2014, т. 5(19), № 4
ВОЗНИКНОВЕНИЕ КВАНТОВОГО (ВОЛНОВОГО) ХАОСА В ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ РЕЗОНАТОРЕ С СИНГУЛЯРНЫМИ ВОЗМУЩЕНИЯМИ
Е. М. Ганапольский
В диапазоне частот 26…38 ГГц экспериментально изучены частотные спектры квазиоптического цилиндрического СВЧ-резонатора со вставленными в него тонкими металлическими стержнями, играющими роль сингулярных возмущений. Определена зависимость характера спектра от числа стержней–возмущений в резонаторе. Установлено, что при малом числе возмущений в спектре наблюдается пуассоновское распределение межчастотных (МЧ) интервалов. Это свидетельствует о том, что в данном случае система квазирегулярная и в ней наблюдаются признаки квантового (волнового) хаоса (КХ). Однако с ростом числа сингулярностей спектр системы качественно меняется: распределение МЧ-интервалов приближается к вигнеровскому, которое свидетельствует о появлении эффекта «отталкивания» уровней в спектре и присутствии в системах КХ. Таким образом, экспериментально установлено, что КХ возникает в квазирегулярной системе только при достаточно большом числе сингулярных возмущений.
ЧИСЛЕННО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ДИФРАКЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН НА НЕОДНОРОДНЫХ АНИЗОТРОПНЫХ СЛОЯХ
А. В. Бровенко, П. Н. Мележик, А. Е. Поединчук
Предложен численно-аналитический метод определения амплитуд отражения и прохождения плоской линейно поляризованной электромагнитной волны, падающей наклонно на неоднородный анизотропный диэлектрический слой, элементы тензора которого зависят от одной пространственной координаты. Метод основан на построении специальных решений задачи Коши для уравнения Рикатти и дает возможность в рамках единого подхода исследовать процесс дифракции волн на электродинамических структурах такого типа. Эффективность предложенного метода продемонстрирована на ряде примеров численного решения задач дифракции на неоднородных гиротропных (плазменноподобных) слоях. Получена длинноволновая асимптотика для коэффициента отражения плоской однородной волны от неоднородного гиротропного слоя в предположении, что элементы тензора последнего не зависят от частотного параметра.
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ОЦЕНКИ
ПОЛНОГО ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ ТРОПОСФЕРЫ НАД ХАРЬКОВСКИМ РЕГИОНОМ
ПОСРЕДСТВОМ GPS-ИЗМЕРЕНИЙ
А. Л. Коворотный, Ф. В. Кивва, Ю. В. Гончаренко, В. Н. Горобец, А. И. Горб
Одним из метеорологических параметров, оказывающих решающее влияние на распространение микроволн в атмосфере, является влажность и ее пространственно-временные распределения. В работе рассмотрены результаты измерения общего влагосодержания атмосферы над Харьковским регионом с помощью навигационной системы GPS, численно приведенные к количеству осажденной влаги в вертикальном столбе над приемником посредством различных моделей. Проведен сравнительный анализ результатов расчетов по 10 тропосферным моделям в зависимости от различных погодных условий. Показано, что определенным преимуществом обладают две модели: Saastamoinen – для лета и Hophield – для весеннего и осеннего периодов, что отражает региональные особенности тропосферы, связанные с особенностями циркуляции воздуха и температурным режимом. Использование оптимальной модели позволяет уменьшить ошибку определения влагосодержания в атмосфере в 3...5 раза.
УСТРАНЕНИЕ НЕОДНОЗНАЧНОСТИ РЕШЕНИЯ ОБРАТНОЙ ЗАДАЧИ ПО ВОССТАНОВЛЕНИЮ ИНТЕНСИВНОСТИ ДОЖДЯ С ПОМОЩЬЮ ДВУХЧАСТОТНОГО РАДИОЛОКАЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
А. Б. Веселовская, О. А. Войтович, Г. И. Хлопов
С использованием численного моделирования проанализирована зависимость эффективной поверхности рассеяния дождевых капель от их диаметра для различных значений используемых длин волн. Показано, что в коротковолновом участке СВЧ-диапазона (λ< 3,2 см) она имеет немонотонный характер, обусловленный резонансным рассеянием электромагнитных волн на каплях дождя. Использование комбинаций рабочих длин волн λ1 = 3,2 см, λ2 = 10 см, а также λ1 = 5,5 см, λ2 = 10 см не позволяет применить двухчастотный метод дистанционного зондирования для восстановления микроструктурных параметров осадков, так как зависимость дифференциальной эффективной поверхности рассеяния от размеров частиц практически отсутствует. Получена система неравенств, позволяющая решить проблему неоднозначности при восстановлении интенсивности дождя по данным двухчастотного зондирования при использовании меньшей длины волны λ1 = 8 мм. Показано, что использование длинноволнового участка СВЧ-диапазона приводит к уменьшению значения радиолокационной отражаемости мелкокапельной части осадков, требует существенного повышения энергетического потенциала метеорологической радиолокационной станции и ужесточает требования к точности проведения измерений.
ИЗМЕРЕНИЕ УГЛОВ МЕСТА НАД МОРЕМ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА ROOT-MUSIC. ВЫБОР РЕШЕНИЯ
Ю. А. Педенко
Работа посвящена проблеме повышения точности радиолокационного измерения углов места маловысотных целей над морем при использовании метода root-MUSIC, который рассматривается специалистами как одно из средств решения данной проблемы. Одной из задач, без решения которой невозможно эффективное использование рассматриваемого метода, является практически не исследованная задача выбора решения, относящегося к цели, из совокупности нескольких полученных решений, количество которых определяется размерностью подпространства сигналов. Путем компьютерного моделирования получены и проанализированы распределения совокупности измеренных углов места для различных степеней волнения моря, при различном количестве пространственных выборок сигнала на заданном раскрыве антенной решетки, различной размерности подпространства сигналов. Рассчитаны угломестные зависимости среднеквадратических ошибок измерения угла места при использовании нескольких предложенных в работе правил выбора решения. Разработаны требования к антенным решеткам, используемых в устройствах измерения угла места, выполнение которых позволяет уменьшить ошибки выбора. Предложены правила, которые эффективно решают задачу правильного выбора. Результаты исследования расширяют представления о путях совершенствования методов и устройств измерения углов места маловысотных целей над морем.
МОНИТОРИНГ ПИКОВЫХ ЧАСТОТ ШУМАНОВСКОГО РЕЗОНАНСА И АНАЛЕММА
А. П. Николаенко
Сопоставляются многолетние наблюдения сезонных вариаций первой пиковой частоты шумановского резонанса, наблюдаемого в вертикальной электрической компоненте поля, с изменениями среднего солнечного времени (аналеммой). Используются записи вертикальной электрической компоненты поля в венгерской обсерватории Надьченк (47,6° с.ш., 16,7° в.д.). Суточные вариации частоты усреднялись в течение каждого месяца, и по ним определялся диапазон (размах) изменений. Использовались как непосредственно сезонные изменения размаха частоты, так и сумма годовых и полугодовых составляющих этой величины, выделенная с помощью сингулярного спектрального анализа. Показано, что суточно-сезонные изменения воспроизводятся год от года. Проведено сравнение данных глобального электромагнитного резонанса с периодическими изменениями среднего солнечного времени. Последние связаны с эллиптичностью земной орбиты, из-за чего видимый центр солнечного диска в течение года описывает на небе петлеобразную кривую – аналемму. Впервые проводится корреляционный анализ десятилетних непрерывных записей и демонстрируется выдающееся подобие электромагнитных и астрономических данных. Обсуждается, как можно объяснить связь между двумя, на первый взгляд независимыми процессами.
АНАЛИЗ ТРЕХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ КОНФИГУРАЦИЙ ГЕОРАДАРОВ
С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ КАЧЕСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ
ПОДПОВЕРХНОСТНЫХ ОБЪЕКТОВ
Л. А. Варяница-Рощупкина, Дж. Дженнарелли, Ф. Сольдовьери, Г. П. Почанин
Качество радиолокационных изображений обнаруживаемых объектов напрямую зависит от качества получаемых георадиолокационных данных. Одним из путей повышения информативности таких данных является использование не традиционных (моностатической, бистатической), а альтернативных (к примеру, дифференциальных) антенных систем. Цель работы состоит в том, чтобы проанализировать и сравнить визуализационные возможности дифференциальных конфигураций антенных систем, составленных из приемной антенны – передающей антенны – приемной антенны, в которых приемные антенны симметрично смещены относительно передающей антенны вдоль трех ортогональных направлений. Для этого выполнено FDTD-моделирование радарограмм для каждой измерительной конфигурации. Для обработки дифференциальных данных полей рассеяния и сравнения между системами использован метод микроволновой томографии. Установлено, что только система с вертикально разнесенными антеннами способна обеспечить наиболее реалистичное изображение независимо от формы исследуемого объекта. Проведенные исследования показали перспективность применения такой системы в практических задачах георадиолокационного зондирования.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТРОПОСФЕРНОЙ РЕФРАКЦИИ В ЗОНЕ ТЕНИ
ПО ИЗЛУЧЕНИЮ УДАЛЕННОГО ИСТОЧНИКА
ЧАСТЬ 2. ЭКСПЕРИМЕНТ
В. А. Кабанов, Г. М. Моргун, В. Б. Синицкий, И. С. Тургенев
Оперативная оценка тропосферной рефракции является актуальной задачей, необходимой для повышения эффективности работы радиотехнических систем. В статье представлены результаты экспериментальных исследований тропосферной рефракции над морем по сигналам спутников навигационной системы GPS. Особенностью работы является использование зоны тени, в которой характеристики сигналов наиболее изменчивы и чувствительны к вариациям рефракции. Для усиления сигналов GPS в области тени применена параболическая антенна. В экспериментах, использующих радиозаходы спутников GPS над морем, наблюдаются реализации сигналов, соответствующие стандартной, повышенной рефракции и волноводному распространению. По экспериментальным данным восстанавливаются градиенты высотного профиля коэффициента преломления n(h) приводного слоя тропосферы, вычисленные в соответствии с разработанной моделью по углу радиозахода и крутизне дифракционного участка множителя ослабления. Они сравниваются с эффективными градиентами, восстановленными по уровням сигналов на приводной загоризонтной трассе. Коэффициенты корреляции массивов градиентов, определяемых по данным на приводной и спутниковых трассах, по отсчетам в близких сеансах составляют ~0,53…0,78, при усреднении данных возрастают до 0,85…0,9. Результаты экспериментов могут быть использованы при разработке систем спутниковой диагностики тропосферной рефракции.
ПОТЕРИ ЭНЕРГИИ ЗАРЯЖЕННОЙ ЧАСТИЦЫ НА ВОЗБУЖДЕНИЕ СОБСТВЕННЫХ ВОЛН В ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ СТРУКТУРАХ С ДВУМЕРНЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ ГАЗОМ
А. В. Дормидонтов, Ю. В. Прокопенко, С. И. Ханкина, В. М. Яковенко
Одной из актуальных проблем современной радиофизики является исследование фундаментальных свойств твердотельных структур, содержащих наноразмерные фрагменты. Исследования механизмов возбуждения электромагнитных волн при движении заряженных частиц в различных электродинамических системах составляют основу электроники. При этом к числу принципиально важных характеристик структур относятся их дисперсионные уравнения. Они позволяют определить место электродинамических структур в радиофизических системах разного назначения. Информационной характеристикой являются потери энергии заряженной частицы в единицу времени на возбуждение в системе собственных волн и/или колебаний. В электростатическом приближении получены дисперсионные уравнения, характеризующие собственные моды полупроводникового (или диэлектрического) цилиндра со слоем двумерного электронного газа на его боковой поверхности, а также определены потери энергии заряженной частицы, движущейся по спиральной траектории вокруг такой структуры. Получены дисперсионные зависимости собственных медленных волн системы и найдены потери энергии частицы, движущейся во внешнем магнитном поле, вектор напряженности которого направлен параллельно продольной оси симметрии цилиндрической структуры. Определены особенности магнитотормозного резонанса системы (эффекта Доплера). Исследованы структуры как с плазменным слоем, так и без него, собственные частоты которых находятся в терагерцевом диапазоне. Проведено сравнение спектров собственных частот исследуемых систем. Изучено влияние поверхностного наноразмерного плазменного слоя на собственные частоты полупроводникового и диэлектрического цилиндров. Результаты исследований расширяют наши представления об электродинамических свойствах систем с плазмоподобными средами и систематизируют знания о механизмах возбуждения электромагнитных волн в электродинамических системах, составляющих основу микроволновых устройств.
ОТКРЫТАЯ РЕЗОНАНСНАЯ СИСТЕМА С ФОКУСИРУЮЩИМ ЗЕРКАЛОМ, СОСТАВЛЕННЫМ ИЗ НЕСКОЛЬКИХ ОТРАЖАТЕЛЕЙ С ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ
В. С. Мирошниченко, Е. А. Ковалев
Обеспечение достаточной длины пространства взаимодействия в генераторах дифракционного излучения, работающих в терагерцевом диапазоне, является актуальной задачей дифракционной электроники. Одним из способов решения этой задачи является использование в открытой резонансной системе генератора составного фокусирующего зеркала. Целью данной работы является экспериментальное исследование свойств резонансных мод в открытой резонансной системе с фокусирующим зеркалом, составленным из нескольких отражателей с цилиндрической поверхностью одинакового радиуса кривизны. Для случая H-поляризации установлены структура поля и добротность резонансных мод в полосе перестройки частоты f = 25÷38 ГГц при использовании фокусирующего зеркала, составленного из двух, трех и четырех цилиндрических отражателей. Для работы генератора дифракционного излучения на основной TEM00q-моде наиболее приемлема открытая резонансная система с фокусирующим зеркалом из двух цилиндрических отражателей. При использовании фокусирующего зеркала, составленного из n ≥ 2 цилиндрических отражателей, хорошими свойствами обладают TEM(n–1)0q-моды при совпадении нулей резонансного поля со стыками цилиндрических поверхностей, в частности, при n = 2 структура поля TEM10q-моды носит супергауссовый характер.
СТРОБОСКОПИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СИГНАЛОВ ПРИ АНАЛОГОВОМ НАКОПЛЕНИИ
В. П. Рубан, А. А. Шуба, А. Г. Почанин, Г. П. Почанин
Применение аналогового накопления в стробоскопическом преобразователе ведет к увеличению динамического диапазона стробоскопического приемного устройства. Однако в научной литературе нет сведений о том, как влияет аналоговое накопление на характеристики стробоскопического преобразователя. Для выяснения этого авторами решена модельная задача стробоскопического преобразования и проведены соответствующие эксперименты для проверки теоретических выводов. Исследовано влияние аналогового накопления сигналов на такие характеристики стробоскопического преобразователя: коэффициент передачи, переходная характеристика, рабочая полоса частот. Исследование показало, что аналоговое накопление приводит к уменьшению времени нарастания переходной характеристики и, соответственно, к расширению рабочей полосы преобразователя. При этом коэффициент передачи остается неизменным. Результаты исследования полезны в практическом плане для создания высокочувствительной сверхширокополосной измерительной аппаратуры.
РЕЗОНАТОРНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ПРОЗРАЧНЫХ ВЕЩЕСТВ В ТЕРАГЕРЦЕВОМ ДИАПАЗОНЕ
М. И. Дзюбенко, В. К. Киселев, В. П. Радионов
Измерение показателя преломления прозрачных веществ в терагерцевом (ТГц) диапазоне требуется при разработке различных приборов и систем, работающих в этом диапазоне. Субмиллиметровые лазеры являются одними из самых доступных источников когерентного ТГц излучения и обладают особенностями, позволяющими проводить измерения показателя преломления прозрачных веществ. Представлена методика оперативного измерения показателя преломления прозрачных веществ, расположенных в квазиоптическом резонаторе, с помощью когерентного электромагнитного излучения ТГц диапазона. Выполнены тестовые измерения показателя преломления. Проведено обоснование уменьшения погрешности измерения показателя преломления с учетом физики процессов в межзеркальном пространстве резонансной системы субмиллиметрового лазера. Показано, что при размещении исследуемого вещества внутри резонатора ТГц лазера может быть существенно повышена точность измерения показателя преломления. Представленные методики измерения показателя преломления прозрачных веществ в ТГц диапазоне могут найти применение в различных областях науки, техники и медицины.