2013, т. 4(18), № 3
СПЕКТРАЛЬНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЯМОКУТНОЇ ХВИЛЕВОДНОЇ СЕКЦІЇ З ПАРОЮ ПРЯМОКУТНИХ ШТИРІВ ОДНАКОВОЇ ВИСОТИ
Л. П. Мосьпан, А. О. Кириленко, Д. Ю. Кулик, С. А. Приколотін
Виявлення фізичних явищ, що породжують різноманітні резонансні ефекти, є запорукою успішного проектування частотно-селективних приладів на їх основі. У роботі досліджено природу резонансів повного відбиття, які формує хвилеводна секція з парою прямокутних штирів, розташованих симетрично в поперечному перерізі прямокутного хвилеводу. Дослідження проведено в рамках спектральної теорії відкритих хвилеводних резонаторів. Розглядаючи хвилеводну секцію як одноканальний багатомодовий резонатор, запропоновано інтерпретацію резонансу повного відбиття як результату збудження в резонаторі власних коливань комплексної частоти. Вивчено динаміку поведінки власних коливань на комплексній площині при зміні двох найбільш важливих геометричних параметрів – відстані між штирями та їх висоти. Виконано порівняльний аналіз дифракційних та спектральних характеристик. Проаналізовано внесок власних коливань у формування частотної характеристики. Показано, що положення резонансу і його добротність можуть бути оцінені з високою точністю за значенням комплексної частоти одного власного коливання. Це коливання асоціюється з першою вищою модою резонансної секції, яка має ту ж симетрію, що й основна хвиля підвідного тракту. З практичної точки зору отримані результати уможливлюють моделювання смугових фільтрів зі складними частотними характеристиками.
МЕТОД ЧАСТКОВИХ ОБЛАСТЕЙ З УРАХУВАННЯМ ОСОБЛИВОСТЕЙ У ВНУТРІШНІХ ЗАДАЧАХ З ДОВІЛЬНИМИ КУСКОВО-КООРДИНАТНИМИ МЕЖАМИ. ЧАСТИНА 2. ПЛОСКО-ПОПЕРЕЧНІ З’ЄДНАННЯ ТА «IN-LINE» ОБ’ЄКТИ
С. О. Стешенко, С. А. Приколотін, А. О. Кириленко, Д. Ю. Кулик, Л. А. Рудь, С. Л. Сенкевич
Розглядається застосування узагальненого методу часткових областей для обчислення характеристик плоско-поперечних з’єднань хвилеводних ліній довільного кусково-координатного (ортогонного) перерізу у декартових координатах та «in-line» пристроїв на їх основі. Аналізуються особливості геометрії конкретних задач, що дозволяють підвищити ефективність обчислень. Досліджується достовірність отриманих алгоритмів.
АЛГОРИТМ РОЗРАХУНКУ ПЛОЩИННИХ ЗЧЛЕНУВАНЬ ХВИЛЕВОДІВ ДОВІЛЬНОГО ПЕРЕТИНУ З ВИКОРИСТАННЯМ ВЛАСНИХ ФУНКЦІЙ ЗАГАЛЬНОЇ АПЕРТУРИ
С. О. Стешенко
Метод часткових областей (МЧО) широко використовується для розрахунку узагальнених матриць розсіяння стрибкоподібних зчленувань хвилеводів. Його застосування обмежено на випадок, коли перетин одного хвилеводу повністю вписується в перетин іншого хвилеводу. Якщо перетин перерізів двох хвилеводів не співпадає ні з одним з них, як правило, між хвилеводами, що з’єднуються, штучно вводять в розгляд «віртуальний» хвилевід нульової довжини так, щоб утворені нові зчленування задовольняли вимогу застосовності МЧО. Однак такий підхід вимагає обернення трьох матриць, що призводить до додаткових витрат часу. У даній роботі досліджено можливості застосування узагальнення МЧО на випадок зчленування хвилеводів з перерізами, що накладаються. Цей підхід приводить до системи лінійних алгебраїчних рівнянь першого роду. Доведено еквівалентність двох підходів. При цьому розглянутий підхід виявляється ефективнішим традиційного, що вводить в розгляд «віртуальний» хвилевід. Результати, отримані в даній роботі, дозволять підвищити ефективність автоматизованих систем проектування хвилевідних вузлів, заснованих на МЧО.
МОДЕЛЮВАННЯ У ЧАСОВОМУ ПРОСТОРІ ПРОЦЕСІВ СКЛАДАННЯ ПОТУЖНОСТІ ПРИ ПАРАЛЕЛЬНОМУ З’ЄДНАННІ СМУЖКОВИХ ЛІНІЙ З ДІОДАМИ ГАННА
Л. В. Юрченко, В. Б. Юрченко
Створення компактних джерел випромінювання високої потужності для радіофізичних застосувань вимагає підсумовування потужності окремих приладів. Перспективними для цієї мети є діоди Ганна на основі нітриду галію. Для розрахунку систем з підсумовуванням потужності, особливо в задачах із запізненням, недостатньо методів аналізу і обчислювальних методик, незважаючи на численні досягнення. У даній роботі, використовуючи новий підхід і запропоновану нами модифікацію числового методу Дормана-Прінса, ми провели розрахунки в тимчасовій області нелінійного підсумовування потужності в активній системі, що утворена паралельним з’єднанням протяжних секцій смужкових ліній з діодами Ганна, де виникає значна затримка зворотного зв’язку. Виявлено та вивчено складні залежності вихідної потужності і періоду коливань від параметрів системи. Результати підкреслюють сильно нелінійний характер процесів і викликають інтерес для пояснення ефектів, які спостерігаються на практиці. Показано ефективність моделі при вивченні надширокосмугової динаміки поля в сильно нелінійних системах із запізненням з урахуванням сповільненої реакції активних пристроїв на зовнішній вплив. Дослідження підтвердило, що коливання в нелінійних, багатоелементних і активних системах, що володіють запізненням, погано описуються спрощеними моделями і вимагають прямого розрахунку в тимчасовій області.
ВИЯВЛЕННЯ РУХОМИХ ЦІЛЕЙ ЗА ДОПОМОГОЮ БАГАТОПОГЛЯДОВОГО ОДНОАНТЕННОГО РАДІОЛОКАТОРА З СИНТЕЗОВАНОЮ АПЕРТУРОЮ
О. О. Безвесільний, Б. А. Кочетов
Радіолокатори з синтезованою апертурою (РСА), встановлені на літаках чи супутниках, дозволяють отримувати зображення сцени з високим просторовим розрізненням. Обробка даних у таких радіолокаторах являє собою оптимальну фільтрацію сигналів від нерухомих точкових розсіювачів. Сигнали, прийняті від рухомих цілей, обробляються незгодженим фільтром. Це означає, що образи рухомих цілей на зображенні виявляються розфокусованими і зміщеними зі своїх справжніх положень, тому отримати інформацію про рухомий об’єкт зі звичайних РСА-зображень виявляється складно. Тим не менш, проблема знаходження рухомих цілей за допомогою РСА є важливою для багатьох практичних застосувань. Один з методів вирішення задачі за допомогою звичайного РСА з однією антеною ґрунтується на багатопоглядовій обробці, під якою розуміється побудова кількох зображень-поглядів однієї і тієї ж ділянки місцевості за даними, зібраними на різних інтервалах часу. Ідея підходу полягає у тому, що нерухомі цілі на зображеннях-поглядах зберігають свої положення, а рухомі цілі зміщуються, що дозволяє відрізнити рухомі цілі від нерухомих. Крім того, по зміщенню цілі можна оцінити параметри її руху. В цій роботі на основі загальних рівнянь, що описують процес формування багатопоглядових зображень у часовій області, отримано формули, що описують зміщення образів рухомих цілей у припущенні, що ціль рухається з постійним вектором швидкості. Встановлено, що в рамках такого підходу можна визначити відстань до цілі, модуль і радіальну компоненту вектора відносної швидкості цілі. Для знаходження справжнього положення і вектора власної швидкості цілі необхідно використовувати додаткову інформацію, наприклад, траєкторію цілі. У протилежному випадку зберігається невизначеність між швидкістю і положенням цілі. Отримані теоретичні результати проілюстровано комп’ютерним моделюванням.
ВЕЛИКОМАСШТАБНІ ЗБУРЕННЯ МАГНІТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛІ, ЩО СУПРОВОДЖУВАЛИ ПАДІННЯ ЧЕЛЯБІНСЬКОГО МЕТЕОРОЇДА
Л. Ф. Чорногор
Проведено аналіз часових варіацій компонент геомагнітного поля у день падіння метеорита «Челябінськ» (15 лютого 2013 р.) та в контрольні дні (12 і 16 лютого 2013 р.). Для аналізу вибрано магнітні обсерваторії у м. Новосибірськ, Алма-Ата, Київ і Львів. Відстань R від місця вибуху до обсерваторії змінювалось у межах 1,2...2,7 тис. км. Виявилось, що проліт і вибух Челябінського космічного тіла супроводжувалися варіаціями в основному горизонтальної компоненти геомагнітного поля. Варіації носили квазіперіодичний характер з періодом 30...40 хв, амплітудою 0,5...2 нТл для R » 2,7...1,2 тис. км відповідно та тривалістю 2...3 год. Горизонтальна швидкість поширення хвильових збурень геомагнітного поля була близька до 260...370 м/с. Запропоновано теоретичну модель хвильових збурень. Згідно моделі хвильові збурення геомагнітного поля викликані рухом гравітаційної хвилі, що була згенерована в атмосфері падаючим космічним тілом, та рухомими іоносферними збуреннями, що виникли. Розрахункові значення амплітуд хвильових збурень склали 0,6...1,8 нТл для R » 2,7...1,2 тис. км відповідно. Результати спостережень і оцінок добре узгоджуються між собою.
ВЗАЄМОДІЯ ПЛАЗМОВИХ І ДЕФЕКТНИХ МОД В ОДНОВИМІРНІЙ ДЕФЕКТНІЙ ДІЕЛЕКТРИЧНІЙ ШАРУВАТО-ПЕРІОДИЧНІЙ СТРУКТУРІ, ЩО МЕЖУЄ З ПЛАЗМОПОДІБНИМ СЕРЕДОВИЩЕМ
М. М. Білецький, С. А. Борисенко, Н. І. Гвоздєв
Шарувато-періодичні дефектні структури (дефектні фотонні кристали), що межують із плазмоподібними середовищами (напівпровідниками та металами) викликають неабиякий інтерес. Це пов’язано з наявністю в таких структурах різних типів електромагнітних хвиль. Властивості цих хвиль в науковій літературі дослідженні ще недостатньо. У цій роботі на основі числового рішення дисперсійного рівняння вивчаються TM-електромагнітні хвилі в одновимірній дефектній діелектричній шарувато-періодичній структурі, що межує з плазмоподібним середовищем. Вивчено дисперсійні та енергетичні властивості плазмових та дефектних мод в залежності від положення дефектного шару в шарувато-періодичній структурі. Передбачено наявність ефекту резонансної взаємодії плазмових та дефектних мод. Показано можливість збудження електромагнітних хвиль у дефектній шарувато-періодичній структурі методом порушеного повного внутрішнього відбиття. Результати досліджень істотно розширюють уявлення про характер поширення електромагнітних хвиль у дефектних шарувато-періодичних структурах і можуть бути використані для створення нових типів хвилепровідних структур, що використовуються в сучасних пристроях обробки сигналів в НВЧ та оптичному діапазоні довжин хвиль.
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ КЛІНОТРОННИХ ЕФЕКТІВ У ГЕНЕРАТОРІ ДИФРАКЦІЙНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ
М. Ю. Демченко, В. Г. Курін, О. Б. Сенкевич
У терагерцовому діапазоні для вакуумних джерел безперервного випромінювання немає гідної альтернативи ні серед напівпровідникових генераторів через їх малу потужність (6–10 Вт), ні серед лазерів, які працюють тільки на дискретних частотах. Серед існуючих вакуумних джерел О-типу генератори дифракційного випромінювання (ГДВ) вигідно виділяються високою стабільністю частоти, вузьким спектром вихідного сигналу, низьким рівнем шумів, широким діапазоном електромеханічного перестроювання і порівняно великим рівнем вихідної потужності. Однак при просуванні в ТГц-діапазон виникає проблема підвищення ККД генератора, що пов'язано з необхідністю забезпечити високі напруженості високочастотного (ВЧ) поля в області електронно-хвильової взаємодії. Одним із способів вирішення проблеми є застосування клінотронного ефекту. У роботі розглянуто можливості використовувати клінотронні ефекти для підвищення ефективності взаємодії електронного потоку з ВЧ-полем у ГДВ. Експериментальне дослідження впливу клінотронного ефекту на роботу ГДВ проведено в генераторах з додатковим (відхиляючим) електродом, а також у ГДВ, коли електронний потік вводиться в простір взаємодії за допомогою скосів, що розосереджують. Показано, що процес взаємодії електронного потоку з ВЧ-полем супроводжується супутніми цьому процесу клінотронними ефектами, існування яких обумовлено неусувними пульсаціями електронного потоку. Підвищення коефіцієнта використання електронного потоку дозволяє не тільки зменшити пускові струми генератора, а й отримати більш високу потужність генерації при низьких величинах індукції магнітного фокусуючого поля.
НІТРИДГАЛІЄВИЙ ДІОД З ТУНЕЛЬНОЮ ІНЖЕКЦІЄЮ
Н. М. Гончарук, Н. Ф. Карушкін, В. В. Малишко, В. А. Ореховський
Освоєння субміліметрового діапазону частот аж до терагерцового є однією з актуальних задач сучасної мікро- і наноелектроніки. Підвищенню робочої частоти існуючих мікрохвильових діодів перешкоджає інерційність процесів переносу носіїв заряду в них, серед яких тунелюванню притаманні найменші інерційність і рівень. У даній роботі вперше запропоновано та досліджено діод на основі однобар’єрної наноструктури з нерезонансним тунелюванням електронів та їх подальшим дрейфом в пролітному шарі. Дослідження проводились в рамках моделі малосигнального імпедансу з урахуванням часу затримки інжекції електрона, який можна порівняти з його часом прольоту для даного діода. Отримано й досліджено залежності мікрохвильового імпедансу діода в діапазоні частот його негативної провідності від прольотного кута прольоту, діаметра і паразитного опору діода при різних параметрах бар’єрного шару, відповідних часу затримки інжекції електрона від десятих часток до більше 1 пс. Показано, що найбільша негативна провідність досягається при оптимальних значеннях кута прольоту і діаметра діода на частоті, близькій до чверті зворотного часу інжекції. Вона значно перевищує таку для резонансно-тунельного діода при порівнянні їх шумових характеристиках, що свідчить про перспективність використання даного діода в мікроелектроніці. Проведені дослідження можуть служити основою для створення нового типу діода субміліметрового діапазону, технологія виготовлення якого значно простіше такої для резонансно-тунельного діода.
ТРАНСПОРТУВАННЯ СИЛЬНОСТРУМОВОГО ТРУБЧАСТОГО РЕЛЯТИВІСТСЬКОГО ЕЛЕКТРОННОГО ПУЧКА У ГІБРИДНОМУ КОАКСІАЛЬНОМУ МАГНІТНОМУ ОНДУЛЯТОРІ
К. В. Ільєнко, Т. Ю. Яценко, С. А. Куркін
Сформульовано замкнену систему динамічних рівнянь, що описує транспортування пучка заряджених частинок у коаксіальній камері дрейфу в комбінованих скінченому поздовжньому однорідному (ведучому) та періодичному ондуляторному магнітостатичних полях. Отримано вирази для усереднених за періодом ондулятора власних електричних і магнітних полів пучка заряджених частинок у коаксіальній камері дрейфу з урахуванням поздовжньої складової власного магнітного поля пучка. Продемонстровано, що ведуче магнітне поле може бути використане для контролю положення пучка в поперечному перерізі камери дрейфу. Показано, що присутність ведучого магнітного поля, необхідного для збільшення амплітуди поперечних осциляцій пучка та підвищення вихідної потужності в гібридному коаксіальному лазері/мазері на вільних електронах, одночасно призводить до обмеження граничних транспортуємих струмів.
КЮВЕТА ДІЕЛЕКТРОМЕТРА З ПІДВИЩЕНОЮ ДИФЕРЕНЦІЙНОЮ ЧУТЛИВІСТЮ НА ОСНОВІ КРУГЛОГО ХЛИЛЕВОДУ З ДІЕЛЕКТРИЧНОЮ ВСТАВКОЮ ДЛЯ СИЛЬНО ПОГЛИНАЮЧИХ РІДИН
В. М. Скресанов, З. Є. Єременко
Значення комплексної діелектричної проникності сильно поглинаючих рідин (наприклад, води та водних розчинів різних речовин) необхідно знати в різних галузях науки і техніки, де використовуються такі рідини. Раніше нами була запропонована вимірювальна кювета хвилеводного типу, що представляє собою діелектричний (кварцовий) циліндр, занурений у досліджувану рідину, а також розроблено високочутливий діелектрометр 8-мм діапазону з використанням такої кювети. Теоретичний і числовий аналіз запропонованої кювети був проведений без урахування зовнішньої границі кювети, що було предметом обговорення при порівнянні його з результатами експерименту. У даній роботі ми усунули цей недолік, і провели дослідження електродинамічних параметрів кювети діелектрометра з урахуванням її зовнішньої границі. При цьому кювету утворено круглим металевим хвилеводом 8-мм діапазону з коаксіально розташованою циліндричною вставкою з діелектрика з малими втратами. Досліджувана рідина заповнювала простір між вставкою і хвилеводом. Для підвищення чутливості кювети до зміни концентрації речовин в досліджуваній сильно поглинаючої рідини використаний достатньо тонкий її шар (чверть довжини хвилі), в якому спостерігається ефект інтерференції хвиль. У результаті показано, що кювету діелектрометра з шаром поглинаючої рідини, при якому глибина проникнення поля в рідину порівняна з товщиною її шару, має підвищену диференціальну чутливість. Запропонована структура має переваги при використанні в кюветах прецизійних діелектрометрів сильно поглинаючих рідин в порівнянні з відомими технічними рішеннями.
РЕФЛЕКТОМЕТРІЯ ПОВЕРХНІ ВУГЛЕПЛАСТИКА (CFRP) У СУБТЕРАГЕРЦОВОМУ ДІАПАЗОНІ ЧАСТОТ: ТЕОРІЯ І ЕКСПЕРИМЕНТ
В. В. Ячін, В. К. Кісельов, Є. М. Кулешов, П. К. Нестеров, Т. Л. Зіненко
У роботі представлено нову рекурсивну схему знаходження сталого рішення для задачі розсіяння електромагнітних хвиль на багатошаровій періодичній структурі. Задача розв’язана методом інтегральних функціоналів. Проведено порівняння розрахованих за допомогою методу інтегральних функціоналів частотних характеристик коефіцієнта відбиття від зразка вуглепластика (CFRP) з експериментальними даними, отриманими за допомогою методу квазіоптичної рефлектометрії в субтерагерцовому діапазоні частот при різних поляризаціях і кутах падіння хвилі на зразок. Отримані результати можуть послужити основою для побудови більш складних моделей СFRP, що включають моделювання різних видів поверхневих забруднень та допоможуть краще інтерпретувати дані рефлектометрії СFRP в терагерцовій області частот і удосконалити методи неруйнівного контролю вуглепластиків в цій області електромагнітного спектра.