2015, т. 6(20), № 2
ПОВЕРХНОСТНЫЕ ТЕНЗОРЫ ГРИНА В ТЕОРИИ МИКРОПОЛОСКОВЫХ АНТЕНН
В. Н. Кочин
Микрополосковые антенны вследствие их компактности и технологичности изготовления широко используются как самостоятельные передающие или приемные антенны, так и в качестве элементов фазированных антенных решеток. При этом до настоящего времени нет единого строгого подхода, позволяющего исследовать микрополосковые антенны различной геометрической формы. В работе предложен новый подход к исследованию характеристик микрополосковых антенн с излучателями различной геометрии, основанный на использовании поверхностных тензоров Грина для экранированного магнитодиэлектрического слоя. Получены выражения для компонент тензоров Грина, обусловленных электрическими поверхностными токами. Приведены примеры использования предложенного подхода к решению задачи о микрополосковой антенне в приближении заданного распределения поверхностного тока и задачи об осесимметричном возбуждении дисковой микрополосковой антенны.
АНАЛОГ ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА ВТОРОГО РОДА
В КВАЗИОПТИЧЕСКОМ ОБЪЕМНОМ СВЧ-РЕЗОНАТОРЕ
Е. М. Ганапольский
Впервые обнаружен и изучен аналог фазового перехода 2-го рода в сферическом и цилиндрическом объемных СВЧ-резонаторах с неоднородностью в виде металлического шара и диска. Переход происходит между состоянием, когда шар (диск) расположен симметрично относительно боковых стенок, и состоянием с несимметричным расположением шара (диска). Для этих состояний измерены спектры собственных колебаний в 8-мм диапазоне и на основе полученных данных определены коэффициенты корреляции межчастотных интервалов. Установлено, что интегрируемая сферическая (цилиндрическая) симметричная система резонатора с внутренним шаром (диском) обладает коэффициентом корреляции, близким к нулю, в то время как неинтегрируемая система с несимметричным расположением шара (диска) имеет коэффициент корреляции (по модулю) С(1) > 0,2. Переход между этими состояниями происходит в узком интервале значений эксцентриситета. Определены зависимости распределения межчастотных интервалов от среднего расстояния между собственными частотами и найдено, что для интегрируемой системы эта зависимость описывается функцией Пуассона, а для неинтегрируемой – распределением Вигнера, которое характерно для состояний с отталкиванием резонансных линий и квантовым хаосом. Таким образом, установлено, что изменение симметрии в СВЧ-резонаторе приводит к аналогу фазового перехода 2-го рода, когда система резонатора становится неинтегрируемой и сопровождается квантовым хаосом.
ОБОБЩЕННЫЙ МЕТОД СШИВАНИЯ В ТЕОРИИ ДИФРАКЦИИ ВОЛНОВОДНЫХ МОД.
ЧАСТЬ 4. СКОРОСТЬ СХОДИМОСТИ ПРОЕКЦИОННЫХ ПРИБЛИЖЕНИЙ
И. В. Петрусенко, Ю. К. Сиренко
В данной части работы продолжено изложение основ разработанного обобщения метода сшивания для анализа рассеяния волноводных мод. Рассматривается задача аналитической оценки скорости сходимости проекционных приближений к операторным формулам Френеля, безусловная сходимость которых была доказана ранее. На примере канонической скалярной задачи дифракции волн на ступеньке в прямоугольном волноводе дан вывод погрешности приближений операторов отражения и прохождения волн. Показано, что поставленную задачу решает рассмотрение сильной P-сходимости проекционного представления амплитудного оператора рассеяния. В результате впервые найдена аналитическая оценка скорости сходимости приближений операторов рассеяния, полученных методом редукции операторных формул Френеля. Правильность найденных закономерностей подтверждена численным расчетом. Полученные результаты позволяют определить вычислительную эффективность обобщенного метода сшивания.
ВАЛИДАЦИЯ МЕТОДА СПУТНИКОВОЙ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ МНОГОУГЛОВОЙ
ДИАГНОСТИКИ НЕФТЯНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ
А. Я. Матвеев, А. А. Кубряков, А. Г. Боев, Д. М. Бычков, С. А. Величко, В. К. Иванов, С. В. Станичный, В. Н. Цымбал
Предложена методика валидации метода спутниковой радиолокационной многоугловой диагностики нефтяных загрязнений морской поверхности путем сопоставления радиолокационных оценок массы и толщины нефтяной пленки с результатами моделирования, полученными с использованием новой модели растекания нефти FOTS (Floating Object Tracking System). Для валидации метода использованы экспериментальные результаты зондирования акватории Каспийского моря в районе нефтяного месторождения «Нефтяные Камни» при помощи радиолокатора с синтезированной апертурой (РСА) ИСЗ Envisat-1. Модель FOTS позволяет рассчитывать динамику движения и изменение массы и размера нефтяного пятна, основываясь на данных спутниковых измерений и атмосферного реанализа. Модель учитывает основные процессы, влияющие на формирование пятна (гравитационное растекание, адвекционный перенос, диспергирование, эмульгирование, турбулентное перемешивание и испарение). Применение этой модели позволило определять расчетным путем изменение толщины и динамику движения нефтяного пятна в период между радиолокационными съемками этого района (0,5¸4 сут), оценивать объемы разлитой на месторождении нефти. Отмечено совпадение рассчитанной по данным радиолокационных измерений толщины нефтяной пленки и результатов моделирования, что подтверждает достоверность метода. Работа выполнена в рамках проекта 11140 с ESA (European Space Agency) и при поддержке Федеральной Целевой Программы 1.2 «Исследование технологии мониторинга и прогнозирования экологического состояния водной среды морского шельфа: Соглашение 14.604.21.0044 с МинОбрНауки РФ».
ВОЗМУЩЕНИЕ НИЖНЕЙ ИОНОСФЕРЫ НАД ОЧАГОМ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ
И АНОМАЛЬНЫЕ СИГНАЛЫ ГЛОБАЛЬНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА.
ЧАСТЬ 2. АНОМАЛИИ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СПЕКТРАХ
А. П. Николаенко, М. Хайакава
Моделируется влияние неоднородности ионосферы над очагом землетрясения на Тайване на записи электрической и магнитных компонент радиоволн в диапазоне частот шумановского резонанса, производимые в Японии. Изменения в спектре сигнала происходят за счет интерференции прямой волны с волнами, отраженными от неоднородности. Используется модель возмущения ионосферной проводимости, описанная в первой части работы и решение задачи дифракции и рассеяния радиоволн, построенное с помощью интегрального уравнения Стрэттона-Чу. Для описания пространственного распределения естественных источников (мировых гроз) применяются данные спутника «Оптический импульсный детектор» (Optical Transient Detector). Расчеты показали, что в области частот четвертого мода шумановского резонанса в энергетических спектра всех компонент поля возникают резкие изменения, похожие на данные наблюдений. Обсуждаются свойства моделируемых аномалий, вызванных сейсмической активностью.
СРАВНЕНИЕ ТОЧНОГО И ПРИБЛИЖЕННОГО РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ
О ШУМАНОВСКОМ РЕЗОНАНСЕ ДЛЯ ПРОФИЛЯ ПРОВОДИМОСТИ С «КОЛЕНОМ»
Ю. П. Галюк, А. П. Николаенко, М. Хайакава
Быстрое развитие вычислительной техники позволило решать задачу об электромагнитном резонансе в полости Земля–ионосфера с помощью прямого численного моделирования. Чаще всего используют решение с помощью двумерных телеграфных уравнений либо с помощью метода конечных элементов во временном представлении, обозначаемого аббревиатурой FDTD. Естественно, что численный подход использует известные модельные профили проводимости атмосферы, такие как экспоненциальный или профиль с «коленом». Однако при этом забывают, что эти профили есть не что иное, как удобная интерпретация приближенных эвристических соотношений. Поскольку точное решение задачи о постоянной распространения для такого профиля не совпадает с эвристическим, то и прямые численные решения также должны отличаться от модельных. В работе анализируются отличия приближенного решения для профиля проводимости с «коленом» от строгого решения и оценивается его точность.
ИССЛЕДОВАНИЕ ФЛУКТУАЦИЙ НЕКОГЕРЕНТНЫХ СИГНАЛОВ,
ОТРАЖЕННЫХ ОТ ОБЛАКОВ
О. А. Войтович, А. В. Зацеркляная, Г. А. Руднев, Д. Д. Халамейда, Г. И. Хлопов, С. И. Хоменко
Флуктуации радиолокационных сигналов, отраженных от облаков, связаны с турбулентными процессами, которые существенно влияют на безопасность полетов авиации. Эти сигналы содержат информацию о физических явлениях, протекающих в облаках. Поэтому дистанционное зондирование облачности с помощью метеорологических радаров представляет значительный интерес для диагностики и прогноза метеорологических явлений, происходящих в облаках. Однако большинство подобных радаров основано на некогерентной обработке отраженных сигналов, спектральные характеристики которых в литературе практически не описаны, поэтому в работе приведены результаты годичного цикла экспериментальных исследований спектров флуктуаций некогерентных сигналов 3-см диапазона радиоволн, отраженных от облаков, а также скорости диссипации турбулентной энергии. Показано, что наиболее вероятное значение ширины спектра флуктуаций скоростей составляет около l / 2f » 45 см/с при среднеквадратическом значении 27 см/с (l – рабочая длина волны, f – текущая частота в спектре флуктуаций отраженного сигнала). Обработка результатов измерений также показала, что максимумы радиолокационной отражаемости и скорости диссипации турбулентной энергии в основном не совпадают, причем наибольше количество турбулентных ячеек разных размеров сосредоточено в верхней части облаков.
ГРУППИРОВКА ЭЛЕКТРОНОВ В ГЕНЕРАТОРАХ ТИПА «КЛИНОТРОН».
КЛИНОТРОН КАК УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ
М. В. Мильчо
Существует проблема создания удобных в эксплуатации и не особенно дорогих генераторов для освоения субмиллиметрового диапазона волн, особенно в его коротковолновой части. Генераторы типа лампы обратной волны (ЛОВ) дают хорошие результаты в длинноволновой части субмиллиметрового диапазона, однако при продвижении в коротковолновую часть диапазона возникают большие трудности. Существующие технологические возможности не позволяют получить необходимые для этого диапазона очень тонкие электронные пучки с большой плотностью тока. Значительно ослабить требования к электронным пучкам можно, используя умножители частоты. Для модуляции электронного пучка по плотности в умножителе частоты можно использовать генератор типа «клинотрон». В клинотроне широкий и сравнительно толстый ленточный электронный пучок направлен под малым углом к поверхности замедляющей системы и частично рассеивается на этой поверхности. Клинотрон обеспечивает выходную мощность на несколько порядков большую, чем обычные ЛОВ. Это важно для получения хорошей (глубокой) модуляции электронного пучка. Необходимо исследовать процесс группировки электронов в плотные сгустки в генераторах типа «клинотрон» и определить условия использования клинотрона для модуляции электронов по плотности в умножителях частоты. В работе проводится численное исследование группировки электронов в клинотроне с помощью разработанной нами ранее специальной программы, учитывающей специфику клинотронного режима. Исследуется трехмерное движение электронов в ограниченном (не бесконечном) фокусирующем магнитном поле. В результате численного исследования обнаружен эффект послойной группировки электронов в клинотронных генераторах. Чем дальше расположен электронный слой от поверхности замедляющей системы, тем позже происходит группировка электронов в сгустки в этом слое. Показано, что подбирая режим работы клинотрона и угол наклона фокусирующего магнитного поля к поверхности гребенки, можно обеспечить формирование плотных электронных сгустков в части пучка уже за пределами замедляющей системы клинотрона, где должна быть расположена вторая замедляющая система, работающая в режиме отборника мощности. Таким образом, доказана возможность использования клинотрона при создании умножителей частоты.
КЛИНОТРОН – УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ
В СУБМИЛЛИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ ВОЛН (l = 0,93 мм)
М. В. Мильчо, А. С. Тищенко, В. В. Завертанный, И. В. Лопатин, С. Н. Терехин
В умножителях частоты ослаблены требования к качеству электронных пучков по сравнению с генераторами типа лампы обратной волны (ЛОВ типа «О»). Поэтому для освоения субмиллиметрового диапазона волн могут оказаться перспективными умножители частоты, хотя их выходная мощность обычно меньше, чем в генераторах типа ЛОВ. Известны экспериментальные работы по умножителям частоты в миллиметровом диапазоне волн. В этих приборах модулятором является резонатор клистронного типа, который запитывается внешним мощным генератором сантиметрового диапазона. Отборником мощности является замедляющая система типа «гребенка». Мы считаем, что для субмиллиметрового диапазона волн возможно выполнить умножитель в виде двухкаскадного генератора типа «клинотрон», который одновременно является и модулирующим генератором и отборником мощности. Численные теоретические исследования показали, что в клинотроне существует эффект послойной группировки электронов в ленточном пучке: чем дальше расположен слой электронов от поверхности гребенки, тем позже происходит группировка электронов в сгустки в этом слое. В удаленном слое электроны формируются в сгустки уже за пределами гребенки модулирующей части клинотрона, поэтому клинотрон может использоваться в качестве модулятора электронного потока. Целью настоящей работы являлась экспериментальная проверка этой возможности; описана простая конструкция клинотрона-умножителя и приведены результаты экспериментального исследования работы этого прибора. В модулирующей части клинотрона генерируются колебания с длиной волны l » 2,8 мм, а в отборнике мощности – сигнал с длиной волны l » 0,93 мм. Продемонстрирована возможность уменьшить в этом приборе индукцию фокусирующего магнитного поля до 0,5…0,3 Тл, тогда как для ЛОВ этого диапазона нужно магнитное поле порядка 1,0 Тл.
ВОЗБУЖДЕНИЕ ВОЛНОВОДОВ И РЕЗОНАТОРОВ ЭЛЕКТРОННЫМИ ПОТОКАМИ
А. А. Кураев, В. Д. Ерёмка, А. О. Рак
Уравнения возбуждения волноводов и резонаторов сторонними источниками применяют при решении задач в электродинамике, электронике СВЧ и терагерцевой электронике. Авторы ряда монографий описывают алгоритм решения задачи о возбуждении, представляя волновод (или резонатор) в области сторонних токов регулярным и, как следствие, исходя из условия ортогональности собственных волн регулярного волновода в этой области. В реальности сторонние токи заданы на элементах возбуждения (штыри, петли, щели и окна в стенках волновода или резонатора), которые превращают названные электродинамические системы в нерегулярные, происходит дифракция и рассеяние волн в области сторонних источников. В связи с этим общеизвестные уравнения возбуждения из упомянутых монографий нельзя применять при решении задач о возбуждении сторонними источниками нерегулярных электродинамических систем. В вакуумных электронных приборах СВЧ это ограничение отпадает: сторонние электрические токи формируются потоками свободных электронов, а элементы возбуждения – цели, петли, окна – отсутствуют. Однако возникает другое препятствие: в вакуумных источниках микроволнового излучения, в отличие от пассивной электродинамики, области возбуждения не фиксированы в пространстве, поэтому имеет место поперечное фазирование электронов. В данной работе в общем виде сформулированы уравнения возбуждения волноводов и резонаторов электронными потоками в условиях трехмерного фазирования электронов. Применение этих уравнений существенно расширяет область решаемых задач в электродинамике и вакуумной микроволновой электронике (в частности, в электронике новых типов гироприборов).
О ДВУХ ПРИЧИНАХ, ЗАТРУДНЯЮЩИХ ОСВОЕНИЕ
СУБМИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН КЛИНОТРОНАМИ
А. Я. Кириченко
В настоящее время осуществляются исследования, направленные на создание источников электромагнитных колебаний субмиллиметрового диапазона. Наряду с поиском новых методов генерации изучаются возможности давно известных генераторов с длительным взаимодействием электронного потока с полями периодических структур – клинотронов и генераторов дифракционного излучения. Основным препятствием на пути создания таких генераторов зачастую ошибочно считают мелкоструктурность их элементов. На основе экспериментальных исследований клинотронов, перекрывающих миллиметровый диапазон генерации, продемонстрированы две причины, затрудняющие эффективную генерацию клинотрона в субмиллиметровом диапазоне длин волн: снижение плотности тока на границе электронного потока, прилегающей к поверхности периодической структуры, и разброс геометрических параметров периодической структуры.
СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОЧАСТОТНОЙ ГЕНЕРАЦИИ
В РЕЗОНАТОРЕ ЛАЗЕРА ТЕРАГЕРЦЕВОГО ДИАПАЗОНА
В. П. Радионов, П. К. Нестеров, В. К. Киселев
В ряде областей радиофизики при создании гетеродинных устройств, использующих лазеры терагерцевого (ТГц) диапазона в качестве источников излучения, требуется получение стабильной разницы между частотами сигнального и гетеродинного каналов. В данной работе рассматриваются различные способы решения этой задачи, в частности, рассмотрена возможность генерации в общем объеме активного вещества лазерных излучений нескольких отдельных частот из диапазона излучения этого вещества, что дает ряд преимуществ в сравнении с известными способами. Предложена схема ТГц лазера с комбинированным многоканальным резонатором и методика получения стабильной разницы частот в каждом канале. Разработанный многоканальный лазер может использоваться в известных схемах интерферометров и поляриметров, а также в других измерительных системах, где требуется одновременная генерация ТГц излучения по разным каналам с разницей частот в пределах полосы усиления активного вещества. Это открывает новые возможности для использования ТГц лазеров в измерительных системах.
СОГЛАСОВАНИЕ СТРУКТУР С ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЕМ ФОРМЫ
СО СВОБОДНЫМ ПРОСТРАНСТВОМ В ТЕРАГЕРЦЕВОМ ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ
В. И. Безбородов, О. С. Косяк, Е. М. Кулешов, В. В. Ячин
При построении поляризационных радиоизмерительных трактов в качестве преобразователей поляризации, элементов непрерывных фазовращателей и сдвигателей частоты широко используются дифференциальные фазовые секции (ДФС). Применение волн терагерцевого (ТГц) диапазона позволяет осуществить исследования в области радиоастрономии, радиоспектроскопии, биологии, медицине, физике атмосферы и т. д. В связи с тем что в ТГц диапазоне волн используются квазиоптические линии передачи, оправдан переход к оптическим принципам построения ДФС с применением диэлектриков, обладающих свойством двойного лучепреломления, в частности, двулучепреломления формы. Одним из важных требований при создании ДФС является согласование их со свободным пространством. В работе рассмотрены способы согласования двулучепреломляющих структур в виде многослойного набора чередующихся диэлектрических пластин с различными диэлектрическими проницаемостями. При этом согласующий слой образован из пластин самой двулучепреломляющей структуры, выступающих над ее поверхностью. В первом случае выступающие пластины имеют поперечные пазы, во втором – пластины выполнены без пазов. Для расчета таких структур был применен численный метод интегральных функционалов в частотной области для многомодовой задачи рассеяния плоской монохроматической волны на решетке, состоящей из диэлектрических брусьев без потерь. Проведено экспериментальное исследование макетов структур, которое подтвердило возможность согласования рассмотренными способами в ТГц диапазоне волн.
ОПТИЧЕСКИЙ РЕФЛЕКТОМЕТР
НА ОСНОВЕ МЕТОДА СПЕКТРАЛЬНОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ
К. А. Лукин, Д. Н. Татьянко, Ю. А. Шиян, Л. В. Юрченко, А. В. Базакуца
Представлен результат разработки оптического низкокогерентного рефлектометра на основе спектральной интерферометрии с гетеродинным переносом частоты в радиодиапазон, что позволяет измерять расстояния в десятки километров. Разработан, изготовлен и исследован макет рефлектометра микрометрического диапазона расстояний на базе волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо и широкополосного источника инфракрасного излучения. На основе проведенных исследований показана возможность и целесообразность использования метода низкокогерентной спектральной интерферометрии для применения в рефлектометрических измерениях расстояний на волоконно-оптических линиях связи.
МIMO-СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ МЕЖДУ АВТОМОБИЛЯМИ
НА АВТОБАНЕ С ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТЬЮ, БЛИЗКОЙ К ПРЕДЕЛУ ШЕННОНА
К. А. Лукин, В. Е. Щербаков
Предложен новый подход к проектированию самоорганизующейся MIMO-системы передачи данных в реальном времени между транспортными средствами (VVDT), находящимися на автомагистрали в радиусе 1 км, с использованием EU DSRC-стандарта. Метод построения самоорганизующейся EU DSRC-VVDT MIMO-системы предусматривает полностью автономную работу транспортного средства, оборудованного данной системой, при полном отсутствии базовых станций, как правило, управляющих системами мобильной связи. Предложенный метод предоставляет возможность на практике реализовать множественный доступ с пространственно-кодовым распределением каналов (S-CDMA) и передачу информации с использованием широкополосных хаотических последовательностей и уникальных бинарных псевдослучайных последовательностей. Кроме того, эти кодовые сигналы предоставляют потенциальную возможность построения самоорганизующейся EU DSRC-VVDT MIMO-системы передачи данных без выделения частотного или временного канала для каждого транспортного средства и приема данных на беспоисковой основе. Сочетание пространственно-кодового разделения каналов (S-CDMA) и хаотического кодирования при реализации CDMA-стандарта – характерные особенности предлагаемой EU DSRC-VVDT MIMO-системы. Ключевая идея метода состоит в том, чтобы в EU DSRC-VVDT MIMO-системе уникальный код для каждого автомобиля ассоциировать не с самим автомобилем, а с его текущим положением на автобане. Новая процедура предписания S-CDMA-кода каждому автомобилю внутри рабочей дальности действия EU DSRC-VVDT MIMO-системы делает возможным использование стандартной приемо-передающей аппаратуры на всех транспортных средствах. Самоорганизующаяся MIMO-система позволяет на практике реализовать (для максимально возможного количества транспортных средств) пропускную способность канала, близкую к пределу Шеннона.