2013, т. 4(18), № 3
СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЯМОУГОЛЬНОЙ ВОЛНОВОДНОЙ СЕКЦИИ С ПАРОЙ РАВНОВЫСОКИХ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ШТЫРЕЙ
Л. П. Мосьпан, А. А. Кириленко, Д. Ю. Кулик, С. А. Приколотин
Выявление физических явлений, порождающих различные резонансные эффекты, является залогом успешного проектирования частотно-селективных уcтройств на их основе. В работе исследована природа резонанса полного отражения, формируемого волноводной секцией с парой прямоугольных штырей, симметрично расположенных вдоль широкой стенки прямоугольного волновода. Исследование проведено в рамках спектральной теории открытых волноводных резонаторов. Волноводная секция рассмотрена как одноканальный многомодовый резонатор. Предложена интерпретация резонанса полного отражения как результата возбуждения в резонаторе собственных колебаний комплексной частоты. Изучена динамика поведения частот собственных колебаний на комплексной плоскости при изменении двух наиболее важных геометрических параметров – расстояния между штырями и их высоты. Сопоставлены дифракционные и спектральные характеристики. Проанализирован вклад собственных колебаний в формирование частотной характеристики. Показано, что положение резонанса и его добротность могут быть оценены с высокой точностью по значению комплексной частоты одного собственного колебания. Это колебание ассоциируется с первой высшей модой резонансной секции, имеющей ту же симметрию, что и основная волна подводящего тракта. С практической точки зрения полученные результаты делают возможным моделирование полосовых фильтров со сложными частотными характеристиками.
МЕТОД ЧАСТИЧНЫХ ОБЛАСТЕЙ С УЧЕТОМ ОСОБЕННОСТЕЙ ВО ВНУТРЕННИХ ЗАДАЧАХ С ПРОИЗВОЛЬНЫМИ КУСОЧНО-КООРДИНАТНЫМИ ГРАНИЦАМИ
ЧАСТЬ 2. ПЛОСКО-ПОПЕРЕЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ И «IN-LINE» ОБЪЕКТЫ
С. А. Стешенко, С. А. Приколотин, А. А. Кириленко, Д. Ю. Кулик, Л. А. Рудь, С. Л. Сенкевич
Рассматривается применение обобщенного метода частичных областей для вычисления характеристик плоско-поперечных соединений волноводных линий произвольного кусочно-координатного (ортогонного) сечения в декартовых координатах и «in-line» устройств на их основе. Анализируются особенности геометрии конкретных задач, позволяющих повысить эффективность вычислений. Исследуется достоверность полученных алгоритмов.
АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ПЛОСКОСТНЫХ СОЧЛЕНЕНИЙ ВОЛНОВОДОВ ПРОИЗВОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОБСТВЕННЫХ ФУНКЦИЙ ОБЩЕЙ АПЕРТУРЫ
С. А. Стешенко
Метод частичных областей (МЧО) широко используется для расчета обобщенных матриц рассеяния скачкообразных сочленений волноводов. Его применение ограничено на случай, когда сечение одного волновода полностью вписывается в сечение другого волновода. Если пересечение сечений двух волноводов не совпадает ни с одним из них, как правило, между сочленяемыми волноводами искусственно вводят в рассмотрение «виртуальный» волновод нулевой длины так, чтобы образовавшиеся новые сочленения удовлетворяли требованию применимости МЧО. Однако такой подход требует обращения трех матриц, что приводит к дополнительным временным затратам. В данной работе исследованы возможности применения обобщения МЧО на случай сочленения волноводов с налагающимися сечениями, приводящего к системе линейных алгебраических уравнений первого рода. Доказана эквивалентность двух подходов. При этом рассматриваемый подход оказывается эффективнее традиционного, вводящего в рассмотрение «виртуальный» волновод. Результаты, полученные в данной работе, позволят повысить эффективность автоматизированных систем проектирования волноводных узлов, основанных на МЧО.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВО ВРЕМЕННОЙ ОБЛАСТИ ПРОЦЕССОВ СУММИРОВАНИЯ МОЩНОСТИ ПРИ ПАРАЛЛЕЛЬНОМ СОЕДИНЕНИИ ПОЛОСКОВЫХ ЛИНИЙ С ДИОДАМИ ГАННА
Л. В. Юрченко, В. Б. Юрченко
Создание компактных источников излучения высокой мощности для радиофизических приложений требует суммирования мощности отдельных приборов. Перспективными для этой цели являются диоды Ганна на основе нитрида галлия. Для расчета систем с суммированием мощности, в особенности в задачах с запаздыванием, существует недостаток методов анализа и вычислительных методик, несмотря на многочисленные достижения. В данной работе, используя новый подход и предложенную нами модификацию численного метода Дормана-Принса, мы провели расчеты во временной области нелинейного суммирования мощности в активной системе, образованной параллельным соединением протяженных секций полосковых линий с диодами Ганна, где возникает значительная задержка обратной связи. Обнаружены и изучены сложные зависимости выходной мощности и периода колебаний от параметров системы. Результаты подчеркивают сильно нелинейный характер процессов и представляют интерес для объяснения эффектов, наблюдаемых на практике. Показана эффективность модели при изучении сверхширокополосной динамики поля в сильно нелинейных системах с запаздыванием и учетом замедленной реакции активных устройств на внешнее воздействие. Исследование подтвердило, что колебания в нелинейных, многоэлементных, и обладающих запаздыванием активных системах плохо описываются упрощенными моделями и требуют прямого расчета во временной области.
ОБНАРУЖЕНИЕ ДВИЖУЩИХСЯ ЦЕЛЕЙ С ПОМОЩЬЮ МНОГОВЗГЛЯДОВОГО ОДНОАНТЕННОГО РАДИОЛОКАТОРА С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ
А. А. Безвесильный, Б. А. Кочетов
Радиолокаторы с синтезированной апертурой (РСА), установленные на самолетах или спутниках, позволяют получать изображения сцены с высоким пространственным разрешением. Обработка данных в таких радиолокаторах представляет собой оптимальную фильтрацию сигналов от неподвижных точечных отражателей. Сигналы, принятые от движущихся целей, обрабатываются несогласованным фильтром. Это означает, что образы движущихся целей на изображении оказываются расфокусированными и смещенными из своих истинных положений, поэтому получить информацию о движущемся объекте из обычного РСА-изображения оказывается затруднительно. Тем не менее, проблема обнаружения движущихся целей с помощью РСА является важной для многих практических приложений. Один из методов решения задачи с помощью обычного РСА с одной антенной основан на многовзглядовой обработке, под которой понимается построение нескольких изображений-взглядов одного и того же участка местности по данным, собранным на разных интервалах времени. Идея подхода заключается в том, что неподвижные цели на изображениях-взглядах сохраняют свои положения, а движущиеся цели смещаются, что позволяет отличить движущиеся цели от неподвижных. Кроме того, по смещению целей можно оценить параметры их движения. В этой работе на основе общих уравнений, описывающих процесс формирования многовзглядовых изображений во временной области, получены формулы, описывающие смещение образов движущейся цели в предположении, что цель движется с постоянным вектором скорости. Установлено, что в рамках такого подхода можно определить дальность до цели, модуль и радиальную компоненту вектора относительной скорости цели. Для нахождения истинного положения и вектора собственной скорости цели необходимо использовать дополнительную информацию, например, траекторию цели. В противном случае сохраняется неопределенность между скоростью и положением цели. Полученные теоретические результаты проиллюстрированы компьютерным моделированием.
КРУПНОМАСШТАБНЫЕ ВОЗМУЩЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ, СОПРОВОЖДАВШИЕ ПАДЕНИЕ ЧЕЛЯБИНСКОГО МЕТЕОРОИДА
Л. Ф. Черногор
Проведен анализ временных вариаций компонент геомагнитного поля в день падения метеорита «Челябинск» (15 февраля 2013 г.) и в контрольные дни (12 и 16 февраля 2013 г.). Для анализа выбраны магнитные обсерватории в г. Новосибирск, Алма-Ата, Киев и Львов. Расстояние R от места взрыва до обсерватории изменялось в пределах 1,2...2,7 тыс. км. Оказалось, что пролет и взрыв Челябинского космического тела сопровождались вариациями в основном горизонтальной компоненты геомагнитного поля. Вариации носили квазипериодический характер с периодом 30...40 мин, амплитудой 0,5...2 нТл для R » 2,7...1,2 тыс. км соответственно и продолжительностью 2...3 ч. Горизонтальная скорость распространения волновых возмущений геомагнитного поля была близка к 260...370 м/с. Предложена теоретическая модель волновых возмущений. Согласно модели волновые возмущения гео-магнитного поля вызваны движением гравитационной волны, сгенерированной в атмосфере падающим космическим телом, и возникшими перемещающимися ионосферными возмущениями. Расчетные значения амплитуд волновых возмущений составляли 0,6...1,8 нТл для R » 2,7...1,2 тыс. км соответственно. Результаты наблюдений и оценок хорошо согласуются между собой.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПЛАЗМЕННЫХ И ДЕФЕКТНЫХ МОД В ОДНОМЕРНОЙ ДЕФЕКТНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЛОИСТО-ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЕ, ГРАНИЧАЩЕЙ С ПЛАЗМОПОДОБНОЙ СРЕДОЙ
Н. Н. Белецкий, С. А. Борисенко, Н. И. Гвоздев
Слоисто-периодические дефектные структуры (дефектные фотонные кристаллы), граничащие с плазмоподобными средами (полупроводниками и металлами), вызывают большой интерес. Это связано с наличием в таких структурах различных типов электромагнитных волн. Свойства этих волн в научной литературе исследованы еще недостаточно хорошо. В данной работе на основе численного решения дисперсионного уравнения исследованы TM-электромагнитные волны в одномерной дефектной диэлектрической слоисто-периодической структуре, граничащей с плазмоподобной средой. Изучены дисперсионные и энергетические свойства плазменных и дефектных мод в зависимости от положения дефектного слоя в слоисто-периодической структуре. Предсказан эффект резонансного взаимодействия плазменных и дефектных мод. Показана возможность возбуждения электромагнитных волн в дефектной слоисто-периодической структуре методом нарушенного полного внутреннего отражения. Результаты исследования существенно расширяют представление о характере распространения электромагнитных волн в дефектных слоисто-периодических структурах и могут быть использованы для создания новых типов волноведущих структур, используемых в современных устройствах обработки сигналов в СВЧ и оптическом диапазоне длин волн.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КЛИНОТРОННЫХ ЭФФЕКТОВ В ГЕНЕРАТОРЕ ДИФРАКЦИОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
М. Ю. Демченко, В. Г. Курин, Е. Б. Сенкевич
В терагерцевом (ТГц) диапазоне для вакуумных источников непрерывного излучения нет достойной альтернативы ни среди полупроводниковых генераторов из-за их малой мощности (10–6 Вт), ни среди лазеров, которые работают только на дискретных частотах. Среди существующих вакуумных источников О-типа генераторы дифракционного излучения (ГДИ) выгодно выделяются высокой стабильностью частоты, узким спектром выходного сигнала, низким уровнем шумов, широким диапазоном электромеханической перестройки и сравнительно большим уровнем выходной мощности. Однако при продвижении в ТГц-диапазон возникает проблема повышения КПД генератора, что связано с необходимостью обеспечить высокие напряженности высокочастотного (ВЧ) поля в области электронно-волнового взаимодействия. Одним из способов решения проблемы является применение клинотронного эффекта. В работе рассмотрены возможности использовать клинотронные эффекты для повышения эффективности взаимодействия электронного потока с ВЧ-полем в ГДИ. Экспериментальное исследование влияния клинотронного эффекта на работу ГДИ проведено в генераторах с дополнительным (отклоняющим) электродом, а также в ГДИ, когда электронный поток вводится в пространство взаимодействия посредством рассредоточивающих скосов. Показано, что процесс взаимодействия электронного потока с ВЧ-полем сопровождается сопутствующими этому процессу клинотронными эффектами, существование которых обусловлено неустранимыми пульсациями электронного потока. Повышение коэффициента использования электронного потока позволяет не только уменьшить пусковые токи генератора, но и получить более высокую мощность генерации при низких величинах индукции магнитного фокусирующего поля.
НИТРИДГАЛЛИЕВЫЙ ДИОД С ТУННЕЛЬНОЙ ИНЖЕКЦИЕЙ
Н. М. Гончарук, Н. Ф. Карушкин, В. В. Малышко, В. А. Ореховский
Освоение субмиллиметрового диапазона частот вплоть до терагерцевого является одной из актуальных задач современной микро- и наноэлектроники. Повышению рабочей частоты существующих микроволновых диодов препятствует инерционность процессов переноса носителей заряда в них, среди которых туннелированию присущи наименьшие инерционность и уровень шумов. В данной работе впервые предложен и исследуется диод на основе однобарьерной наноструктуры с нерезонансным туннелированием электронов и их последующим дрейфом в пролетном слое. Исследования проводились в рамках модели малосигнального импеданса с учетом времени задержки инжекции электрона, которое сравнимо с его временем пролета для данного диода. Получены и исследованы зависимости микроволнового импеданса диода в диапазоне частот его отрицательной проводимости от угла пролета, диаметра и паразитного сопротивления диода при различных параметрах барьерного слоя, соответствующих времени задержки инжекции электрона от десятых долей до более 1 пс. Показано, что наибольшая отрицательная проводимость достигается при оптимальных значениях угла пролета и диаметра диода на частоте, близкой к четверти обратного времени инжекции. Она значительно превышает таковую для резонансно-туннельного диода при сравнении их шумовых характеристиках, что свидетельствует о перспективности использования данного диода в микроэлектронике. Проведенные исследования могут служить основой для создания нового типа диода субмиллиметрового диапазона, технология изготовления которого значительно проще таковой для резонансно-туннельного диода.
ТРАНСПОРТИРОВКА СИЛЬНОТОЧНОГО ТРУБЧАТОГО РЕЛЯТИВИСТСКОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА В ГИБРИДНОМ КОАКСИАЛЬНОМ МАГНИТНОМ ОНДУЛЯТОРЕ
К. В. Ильенко, Т. Ю. Яценко, С. А. Куркин
Сформулирована замкнутая система динамических уравнений, описывающая транспортировку пучка заряженных частиц в коаксиальной камере дрейфа в комбинированных конечном продольном однородном (ведущем) и периодическом ондуляторном магнитостатических полях. Получены выражения для усредненных по периоду ондулятора собственных электрических и магнитных полей пучка заряженных частиц в коаксиальной камере дрейфа с учетом продольной составляющей собственного магнитного поля пучка. Продемонстрировано, что ведущее магнитное поле может быть использовано для контроля положения пучка в поперечном сечении камеры дрейфа. Показано, что присутствие ведущего магнитного поля, необходимого для увеличения амплитуды поперечных осцилляций пучка и повышения выходной мощности в гибридном коаксиальном лазере/мазере на свободных электронах, одновременно приводит к ограничению допустимых транспортируемых токов.
КЮВЕТА ДИЭЛЕКТРОМЕТРА С ПОВЫШЕННОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ НА ОСНОВЕ КРУГЛОГО ВОЛНОВОДА С ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ВСТАВКОЙ ДЛЯ СИЛЬНО ПОГЛОЩАЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ
В. Н. Скресанов, З. Е. Еременко
Значение комплексной диэлектрической проницаемости сильно поглощающих жидкостей (например, воды и водных растворов различных веществ) необходимо знать в различных областях науки и техники, где используются такие жидкости. Ранее нами была предложена измерительная кювета волноводного типа, представляющая собой диэлектрический (кварцевый) цилиндр, погруженный в исследуемую жидкость, а также разработан высокочувствительный диэлектрометр 8-мм диапазона с использованием такой кюветы. Теоретический и численный анализ предложенной кюветы был проведен без учета внешней границы кюветы, что было предметом обсуждения при сравнении его с результатами эксперимента. В данной работе мы устранили этот недостаток, и провели исследование электродинамических параметров кюветы диэлектрометра с учетом ее внешней границы. При этом кювета образована круглым металлическим волноводом 8-мм диапазона с коаксиально расположенной цилиндрической вставкой из диэлектрика с малыми потерями. Исследуемая жидкость заполняла пространство между вставкой и волноводом. Для повышения чувствительности кюветы к изменению концентрации веществ в исследуемой сильно поглощающей жидкости использован достаточно тонкий ее слой (четверть длины волны), в котором наблюдается эффект интерференции волн. В результате показано, что кювета диэлектрометра со слоем поглощающей жидкости, при котором глубина проникновения поля в жидкость соизмерима с толщиной ее слоя, обладает повышенной дифференциальной чувствительностью. Предложенная структура имеет преимущества при использовании в кюветах прецизионных диэлектрометров сильно поглощающих жидкостей по сравнению с известными техническими решениями.
РЕФЛЕКТОМЕТРИЯ ПОВЕРХНОСТИ УГЛЕПЛАСТИКА (CFRP) В СУБТЕРАГЕРЦЕВОМ ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ: ТЕОРИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТ
В. В. Ячин, В. К. Киселев, Е. М. Кулешов, П. К. Нестеров, Т. Л. Зиненко
В работе представлена новая рекурсивная схема нахождения устойчивого решения для задачи рассеяния электромагнитных волн на многослойной периодической структуре. Задача решена методом интегральных функционалов. Проведено сравнение рассчитанных при помощи метода интегральных функционалов частотных характеристик коэффициента отражения от образца углепластика (CFRP) с экспериментальными данными, полученными при помощи метода квазиоптической рефлектометрии в субтерагерцевом диапазоне частот при различных поляризациях и углах падения волны на образец. Полученные результаты могут послужить основой для построения более сложных моделей СFRP, включающих моделирование различных видов поверхностных загрязнений и помогут лучше интерпретировать данные рефлектометрии СFRP в терагерцевой области частот и усовершенствовать методы неразрушающего контроля углепластиков в этой области электромагнитного спектра.