2016, т. 7(21), № 2
ЧИСЛЕННО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ОБ ИЗЛУЧЕНИИ ИЗ ПЛОСКОГО ВОЛНОВОДА С КОНЕЧНЫМ ЧИСЛОМ ЩЕЛЕЙ
С. Н. Воробьев
Изучаются характеристики излучения электромагнитных волн из заполненного диэлектриком плоского металлического волновода с конечным числом неэквидистантно расположенных, различных по ширине параллельных щелей на одной стороне волновода, возбуждаемого основной волной. Такая структура допускает строгое электродинамическое решение при минимуме известных радиофизических допущений и, как модель, может хорошо соответствовать реальным антеннам, изготовленным из тонкого фольгированного диэлектрика с длинными, по отношению к длине волны, щелями. Задача решается методом аналитического полуобращения оператора исходной краевой задачи в сочетании с методом моментов. Анализируются ближнее и дальнее поля излучения (Е- и Н-компоненты поля), а также энергетические характеристики отраженного и прошедшего в волновод полей.
ИНДИКАТРИСА РАССЕЯНИЯ СНЕЖНЫХ КРИСТАЛЛОВ
А. Б. Веселовская, Г. И. Хлопов
Радиолокационные методы исследования облаков и осадков являются одними из наиболее эффективных методов дистанционного зондирования атмосферы. Преимущества радиолокационных методов в том, что они позволяют оперативно измерять характеристики осадков на больших площадях. В условиях турбулентной среды частицы могут находиться под различными углами по отношению к падающему полю, поэтому в работе сделана попытка исследования индикатрисы рассеяния снежных кристаллов (зависимости эффективной площади рассеяния (ЭПР) от угла падения электромагнитной волны), что позволило оценить пределы изменчивости ЭПР частиц снега при вариациях угла возвышения антенны радара. Для численного моделирования рассеивающих свойств снежных частиц использовались частицы двух типов под различными углами наблюдения, при этом в работе рассматриваются два азимутальных угла падения электромагнитного поля в широком частотном диапазоне.
О СПЕКТРЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В ОДНОМЕРНОМ ДЕФЕКТНОМ ФОТОННОМ КРИСТАЛЛЕ, ГРАНИЧАЩЕМ С ПРОВОДЯЩЕЙ СРЕДОЙ
Н. Н. Белецкий, С. А. Борисенко
В настоящее время большое внимание уделяется исследованию электромагнитных свойств дефектных фотонных кристаллов. Это связано как с наличием плазменных и дефектных волн в таких кристаллах, так и с зонным характером спектра этих волн. Одним из самых интересных электромагнитных свойств дефектных фотонных кристаллов является резонансное взаимодействие плазменных и дефектных волн. Установлено, что резонансное взаимодействие наиболее отчетливо наблюдается во второй запрещенной зоне фотонного кристалла. В связи с этим актуальной задачей является исследование свойств электромагнитных волн в различных типах дефектных фотонных кристаллов. Настоящая работа посвящена исследованию эффекта резонансного взаимодействия плазменных и дефектных электромагнитных волн в одномерных дефектных фотонных кристаллах, граничащих с проводящей средой при условии, что дефектный слой является плазмоподобным. Показано, что наилучшие условия для наблюдения эффекта резонансного взаимодействия плазменных и дефектных мод имеют место в случае, когда дефектный фотонный кристалл граничит с полупроводниковой плазмой, а величина диэлектрической проницаемости дефектного слоя является положительной и имеющей промежуточное значение между диэлектрическими проницаемостями двух слоев элементарной ячейки фотонного кристалла. Полученные результаты имеют важное прикладное значение для создания новых устройств микроэлектроники и фотоники.
НЕУСТОЙЧИВОСТЬ ТРУБЧАТОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С ПЛАЗМОПОДОБНОЙ СРЕДОЙ
Ю. О. Аверков, Ю. В. Прокопенко, В. М. Яковенко
В последнее время большое внимание уделяется вопросам генерации излучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн, возникающего при взаимодействии потоков заряженных частиц с твердотельными структурами. Однако на сегодняшний день отсутствует последовательное теоретическое описание подобного рода эффектов. В связи с этим в настоящей работе выполнено подробное теоретическое исследование эффекта неустойчивости нерелятивистского бесконечно тонкого трубчатого электронного пучка, движущегося в вакууме над диэлектрическим (плазмоподобным) цилиндром. В силу нерелятивистского характера движения пучка расчеты выполнены в электростатическом приближении. Рассмотрены случаи постоянной и зависящей от частоты диэлектрической проницаемости цилиндра. Построены дисперсионные кривые возбуждаемых мод и исследованы зависимости инкрементов (декрементов) этих мод от величины радиуса пучка и азимутального модового индекса. Показано, что как для диэлектрической, так и для плазмоподобной среды величины инкрементов (декрементов) возбуждаемых мод максимальны при нулевом значении азимутального волнового числа, а по мере роста этого числа наибольшие величины инкрементов (декрементов) возбуждаемых мод убывают. Установлено, что при наличии частотной зависимости диэлектрической проницаемости среды возможно возникновение абсолютной пучковой неустойчивости, область существования которой лежит в конечном интервале значений продольного волнового числа.
ДИАПАЗОН ПЕРЕСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ ГЕНЕРАТОРА ДИФРАКЦИОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ В ВИДЕ СДВОЕННОЙ ГРЕБЕНКИ
Е. А. Ковалев, В. С. Мирошниченко
Генератор дифракционного излучения является одним из перспективных источников для миллиметрового и терагерцевого диапазонов, что требует дальнейшего улучшения его выходных характеристик. В данной работе рассмотрено влияние параметров периодической структуры в виде сдвоенной гребенки на ширину диапазона перестройки генератора дифракционного излучения. Показано, что ширина диапазона перестройки существенно зависит от удлинения H10-волны в элементарных волноводах, образованных противостоящими щелями сдвоенной гребенки. Приведены результаты экспериментальных исследований и 2D-моделирования свойств открытой резонансной системы, позволяющие выбрать оптимальные параметры сдвоенной гребенки для генератора дифракционного излучения по критерию «широкая полоса перестройки плюс высокая добротность колебаний». Представлены результаты исследований свойств генератора дифракционного излучения для 8-мм диапазона длин волн с несколькими вариантами параметров сдвоенной гребенки.
МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК КЛИНОТРОНОВ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ В ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ 125…135 ГГЦ
Ю. С. Ковшов, С. А. Кишко, С. С. Пономаренко, С. А. Власенко, Ю. С. Новикова-Коротун, В. В. Завертанный, А. Н. Кулешов
Разработка компактных генераторов электромагнитного излучения, способных в непрерывном режиме обеспечить уровни мощности в единицы ватт и выше в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах, является актуальной задачей для большого числа практических приложений, в частности, для повышения чувствительности спектрального анализа на ядерно-магнитном резонансе с динамической поляризацией ядер. Проведено моделирование параметров клинотрона с центральной рабочей частотой 130 ГГц на основе результатов экспериментальных исследований параметров однотипных генераторов 2-мм диапазона волн. По результатам проведенного анализа рабочих характеристик генераторов определены частотные зависимости параметров пространственного заряда, параметра усиления по Пирсу, а также числа замедленных волн, укладывающихся вдоль системы. Полученные значения использованы при расчете замедляющих систем типа «плоская гребенка», а также при последующем моделировании рабочих характеристик клинотронов с данными системами. По результатам моделирования предложены конструкции клинотронов с однородной и четырехступенчатой замедляющей системой. Экспериментально получена генерация колебаний в генераторе с однородной замедляющей системой в диапазоне частот 125…135 ГГц. Изучены пусковые условия генерации в зависимости от величин тока пучка и индукции фокусирующего магнитного поля. В процессе экспериментального исследования рабочих характеристик данного клинотрона показано хорошее соответствие полученных данных и результатов теоретического моделирования. Предложено использование изложенной методики расчета электродинамической системы для клинотронов в соседних диапазонах длин волн.
ВЛИЯНИЕ НАНОЧАСТИЦ СЕРЕБРА НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ РОДАМИНА 6G И СУЛЬФОРОДАМИНА 101
С. В. Николаев, В. В. Пожар, М. И. Дзюбенко, К. С. Николаев
В последнее время интенсивно развивается направление, связанное с созданием новых эффективных лазерных сред, представляющих собой композиты, составленные из лазерно-активных молекул и наноструктур благородных металлов. Известно, что добавление плазмонных наночастиц металлов в активные среды может быть использовано для улучшения излучательных характеристик среды. Для реализации этой возможности необходимо исследовать характер взаимодействия компонентов для каждого конкретного сочетания. В данной работе исследована зависимость интенсивности флуоресценции жидких растворов лазерных красителей Родамин 6G и Сульфородамин 101 от концентрации наночастиц серебра радиусом ~ (32 ± 5) нм при разных частотах возбуждающего излучения. Установлено, что повышение концентрации нанодобавки усиливает интенсивность флуоресценции обоих красителей. Показано, что возрастание интенсивности флуоресценции тем больше, чем ближе длина волны возбуждающего излучения к максимуму спектра плазмонного резонанса наночастиц. На основании полученных зависимостей сделан вывод о наличии оптимальной концентрации нанодобавки, превышение которой приведет к тушению флуоресценции за счет возрастания вероятности безызлучательной дезактивации возбужденных состояний молекул.
ЭФФЕКТ ДВОЙНОГО РАСЩЕПЛЕНИЯ СЛОЯ УМНОЖЕНИЯ В ЛАВИННО-ГЕНЕРАТОРНЫХ ДИОДАХ И ГЕНЕРАЦИЯ ДВУХЧАСТОТНЫХ АВТОКОЛЕБАНИЙ
К. А. Лукин, П. П. Максимов
Актуальной задачей полупроводниковой электроники является создание мощных источников электромагнитных колебаний микроволнового и терагерцевого диапазонов. В работе рассматривается задача разработки лавинно-генераторных диодов, синхронно генерирующих два автоколебания микроволнового и терагерцевого диапазонов. Суммирование двух колебаний с близкими или с разными частотами позволяет управлять энергетическими и спектральными характеристиками выходного сигнала. Исследованы физические процессы, протекающие в лавинно-генераторных диодах на основе резких Si и GaAs p–n-переходов при высоком постоянном напряжении обратного смещения. Обнаружен эффект двойного расщепления слоя умножения. Показано, что в предложенных авторами лавинно-генераторных диодах синхронно возбуждаются и поддерживаются регулярные и хаотические автоколебания электронной и дырочной компонент выходной мощности соответственно в p- и n-областях p–n-перехода.
СИНХРОННАЯ ГЕНЕРАЦИЯ ДВУХ КОЛЕБАНИЙ МИКРОВОЛНОВОГО И ТЕРАГЕРЦЕВОГО ДИАПАЗОНОВ В ЛАВИННО-ГЕНЕРАТОРНЫХ ДИОДАХ С ВНЕШНИМ СИГНАЛОМ
К. А. Лукин, П. П. Максимов
Исследованы многочастотные лавинно-генераторные диоды (ЛГД) на основе резких Si и GaAs p–n-переходов с высоколегированной n-областью. Рассчитаны временные реализации выходной мощности и приведены проекции аттракторов на двумерное фазовое пространство ЛГД. Выполнен спектральный анализ выходной мощности и определен электронный коэффициент полезного действия. Показано, что многочастотные автоколебания синхронно возбуждаются в n- и p-областях резкого p–n-перехода на высших гармониках внешнего сигнала. Представленные численные результаты могут представлять интерес для разработчиков мощных источников электромагнитных колебаний микроволнового и терагерцевого диапазонов. Исследованный режим синхронной генерации двухчастотных колебаний может рассматриваться как основа для генерации так называемых связанных/спутанных состояний электромагнитного поля (Entangled Photons), т. е. сигналов разных частот, осциллирующих во времени с сохранением фазовых соотношений, для использования в различных сенсорных и радарных системах.
ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ЯЧЕЙКА НА ОСНОВЕ КВАРЦЕВОГО КВАЗИОПТИЧЕСКОГО РЕЗОНАТОРА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ В СУБТЕРАГЕРЦЕВОМ ДИАПАЗОНЕ
А. А. Баранник, С. А. Витусевич, А. И. Губин, И. А. Проценко, Н. Т. Черпак
Использование резонаторов с модами шепчущей галереи позволяет достигнуть высокой точности измерений при определении диэлектрической проницаемости веществ благодаря их высокой добротности. Резонатор с микрофлюидным каналом (МФК) является перспективным для исследования малых объемов веществ, что особенно актуально для биологических жидкостей. Ранее в качестве измерительной ячейки был предложен сапфировый резонатор с МФК, позволяющий определять диэлектрическую проницаемость жидкостей в 8-мм диапазоне длин волн. Однако для применения в субтерагерцевом диапазоне более перспективным является резонатор, изготовленный из кварца, так как его добротность выше. В настоящей работе предложена измерительная ячейка для определения комплексной проницаемости жидкостей, занимающих малый объем, в субтерагерцевом диапазоне, на основе кварцевого квазиоптического резонатора, покрытого слоем пластика с МФК. Проведены экспериментальные исследования резонаторной структуры и предложена модель для численных исследований в программе COMSOL Multiphysics. Посредством сравнения значений частоты и добротности резонатора с соответствующими значениями, полученными путем вычислений, произведена корректировка модели для случая заполнения МФК водой. Показано, что модель для численных исследований корректно описывает резонаторную структуру. Получены значения частоты и добротности резонатора при заполнении МФК веществами с известными значениями комплексной диэлектрической проницаемости (метанол, пропанол, этанол, ацетон). Значения частоты и добротности резонатора, полученные численным и экспериментальным путем, совпадают с высокой точностью, что указывает на возможность использования резонатора в качестве измерительной ячейки для определения диэлектрической проницаемости веществ, занимающих малый объем, с использованием специальной калибровочной процедуры.
ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ПЛАЗМОНОВ С ПОМОЩЬЮ ВЕКТОРА УМОВА–ПОЙНТИНГА
Е. А. Величко, А. П. Николаенко
Цилиндрические датчики из благородных металлов, основанные на явлении поверхностного плазмонного резонанса, широко применяются в медико-биологических исследованиях и исследованиях окружающей среды, поэтому изучение их характеристик в различных диапазонах длин волн было и остается актуальной задачей. В данной работе рассматривается рассеяние плоской Н-поляризованной электромагнитной волны видимого диапазона на серебряном наноцилиндре с диэлектрическим покрытием. Возникающие при этом плазмонные резонансы исследуются как с помощью обычного пространственного распределения амплитуды поля Hz вокруг объекта, так и пространственного распределения радиальной и азимутальной компонент вектора Умова–Пойнтинга. Показано, что визуализация плазмонов с помощью вектора Умова–Пойнтинга обладает явным преимуществом, так как в этом случае отчетливо проявляются стоячие и бегущие волны, а компоненты вектора четко обрисовывают границы раздела исследуемого объекта. Иллюстрируются особенности влияния диэлектрической проницаемости покрытия на тип плазмонных резонансов, когда при уменьшении диэлектрической постоянной покрытия вместо дипольного плазмонного резонанса появляется квадрупольный гибридный резонанс.
ИЗМЕРЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ПЕНОПЛАСТОВ РЕЗОНАНСНЫМ МЕТОДОМ С ПОМОЩЬЮ ВОЛНОВОДНО-ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РЕЗОНАТОРА
Р. И. Белоус, М. В. Вовнюк, И. Г. Скуратовский, О. И. Хазов, А. С. Шахова
Быстрое развитие электронной техники характеризуется непрерывным расширением функциональных возможностей создаваемых новых типов элементов, приборов и систем, в которых используются пористые пластмассы. Поэтому возникает необходимость исследования основных электрофизических характеристик таких материалов. Успешное решение этой задачи невозможно без точного определения диэлектрической проницаемости (e ). В работе приведены два метода измерения низкой относительной e (1,02…1,1) пенопластов с помощью цилиндрического волноводно-диэлектрического резонатора на запредельном волноводе, результаты измерений e четырех типов пенопластов в диапазоне частот 10…12 ГГц и дана оценка погрешностей измерений. В «непосредственном» методе исследуемый материал используется как диэлектрический элемент резонатора. В «косвенном» методе диэлектрический элемент изготовлен из фторопласта, а пенопласт заполняет запредельные участки волновода. Проведенные исследования показали, что «косвенный» метод дает уменьшение погрешности измерения e в 2,5–5 раз по сравнению с «непосредственным». Но «непосредственный» метод проще в применении и позволяет измерять любые диэлектрические проницаемости.