2013, т. 4(18), № 2
АНАЛІТИЧНЕ РІШЕННЯ ЗАДАЧІ ПРО ЗВ’ЯЗОК ЧЕРЕЗ МАЛИЙ ОТВІР ДИПОЛЬНИХ МОД РЕЗОНАТОРІВ
М. І. Айзацький, К. Ю. Крамаренко
Задача про зв’язок дипольних мод резонаторів має велике прикладне значення, тому що вона є базовою для описування аксіально-несиметричних коливань в діафрагмованих хвилеводах. Ці коливання відповідальні за поперечне зміщення прискорюваного пучка і, як наслідок, за розвиток поперечної нестабільності в лінійних резонансних прискорювачах. До останнього часу був відсутній метод, що дозволяє на підставі суворого електродинамічного підходу розраховувати коефіцієнти зв’язку дипольних мод резонаторів при різних припущеннях щодо геометрії отвору зв’язку та резонаторів. Тому вони обчислювались наближеними методами, заснованими на використанні рішень електростатичних і магнітостатичних задач. Електромагнітні поля в різних областях нами були представлені у вигляді строгих розкладань по повним наборам власних функцій, що складаються з соленоїдальних і потенціальних підсистем. Нескінченні системи алгебраїчних рівнянь для коефіцієнтів розкладання поля на апертурі, отримані при використанні граничних умов, були трансформовані в системи парних інтегральних рівнянь. Отримано аналітичні рішення цих інтегральних рівнянь. Їх аналіз показав, що в розкладанні тангенціальної складової електричного поля на апертурі по малому (~a) параметру відсутнє нульове наближення. Тангенціальна складова електричного поля пропорційна як тангенціальним складовим магнітного поля мод ТМ110 і ТЕ111 (~a/l, l - довжина хвилі), так і нормальній (до площини апертури) складовій електричного поля моди ТМ110 (~a/b, b – радіус резонатора). Отримано також вирази для коефіцієнтів зв’язку мод ТМ110 і ТЕ111. Показано, що коефіцієнти зв’язку, визначені з точністю до а3, залежать тільки від соленоїдальної складової електричного поля на апертурі. На відміну від широко використовуваного евристичного підходу, заснованого на підборі параметрів ланцюжка зв’язаних контурів, запропонований підхід дає можливість більш коректно описувати характеристики аксіально-несиметричних коливань в уповільнюючих структурах і процес їх збудження потужнострумовим електронним пучком.
РЕЖИМ АВТОКОЛІМАЦІЇ ПРИ ВІДБИТТІ ТРИВИМІРНОГО ГАУССОВА ПУЧКА ВІД ДВОВИМІРНО-ПЕРІОДИЧНОЇ ҐРАТКИ ІЗ ЗАКОРОЧЕНИХ ПРЯМОКУТНИХ ХВИЛЕВОДІВ
О. В. Грибовський, О. О. Єлісеєв
При створенні сучасних спектральних приладів використовуються, головним чином, відбивні дифракційні ґратки, що працюють в режимі автоколімації. Використання відбивних ґраток хвилеводного типу в режимі автоколімації для конструювання різних приладів має суттєву перевагу в порівнянні з ґратками нехвилеводного типу. Дослідження розсіювання гауссових хвильових пучків на двовимірно-періодичних ґратках в режимі автоколімації раніше не проводилися. Досліджуючи характеристики розсіяння електромагнітного поля при падінні тривимірного гауссова хвильового пучка на двовимірно-періодичну структуру необхідно визначити кути, під якими поширюється недзеркальний пучок. Для побудови енергетичних залежностей пучка, діаграм направленностей (ДН) в далекій зоні потрібен новий алгоритм, що відрізняється від того, який використовується при аналізі енергетичних властивостей дзеркального пучка. Досліджено режим автоколімації при відображенні тривимірного гауссова хвильового пучка від двовимірно-періодичних ґраток із закорочених хвилеводів прямокутного перерізу. Подано результати для випадків падіння p- і s-поляризованого пучка кругового перерізу на ґратки з прямокутною сіткою. Розраховано залежності коефіцієнтів відображення по потужності від довжини закорочених хвилеводів для дзеркального й недзеркального пучків. Досліджено залежності форми ДН відбитих пучків в далекій зоні від параметрів ґратки й пучка, що падає. Розраховано тривимірні ДН по потужності дзеркального і недзеркального пучків в далекій зоні. Дано фізичне пояснення ефектів перерозподілу енергії між дзеркальним і недзеркальним пучком. Встановлено ефект розщеплювання ДН відбитого пучка. Уперше отримано енергетичні характеристики і тривимірні ДН в далекій зоні для недзеркального пучка. Аналіз отриманих результатів дає можливість визначити, при яких параметрах падаючого пучка і відбивної ґратки можлива апроксимація поля пучка, що падає, полем плоскої хвилі.
ВИПАДКОВІ ЛІНІЙНІ АНТЕНИ З КЕРОВАННОЮ ДІАГРАММОЮ СПРЯМОВАНОСТІ
А. А. Майстренко, С. С. Мельнік, Г. М. Притула, О. В. Усатенко
У роботі вивчаються лінійні антенні решітки, широко використовувані як в теоретичних дослідженнях, так і в практичних цілях. Передбачається, що інтенсивності дипольних випромінювачів решітки та відстані між ними, є випадковими величинами, що істотно ускладнює досліджувану проблему. Показано, що інтенсивність інтерференційного поля випромінювання може бути виражена через кореляційні функції випадкових величин. Розроблено метод побудови двох випадкових послідовностей із заданими бінарними автокореляційними і кореляційними функціями, метод, що дозволяє вирішити зворотну задачу синтезу випадкових антен за заданою діаграмою спрямованості. Наведено приклади чисельної реалізації методу побудови таких антен, які можуть бути використані в практичних застосування.
МОДЕЛЬ БАГАТОПРОМЕНЕВОГО ПОШИРЕННЯ МІЛІМЕТРОВИХ РАДІОХВИЛЬ НАД МОРСЬКОЮ ПОВЕРХНЕЮ ПРИ СИЛЬНИХ ЗАТІНЕННЯХ
В. Б. Разсказовський, Ю. Ф. Логвінов
Важливість моделі поширення радіохвиль над морською поверхнею при сильних затіненнях обумовлено практичною значущістю цієї задачі і потребами фундаментальної науки для вивчення фізичних процесів при поширенні хвиль. У основу використовуваних сучасних методів розрахунку електромагнітного поля над морською поверхнею з вітровими хвилями при малих кутах ковзання закладено гіпотезу, що нерівності (морські хвилі) є наслідком збурення в середньому плоскої межі розділу і їм властиві малі нахили. Проте такі умови поширення радіохвиль досить рідко зустрічаються на практиці. Нами досліджений альтернативний цьому випадок, що відповідає існуванню сильних затінень, що виключають відбиття від квазіплоских, близьких до горизонтальних, елементів поверхні. Отримані результати дозволяють істотним чином переглянути фізичні процеси, що відбуваються при розсіянні радіохвиль в умовах сильних затінень. Методом числового моделювання визначено координати і кривизну незатінених елементів, якими є вершини хвиль, визначено, що перевипромінюване ними поле є результатом дії дифракції Френеля і відбиття від опуклих циліндричних (у досліджуваному двовимірному випадку) поверхонь. Для радіохвиль Ka-діапазону(довжина хвилі 8 мм) оцінено розподілення потужності перевипромінювання по довжині траси, кутові спектри хвиль, що приходять до апертури приймальної антени, знання яких потрібне для аналізу роботи пеленгаційних радіосистем. У роботі отримано і проаналізовано особливості розподілу по довжині траси і кутах приходу до точки прийому потужностей когерентної і некогерентної компонент перевипромінюванного поверхнею моря поля, що істотно впливають на точність систем вимірювання кутових координат джерел випромінювання, у тому числі таких, у яких застосовано сучасні методи спектрального оцінювання.
ЗАСТОСУВАННЯ РЛС «БУРЕВІСНИК ЗГ» ДЛЯ ЗАГОРИЗОНТНОГО ВИЯВЛЕННЯ НАДВОДНИХ ОБ’ЄКТІВ
В. П. Дзюба, А. Д. Дориченко, В. Д. Єрьомка, А. Ф. Зиков, Л. П. Міліневський, І. М. Миценко, А. Н. Півень, О. І. Прокопенко, О. М. Роєнко, Д. В. Роскошний
Однією з проблем поширення радіохвиль та радіолокаційної техніки є створення засобів радіолокації для вирішення навігаційних завдань в районах Світового океану з інтенсивним судноплавством. Українська радіоелектронна промисловість має великий досвід розробки радіолокаційних систем різного призначення, однією з яких є радіолокаційна станція (РЛС) «Буревісник». Ця РЛС застосовується для контролю надводної обстановки на постах спостереження військово-морських та прикордонних служб України. У роботі запропоновано модернізувати РЛС «Буревісник-1» для навігації і загоризонтного виявлення надводних об’єктів. Наведено оцінку та ілюстрацію можливості ефективного застосування РЛС «Буревісник ЗГ» для загоризонтного виявлення надводних об’єктів у районах Світового океану. Для цього використано базу даних множника послаблення радіохвиль сантиметрового діапазону, створену Інститутом радіофізики т електроніки ім. А. Я. Усикова НАН України за результатами експериментальних радіофізичних досліджень. Визначено статистичні функції розподілу дальності дії РЛС «Буревісник ЗГ» в районах Світового океану, проведено порівняння з експериментальними дослідженнями, в яких використовувалися стаціонарні навігаційні РЛС «Дон», «Наяда», «МРЛ-5». Зроблено висновок про можливість використання РЛС «Буревісник ЗГ» в районах Світового океану для навігації та загоризонтного виявлення надводних об’єктів.
КОРЕКЦІЯ РАДІОМЕТРИЧНИХ ПОМИЛОК НА ЗОБРАЖЕННЯХ ПРИ ВИКОРИСТАННІ ДАЛЬНОСТНО-ДОПЛЕРІВСЬКОГО АЛГОРИТМУ В РАДІОЛОКАТОРАХ ІЗ СИНТЕЗОВАНОЮ АПЕРТУРОЮ
Є. М. Горовий, О. О. Безвесільний, Д. М. Ваврів
Радіолокатор із синтезованою апертурою (РСА) є ефективним інструментом для формування зображень земної поверхні з високим просторовим розрізненням. Одним із факторів, які впливають на якість отриманих зображень, є нестабільності польоту літака. Проблема полягає в тому, що незважаючи на застосування загальноприйнятої процедури компенсації відхилень траєкторії, яка необхідна для побудування синтезованої апертури, нестабільності орієнтації реальної антени залишаються нескомпенсованими. Це призводить до радіометричних (яскравісних) помилок на зображеннях. Така проблема особливо актуальна у випадку застосування кадрових алгоритмів обробки даних, які базуються на використанні швидкого перетворення Фур’є (наприклад, дальностно-доплерівського алгоритму) і передбачають постійну орієнтацію променя антени в межах великих блоків даних. В роботі розглянуто метод корекції радіометричних помилок на радіолокаційних зображеннях при проведенні РСА-обробки в частотній області. Ідея методу базується на формуванні збільшеного числа РСА-поглядів, що відповідає розширенню полоси оброблюваних доплерівських частот. Показано, що розширення смуги частот дозволяє компенсувати вплив двох ефектів: зміни кутів орієнтації антени з часом відносно вектора швидкості літака, а також можливого додаткового розширення смуги доплерівських частот прийнятих сигналів у результаті застосування процедури компенсації помилок руху. Отримане збільшене число РСА-поглядів використовується для відтворення багатопоглядового РСА-зображення без радіометричних помилок. Запропоновані методи корекції радіометричних помилок є ефективною заміною дорогої системи стабілізації реальної антени і активно використовуються в діючих РСА-системах. Ефективність розроблених алгоритмів проілюстрована на прикладі реальних радіолокаційних даних.
ВЗАЄМОДІЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ СИГНАЛІВ З АНТЕНОЮ, ВИКОНАНОЮ З ПЛАЗМИ ГАЗОВОГО РОЗРЯДУ
В. В. Овсяніков, С. М. Мороз
Взаємодія електромагнітних сигналів з плазмовими антенами (ПА) є актуальним завданням радіофізики та електроніки, так як вони застосовуються в різних галузях радіотехніки, у тому числі для потреб Збройних сил. Незважаючи на значну кількість публікацій, присвячених ПА, на сьогодні не висвітлено проблему впливу парів ртуті на їх електродинамічні характеристики. Запропоновано спосіб розрахунку провідності холодної плазми з додаванням парів ртуті, виконано розрахунок характеристик ПА з парами ртуті та без них у двох частотних діапазонах в програмному середовищі FEKO, проаналізовано вплив парів ртуті на параметри ПА. Розрахунки показали, що введення парів ртуті в ПА призводить до істотного зниження її ККД і змінює характеристику коефіцієнт стоячої хвилі по напрузі (КСХН), особливо з підвищенням частоти електромагнітних сигналів. Для поліпшення параметрів, особливо ККД досліджуваних антен, видано рекомендації щодо зниження кількості ртуті в них. Розглянуті антени можливо використати для установки на аерокосмічних апаратах.
ДОСЛІДЖЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ ПОВЕРХНЕВИХ ХВИЛЬ В ОБМЕЖЕНІЙ ПЕРІОДИЧНІЙ СТРУКТУРІ ПОБЛИЗУ ЕКСИТОННИХ СМУГ
В. В. Байбак, О. О. Булгаков
Дослідження електромагнітних хвиль терагерцового (ТГц) діапазону є напрямом в радіофізиці, що інтенсивно розвивається. Однак ТГц-діапазон залишається експериментально більше важкодоступним і менше вивченим, ніж сусідні з ним НВЧ- і ІЧ-діапазони. У роботі ми вирішуємо задачу про поширення поверхневих електромагнітних хвиль у шарувато-періодичних структурах, що містять шари з екситонами, в ТГц-діапазоні довжин хвиль. Розглянуто дисперсійні властивості електромагнітних хвиль для безмежної та для обмеженої періодичних структур. Досліджується можливість існування поверхневих електромагнітних хвиль, що можуть поширюватися уздовж поверхонь обмеженого періодичного зразка в зонах, у яких об’ємні хвилі не поширюються. За допомогою комплексної теореми Пойнтінга показано, що розглянуті поверхневі хвилі можуть існувати незалежно або одночасно на кожній поверхні структури. Отримані результати дозволяють аналізувати особливості поверхні, до якої прикладається періодичний зразок. Це дає можливість вивчати якість тонких плівок на поверхні твердих тіл, поверхні біологічних матеріалів і т. д.
АКУСТИЧНІ СПІН-ХВИЛЬОВІ РЕЗОНАНСИ В НАПРУЖЕНОМУ КРИСТАЛІ БОРАТУ ЗАЛІЗА
В. І. Хижний, Т. М. Хижна, В. В. Тараканов, О. П. Королюк
Антиферомагнетик і одночасно слабкий феромагнетик борат заліза FeBO3 має ряд унікальних властивостей. Висока температура Нееля і величезне ефективне поле однорідного обміну призводять до великої величини його магнітопружного зв’язку. Особливості динамічних проявів сильного магнітопружного зв’язку у бораті заліза представляють істотний фізичний інтерес, оскільки динамічні і статичні пружні деформації можуть змінювати магнітні властивості кристала. При поширенні подовжньої гіперзвукової хвилі уздовж осі симетрії С3 кристала FeBO3 в магнітному полі, авторами було виявлено осциляційні структури амплітуди і фази коефіцієнта проходження. Раніше авторами було запропоновано фізичну модель явища. Вона полягає в тому, що в режимі стоячої звукової хвилі в зразку може виникати магнітна модуляційна (напіввимірна) структура. У цій роботі експериментально досліджено частотну залежність спостережуваних резонансів у зовнішньому магнітному полі і проведено їх числове моделювання. Порівняно та проаналізовано результати експерименту і моделювання. Дослідження показали якісну згоду вибраної моделі взаємодії звуку з магнітною системою. Виявлені явища можуть застосовуватись у спінтрониці, акустооптиці й акустоелектрониці.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ВАРИЗОННИХ ALINN ДIОДIВ ГАННА
М. В. Кайдаш
За своїми властивостями напівпровідникові нітриди є перспективними матеріалами для швидкодіючих тердотільних приладів, у тому числі на ефекті міждолинного переносу електронів. Однак, через низку причин, зокрема, великої споживаної потужності і складності відведення тепла від активної області приладу, в науковій літературі відсутні дані про експериментальну генерацію електромагнітних коливань за допомогою діодів Ганна на основі GaN або InN. У даному дослідженні, по-перше, пропонується ідея зменшення споживаної потужності і підвищення ефективності діодів Ганна, по-друге, проведено числові експерименти по генерації за допомогою діодів Ганна на основі варизонного AlInN, в-третіх, оптимізовано параметри й отримано вихідні характеристики діодів з різними катодними контактами в широкому діапазоні частоту Роботу діодів розглянуто для гармонічного і бігармонічного режимів роботи. Дослідження показало, що варизонні AlInN діоди Ганна перевищують однотипні InN i AlN діоди по ефективності генерації, вихідній потужності і граничній робочій частоті, яка складає 0,9¸1,3 ТГц при довжині активної області 0,15 мкм. Споживана потужність варизонних AlInN діодів на 3¸20 % менша споживаної потужності InN діодів. Результати дослідження розширюють знання про фізичні процеси перенесення носіїв заряду в складних напівпровідникових структурах і можуть бути використані для технологічних розробок нових швидкодіючих приладів на основі напівпровідникових нітридів.
ЕСТАФЕТНА ВЗАЄМОДІЯ У ПРИЛАДАХ НВЧ
Г. О. Алексєєв, Л. В. Стулова
Оглядова робота присвячена вивченню особливостей колективної взаємодії розподілених згустків, які перетинають просторово-скупчений просвіт НВЧ-поля, при короткотривалій взаємодії окремих електронів з поперечною компонентою біжучої просторової гармоніки. Виявлено, що при умові синхронізму переміщення зони короткотривалої взаємодії та фазової швидкості гармоніки інтенсивність когерентної колективної взаємодії є максимальною. Якісно цей режим відповідає естафетній взаємодії електронного згустку та біжучої гармоніки НЧ-поля. Актуальність задачі визначається необхідністю пошуку нових механізмів взаємодії та нових конструктивних рішень щодо вакуумних НВЧ-генераторів. Зроблено висновок, про можливість створення приладів, у яких реалізується колективна взаємодія розподілених згустків та біжучої хвилі електродинамічної системи, може бути створено.
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ПЕРЕТИНУ РЕЗОНАНСНИХ ОБЛАСТЕЙ ВІДКРИТОГО РЕЗОНАТОРУ ГЕНЕРАТОРА ДИФРАКЦІЙНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ НА РІВЕНЬ ЙОГО ВИХІДНОЇ ПОТУЖНОСТІ
В. Г. Курін
Розширення діапазону безперервної перебудови частоти генераторів, зокрема, генераторів дифракційного випромінювання, є важливою науковою і практичною задачею. У досліджуваних генераторах розширення діапазону безперервного генерування досягалося шляхом застосування плавної комбінованої (електронна + механічна) перебудови. Однак, до теперішнього часу фізичні явища, що супроводжують процес комбінованої перебудови, не були детально вивчені. Детальне експериментальне дослідження характеру поведінки рівня вихідної потужності генератора показало, що процес плавної комбінованої перебудови супроводжується перетинанням сусідніх резонансних областей (резонансів) електродинамічної системи генератора. В областях перетинання регулярно (майже періодично) спостерігається явище конструктивної інтерференції, яка виявляє себе у вигляді реалізацій піків рівня вихідної потужності в зонах комбінованої перебудови. Таким чином, ефекти перетину резонансів в електродинамічної системі досліджуваного генератора дозволяють не тільки здійснювати безперервну перебудову генератора в широкому діапазоні частот, але і значно підвищувати рівень вихідної потужності.
ДОБРОТНІСТЬ ТА ЕФЕКТИВНІСТЬ ЗБУДЖЕННЯ ПЛАСТИНЧАСТИХ КВАЗІОПТИЧНИХ ДІЕЛЕКТРИЧНИХ РЕЗОНАТОРІВ
О. Я. Кириченко, Г. В. Голубнича, І. Г. Максимчук, В. Б. Юрченко
Незважаючи на широке вивчення електродинамічних властивостей діелектричних резонаторів, на теперішній час відсутні відомості про добротність однієї з форм дискових квазіоптичних резонаторів – пластинчастих резонаторів, виготовлених із тонких дискових пластин з проміжками між пластинами. Це заважає використанню таких резонаторів для вимірювання електричних характеристик речовин, що оточують резонатор, з якими він завдяки своїй будові має підвищений зв’язок. Такі дослідження спрямовані на усунення цієї проблеми. Труднощі теоретичного розрахунку добротності пластинчастих резонаторів, зумовлені їх складною геометричною формою, змушують надати перевагу експериментальним дослідженням моделей таких резонаторів. У роботі вперше прямими експериментальними методами вивчено добротність та ефективність збудження дискових пластинчастих резонаторів в залежності від кількості пластин та ширини повітряного проміжку між пластинами. Знайдено мінімальну кількість пластин, необхідну для збудження резонатора, та ширину повітряного проміжку, при якому досягається найбільша добротність. Дослідження проведені на резонаторах з високим значенням азимутального індексу (n ~ 50 для дисків із плавленого кварцу) і зменшеним значенням (n < 20 для дисків із полікору). Показано, що в обох випадках добротність пластинчастих резонаторів знижується на порядок в порівнянні з добротністю суцільних дискових діелектричних резонаторів, виконаних із того ж матеріалу, в яких при однакових зовнішніх розмірах відсутня неоднорідність в аксіальному напрямку у формі проміжків між окремими дисковими пластинами.
КВАЗІОПТИЧНИЙ СУБТЕРАГЕРЦЕВИЙ РЕФЛЕКТОМЕТР ВНУТРІШНЬОГО ВІДБИТТЯ ДЛЯ НЕРУЙНІВНОГО КОНТРОЛЮ ВУГЛЕПЛАСТИКІВ
В. І. Безбородов, В. К. Кісельов, О. С. Косяк, Є. М. Кулешов, П. К. Нестеров, М. С. Яновський
Широке використання в сучасному авіабудуванні вуглепластиків потребує розробки способів неруйнівного контролю стану їх поверхні і визначення наявності вологи і термічних пошкоджень, що впливають на якість клейових з’єднань. Вживані в терагерцевому діапазоні довжин хвиль для цих цілей звичайні методи рефлектометрії дають дуже малий контраст сигналів, відбитих від чистих і забруднених зразків. У даній роботі розглянуто метод рефлектометрії внутрішнього відбиття при похилому опроміненні поверхні вуглепластиків квазіоптичним (КО) пучком під різними кутами крізь призму внутрішнього відбиття, яка розміщена поблизу поверхні зразка. Для реалізації методу розроблена КО-вимі-рювальна установка, що виконана на основі порожнистого діелектричного променеводу і комплексу променевідних пристроїв та компонентів ТГц діапазону. Проведено експериментальні дослідження зразків композитних матеріалів, що показали значне підвищення контрасту при виявленні забруднень. При технічній доробці рефлектометр може бути використано на практиці.