыми пластинами.
КВАЗИОПТИЧЕСКИЙ СУБТЕРАГЕРЦЕВЫЙ РЕФЛЕКТОМЕТР ВНУТРЕННЕГО ОТРАЖЕНИЯ ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ УГЛЕПЛАСТИКОВ
В. И. Безбородов, В. К. Киселев, О. С. Косяк, Е. М. Кулешов, П. К. Нестеров, М. С. Яновский
Широкое использование в современном авиастроении углепластиков потребовало разработки способов неразрушающего контроля состояния их поверхности и определения наличия влаги и термических повреждений, влияющих на качество клеевых соединений. Применяемые в терагерцевом диапазоне длин волн для этих целей обычные методы рефлектометрии дают очень малый контраст сигналов, отраженных от чистых и загрязненных образцов. В данной работе рассмотрен метод рефлектометрии внутреннего отражения при наклонном облучении поверхности углепластиков квазиоптическим (КО) пучком под разными углами через призму внутреннего отражения, расположенную вблизи поверхности образца. Для реализации метода разработана КО измерительная установка, выполненная на основе полого диэлектрического лучевода и комплекса лучеводных устройств и компонентов ТГц диапазона. Проведены экспериментальные тестирования образцов композитных материалов, показавшие значительное возрастание контраста при обнаружении загрязнений. При технической доработке рефлектометр может быть использован на практике.