2014, т. 5(19), № 3
ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ И ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СЛОИСТЫХ КИРАЛЬНЫХ СРЕД
Н. Н. Белецкий, С. Ю. Полевой, С. И. Тарапов
Исследование слоистых киральных сред представляет интерес и для фундаментальной и для прикладной физики. Такие среды могут применяться для создания СВЧ-устройств, таких как поляризаторы и фильтры. Несмотря на то что спектральные и поляризационные характеристики слоистых сред в настоящее время изучены достаточно хорошо, слоистые киральные среды изучены еще недостаточно. Нами исследованы спектральные и поляризационные характеристики слоистых киральных сред с использованием метода матриц распространения. Получены коэффициенты матрицы распространения для слоисто-периодической киральной среды. Вычислены коэффициенты прохождения и отражения линейно поляризованных электромагнитных волн для структуры, состоящей из плоских киральных слоев. Определены границы запрещенных зон для периодической среды, элементарная ячейка которой состоит из двух различных киральных слоев. Показано, что границы запрещенных зон не зависят от параметра киральности слоев, входящих в структуру. Найдено, что при определенных значениях толщин слоев ширина запрещенных зон становится равной 0. Отмечено, что предложенную методику расчета коэффициентов отражения и прохождения можно использовать для определения эффективных материальных параметров искусственных киральных метаматериалов.
ПОВЫШЕНИЕ НАПРАВЛЕННОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ КОЛЬЦЕВОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ
М. В. Балабан, А. В. Сомов
Круговые антенные решетки, состоящие из одного и нескольких колец однотипных излучателей, вызывают особый интерес в последнее время. Это связано с возможностью применения таких решеток при создании мощных передающих устройств. В работе приведены результаты исследования свойств кольцевой антенной решетки линейной поляризации, состоящей из одного и нескольких колец однотипных излучателей. В качестве излучателей были рассмотрены элементарные и комплексные элементы Гюйгенса. Изучено изменение диаграммы направленности при вариации радиуса решетки, увеличении количества ее излучателей и повышении направленности излучения каждого элемента. Продемонстрирована возможность улучшения характеристики направленности излучения антенной решетки при увеличении количества ее колец. Приведен пример моделирования приемо-передающей антенной системы с излучателем в виде четырехкольцевой антенной решетки с высоким коэффициентом усиления и низким уровнем боковых лепестков.
АНАЛИЗ СВОЙСТВА ШИРОКОПОЛОСНОСТИ БИКОНУСА С ОДНИМ КОНЕЧНЫМ ПЛЕЧОМ
О. М. Шарабура
Биконические структуры являются базовыми для исследования электродинамических характеристик вибраторов, монополей и биконических антенн. Такие структуры исследуются в основном приближенными методами. Здесь использован математически строгий подход к анализу электродинамических характеристик металлического биконуса, сформированного конечным и полубесконечным конусами, с произвольными значениями угловых параметров и длины образующей. Исследовано распределение поля вблизи ребра биконуса, частотные зависимости модулей комплексных амплитуд основных мод и диаграммы направленности. Полученные результаты могут быть использованы для расчета параметров биконических антенн.
ВОССТАНОВЛЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ ЖИДКИХ ОСАДКОВ С ПОМОЩЬЮ МНОГОЧАСТОТНОГО АКТИВНО-ПАССИВНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
А. М. Линкова, Г. И. Хлопов
Разработка методов дистанционного зондирования жидких осадков является актуальной задачей как для практического применения в различных областях сельского хозяйства, так и для решения теоретических задач физики атмосферы. Рассматривается метод восстановления интенсивности жидких осадков с помощью активно-пассивного зондирования на основе двухчастотного радара и радиометра. Получены выражения для активно-пассивного зондирования дождей в виде системы трех интегральных уравнений. Предложен алгоритм решения обратной задачи численными методами, основанный на использовании базы данных принятых мощностей двухчастотного радара и радиояркостной температуры радиометра, рассчитанной путем решения прямой задачи активно-пассивного зондирования для различных значений параметров распределения капель по размерам. Проведено численное моделирование активно-пассивного зондирования жидких осадков в диапазоне интенсивности до 30 мм/ч и для длин волн радара 8,2 мм и 3,2 см и 3,4 см для радиометра. Показано, что предложенный алгоритм позволяет восстанавливать интенсивность дождя с погрешностью не более 10 %.
СЕЧЕНИЕ ОБРАТНОГО РАССЕЯНИЯ НЕСФЕРИЧЕСКИМИ ЧАСТИЦАМИ ДОЖДЯ
А. Б. Веселовская, Г. И. Хлопов
Радиолокационным методам измерения характеристик жидких осадков уделяется значительное внимание в связи с исследованиями физических процессов в атмосфере, а также при решении прикладных задач. Однако существующие методы расчетов характеристик отражения основаны на предположении о сферической форме частиц осадков, в то время как форма реальных капель дождя в большинстве случаев имеет несферическую форму. Поэтому в настоящей работе рассмотрены результаты исследования обратного рассеяния от эллипсоидальных капель и капель Пруппахера-Питтера, которые наиболее широко используются при описании несферических частиц. При этом в качестве метода расчета используется приближение дипольного рассеяния, а также строгий метод моментов. Сравнительные вычисления проведены для горизонтальной и вертикальной поляризаций падающего поля в диапазонах длин волн l = 0,8; 3,2; 5,5 и 10 см, которые позволили получить значения погрешности вычисления эффективной площади рассеяния капель при использовании приближенных методов. Кроме того предложена полиномиальная аппроксимация результатов строгих вычислений и найдены коэффициенты разложения, что позволяет использовать полученные данные при расчете характеристик рассеяния в случае полидисперсной среды.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТРОПОСФЕРНОЙ РЕФРАКЦИИ В ЗОНЕ ТЕНИ ПО ИЗЛУЧЕНИЮ УДАЛЕННОГО ИСТОЧНИКА. ЧАСТЬ 1. МОДЕЛЬ
В. Б. Замараев, В. Б. Синицкий
Оценка тропосферной рефракции по сигналам искусственных спутников Земли (ИСЗ) является актуальной задачей, так как относится к практически важной проблеме краткосрочной диагностики условий распространения радиоволн. Статья посвящена разработке модели, имитирующей заход ИСЗ в области геометрической тени, в которой эффекты тропосферной рефракции максимальны. Модель использует численные расчеты, основанные на дифракционных и геометрооптических построениях. Так как в случае с удаленным источником концепция эквивалентного радиуса Земли неприменима, расчеты проведены для Земли натурального радиуса. Результаты расчетов множителя ослабления в области геометрической тени, выполненных по дифракционной теории для виртуального источника, трансформируются на горизонт реального удаленного источника с помощью геометрооптической модели для слоисто-стратифицированной атмосферы. Используется принцип, устанавливающий равенство множителей ослабления на трассах с общим загоризонтным участком. Расчеты множителя ослабления произведены для набора линейно-экспоненциальных профилей коэффициента преломления тропосферы при разных приземных значениях и различных градиентах (от стандартной до почти критической рефракции). Полученные характеристики могут быть использованы для решения обратной задачи рефракции – восстановления градиента коэффициента преломления приводного слоя тропосферы. Показано, что информативными параметрами для оценки рефракции являются угол радиозахода и крутизна дифракционного участка множителя ослабления.
УПРАВЛЕНИЕ ОТРАЖАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТЬЮ СЛОИСТОГО СВЕРХПРОВОДНИКА С ПОМОЩЬЮ СТАТИЧЕСКОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ
Т. Н. Рохманова, З. А. Майзелис, С. С. Апостолов, В. А. Ямпольский
Высокотемпературные слоистые сверхпроводники представляют собой материал, поддерживающий распространение электромагнитных волн терагерцевого диапазона, что перспективно с точки зрения различных приложений. Возможность управления коэффициентом отражения волны с помощью внешнего постоянного магнитного поля представляет особый интерес, поскольку магнитное поле является гибким инструментом настройки прозрачности образцов слоистых сверхпроводников. В работе показано, что благодаря нелинейной связи электромагнитного поля с током в слоистом сверхпроводнике коэффициент отражения электромагнитной волны зависит от величины внешнего магнитного поля. При этом наличие магнитного поля может приводить как к увеличению, так и уменьшению коэффициента отражения. Найдены аналитические выражения для коэффициента отражения и проанализировано его поведение при изменении параметров задачи. Особое внимание уделено проблеме минимизации коэффициента отражения в функции угла падения, величины статического магнитного поля и частоты волны. Определены условия практически полного уменьшения коэффициента отражения. Полученные результаты могут быть использованы для конструирования фильтров, детекторов и источников терагерцевого излучения.
ВЛИЯНИЕ АНИЗОТРОПИИ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ НА ОПТИЧЕСКИЕ И ГЕНЕРАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРНЫХ МАТРИЦ НА ОСНОВЕ АКТИВИРОВАННЫХ КРАСИТЕЛЯМИ ПОЛИУРЕТАНОВ
С. В. Николаев, В. В. Пожар, М. И. Дзюбенко
В последнее время возрос интерес к исследованиям, направленным на создание эффективных твердотельных лазеров на красителях. Большая часть этих исследований посвящена синтезу твердых активных сред на основе прозрачных полимеров разной химической природы. Одним из классов полимеров, которые могут быть использованы в лазерных технологиях, есть полиуретан и его производные. По сравнению с другими типами полимерных сред полиуретановые среды исследованы гораздо меньше. В частности, это касается их оптических свойств. Работа посвящена изучению причин возникновения анизотропии показателя преломления полиуретановых активных сред и исследованию ее влияния на оптические и генерационные характеристики лазерных матриц. Установлено, что оптически анизотропное состояние среды обусловлено как внутренними напряжениями полиуретана в результате межмолекулярного взаимодействия, так и наведенными мощной накачкой термическими напряжениями. Показано, что оптическая анизотропия сред приводит к наличию в них локального двулучепреломления. Исследовано влияние наведенного поперечной накачкой двулучепреломления на поляризацию лазерного излучения. Установлено, что в таких условиях полиуретановые активные элементы генерируют поляризованное излучение даже при возбуждении неполяризованным светом.
АКТИВНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ФАКЕЛЬНОГО РАЗРЯДА И ЧАСТОТНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ НАИМЕНЬШЕГО ДЛЯ ЕГО ПОДДЕРЖАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ВЧ-ГЕНЕРАТОРА
А. О. Пузанов, Б. П. Ефимов, А. Н. Кулешов
Актуальность рассмотренной задачи обусловлена необходимостью снизить энергопотребление установки, предназначенной для возбуждения и длительного поддержания горения факельного разряда (ФР), при промышленном ее использовании, а также сложностями исследований ФР в широком частотном диапазоне. Задача сводится к разработке метода измерения такой важной характеристики ФР, как его активное сопротивление. В научной литературе описаны достаточно сложные и дорогостоящие методы получения результата. В данной статье получены формулы, позволяющие определить величину активного сопротивления ФР мощностью до 1 кВт по результатам измерений на двух частотах наименьших напряжений генератора, необходимых для поддержания горения ФР. Также построены частотные зависимости для этих напряжений. Выведены простые оценочные выражения для параметров ФР, сравнивается их точность в различных случаях. Найдена область полосы частот, в которой полученные выражения остаются справедливыми. Предложенный метод позволяет существенно упростить получение результата за счет снижения стоимости и сложности измерительной установки. Выполненная работа способствует более эффективному использованию материально-технических ресурсов.
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ГЕНЕРАЦИИ ПЛАНАРНОГО ДИОДА С ТУННЕЛЬНЫМ АНОДОМ И ТУННЕЛЬНОЙ БОКОВОЙ ГРАНИЦЕЙ
Э. Д. Прохоров, О. В. Боцула, О. А. Реутина
Освоение миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов является одной из актуальных задач радиофизики. Однако на сегодняшний день набор активных элементов, способных работать в указанных диапазонах, ограничен. Одним из вариантов такого активного элемента есть предлагаемый прибор – диод с туннельной боковой границей (ТБГ) и туннельным анодом (ТА). В работе исследуются вольтамперные характеристики и эффективность генерации планарных диодов с ТА и ТБГ на основе GaAs с целью определения влияния параметров ТА и ТБГ на вольтамперные характеристики и эффективность генерации на низких и высоких частотах, а также оценки частотного предела работы диодов. Исследование показало возможность генерации диодами с ТА и ТБГ в диапазоне десятки-сотни гигагерц и возможность существования двух участков отрицательной дифференциальной проводимости двух зон генерации по напряжению. Результаты исследования позволили определить основные свойства предложенных диодных структур и являются ориентиром для дальнейшего детального анализа физических процессов в них и практической реализации.
АНАЛИТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ФОРМИРОВАНИЯ СТАТИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПОТОКА В ПРОСТРАНСТВЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГЕНЕРАТОРА ДИФРАКЦИОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
В. Н. Желтов, А. И. Цвык
Основной задачей современной вакуумной электроники является повышение энергетических характеристик генераторов и увеличение частотного диапазона их работы. Впервые в приближении аналитической теории приводятся исследования физических процессов формирования статического ленточного электронного потока (ЭП) в пространстве взаимодействия генератора дифракционного излучения (ГДИ). Изучаются процессы формирования ЭП вблизи поверхности дифракционной решетки при изменении различных физических и технических параметров электронно-оптической системы ГДИ с диодной электронной пушкой, в частности, от расстояния между зеркалами и параметров электронной пушки. Обнаружено, что в ГДИ и классических приборах О-типа ЭП отличаются.
РАСПРОСТРАНЕНИЕ И ФОКУСИРОВКА МОД ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РЕЗОНАТОРА ТЕРАГЕРЦЕВОГО ЛАЗЕРА
О. В. Гурин, А. В. Дегтярев, В. А. Маслов, В. А. Свич, В. С. Сенюта, А. Н. Топков
Цилиндрические векторные пучки имеют множество приложений, включая ускорение электронов, обработку материалов, высокоразрешающую метрологию, микроэллипсометрию и спектроскопию. Результаты исследований особенностей их распространения и фокусировки в терагерцевом диапазоне практически отсутствуют. Теоретически на основе векторной теории Рэлея-Зоммерфельда и экспериментально с использованием излучения волноводного терагерцевого лазера (l = 0,4326 мм) проведено исследование физических особенностей распространения в свободном пространстве и умеренной и острой фокусировки лазерных пучков излучения, возбуждаемых модами диэлектрического резонатора с круглым волноводом с различной пространственной поляризацией поля. Полученные результаты расширяют знания об особенностях распространения в различных зонах дифракции и фокусировки лазерных пучков терагерцевого диапазона.
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ФАЗОВЫЕ СЕКЦИИ НА ОСНОВЕ ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЯ ФОРМЫ В ТЕРАГЕРЦЕВОМ ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ
В. И. Безбородов, О. С. Косяк, Е. М. Кулешов, В. В. Ячин
При построении поляризационных радиоизмерительных трактов терагерцевого диапазона широкое применение находят преобразователи поляризации, основными элементами которых являются дифференциальные фазовые секции (ДФС). Применение субмиллиметровых волн позволяет осуществить исследования в области радиоастрономии, радиоспектроскопии, биологии, медицине, физики атмосферы и т. д. В связи с тем, что в терагерцевом диапазоне используются квазиоптические линии передач, оправдан переход к оптическим принципам построения ДФС с применением диэлектриков, обладающих двойным лучепреломлением. Данное свойство имеют некоторые кристаллы (сапфир, исландский шпат, кварц и т. д.). В работе рассмотрены искусственные диэлектрические структуры, обладающие двулучепреломлением формы с периодом структуры, соизмеримым с длиной волны (известны классические методы расчета таких структур с периодом, значительно меньшим длины волны). Рассмотрены искусственные диэлектрические структуры, обладающие двулучепреломлением формы с периодом структуры, соизмеримым с длиной волны. Был применен численный метод интегральных функционалов в частотной области для многомодовой задачи рассеяния. Этот метод основан на трехмерных интегральных уравнениях для эквивалентного электрического и магнитного тока поляризации периодической среды. Также рассмотрены условия согласования таких структур со свободным пространством. Согласование осуществляется с помощью диэлектрических слоев. Проведено экспериментальное исследование макетов таких ДФС, результат которых подтвердил правильность выбора таких структур и условий их согласования.
КАЛИБРОВКА ТОНКОПРОВОЛОЧНОГО БОЛОМЕТРА ЭНЕРГИИ ИМПУЛЬСА ЛАЗЕРА НА ДЛИНЕ ВОЛНЫ 1,06 МКМ
С. В. Погорелов
Одним из приоритетных направлений совершенствования квантово-оптических средств является повышение мощности лазерного излучения и улучшение его пространственно-временных параметров. При этом важными являются вопросы высоко-точного измерения этих параметров в реальных условиях функционирования лазерных устройств. При измерении характеристик высокоэнергетических лазерных пучков возникают специфические особенности процесса регистрации, которые вызваны нелинейным характером взаимодействия мощного лазерного излучения с материалом приемника. Целью работы является определение функции преобразования тонкопроволочным болометром энергии импульса лазерного излучения на длине волны 1,06 мкм с учетом возникающей нелинейности и неравномерности распределения интенсивности по поверхности приемного элемента. С учетом полученных температурных зависимостей основных физических параметров болометра решено уравнение теплового баланса. Получены зависимости эффективной температуры нагрева болометра от эффективной удельной энергии лазерного излучения, падающего на болометр. Обратная функция аппроксимирована полиномом второй степени, которая является функцией преобразования. Получены числовые значения коэффициентов кубического уравнения измерения и их относительные среднеквадратические отклонения, что позволяет проводить абсолютные измерения энергетических параметров лазерного излучения на длине волны 1,06 мкм тонкопроволочными болометрами. Таким образом, обоснована методика абсолютной калибровки тонкопроволочного болометра энергии импульса лазерного излучения на длине волны 1,06 мкм.