2014, т. 5(19), № 1
РЕЗОНАНСНОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОБРОТНОСТИ СОБСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ МАГНИТНОГО ТИПА В ОТКРЫТОМ РЕЗОНАТОРЕ С ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ШАРОВЫМ ВКЛЮЧЕНИЕМ
Ю. В. Свищёв
Открытый резонатор (ОР) со сферическими зеркалами, содержащий различного рода неоднородности, является одним из устройств, которые находят широкое применение в технике СВЧ. Однако в случае шарового диэлектрического включения результаты исследований спектральных характеристик ОР в резонансном диапазоне длин волн (на основе строгих в математическом отношении моделей) в научной литературе не известны. В данной работе, во-первых, построена строгая математическая модель аксиально-симметричных собственных колебаний магнитного типа в ОР со сферическими зеркалами, содержащем диэлектрическое шаровое включение, и, во-вторых, на ее основе изучены зависимости собственных частот и добротностей собственных колебаний рассматриваемого электродинамического объекта от его геометрических и материальных параметров. Основной результат: обнаружен и исследован эффект резонансного падения (повышения) добротности собственных колебаний при изменении геометрических и материальных параметров шарового включения. Установлена также природа резонансного изменения добротности собственных колебаний. Результаты исследований следует учитывать как при размещении в ОР различного рода неоднородностей, так и при восстановлении амплитудного распределения поля методом пробного тела.
ГИГАНТСКАЯ «ОПТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ» КОМПОЗИТНОЙ ПЛОСКОКИРАЛЬНОЙ ДИАФРАГМЫ В СВЧ-ДИАПАЗОНЕ
В. Н. Деркач, А. А. Кириленко, А. О. Перов, С. А. Приколотин, А. Н. Салогуб
В последнее время большое внимание уделяется исследованию метаматериалов – композитных искусственных сред, обладающих различными электрофизическими свойствами и характеристиками, которые не всегда возможно получить с применением существующих природных материалов. В частности, активно исследуется возможность использования плоскокиральных структур в устройствах вращения плоскости поляризации излучения. В работе приведены результаты теоретического анализа и экспериментального исследования свойств двухслойной композитной плоскокиральной диафрагмы (КПКД), расположенной в квадратном волноводе. Эксперименты проведены в 3-см диапазоне электромагнитных волн. Показано, что КПКД проявляет свойство гигантской «оптической активности» и, в соответствии с расчетом, приводит к повороту плоскости поляризации на 90°. Рассчитанный и измеренный максимумы коэффициента пропускания кросс-поляризованной составляющей совпадают по частоте с высокой точностью, а потери не превышают 0,2 дБ. Показана возможность перестройки полосы пропускания путем изменения расстояния между слоями.
ФОРМИРОВАНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛИЗИРОВАННЫМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ДИСКОМ С НЕОСЕВЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
C. A. Радионов, И. В. Иванченко, Н. А. Попенко, М. М. Хруслов
Формирование узкой диаграммы направленности (ДН) для малогабаритных излучателей, применяемых в системах связи, является актуальной задачей, решению которой в настоящее время посвящен ряд работ как в отечественных, так и в зарубежных научных журналах. В нашей работе реализован подход, связанный с применением анализа распределений электромагнитного поля в ближней и промежуточной зонах излучения для объяснения особенностей формирования ДН малоапертурного излучателя с неосевым возбуждением. Численное моделирование распределения ближних полей, ДН и коэффициента обратных потерь при изменении геометрических параметров предложенного диэлектрического дискового излучателя с металлизированным диском позволило определить его оптимальные размеры для формирования заданной ДН. В результате тестирования созданного макета диэлектрического дискового излучателя получены следующие характеристики: полоса пропускания 20 %, ширина ДН в E-плоскости 28°, в Н-плоскости – 40°; максимум излучения ориентирован в направлении зенита. Данный подход к анализу характеристик излучателей может быть использован для создания новых излучателей с заданными характеристиками, а предложенный излучатель применен в системах связи.
ОЦЕНКА КОНЦЕНТРАЦИИ ЭЛЕКТРОНОВ И ВЫСОТЫ НИЖНЕЙ ГРАНИЦЫ ИОНОСФЕРЫ ПО ДАННЫМ АНАЛИЗА МНОГОМОДОВЫХ ТВИК-АТМОСФЕРИКОВ
Ю. В. Горишняя
Твик-атмосферики (твики), наряду с радиопросвечиванием волнами ОНЧ-радиостанций, используются для изучения нижней ионосферы. В рамках существующих моделей их распространения вблизи частот отсечки волновода Земля–ионосфера прогнозируется как убывание, так и рост эффективной высоты отражения с ростом порядка волноводной моды. Поэтому представляет интерес анализ экспериментальных данных на основе усовершенствованной методики, позволяющей получить более точные оценки высоты отражения от ионосферы. По экспериментальным записям твик-атмосфериков (твиков) определены дальности до их источников и эффективные высоты отражения от ионосферы, соответствующие модам первого и высшего порядков волновода Земля–ионосфера. Исследовалось количество наблюдаемых гармоник в твиках в зависимости от дальности до источника, локального времени, и эффективной высоты отражения от ионосферы. Показано, что эффективная высота отражения твиков растет в течение ночи. В диапазоне высот отражения 87…89 км наблюдается рост относительного количества твиков с высшими гармониками. Наибольшее число гармоник в твиках наблюдается в период 20…24 часа локального времени. Показано, что эффективная высота отражения для первой моды больше на 1,4 км высоты для второй моды, что в рамках анизотропной модели ионосферы позволило оценить плотность электронов в области высоты отражения. Результаты исследования позволяют выбрать адекватную модель распространения твиков и оценки параметров нижней ионосферы.
ПОТЕРИ ЭНЕРГИИ ЗАРЯЖЕННОЙ ЧАСТИЦЫ, ДВИЖУЩЕЙСЯ ПО СПИРАЛЬНОЙ ТРАЕКТОРИИ
А. В. Дормидонтов, Ю. В. Прокопенко, С. И. Ханкина, В. М. Яковенко
Одной из актуальных проблем современной радиофизики и электроники является исследование механизмов генерации электромагнитных волн при движении заряженных частиц в различных электродинамических системах. При этом к числу принципиально важных характеристик возможного процесса генерирования относятся потери энергии одной частицы в единицу времени на возбуждение в системе собственных колебаний. Знание потерь энергии позволяет найти инкременты и определить пороговые условия неустойчивости колебаний при движении потоков заряженных частиц в системе. С использованием уравнений Максвелла на основе комплексного подхода (аналитического и численного) нами найдены потери энергии заряженной частицы, движущейся по спиральной траектории над поверхностью цилиндра, который представляет собой диэлектрик или металл. Сформулированы условия, при которых возникает магнитно-тормозное излучение электромагнитных волн в системе. Результаты исследований расширяют и систематизируют знания (наши представления) о механизмах генерирования электромагнитных волн в электродинамических системах, составляющих основу микроволновых генераторов.
ВИДЕНИЕ СКВОЗЬ ТУРБУЛЕНТНУЮ АТМОСФЕРУ
Ю. В. Корниенко
Статья посвящена 110-летию со дня рождения А. Я. Усикова. Кратко излагается история исследований в Институте радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова Национальной академии наук Украины (ИРЭ НАНУ) по цифровой обработке изображений, начало которым положил А. Я. Усиков. Главное внимание уделено проблеме достижения дифракционного разрешения при наблюдении объекта сквозь турбулентную атмосферу и новым результатам, полученным в этом направлении в ИРЭ НАНУ за последнее время.
СУБМИЛЛИМЕТРОВЫЙ ДИОД НА АРСЕНИД–ГАЛЛИЕВОЙ НАНОСТРУКТУРЕ
Н. М. Гончарук, Н. Ф. Карушкин, В. А. Ореховский, В. В. Малышко
Рабочая частота диода субмиллиметрового диапазона на AlGaN/GaN однобарьерной наноструктуре с нерезонансным туннелированием электронов определяется инерционностью их туннелирования через потенциальный барьер этой структуры. С целью повышения рабочей частоты исследуется аналогичный диод на AlGaAs/GaAs наноструктуре, где эффективная масса и, следовательно, инерционность туннелирования электрона меньше. Получены зависимости отрицательной проводимости (ОП) и реактанса диода от его диаметра, пролетного угла, частоты и времени туннелирования. Определены оптимальные значения диаметра и угла пролета, соответствующие максимуму ОП диода при различном времени туннелирования. Показано, что рабочая частота арсенид–галлиевого диода выше, чем таковая нитрид–галлиевого диода при одинаковых параметрах барьерного слоя. Максимальная ОП для арсенид–галлиевого диода меньше ее величины для нитрид–галлиевого диода с таким же временем туннелирования. Полученные результаты подтверждают целесообразность проведенных исследований.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЛЯТИВИСТСКОГО МАГНЕТРОНА МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА
С. А. Бердин, Н. П. Гадецкий, В. Г. Коренев, А. Н. Лебеденко, М. И. Марченко, И. И. Магда, О. Г. Мележик, В. А. Сошенко, К. В. Чижов, С. Н. Терехин, А. С. Тищенко
Настоящая работа является продолжением исследований слаборелятивистского импульсного магнетрона миллиметровых волн [1, 2], целью которых была оптимизация электрических параметров прибора и выявление факторов, препятствующих его эффективной работе. Приводятся результаты экспериментального исследования условий возбуждения 48-резонаторного релятивистского магнетрона 8-мм диапазона (РМ8), в ходе которого определялись частота и типы колебаний, измерялись зависимости интенсивности генерации от величины внешних статических Е- и Н-полей. Обнаружено, что в широком диапазоне значений внешних полей основным типом колебаний для исследуемого диапазона частот 37...41 ГГц является p-вид. Также приводятся результаты оптимизации рабочих режимов генерации (импульсного высоковольтного напряжения U0 и индукции внешнего магнитного поля B0) в зависимости от геометрических параметров пространства взаимодействия магнетрона, а именно – от размеров катода и величины зазора dca между катодом и анодом.
КВАЗИОПТИЧЕСКОЕ МАСШТАБНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЛОКАЛИЗОВАННЫХ ДЕФЕКТОВ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОВ НА ДАННЫЕ ОПТИЧЕСКОЙ ЭЛЛИПСОМЕТРИИ
А. И. Беляева, A. A. Галуза, В. К. Киселев, И. В. Коленов, А. А. Савченко, Е. М. Кулешов, С. Ю. Серебрянский
Эллипсометрия – высокочувствительный, бесконтактный, неразрушающий метод исследования поверхностей и межфазных границ, основанный на изучении изменения состояния поляризации зондирующей электромагнитной волны в результате ее взаимодействия с границей раздела. Особую проблему при анализе эллипсометрических данных представляют дефекты поверхности, к которым можно отнести шероховатость, островковые пленки, регулярный рельеф, отдельные локализованные дефекты. На сегодняшний день не существует адекватных моделей, описывающих влияние локализованных дефектов поверхности на результаты эллипсометрических экспериментов. Ранее было выдвинуто предположение, что локализованные дефекты при определенных условиях могут не влиять на эллипсометрические данные. Целью работы является проверка этой гипотезы путем проведения систематических исследований влияния дефектов в форме параллелепипедов различных размеров на эллипсометрические данные. C помощью созданного терагерцевого эллипсометра, работающего на длине волны l = 2,2 мм (0,14 ТГц), проведено масштабное моделирование влияния дефектов, характерных для поверхности, подвергнутой радиационному распылению, на результаты эллипсометрического эксперимента в оптическом диапазоне. Такая большая рабочая длина волны позволяет формировать на поверхности дефекты заданной формы и размеров и исследовать их влияние на эллипсометрические параметры. Приведено описание эллипсометра, а также результаты систематических исследований влияния различных дефектов на поверхности материала с сильным поглощением на данные эллипсометрии. Впервые экспериментально доказано, что локализованные дефекты, сравнимые по размеру с длиной волны, могут быть «невидимыми» для эллипсометрической методики.
ПОЛУЧЕНИЕ ПОПЕРЕЧНЫХ МОД С АЗИМУТАЛЬНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ В ВОЛНОВОДНЫХ КВАЗИОПТИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРАХ ТЕРАГЕРЦЕВОГО ДИАПАЗОНА
О. В. Гурин, А. В. Дегтярев, В. А. Маслов, В. А. Свич, В. С. Сенюта, А. Н. Топков, В. В. Хардиков
Цилиндрические векторные пучки имеют множество приложений, включая ускорение электронов, обработку материалов, высокоразрешающую метрологию, микроэллипсометрию и спектроскопию. В терагерцевом диапазоне методы и подходы формирования пучков со сложной поляризационной структурой практически отсутствуют. Предложена методика расчета и численно получены коэффициенты отражения и передачи азимутально-симметричных мод для дифракционного зеркала в виде многокольцевой диафрагмы, расположенной внутри металлического круглого волновода. При помощи программного пакета HFSS найдена оптимальная структура дифракционного зеркала, позволяющая существенно снизить коэффициенты отражения мод с неазимутальными типами поляризации. Полученные результаты могут найти применение при разработке новых внутрирезонаторных методов формирования излучения с пространственно-неоднородной поляризацией в лазерах терагерцевого диапазона.
БЕЗЫЗБЫТОЧНЫЕ КОНФИГУРАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ НА КВАДРАТНЫХ И ГЕКСАГОНАЛЬНЫХ РЕШЕТКАХ БОЛЬШИХ РАЗМЕРОВ
Л. Е. Копилович
В оптической и радиоастрономии для получения высокого разрешения используются интерферометры, элементы которых образуют безызбыточную конфигурацию (БК). При заданном числе элементов интерферометр такого типа позволяет измерять максимальное число пространственных частот, а также использовать методы, исключающие фазовые флуктуации, вызванные неоднородностью среды. При разработке математической модели интерферометра такого типа с двумерной апертурой, с возрастанием числа элементов (сопровождающимся необходимостью увеличения размера апертуры) резко возрастает объем вычислений. Обычно применяемые статистические методы в этом случае являются недостаточно эффективными. В настоящей работе для построения математических моделей двумерной апертуры – целочисленных решеток с БК элементов – применяется регулярный метод, основанный на использовании специальных комбинаторных конструкций – планарных разностных множеств. Дается краткое описание свойств этих множеств и способ их применения для решения поставленных задач. В работе построены БК с максимизированным числом элементов на квадратных и гексагональных решетках, а также БК, обеспечивающие полное покрытие центральной области пространственных частот. Получены оценки максимального числа элементов БК на решетках этих типов. Предложенный метод позволяет строить БК с максимизированным числом элементов на двумерных решетках большого размера. С его помощью возможно решать оптимизационные задачи построения интерферометрических систем, предназначенных для астрономических исследований. Он эффективнее статистических методов по объему вычислений и затрачиваемого на них времени.
ЧАСТОТНЫЙ ДЕТЕКТОР ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА НА ИЗОТРОПНОЙ СТРУКТУРЕ
К. А. Вытовтов
Хорошо известно, что системы связи с частотной модуляцией обладают лучшей помехозащищенностью в сравнении с широко распространенными системами с амплитудной модуляцией. Но несмотря на их широкое использование в радиочастотном диапазоне, в оптическом диапазоне таких систем вообще нет. Одной из причин является отсутствие частотных детекторов указанного диапазона. В данной работе впервые представлены частотные детекторы ближнего инфракрасного диапазона (850 нм) на основе слоистой изотропной структуры. Описан принцип действия и рассчитаны основные технические параметры устройств. В данных устройствах детектирование проводится в два этапа: на первом этапе изменение частоты преобразуется в изменение амплитуды, на втором проводится детектирование амплитудно-модулированного колебания обычными амплитудными детекторами. Здесь рассмотрены три возможные вида детекторов: синфазный, инверсный, балансный. Указаны достоинства и недостатки устройств, а также описаны перспективы их применения в системах связи. Полученные результаты могут быть использованы при разработке оптических систем связи с частотной модуляцией.