2013, т. 4(18), № 1
СПЕКТРАЛЬНІ ЗАДАЧІ У ТЕОРІЇ ДИФРАКЦІЇ ХВИЛЬ НА ШАРУВАТО-НЕОДНОРІДНИХ СЕРЕДОВИЩАХ
А. В. Бровенко, П. М. Мележик, А. Ю. Поєдинчук
Дослідження дифракційних характеристик шарувато-неоднорідних середовищ обумовлено їх широким використанням. Однак на сьогоднішній день в науковій літературі відомо лише незначна кількість спеціальних залежностей матеріальних параметрів шару від просторових координат, коли вдається отримати аналітичні рішення, що описують хвильові процеси, які відбуваються в них. В основному ці рішення будуються за допомогою асимптотичних або прямих чисельних методів. При побудові розв’язання спектральної задачі для неоднорідного магнітодіелектричного шару був застосований так званий метод Ріккаті. В результаті отримано стійкий в обчислювальному відношенні алгоритм розв’язання спектральних задач, який дозволив досліджувати резонансні ефекти, що супроводжують процес взаємодії хвиль із шарувато-неоднорідним середовищем, а також описати за допомогою власних частот і власних коливань добре відомі поняття, як заборонена зона в теорії розповсюдження хвиль в періодичних структурах і резонанс в забороненій зоні при порушенні періодичності матеріальних параметрів середовища. Результати досліджень дозволять проводити вивчення хвильових процесів в неоднорідних магнітодіелектричних, неоднорідних плазмоподібних та інших такого типу шарах без істотних обмежень на їх матеріальні параметри і можуть бути використані при вирішенні зворотних задач електродинаміки, а також в голографії, томографії, радіолокації і ін.
ВЛАСНІ КОЛИВАННЯ ТА РЕЗОНАНСНІ ВЛАСТИВОСТІ ОДНОВИМІРНО-ПЕРІОДИЧНИХ ҐРАТОК З МЕТАЛІЧНИХ БРУСІВ. ЧАСТИНА II. КОМПАУНДНА ҐРАТКА
А. О. Перов, А. А. Кириленко, С. Л. Сенкевич
Перфоровані металеві ґратки переживають на даний час нову хвилю інтересу до їх резонансних властивостей, обумовленого дослідженням, інтерпретацією і можливим практичним використанням явища, що має назву «enhanced transmission phenomena». Метою даної роботи є аналіз властивостей одновимірно-періодичних ґраток на основі робіт школи В. П. Шестопалова, тобто вивчення спектрів власних коливань, принципів формування цих спектрів, що визначаються, зокрема, структурою періоду ґратки, і потім аналіз впливу таких спектрів на резонансні властивості. В роботі розглянуто закономірності, що виникають при розсіянні Н-поляризованої плоскої хвилі на одновимірній компаундній періодичній ґратці з металічних брусів. Досліджено нижчі власні коливання таких багатоелементних структур, відповідальні за резонансну поведінку при введенні різних збоїв до геометрії крупноперіодичної комірки. Встановлено зв’язок особливостей характеристик розсіяння та спектрів компаундних ґраток з різною структурою періоду. На цій основі дано оцінку кількості резонансів в залежності від топології та геометрії ґратки, а також представлена нова інтерпретація «фазових» резонансів. Резонансну поведінку ґратки описано з єдиних позицій спектральної теорії, що дозволяє не тільки встановити зв’язок між різними резонансними явищами, але й визначити причину такої поведінки, обумовленої збудженням певних власних коливань.
РЕЗОНАНСНИЙ СПОСІБ УЗГОДЖЕННЯ ПОДВІЙНОЇ ПЕРІОДИЧНОЇ СТРУКТУРИ В ГЕНЕРАТОРІ ДИФРАКЦІЙНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ
В. С. Мірошниченко, М. Ю. Демченко, О. Б. Сенкевич
Генератори дифракційного випромінювання, в яких використовуються відкриті резонансні системи, є перспективними джерелами середньої потужності для короткохвильової частини міліметрового та терагерцевого діапазонів. Проте із скороченням робочої довжини хвилі в цих генераторах для збільшення ефективності обміну енергії між електронним пучком та резонансним полем необхідний пошук нових резонансних систем. Друга проблема – це ущільнення спектру коливань у відкритій резонансній системі при скорочені робочої довжини хвилі. Одним із шляхів подолання вказаних труднощів є перехід від фазового до резонансного способу узгодження подвійної періодичної структури у відкритій резонансній системі генератора, який супроводжується значною зміною структури поля резонансного коливання. Наведено результати електромагнітного моделювання відкритої електродинамічної системи генератора дифракційного випромінювання, в якому подвійна періодична структура узгоджена з полем відкритої резонансної системи за допомогою резонансної ступінчатої неоднорідності у вигляді прямокутної канавки. Показано, що завдяки вибору резонансного способу узгодження подвійної періодичної структури з полем відкритого резонатора вдається суттєво розрідити спектр збуджуваних коливань та підвищити коефіцієнт використання електронним пучком поля резонансного коливання. Приведено результати порівняння властивостей двох відкритих резонансних систем – з традиційним фазовим та резонансним способами узгодження подвійної періодичної структури в 5-мм діапазоні довжин хвиль. Проведені дослідження дозволяють підвищити ККД генераторів дифракційного випромінювання в короткохвильовій частині міліметрового діапазону та здолати труднощі при опануванні цими генераторами терагерцевого діапазону.
ОСОБЛИВОСТІ ФОРМУВАННЯ ВИПРОМІНЮВАННЯ МАЛОАПЕРТУРНИМИ НВЧ-АНТЕНАМИ
І. В. Иванченко, Н. О. Попенко, В. І. Пищиков, М. М. Хруслов, Р. Е. Чернобровкін
На сьогодні однією з основних проблем є створення широкосмугових малоапертурних поодиноких випромінювачів та антенних ґраток для безпровідних локальних мереж, задач неруйнівного контролю, моніторингу довкілля, біології, медицини та інше. В умовах, коли розміри випромінювача стають порівнянними з довжиною робочої хвилі, зростаючий взаємний вплив окремих елементів антени та істотно більша роль крайових ефектів в формуванні випромінювання антен стають принциповими, та потребують самостійного та детального вивчення. В роботі реалізовано підхід, що пов’язаний з використанням аналізу розподілів електромагнітного (ЕМ) поля в проміжній зоні випромінювання для пояснення особливостей формування випромінювання в антенній ґратці та планарній спіральній антені. Вимірюються розподіли ЕМ-поля в проміжній зоні, та проводиться їх аналіз разом з розподілами ЕМ-поля в дальній зоні. При цьому використовуються спеціальні хвилеводні зонди. Показано, що для елементів антенної ґратки ЕМ-хвилі, що розсіються як на їх границях, так і на екрані обумовлюють осциляції інтенсивності в головній пелюстці діаграми спрямованості (ДС) та зростання рівня крос-компоненти. Для спіральної антени відмінності в розподілах ЕМ-поля в проміжній зоні на ортогональних компонентах приводять як до різниці в ДС, так і до нерівномірної зміни коефіцієнта еліптичності в робочому частотному діапазоні. Запропонований в роботі підхід до аналізу характеристик антен, а також досліджені антени можуть найти використання при створенні пристроїв систем зв’язку.
РЕЗОНАНСНІ ВЛАСТИВОСТІ ПЛАНАРНОГО МЕТАМАТЕРІАЛУ, СФОРМОВАНОГО МАСИВОМ РОЗЕТОК НА НЕНАМАГНІЧЕНІЙ ФЕРОДІЕЛЕКТРІЧНІЙ ПІДКЛАДЦІ
С. Ю. Полевой, С. Л. Просвірнін, С. І. Тарапов
Киральні структури становлять інтерес як для фундаментальної фізики, де вони можуть успішно використовуватися для моделювання поширення електромагнітних хвиль і елементарних збуджень в конденсованих середовищах (від кристалічних до аморфних), так і з прикладної точки зору. Такі структури можуть бути дуже перспективними при створенні компактних магнітокерованих НВЧ-пристроїв. Однак у міліметровому діапазоні довжин хвиль, який виявляється одним з найважливіших сьогодні з прикладної точки зору, обсяг експериментальних досліджень плоско-киральних структур виявляється недостатнім. У цій роботі досліджено електродинамічні резонансні властивості планарного метаматеріалу у вигляді масиву металевих плоско-киральних розеток на ненамагніченій феритовій підкладці. Отримано експериментальні і розрахункові частотні залежності коефіцієнта передачі для декількох величин періоду структури. Проаналізовано залежність частоти резонансного піку коефіцієнта передачі від величини періоду структури. Проведено спільний аналіз експериментальних та теоретичних даних. Результати досліджень можуть знайти застосування в галузі телекомунікацій, високочастотній техніці (при розробці фільтрів, поляризаторів, спрямованих відгалужувачів), антенній техніці.
ДЕПРЕСІЯ УНЧ-КОЛИВАНЬ ГЕОМАГНІТНОГО ПОЛЯ ЯК МОЖЛИВИЙ ПРОВІСНИК ЯПОНСЬКОГО ЗЕМЛЕТРУСУ 11 БЕРЕЗНЯ 2011 Р.
О. Щекотов, Е. Федоров, Я. Хобара, М. Хаякава
Розглядаються електромагнітні провісники землетрусів; на різних відстанях від епіцентру сильного землетрусу в Японії 11 березня 2011 досліджується депресія (зменшення амплітуди) УНЧ-варіацій геомагнітного поля, що спричинена магнітосферними джерелами. Використовуються записи флюксгейт-магнетометрів, розташованих від епіцентру на відстанях ~300 і ~1300 км. Інтервал спостережень відноситься до періоду з 1 грудня 2010 р. по 31 травня 2011 р. Виявлено різке зниження УНЧ-коливань геомагнітного поля в діапазоні частот 0,03…0,05 Гц (30…50 мГц) у всіх японських обсерваторіях (Какіока, Мамабетсу і Канойя). Ефект спостерігали за 3 дні до форшоку магнітудою М = 7,5 і за 5 днів до головного поштовху магнітудою М = 9. Максимальна депресія в кілька разів перевищила ті, що спостерігалися раніше, причому в найближчій до епіцентру обсерваторії (Какіока) ефект був найбільшим. Таким чином, депресію можна розглядати як провісника гігантського землетрусу в Японії 11 березня 2011 р.
ВИБІР ПАРАМЕТРІВ МЕТОДУ ROOT-MUSIC ПРИ РАДІОЛОКАЦІЙНИХ ВИМІРЮВАННЯХ КУТІВ МІСЦЯ ЦІЛЕЙ ПОБЛИЗУ ПОВЕРХНІ МОРЯ
Ю. О. Педенко
Метод високого спектрального розподілу root-MUSIC розглядається останнім часом як один із засобів, що дозволяють вирішити задачу підвищення точності вимірювання кута місця маловисотних цілей над схвильованим морем. Однак традиційний підхід до вибору апріорних параметрів методу, розроблений з позицій спектрального аналізу, не дозволяє виявити його переваг в точності вимірювань у порівнянні з кращим спеціальними методами, запропонованими для вирішення розглянутої задачі. Це послужило причиною розробки різних модифікацій методу. У даній роботі за допомогою комп’ютерного моделювання виконано дослідження методу в його класичній формі, але при використанні апріорних параметрів, які в тому числі суттєво відрізняються від використовуваних в інших дослідженнях. В першу чергу це стосується розмірності підпростору сигналів. Показано, що збільшення розмірності від значення рівного двом, зумовленого використанням дзеркальної моделі відбиття радіохвиль від поверхні розділу, до п’яти-семи дозволяє підвищити точність вимірювання кута місця маловисотних цілей в кілька разів. Встановлено, що підвищення точності проявляється як при сильному дифузному, так і сильному дзеркальному відбитті радіохвиль від моря.
МОНІТОРИНГ АТМОСФЕРИ НАД ХАРКІВСЬКИМ РЕГІОНОМ ЗА ДОПОМОГОЮ GPS
О. Л. Коворотний, Ю. В. Гончаренко, В. М. Горобец, Ф. В. Ківва, А. І. Горб, А. Ю. Балан
Оцінка стану атмосфери, а також прогнозування погоди і клімату були та залишаються актуальними для різних галузей науки і техніки. Робота присвячена розробці методики визначення тропосферної зенітної затримки (ZTD) за даними дистанційного зондування за допомогою системи GPS та експериментальній перевірці запропонованого алгоритму. Вихідні дані, використовувані для обчислення ZTD, а в подальшому – метеопараметрів в кожній із прийомних точок, отримано за допомогою регіональної системи високоточних супутникових геодезичних вимірювань в Харківській області (NGCNET). У роботі описано методику визначення гідростатичної і вологої (ZWD) компонент тропосферної затримки на підставі даних, отриманих за допомогою двочастотних приймачів GPS. Проведено порівняння між даними, розрахованими за відомими моделями, та отриманими від NGCNET. Показано, що коефіцієнти кореляції між значеннями ZWD становить 0,5–0,6 – для літніх та 0,7–0,8 – для зимових і весняних вимірювань. Також оцінено радіуси кореляції значень ZWD для різних сезонів.
АНОМАЛЬНА ПРОЗОРІСТЬ ПЕРІОДИЧНО МОДУЛЬОВАНИХ ПЛАСТИН ШАРУВАТИХ НАДПРОВІДНИКІВ В ТЕРАГЕРЦЕВОМУ ДІАПАЗОНІ ЧАСТОТ
Д. В. Кадигроб, М. М. Макаров, Ф. Перес-Родрігес, Т. М. Сліпченко, О. І. Любімов, В. О. Ямпольський
Збудження власних електромагнітних хвиль в обмежених провідниках супроводжується рядом резонансних явищ, важливих з точки зору їх використання в пристроях управління світлом, сонячних батареях, приладах виявлення та фільтрації випромінювання у видимому і дальньому інфрачервоному діапазонах частот. Дуже бажано розширити діапазон частот, при яких спостерігаються такі явища на терагерцову область. В роботі розглянуто посилене проходження терагерцового випромінювання крізь періодично модульовані пластини шаруватих надпровідників, що обумовлене дифракцією падаючих хвиль і резонансним збудженням власних мод. Передбачається, що товщина пластини у багато разів перевищує глибину скін-шару, і в відсутність модуляції прозорість пластини дорівнює нулю з експоненційною точністю. У модульованій пластині електромагнітне поле переноситься від опромінюваного боку до протилежної завдяки збудженню хвилеводних мод, які не затухають в глибину пластини, на відміну від металів, де посилене проходження світла пов'язано зі збудженням поверхневих хвиль. Показано, що в експерименті на графіку залежності коефіцієнта проходження від кута падіння хвилі повинні спостерігатися серії резонансних піків, які відповідають рівності хвилевого вектора дифрагованої хвилі та хвильового вектора однієї з власних хвилеводних мод. Розглянуто також протилежний ефект, коли прозорість модульованої тонкої пластини (з товщиною значно меншою глибини скін-шару) помітно зменшується за рахунок резонансного збудження власних мод.
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ДВОЧАСТОТНИХ РЕЖИМІВ В ГЕНЕРАТОРАХ ДИФРАКЦІЙНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ
В. Г. Курін
В даний час багаточастотні сигнали знаходять застосування в багатоканальних системах зв’язку і багаточастотних радіолокаційних станціях (РЛС). Використання багаточастотних РЛС підвищує ефективність виявлення, розпізнавання і розрізнення об’єктів, що істотно підвищує достовірність визначення координат групових цілей і грає не останню роль у розробці інтелектуальних радіолокаційних систем автоматичного розпізнавання об’єктів. Для формування радіолокаційного зображення важливе значення має не тільки діапазон, але і рознос частот формувача (генератора) зондувальних сигналів. Рознос частот сприяє формуванню радіолокаційних зображень, які виявляються близькими по візуальному сприйняттю і звичні для людини. У досліджуваному генераторі рознос частот можна регулювати шляхом зміни анодної напруги, що, безперечно, є однією з умов, що обумовлюють високоефективну роботу двочастотних РЛС міліметрового діапазону. Завдання по збудженню в генераторі двох частот вирішувалося шляхом підбору умов для одночасного збудження в генераторі двох режимів, а саме, режиму дифракційного випромінювання і так званого леддертронного режиму. В обох цих режимах енергію з об’єму відкритого резонатора можна виводити на швидких (об’ємних) хвилях за допомогою отвору зв’язку, виконаному в одному з дзеркал («верхньому») відкритого резонатора. Виявилося, що в генераторі збуджуються на різних частотах зазначені режими у випадках, коли у відкритому резонаторі збуджується резонансна мода, що утворює у просторі взаємодії (в напрямку руху електронного потоку) дві протифазні плями поля. У цьому випадку електронний потік перетвориться з однопотокового на двопотоковий, що й обумовлює стійку роботу генератора на двох частотах. Експериментальні результати показали стійкість і ефективність одночасної роботи генератора в зазначених режимах. Причому, рознос частот, що генеруються, можна було змінювати шляхом зміни анодної напруги. Результати досліджень розширюють функціональні можливості застосування генераторів в різних галузях науки і техніки. Зокрема, становить інтерес дослідження можливості (або неможливості) збігу частот зазначених режимів.
МЕТОДИКА ОЦІНКИ ЯКОСТІ ЕМІТУВАЛЬНОГО ВУЗЛА КАТОДА МАГНЕТРОНА З АВТОЕМІСІЙНИМ ЗАПУСКОМ
А. А. Гурко, К. І. Сучков
На сьогодні відсутні методики прогнозування довговічності катода і його працездатності при зниженій температурі навколишнього середовища, а висновок про задоволення вимогам технічних умов (ТУ) за цими параметрами оцінюється тільки за результатами натурних випробувань контрольної партії. У науковій літературі не існує єдиної точки зору на засоби визначення емісійної здатності матеріалу катода для приладів зі схрещеними полями. В зв’язку з цим є значні труднощі обґрунтування вибору параметрів катода для кожного конкретного приладу. Виконано дослідження різних партій матеріалу Pd–Ba, який застосовується в катодах серійних магнетронів. Перевірено умову переходу автоемісії у вибухову шляхом оцінки працездатності магнетрона при шпаруватості, що істотно перевищує вимоги ТУ. За результатами дослідження зроблено висновок про існування кореляції між довговічністю магнетрона і його працездатністю при зниженій температурі. В якості критерію пропонується величина шпаруватості, що перевищує максимальне експлуатаційне значення і визначається експериментально, і при якій в нормальних кліматичних умовах реалізується вихід на робочий режим при першому включенні магнетрона. Отримана методика дозволяє здійснювати 100 % прогнозування виконання вимог ТУ з довговічності. Вона адекватна методиці перевірки на холодостійкість, але при нормальних кліматичних умовах.
ЗАГЛУШЕННЯ ЩІЛИННОГО ВИДУ КОЛИВАНЬ У КОАКСІАЛЬНИХ МАГНЕТРОНАХ МІЛІМЕТРОВОГО ДІАПАЗОНУ ДОВЖИН ХВИЛЬ
А. А. Оміров
Серед усіх конкуруючих видів коливань у коаксіальному магнетроні (КМ) найбільші труднощі створює щілинний вид. Застосування ефективного реактивного придушення цього виду дозволяє підвищити ККД магнетрона за рахунок ослаблення дисипативного заглушення. Наявні в науковій літературі методи розрахунку параметрів щілинного виду коливань містять у собі помилки та є некоректними у випадку застосування периферійної стінки анодної сповільнюючої системи (АСС), завтовшки більше 0,1l. Також відсутні дослідження із застосуванням реактивного придушення щілинного виду коливань у КМ міліметрового (мм) діапазону довжин хвиль. Усунуто помилки існуючого методу розрахунку параметрів щілинного виду коливань. Запропоновано модифікацію алгоритму розрахунку, а також новий метод, застосовний при використанні АСС із периферійною стінкою завтовшки більше 0,1l. Запропонований спосіб реактивного заглушення щілинного виду коливань у КМ мм діапазону довжин хвиль шляхом виготовлення щілин зв’язку прямокутного профілю різної аксіальної довжини. Розглянуто процес «руйнування» спектру просторових гармонік і структури ВЧ-поля щілинного виду коливань при застосуванні реактивного заглушення. Результати дослідження свідчать про те, що при угрупованні щілин зв’язку прямокутного профілю різної аксіальної довжини у КМ мм діапазону довжин хвиль можливе досягнення реактивного «руйнування» щілинного виду коливань, як мінімум, не гірше, ніж у КМ сантиметрового (см) діапазону довжин хвиль при застосуванні щілин зв’язку різного профілю. Результати досліджень розширюють знання про засоби реактивного заглушення щілинного виду коливань у КМ і можуть бути застосовані при розробці та поліпшенні параметрів КМ як см, так і мм діапазону довжин хвиль.
ІМПЕДАНС ТА ЕФЕКТИВНІСТЬ ГЕНЕРАЦІЇ ПЛАНАРНОГО ДІОДА З РЕЗОНАНСНО-ТУНЕЛЬНОЇ МЕЖЕЮ НА ОСНОВІ GaAs
Е. Д. Прохоров, О. В. Боцула, О. О. Реутіна
На сьогодні досліджуються прилади, які можуть працювати в міліметровому і субміліметровому діапазонах. Для освоєння цього діапазону використовують твердотільні генератори, що працюють на частотах 100…150 ГГц, з подальшим множенням за допомогою помножувачів частоти цих відносно низьких частот до необхідного рівня (реально до 1…2 ТГц). Раніше було запропоновано напівпровідникові прилади, які можуть застосовуватися як генератори, підсилювачі. Вони являють собою діоди з негативною диференціальною провідністю, що виникає за рахунок бічних тунельної або резонансно-тунельної меж (РТМ). У даному дослідженні розглядаються електронні процеси в діодах з РТМ на основі GaAs, за умови, що РТМ обмежена по протяжності. Визначаються залежності активної і реактивної складових імпедансу планарного діоду з РТМ для реальних параметрів діодів. Показано, що частотні можливості діоду з РТМ істотно залежать від місця розташування межі і ефективність генерації та частотний діапазон зменшуються при переміщенні РТМ до аноду.
ВИСОКОДОБРОТНІ ТИПИ КОЛИВАНЬ В НЕРЕГУЛЯРНИХ ГІБРИДНИХ СТРУКТУРАХ
І. М. Бондаренко, О. В. Галіч, С. І. Троїцький
Для безконтактної мікрохвильової діагностики матеріалів і середовищ в скануючій мікрохвильовій мікроскопії активно застосовуються резонаторні вимірювальні перетворювачі з коаксіальними мікрозондами. Чутливість вимірювань при цьому визначається добротністю резонаторної частини вимірювача та ефективністю її узгодження з зондом. Метою нашого дослідження є проведення аналізу умов збудження і підтримання високодобротних коливань в нерегулярних гібридних структурах типу коаксіального конуса, урізаного об’ємного конуса, з’єднаного з коаксіальним конусом, об’ємного циліндра, з’єднаного з урізаним об’ємним конусом і коаксіальним конусом. За допомогою числового моделювання і експериментальних досліджень макетів пристроїв визначено умови збудження та типи високодобротних коливань в таких нерегулярних гібридних структурах, а також умови забезпечення зв’язку високодобротних коливань з апертурою коаксіальної зондової частини. Нерегулярні гібридні структури в конфігураціях, які розглянуто в роботі, можуть бути ефективно використані для створення високодобротних резонаторних вимірювальних перетворювачів для безконтактної мікрохвильової діагностики різних об’єктів.