2015, т. 6(20), № 4
ШУМАНОВСКИЕ РЕЗОНАНСЫ В МОДЕЛИ ГРОЗОВОЙ АКТИВНОСТИ,
РАВНОМЕРНО РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ПО ЗЕМНОМУ ШАРУ
Ю. П. Галюк
Интерес к явлению шумановских резонансов объясняется тем, что это один из немногих инструментов, с помощью которых можно исследовать свойства нижней ионосферы, измерение которых прямыми методами крайне затруднено (спутники летают выше, а метеозонды – ниже). Само явление обязано наличию в диапазоне сверхнизких частот кругосветных электромагнитных волн, вызванных мировой грозовой активностью. При решении обратных задач крайне важно иметь максимально адекватную математическую модель явления, меняя параметры которой добиваются наилучшего совпадения теории с экспериментом. В статье излагаются строгие методы расчета полей диапазона сверхнизких частот в модели регулярного волновода «Земля–изотропная ионосфера», а также электрической и магнитной компонент мощности шума.
ИДЕНТИФИКАЦИЯ РАДИОЛОКАЦИОННЫМ МЕТОДОМ ПУСТЫННЫХ ОБЛАСТЕЙ – ИСТОЧНИКОВ НАСЫЩЕНИЯ ПЫЛЬЮ АТМОСФЕРЫ
В. К. Иванов, А. Я. Матвеев, В. Н. Цымбал, С. Е. Яцевич, Д. М. Бычков
Атмосферная пыль представляет собой смесь мельчайших частичек различных солей, минералов; она содержит также остатки животных организмов, споры болезнетворных микробов и т. п. Ветрами пыль переносится на значительные расстояния, и ее присутствие в атмосфере является одним из факторов, существенно влияющих на климат планеты. В настоящее время для космического мониторинга эоловых процессов и их последствий используются только многозональные оптические системы (TOMS, METEOSAT, MODIS и т. п.), которые не позволяют надежно и независимо от облачности, освещенности и прозрачности атмосферы идентифицировать сами районы – источники поднятия пыли в атмосферу. Такую задачу позволяют решить космические радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) [1]. В статье представлены первые результаты отработки радиолокационного метода идентификации пустынных областей, в которых под действием эоловых процессов происходит процесс подъема пыли с поверхности в атмосферу. Отработка производилась по данным радиолокационного ДЗЗ пустынь Мавритании SAR Envisat-1. Проанализированы особенности проявления узконаправленного обратного рассеяния радиоволн на радиолокационном изображении при различных скоростях приповерхностного ветра, направлениях радиолокационного облучения поверхности и направлениях ветра. Сделан вывод об эффективности применения радиолокационных средств дистанционного зондирования для выявления районов поднятия пыли в атмосферу. Результаты исследования позволяют создать новые методы дистанционного мониторинга процессов в пустынных районах, влияющих на климат обширных регионов Земли.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРИБРЕЖНОГО ВОЛНЕНИЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИМ РАДИОЛОКАТОРОМ С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ
Ю. В. Гончаренко, Г. Фаркухарсон, В. Н. Горобец
Прибрежные зоны морей и океанов всегда были и остаются особенно значимыми в жизнедеятельности большинства людей. Наряду со стабилизирующим фактором погоды и климата, обусловленным близостью воды, на границе суши и моря возникают специфические градиенты и потоки тепла, влаги, давления и др., что порождает чрезвычайные ситуации и приводит к необходимости их диагностики и прогнозирования. Основой целенаправленного изучения воздействия природных и антропогенных факторов на прибрежные зоны и, в частности, на морские берега является мониторинг береговых процессов. Среди современных методов мониторинга состояния окружающей среды особенно перспективными являются дистанционные методы зондирования. В работе представлены результаты радиолокационного зондирования прибрежной зоны в дельте реки Нью Ривер (штат Северная Каролина, США) с помощью радиолокатора с синтезированной апертурой (РСА). Проведена оценка параметров прибрежного волнения, таких как высота волны, фазовая скорость, длина гребня и т. д., по РСА изображениям. Разработан алгоритм определения ширины и формы спектра радиальной компоненты скорости частиц жидкости в обрушивающейся волне и получена зависимость диапазона радиальных скоростей частиц от значительной высоты волн.
ПОТЕРИ ЭНЕРГИИ ЗАРЯЖЕННОЙ ЧАСТИЦЫ НА ВОЗБУЖДЕНИЕ ВОЛН В ПОЛУПРОВОДНИКОВОМ ЦИЛИНДРЕ С ДВУМЕРНЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ ГАЗОМ НА БОКОВОЙ ПОВЕРХНОСТИ
А. В. Дормидонтов, Ю. В. Прокопенко, 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 получено дисперсионное уравнение, характеризующие собственные моды полупроводникового цилиндра со слоем двумерного электронного газа на его боковой поверхности (3D+2D-плазмы). Найдены потери энергии частицы, движущейся во внешнем магнитном поле, вектор напряженности которого направлен параллельно продольной оси симметрии 3D+2D-плазмы цилиндрической конфигурации. Отмечен универсальный характер полученного соотношения. С его помощью можно определить потери энергии как при вращательном движении частицы вокруг цилиндра, так и при поступательном движении частицы параллельно образующей цилиндра. Обнаружен эффект невзаимности возбуждения собственных волн 3D+2D-плазменного цилиндра с идентичной структурой распределения полей, но отличающихся направлением распространения по азимутальной координате. Результаты исследований расширяют наши представления об электрофизических свойствах систем с плазмоподобными средами и систематизируют знания о механизмах возбуждения электромагнитных волн в электродинамических системах, составляющих основу микроволновых устройств.
МИКРОВОЛНОВЫЕ ПОТЕРИ В СЛАБОПОГЛОЩАЮЩИХ АЛМАЗОПОДОБНЫХ МАТЕРИАЛАХ ПРИ 1 К < T < 300 К.
ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Р. В. Головащенко, В. Н. Деркач, С. И. Тарапов
Разработка и создание новых материалов для микро- и наноэлектроники неразрывно связаны с проблемой изучения механизмов потерь электромагнитной энергии в новых веществах в гигагерцевом диапазоне частот. Достаточно обоснованной методикой определения этих механизмов служит анализ температурной зависимости тангенса угла потерь таких материалов в диапазоне температур от криогенных до комнатной. В работе на основании экспериментальных данных выполнено феноменологическое моделирование потерь в слабопоглощающих материалах, имеющих алмазоподобную кристаллическую решетку. Эксперименты проведены в диапазонах частот 60…120 ГГц и температур 1…300 К. Использован метод измерения энергетических характеристик дискового диэлектрического резонатора на модах шепчущей галереи. В результате разделены степени проявления основных механизмов потерь в исследованных материалах и определены величины ряда основных физических параметров материалов.
АЛГОРИТМ ГОМОМОРФНОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ГЕОРАДАРА
О. В. Сытник, С. А. Масалов, Г. П. Почанин
В работе исследована актуальная проблема измерения толщины приповерхностных слоев зондируемой среды с помощью георадарных радиолокационных систем при строгих ограничениях на минимальную длительность зондирующего видеоимпульса и наличии интенсивных интерференционных помех, обусловленных резонансными эффектами в антенне и многократными переотражениями зондирующего сигнала от границ раздела сред. Традиционные корреляционно-экстремальные методы обработки сигналов не позволяют получить разрешение меньше, чем половина суммарной длительности импульса. Преодолеть это ограничение возможно применением нелинейных методов гомоморфной обработки сигналов георадара. Теоретически и экспериментально показано, что при применении сверхширокополосных зондирующих сигналов нелинейная обработка отраженных от приповерхностных слоев среды сигналов дает возможность идентифицировать границы раздела структур на глубинах вплоть до 5 % от длительности импульса. На основе метода кепстрального анализа синтезирован алгоритм обработки сигналов видеоимпульсного георадара. С помощью быстрого преобразования Фурье вычисляется амплитудный спектр сигналов, результат подвергается логарифмированию и вычисляется обратное преобразование Фурье, содержащее кепстр зондирующего сигнала и дискретный линейчатый кепстр сигнала задержки, анализ которого при относительно высоких соотношениях сигнал/шум позволяет вычислить оценку толщины слоя. Приведены результаты моделирования. Обсуждается проблема влияния шумов на ошибки идентификации подповерхностных объектов.
ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И НАВЕДЕННЫЙ ТОК ВО ВНЕШНЕЙ ЦЕПИ ЛАВИННО-ГЕНЕРАТОРНЫХ ДИОДОВ НА ОСНОВЕ ОБРАТНОСМЕЩЕННЫХ РЕЗКИХ P–N-ПЕРЕХОДОВ
К. А. Лукин, П. П. Максимов
Создание современных твердотельных источников мощности СВЧ базируется на применении активных элементов с расширенными функциональными возможностями. Активными элементами диодных генераторов являются обратносмещенные резкие p–n-переходы. Перспективными для создания диодных генераторов являются лавинно-генераторные диоды (ЛГД) на основе обратносмещенных резких p–n-переходов с постоянным напряжением. Методами диффузионно-дрейфовой теории исследована статическая вольтамперная характеристика (ВАХ) ЛГД. Показано, что при высоком напряжении обратного смещения наблюдается токовая неустойчивость на ВАХ ЛГД. Исследован наведенный ток во внешней цепи ЛГД. Установлено, что спектр наведенного тока определяется спектром автоколебаний ЛГД. Результаты исследований являются теоретической основой для создания диодных генераторов СВЧ-мощности с требуемыми энергетическими и спектральными характеристиками.
ДИНАМИКА ДВУХЧАСТОТНЫХ ЛАВИННО-ГЕНЕРАТОРНЫХ ДИОДОВ МИКРОВОЛНОВОГО ДИАПАЗОНА
К. А. Лукин, П. П. Максимов
Актуальной задачей полупроводниковой электроники является разработка и создание диодных генераторов СВЧ-мощности на основе активных элементов с расширенными функциональными возможностями. Показано, что лавинно-генераторные диоды (ЛГД) на основе обратносмещенных резких p–n-переходов с постоянным напряжением обратного смещения являются генераторами СВЧ-мощности. Теоретический анализ математической модели ЛГД основан на решении полной системы уравнений диффузионно-дрейфовой модели, описывающей физические процессы в диоде с учетом влияния заряда подвижных носителей на электрическое поле. Рассчитан предельный цикл и инвариантный тор в фазовой плоскости ЛГД. Показано, что при высоком напряжении обратного смещения на резких p–n-переходах в ЛГД возникает внутренняя обратная связь между электрическим полем и лавинным током, приводящая к токовой неустойчивости и генерации двухчастотных колебаний. Результаты теоретического анализа ЛГД являются теоретической основой для разработчиков мощных источников электромагнитных волн микроволнового диапазона.
НАНОЦИЛИНДРЫ ИЗ БЛАГОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ КАК РАССЕИВАТЕЛИ ПЛОСКОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ
Е. А. Величко, А. П. Николаенко
Нанопроволоки и нанотрубки из благородных металлов широко используются в современных технологиях в качестве составных частей лазеров, биосенсоров и других устройств. В литературе рассмотрены далеко не все возможные задачи, возникающие при исследовании подобных объектов. В данной работе с помощью численного моделирования рассматриваются цилиндрические нанообъекты из золота и серебра, выступающие в качестве своеобразной призмы, способной селектировать отдельные длины волн и рассеивать их под разными углами. Для этого исследуется рассеяние плоской электромагнитной волны Н-поляризации на нанотрубках и нанопроволоках из золота и серебра с диэлектрическим покрытием и без него в видимом диапазоне длин волн. Задача рассеяния решается методом разделения переменных в полярных координатах. Используется комплексный показатель преломления золота и серебра, значения которого были получены из опубликованных экспериментальных данных. Результаты исследования говорят о том, что исследуемые нанообъекты могут служить частотно-избирательным приемником или оптическим фильтром, который одновременно селектирует и отклоняет под разными углами отдельные длины волн. Большое влияние на конечный результат оказывают размеры рассеивателей и диэлектрическая проницаемость покрытия.
РАДИАЦИОННЫЕ ПОТЕРИ ЭЛЕМЕНТОВ СВЯЗИ ЗЕРКАЛЬНОГО ДИСКОВОГО ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РЕЗОНАТОРА.
ЧАСТЬ 1. СВЯЗЬ С СОГЛАСОВАННЫМИ ВОЛНОВОДАМИ
В. В. Гламаздин, М. П. Натаров, В. Н. Скресанов, А. И. Шубный
Для эффективного использования открытых резонаторов (ОР) в измерительной технике и в качестве колебательных систем твердотельных генераторов требуется учет влияния элементов связи (ЭС) на характеристики ОР. В ОР ЭС вызывают дополнительные радиационные потери из-за рассеяния и излучения в свободное пространство. До настоящего времени исследования таких потерь в разновидности ОР – зеркальных дисковых диэлектрических резонаторах (ЗДДР) с модами шепчущей галереи – и их влияния на характеристики ЗДДР не проводились. В работе представлены результаты экспериментального исследования радиационных потерь энергии на ЭС ЗДДР с согласованными волноводами. Измерения проведены методом импеданса и методом баланса мощностей, которые были модифицированы для применения к ЗДДР. Исследованы ЭС двух типов: отверстие в диафрагме на зеркале и зауженный открытый конец волновода (щель) на зеркале. Приведены результаты измерений характеристик радиационных потерь, их зависимость от размеров и места расположения ЭС; дана сравнительная характеристика ЭС двух типов. Показано, что ЭС в виде щелей имеют более высокую эффективность возбуждения ЗДДР и вывода энергии из ЗДДР по сравнению с ЭС в виде отверстий.
РАДИАЦИОННЫЕ ПОТЕРИ ЭЛЕМЕНТОВ СВЯЗИ ЗЕРКАЛЬНОГО ДИСКОВОГО ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РЕЗОНАТОРА.
ЧАСТЬ 2. СВЯЗЬ С РАССОГЛАСОВАННЫМИ ВОЛНОВОДАМИ
В. В. Гламаздин, М. П. Натаров, В. Н. Скресанов, А. И. Шубный
Исследованы радиационные потери элементов связи (ЭС) зеркального дискового диэлектрического резонатора (ЗДДР) с модами шепчущей галереи для случая связи с рассогласованными волноводами. Результаты исследования представляют особый интерес для разработчиков автогенераторов с использованием ЗДДР, когда полупроводниковые приборы с цепями согласования импедансов расположены в волноводах, образуя комплексную нагрузку. Измерены зависимости резонансной частоты и добротности ЗДДР от амплитуды и фазы волны, отраженной от комплексной нагрузки. Исследовались ЗДДР с ЭС двух типов: отверстие в диафрагме и зауженный открытый конец волновода (щель) на зеркале. Для случая ЭС в виде щели показано, что добротность и резонансная частота ЗДДР с комплексной нагрузкой в волноводе могут быть рассчитаны с использованием предложенной схемы замещения ЭС в ЗДДР. Номиналы схемы замещения могут быть измерены в соответствии с методикой, изложенной в первой части данной работы. Рассчитаны две составляющие дополнительных потерь, вносимых в ЗДДР комплексной нагрузкой в волноводе: радиационные потери ЭС и джоулевы потери в нагрузке.
ОСОБЕННОСТИ МЕЖТИПОВОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ДИСКОВЫХ КВАЗИОПТИЧЕСКИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРАХ ПРИ ВНУТРЕННЕМ ВОЗБУЖДЕНИИ ПАРАЗИТНЫХ ТИПОВ КОЛЕБАНИЙ
А. Я. Кириченко, Г. В. Голубничая
Дисковые диэлектрические резонаторы с модами шепчущей галереи обладают высокой добротностью, однако препятствием к широкому применению их в качестве элементов СВЧ является густой частотный спектр. В частности, искажение амплитудно-частотной характеристики обусловлено межтиповым взаимодействием колебаний. Изучение особенностей этого взаимодействия поможет понять обстоятельства их возникновения и, следовательно, найти возможность избежать этого явления. Экспериментально исследованы особенности межтипового взаимодействия в дисковом диэлектрическом резонаторе, возбуждаемом на высших азимутальных типах, в случае внутреннего возбуждения паразитного типа колебания в одиночном диске. Изучена динамика влияния изменения неоднородности в виде элемента связи резонатора с диэлектрическим волноводом на форму резонансной кривой. Установлена возможность компенсации влияния этой неоднородности внесением дополнительной неоднородности. Обнаружено изменение двугорбой резонансной кривой в зависимости от направления перемещения по угловой координате дополнительной неоднородности. До настоящего времени исследование межмодового взаимодействия производилось только для случая внешнего возбуждения при использовании двух диэлектрических дисков. Полученные результаты могут служить инструментом селекции спектра колебаний в дисковых диэлектрических резонаторах.
ОДНОМЕРНЫЕ ОБРАТНЫЕ ЗАДАЧИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ СЛОИСТЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СРЕД
А. В. Бровенко, А. А. Вертий, Н. П. Мележик, П. Н. Мележик, А. Е. Поединчук
Задача о восстановления профиля диэлектрической проницаемости слоистой диэлектрической среды по значениям коэффициента отражения для конечного множества частот зондирующей плоской электромагнитной волны является актуальной в связи с разработкой современных методов неразрушающего контроля. Для ее решения исходные задачи сведены к поиску оптимального управления (профиля диэлектрической проницаемости) задачи Коши для уравнения Риккати. Построение оптимального управления в классе полиномиальных функций основано на минимизации соответствующего функционала. Предложен критерий отбора полиномиальных аппроксимаций профиля диэлектрической проницаемости, который использует разделение входных данных на обучающую и проверочную последовательности зондирующих частот. Проведен анализ погрешности восстановления мнимой части диэлектрической проницаемости слоистой среды. Установлено, что относительная погрешность восстановления малой мнимой части диэлектрической проницаемости (Ime ~ 10–4) не превосходит 10 %, а большой (Ime ³ 0,1) – составляет менее 1 %. Разработанные алгоритмы позволяют восстанавливать комплексную диэлектрическую проницаемость слоистой среды с приемлемой для практических приложений точностью.
КОНТРОЛЬ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА
О. И. Белоус, Н. В. Брюзгинова, С. П. Сиренко, А. И. Фисун
Крайне высокочастотное (КВЧ, f = 30…300 ГГц) электромагнитное излучение используется в медицине в качестве диагностического и лечебного средства. Действие слабого и сверхслабого излучения принято расценивать как информационное, при котором тепловой режим биообъекта остается практически неизменным (Dt £ 0,1° С). Одним из направлений современной физиотерапии является КВЧ-аутогемотерапия, где в качестве активатора применяется облучение дозы крови электромагнитным КВЧ-излучением. В работе контроль над эффективностью этой физиотерапевтической процедуры предлагается проводить с помощью тестирования электрофоретической активности ядер клеток буккального эпителия. В условиях стационарного лечения больных проведен ряд экспериментальных наблюдений, подтверждающих возможность оценки динамики лечения неврологической патологии традиционными методами и с помощью КВЧ-аутогемотерапии.