2015, т. 6(20), № 1
ПРОХОЖДЕНИЕ ВОЛН ЧЕРЕЗ ОТРЕЗОК ВОЛНОВОДА СО СЛУЧАЙНО-ШЕРОХОВАТЫМИ СТЕНКАМИ: ДВОЙСТВЕННАЯ ПРИРОДА ЛОКАЛИЗАЦИИ
Ю. В. Тарасов, Л. Д. Шостенко
Построена теория распространения волн в волноводных системах, боковые границы которых на конечном участке являются случайно-шероховатыми. Показано, что главную роль в формировании волноводных состояний играет градиентный механизм поверхностного рассеяния волн, в котором определяющей является острота шероховатостей, а не их амплитуда. Шероховатый участок волновода играет роль эффективного модулированного потенциального барьера, ширина которого совпадает с длиной участка, а высота зависит от средней остроты неровностей границ волновода. В такой системе возможны два типа локализации волн. Один из них проявляется в последовательной «отсечке» волноводных мод по мере заострения шероховатостей, что приводит к прореживанию спектра волновода и переходу его при достаточно большой остроте шероховатостей в «запредельный» режим. Другой механизм – это традиционная андерсоновская локализация, связанная с многократным рассеянием волноводных мод на случайных флуктуациях эффективного потенциала. Предсказано резкое (до 100 %) возрастание волнового кондактанса при переходе волновода в эффективно одномодовый режим за счет градиентной перенормировки мод, которое связано с исчезновением в этом случае канала межмодового рассеяния.
ЧИСЛЕННО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД РЕШЕНИЯ ОБРАТНЫХ ЗАДАЧ ДИФРАКЦИИ ВОЛН НА НЕОДНОРОДНОМ СЛОЕ
А. В. Бровенко, А. А. Вертий, Н. П. Мележик, П. Н. Мележик, А. Е. Поединчук
Предложен численно-аналитический метод решения обратных задач определения профиля относительной диэлектрической проницаемости неоднородного слоя по частотной зависимости коэффициента отражения монохроматической плоской электромагнитной волны. В основе этого метода лежит идея сведения исходной обратной задачи к задаче оптимального управления для уравнения Риккати. Построение решения этой задачи использует численно-аналитический метод решения для прямых задач дифракции монохроматических плоских волн на неоднородном слое и предложенный алгоритм расчета градиента сглаживающего функционала невязки. На основе разработанных алгоритмов решения прямых и обратных задач дифракции волн на неоднородном слое был проведен ряд численных экспериментов, демонстрирующих эффективность предложенного подхода к непрямому определению параметров такого тип структур.
ИНДИКАТРИСЫ РАССЕЯНИЯ МИЛЛИМЕТРОВЫХ И ТЕРАГЕРЦЕВЫХ ВОЛН В ДОЖДЯХ
В. Л. Костина, Ю. И. Малышенко, А. Н. Роенко
При создании радиотехнических систем миллиметрового (мм) и терагерцевого (ТГц) диапазонов необходимы подробные сведения об угловых характеристиках рассеяния излучения осадками. Измерять индикатрисы рассеяния достаточно сложно, проще получить их расчетным путем. Для микроволнового диапазона удается воспользоваться готовыми таблицами индикатрис рассеяния, но для ТГц диапазона волн такие данные отсутствуют. В работе представлены результаты расчета индикатрис рассеяния волн мм и ТГц диапазонов дождевыми каплями. Расчеты выполнены по точным формулам для всего интервала размеров капель, встречающихся в осадках. На основании полученных результатов создана база данных, которая представляет обширные возможности для вычисления индикатрис рассеяния при разнообразных сочетаниях начальных параметров: длины волны излучения, функции распределения дождевых капель по размерам и значения интенсивности дождя. Полученные результаты могут быть использованы при оценке пространственного распределения мощности излучения мм и ТГц диапазонов.
ВОЗМУЩЕНИЕ НИЖНЕЙ ИОНОСФЕРЫ НАД ОЧАГОМ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ И АНОМАЛЬНЫЕ СИГНАЛЫ ГЛОБАЛЬНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА
ЧАСТЬ 1. МОДЕЛИ ИОНОСФЕРЫ
А. П. Николаенко, М. Хайакава
Моделируется влияние неоднородности ионосферы над очагом землетрясения на Тайване в записях шумановского резонанса в Японии. Изменения в резонансном спектре происходят за счет интерференции обычных радиосигналов с волнами, отраженными от неоднородности над очагом землетрясения. В 1-й части представлены типичные модели сверхнизкочастотной (СНЧ) постоянной распространения и описана ее связь с вертикальным профилем проводимости атмосферы. Основное внимание уделено профилю с коленом, который широко используется при моделировании шумановского резонанса. Приведены четыре модели колена, использованные в литературе, и формулы, необходимые для расчета комплексной постоянной распространения СНЧ-радиоволн. Предполагается, что пресейсмическая и сейсмическая активность уменьшает высоту нижней границы ионосферы над очагом землетрясения. Максимальное снижение достигает 20 км, а само возмущение симметрично и описывается гауссоидой с горизонтальным масштабом 1 000 км.
ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ПРОФИЛЯ ПРОВОДИМОСТИ НИЖНЕЙ ИОНОСФЕРЫ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ТВИК-АТМОСФЕРИКОВ
А. В. Швец, Т. Н. Сердюк, А. П. Кривонос, Ю. В. Горишняя
Исследована методика определения эффективных высот волновода Земля-ионосфера для основного и высших типов нормальных волн (мод) и дальности до источника излучения – молнии на основе анализа импульсных сигналов в диапазоне сверхнизких (СНЧ) и очень низких частот (ОНЧ) – твик-атмосфериков (твиков). Полученная по анализу многомодовых твиков зависимость эффективной высоты волновода от частоты используется для определения параметров профиля проводимости нижней ионосферы. В численном эксперименте временные формы твиков синтезированы в модели волновода Земля-ионосфера с экспоненциальным профилем проводимости нижней ионосферы. Для выделения и анализа отдельных мод в сигнале использовались динамические спектры твиков. Погрешность определения эффективной высоты волновода для различных волноводных мод составила 0,2…0,4 км, что позволило оценивать параметры экспоненциального профиля проводимости нижней ионосферы в диапазоне значений, характерных для ночных условий. Систематические и случайные погрешности определения дальности до молнии составили 10…40 км и 20…80 км соответственно в диапазоне дальностей 500…3 000 км.
РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЯВЛЕНИЙ ЭОЛОВОЙ ТРАНСПОРТИРОВКИ ПЕСКА И ПЫЛИ В ПУСТЫННЫХ РАЙОНАХ
В. К. Иванов, А. Я. Матвеев, В. Н. Цымбал, С. Е. Яцевич
Эоловые процессы транспортировки песка и пыли формируют структуру поверхности огромных территорий и загружают атмосферу взвешенными аэрозолями пыли, распространяющимися ветрами на огромные расстояния. Присутствие атмосферной пыли в окружающей среде планеты является одним из факторов, влияющих на температуру и климатические условия обширных регионов Земли. В литературе отсутствуют данные об особенностях рассеяния радиоволн, проявляющихся при радиолокационных исследованиях эоловых процессов транспортировки песка и пыли в пустынных районах, которые могут быть использованы для определения параметров такой транспортировки. В статье приведены результаты анализа данных многолетних исследований пустынных районов космическими радиолокационными системами – радиолокаторов бокового обзора (РБО) искусственного спутника Земли (ИСЗ) «Космос-1500» и «Сич-1», радиолокаторами с синтезированием апертуры (РСА) SAR ERS-1, ERS-2 и Envisat-1. Целью анализа было выявление тех особенностей рассеяния радиоволн, проявляющихся при радиолокационных исследованиях эоловых процессов транспортировки песка и пыли в пустынных районах, которые могут быть использованы для дистанционного определения параметров такой транспортировки. Выявлен эффект аномально узконаправленного обратного рассеяния радиоволн, проявляющийся (в диапазоне локальных углов облучения поверхности Q » 31¸34°) на участках, покрытых глубоким песком, при направлении облучения поверхности радиоволнами навстречу генеральному направлению приповерхностного ветра. Предложено объяснение механизма этого эффекта за счет взаимодействия падающих радиоволн с согласованно ориентированными ионизированными слоями воздуха, окаймляющими структуры песчаной ряби в процессе формирования ее при эоловом переносе песчано-пылевой смеси. Ионизация вызывается сильным неоднородным электрическим полем, возникающим при сальтации песчинок под воздействием ветра. Результаты исследования позволяют создать новые методы дистанционного мониторинга процессов в пустынных районах, влияющих на климат обширных регионов Земли.
О ВЛИЯНИИ СОЛНЕЧНЫХ ЗАТМЕНИЙ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН В ТРОПОСФЕРЕ
И. М. Мыценко, Д. Д. Халамейда
Энергетика солнечных затмений существенно влияет на вариации всех геофизических полей и приводит к изменению параметров процессов в подсистемах системы Земля, нарушению сложившихся взаимодействий между ними. Наблюдения при каждом солнечном затмении позволяют уточнить сопутствующие физические процессы и их влияние на распространение радиоволн в тропосфере. Эффекты солнечного затмения широко обсуждаются в научном мире, однако описания исследований распространения радиоволн в тропосфере во время солнечного затмения практически отсутствуют. В данной работе приведены результаты наблюдений связи между солнечными затмениями и уровнями радиосигналов ВЧ-СВЧ-диапазонов в различных условиях, включая наземные и морские загоризонтные трассы дальнего тропосферного распространения, а также трассы геостационарный искусственный спутник Земли–Земля и др. Для анализа ситуаций, сопровождающих эти явления, применялся метод наложенных эпох, включающий в себя корреляционный, спектральный и дисперсионный анализ измеренных величин. Показано, что изменения сигналов в метровом и дециметровом диапазонах радиоволн происходят в сторону увеличения в большинстве случаев. Рассмотренные в работе исследования расширяют знания о влиянии Солнца на распространение радиоволн в атмосфере.
ВЛИЯНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПОСТОЯННОЙ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ ПРОВОДЯЩЕЙ СРЕДЫ НА РЕЗОНАНСНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В СТРУКТУРЕ ДЕФЕКТНЫЙ ФОТОННЫЙ КРИСТАЛЛ–ПРОВОДНИК
Н. Н. Белецкий, С. А. Борисенко, Н. И. Гвоздев
Дефектные фотонные кристаллы, граничащие с твердотельными плазмоподобными средами, привлекают к себе большое внимание. Это связано с наличием в таких структурах плазменных и дефектных волн, которые могут резонансным образом взаимодействовать между собой. Эффект резонансного взаимодействия различных типов электромагнитных волн в дефектных фотонных кристаллах в научной литературе исследован еще недостаточно хорошо. В данной работе на основе численного решения дисперсионного уравнения исследовано резонансное взаимодействие плазменных и дефектных TM-электромагнитных волн в одномерном дефектном диэлектрическом фотонном кристалле, граничащим с твердотельной плазмоподобной средой. Изучены дисперсионные и энергетические свойства плазменных и дефектных волн в зависимости от величины диэлектрической постоянной кристаллической решетки твердотельной плазмоподобной среды. Найдено, что эффект резонансного взаимодействия плазменных и дефектных волн сильно зависит от типа твердотельной плазмоподобной среды. Установлено, что наилучшим образом эффект резонансного взаимодействия плазменных и дефектных волн проявляется в том случае, когда дефектный фотонный кристалл граничит с полупроводниковой плазмой. Показано, что эффект резонансного взаимодействия плазменных и дефектных волн исчезает, если дефектный фотонный кристалл граничит с металлом. Результаты исследования существенно расширяют наши знания о характере резонансного взаимодействия плазменных и дефектных волн в дефектных фотонных кристаллах. Полученные результаты могут использоваться для создания новых устройств микроэлектроники и фотоники.
НИЗКОЧАСТОТНЫЙ ЦИФРОВОЙ РАДИОПРИЕМНИК
Ю. П. Галюк
СВОЙСТВА ПЕРЕСТРАИВАЕМОГО ВОЛНОВОДНО-ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РЕЗОНАТОРА МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА С ПОВЫШЕННОЙ ДОБРОТНОСТЬЮ
Р. И. Белоус, C. П. Мартынюк, А. П. Моторненко, И. Г. Скуратовский
Резонансные структуры служат основой многих приборов и радиотехнических устройств, поэтому проблема создания эффективного перестраиваемого резонатора является актуальной и важной. Использование волноводно-диэлектрического резонатора обеспечивает возможность механической перестройки частоты в широком диапазоне, однако при этом изменяется его добротность. Последние исследования показали, что уменьшение собственной добротности перестраиваемого волноводно-диэлектрического резонатора на отрезке круглого запредельного волновода может быть ослаблено применением резонансного короткозамыкающего поршня, рассчитанного на определенную частоту. Исследования были проведены в сантиметровом диапазоне. Настоящая работа посвящена изучению возможности повышения добротности резонатора волноводно-диэлектрического типа в миллиметровом диапазоне, где влияние несовершенства контакта поршня со стенками волновода особенно существенно. В результате проведенных исследований была получена добротность резонатора на отрезке круглого запредельного волновода с диэлектриком из тефлона в 8-мм диапазоне, превышающая 2 000 во всем интервале частотной перестройки.
Е-ПЛОСКОСТНОЕ СОЧЛЕНЕНИЕ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ВОЛНОВОДОВ С ВИБРАТОРНО-ЩЕЛЕВОЙ СВЯЗЬЮ МЕЖДУ ПЛЕЧАМИ
С. Л. Бердник, В. А. Катрич, М. В. Нестеренко, Ю. М. Пенкин
Исследование и оптимизация электродинамических характеристик сочленений прямоугольных волноводов, широко используемых в антенно-волноводных устройствах, являются важными для практических приложений. На основании приближенного аналитического решения системы уравнений для токов обобщенным методом наведенных электромагнитодвижущих сил построена математическая модель для дифракционных полей Е-плоскостного Т-образного сочленения прямоугольных волноводов, имеющих вибраторно-щелевую структуру связи. Особенностью модели является одновременный учет переменного вдоль оси монополя поверхностного импеданса и постоянного импеданса, распределенного на торце внешнего полубесконечного волновода. Проведены многопараметрические исследования энергетических характеристик Т-сочленения в диапазоне одномодового режима работы волноводов. Показана возможность эффективного использования импедансного монополя в качестве управляющего элемента деления мощности в заданных пропорциях между выходными плечами сочленения.
ЧЕТЫРЕХГРАННАЯ СПЕКТРАЛЬНАЯ ПРИЗМА-ПОЛЯРИЗАТОР ПРЯМОГО ЗРЕНИЯ НА ОСНОВЕ ПОЛНОГО ВНУТРЕННЕГО ОТРАЖЕНИЯ
Ю. А. Нестриженко
Поляризация лазерного излучения и управление его спектром – насущная проблема, которой посвящено большое количество работ. Известные поляризаторы, в частности, призмы прямого зрения, имеют определенные недостатки, связанные с существенными потерями энергии, или требуют нанесения дополнительного отражательного покрытия, что для использования в лазерах не всегда приемлемо, а управление спектром вообще требует наличия дополнительных элементов в лазерном резонаторе. В этой статье описана четырехгранная спектральная призма прямого зрения – поляризатор на основе полного внутреннего отражения, которая обеспечивает эффективную поляризацию и возможность управления спектром лазерного излучения, причем эта призма одноэлементная, без составных или склеенных частей. Расчеты подтвердили возможность изготовления такой призмы достаточно простой, в частности, ромбовидной конфигурации, что чрезвычайно упрощает ее производство, а изготовленный по этим расчетам образец призмы подтвердил эффективную поляризацию света лазера и возможность управления его спектром. Описанная призма также сильно упрощает юстирование лазера и открывает новые возможности управления поляризацией и спектром лазерного излучения, позволяет осуществить генерацию двух спектральных компонент взаимно ортогональной поляризации, что очень важно для эффективного преобразования частот нелинейными кристаллами.