2015, т. 6(20), № 2
ПОВЕРХНЕВІ ТЕНЗОРИ ГРІНА В ТЕОРІЇ МІКРОСМУЖКОВИХ АНТЕН
В. М. Кочін
Мікросмужкові антени внаслідок їх компактності та технологічності виготовлення широко використовуються як самостійні передавальні або приймальні антени, так і як елементи фазованих антенних решіток. При цьому до теперішнього часу немає строгого підходу, що дозволяє досліджувати мікросмужкові антени різної геометричної форми. В роботі запропоновано новий підхід для дослідження характеристик мікросмужкових антен з випромінювачами різної геометрії, що базується на використанні поверхневих тензорів Гріна для екранованого магнітодіелектричного шару. Одержано вирази для компонент тензорів Гріна, що зумовлені електричними поверхневими струмами. Наведено приклади використання запропонованого підходу до розв’язання задачі про мікросмужкову антену в наближенні заданого розподілу поверхневого струму та задачі про аксіальне збудження дискової мікросмужкової антени.
АНАЛОГ ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДУ ДРУГОГО РОДУ У КВАЗІОПТИЧНОМУ ОБ’ЄМНОМУ НВЧ-РЕЗОНАТОРІ
Є. М. Ганапольський
Уперше виявлено та вивчено аналог фазового переходу 2-го роду в сферичному й циліндричному об’ємних НВЧ-резонаторах з неоднорідністю у вигляді металевої кулі та диска. Перехід відбувається між станом, коли куля (диск) розташована симетрично щодо бічних стінок, і станом з несиметричним розташуванням кулі (диска). Для цих станів виміряно спектри власних коливань у 8-мм діапазоні і на основі отриманих даних визначено коефіцієнти кореляції міжчастотних інтервалів. Встановлено, що інтегрована сферична (циліндрична) симетрична система резонатора з внутрішньою кулею (диском) має коефіцієнт кореляції, близький до нуля, тоді як неінтегрована система з несиметричним розташуванням кулі (диска) має коефіцієнт кореляції (за модулем) С(1) > 0,2. Перехід між цими станами відбувається у вузькому інтервалі значень ексцентриситету. Визначено залежності розподілу міжчастотних інтервалів від середньої відстані між власними частотами і знайдено, що для інтегрованої системи ця залежність описується функцією Пуассона, а для неінтегрованої – розподілом Вігнера, яке характерне для станів з відштовхуванням резонансних ліній і квантовим хаосом. Таким чином, встановлено, що зміна симетрії в НВЧ-резонаторі призводить до аналога фазового переходу 2-го роду, коли система резонатора стає неінтегрованою і супроводжується квантовим хаосом.
УЗАГАЛЬНЕНИЙ МЕТОД ЗШИВАННЯ В ТЕОРІЇ ДИФРАКЦІЇ МОД ХВИЛЕВОДІВ.
ЧАСТИНА 4. ШВИДКІСТЬ ЗБІЖНОСТІ ПРОЕКЦІЙНИХ НАБЛИЖЕНЬ
І. В. Петрусенко, Ю. К. Сіренко
У цій частині роботи продовжено викладення основ розробленого узагальнення методу зшивання для аналізу розсіювання мод хвилеводів. Розглядається задача аналітичної оцінки швидкості збіжності проекційних наближень до операторних формул Френеля, безумовна збіжність яких була доведена раніше. На прикладі канонічної скалярної задачі дифракції хвиль на сходинці в прямокутному хвилеводі надано виведення похибки наближень операторів відбиття й проходження хвиль. Показано, що поставлена проблема вирішується через розгляд сильної Р-збіжності проекційного подання амплітудного оператора розсіювання. В результаті вперше знайдена аналітична оцінка швидкості збіжності наближень до операторів розсіювання, отриманих методом редукції операторних формул Френеля. Правильність знайдених закономірностей підтверджена числовим розрахунком. Отримані результати дозволяють визначити обчислювальну ефективність узагальненого методу зшивання.
ВАЛІДАЦІЯ МЕТОДУ СУПУТНИКОВОЇ РАДІОЛОКАЦІЙНОЇ БАГАТОКУТОВОЇ ДІАГНОСТИКИ НАФТОВИХ ЗАБРУДНЕНЬ МОРСЬКОЇ ПОВЕРХНІ
О. Я. Матвєєв, А. А. Кубряков, А. Г. Боєв, Д. М. Бичков, С. А. Величко, В. К. Іванов, С. В. Станічний, В. М. Цимбал
Запропоновано методику валідації методу супутникової радіолокаційної багатокутової діагностики нафтових забруднень морської поверхні через зіставлення радіолокацiйних оцiнок маси й товщини нафтової плівки з результатами моделювання, отриманими з використанням нової моделі розтікання нафти FOTS. Для валідації методу використано експериментальні результати зондування акваторії Каспійського моря в районі нафтового родовища Нафтовi Каменi за допомогою радіолокатора з синтезованою апертурою штучного супутника Землі Envisat-1. Модель FOTS дозволяє розраховувати динаміку руху та змiнення маси й розмiру нафтової плями, ґрунтуючись на даних супутникових вимiрiв та атмосферного реаналiзу. Модель враховує основні процеси, що впливають на формування плями (гравітаційне розтiкання, адвекційний перенос, диспергування, емульгування, турбулентне перемiшування та випаровування). Застосування цiєi моделі дозволило визначати розрахунковим шляхом змінення товщини й динаміку руху нафтової плями у період мiж радiолокацiйними зйомками цього району (0,5¸4 дiб), оцінювати об’єми розлитої на родовищі нафти. Вiдзначено спiвпадiння розрахованої за даними радiолокацiйних вимірювань товщини нафтової плiвки й результатів моделювання, що підтверджує достовiрнiсть методу. Роботу виконано в межах проекту 11140 з ESA та за підтримки Федеральної Цільової Програми 1.2 «Дослідження технології монiторингу та прогнозування екологiчного стану водного середовища морського шельфу: Угода 14.604.21.0044 з МінОсвНауки РФ».
ЗБУРЕННЯ НИЖНЬОЇ ІОНОСФЕРИ НАД ЦЕНТРОМ ЗЕМЛЕТРУСУ Й АНОМАЛЬНІ СИГНАЛИ ГЛОБАЛЬНОГО ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО РЕЗОНАНСУ.
ЧАСТИНА 2. АНОМАЛІЇ ЕНЕРГЕТИЧНИХ СПЕКТРІВ
О. П. Ніколаєнко, М. Хайакава
Моделюється вплив неоднорідності йоносфери над центром землетрусу на Тайвані в записах шуманівського резонансу в Японії. Зміни в резонансному спектрі відбуваються внаслідок інтерференції звичайних радіосигналів із хвилями, відбитими від неоднорідності над центром землетрусу. Використовується модель збурення провідності йоносфери, яку було отримано у першій частині роботи. Розв’язок інтегрального рівняння Стреттона–Чу використовується для опису дифракції та розсіювання радіохвиль. Розподіл у просторі натуральних джерел випромінювання (світових гроз) базується на оптичних спостереженнях штучного супутника «Оптичний імпульсний детектор». Розрахунки показали, що поблизу четвертого максимуму шуманівского резонансу в енергетичних спектрах усіх компонент поля виникають різкі зміни, подібні до тих, що спостерігались експериментально. Обговорюються властивості модельних аномалій, що пов’язані з сейсмічною активністю.
ПОРІВНЯННЯ ТОЧНОГО ТА НАБЛИЖЕНОГО РОЗВ’ЯЗАННЯ ЗАДАЧІ ПРО ШУМАНІВСЬКИЙ РЕЗОНАНС ДЛЯ ПРОФІЛЮ ПРОВІДНОСТІ З «КОЛІНОМ»
Ю. П. Галюк, О. П. Ніколаєнко, М. Хайакава
Швидкий розвиток обчислювальної техніки дозволив чисельно розв’язувати задачу про електромагнітні резонанси в порожнині Земля–іоносфера. Найчастіше вживають розв’язання за допомогою двовимірних телеграфних рівнянь або метод кінцевих елементів у часовому просторі, що позначається абревіатурою FDTD. Очевидно, що при чисельному моделюванні використовують відомі моделі профілю провідності атмосфери, наприклад експоненціальну або модель з «коліном». Однак при цьому забувають, що ці профілі є тільки зручною інтерпретацією наближених евристичних співвідношень. Оскільки точний розв’язок задачі про сталу поширення в наближенні повного поля для такого профілю не збігається з евристичним, то й прямі чисельні розв’язки повинні також відрізнятися від модельних. У роботі аналізується відмінність наближеного розв’язку для профілю з коліном від точного рішення та оцінюється його точність.
ДОСЛІДЖЕННЯ ФЛУКТУАЦІЙ НЕКОГЕРЕНТНИХ СИГНАЛІВ, ВІДБИТИХ ВІД ХМАР
О. А. Войтович, А. В. Зацеркляна, Г. О. Руднєв, Д. Д. Халамейда, Г. І. Хлопов, С. І. Хоменко
Флуктуації радіолокаційних сигналів, відбитих від хмар, пов’язані з турбулентними процесами, які істотно впливають на безпеку польотів авіації. Ці сигнали містять інформацію про фізичні явища, що протікають в хмарах. Тому дистанційне зондування хмарності за допомогою метеорологічних радарів становить значний інтерес для діагностики та прогнозу метеорологічних явищ, що відбуваються в хмарах. Однак більшість подібних радарів заснована на некогерентній обробці відбитих сигналів, спектральні характеристики яких в літературі практично не описані, у зв’язку з чим в роботі наведені результати річного циклу експериментальних досліджень спектрів флуктуацій некогерентних сигналів 3-см діапазону радіохвиль, відбитих від хмар, а також швидкості дисипації турбулентної енергії. Показано, що найбільш імовірне значення ширини спектра флуктуацій швидкостей становить близько l / 2f » 45 см/с при середньоквадратичному значенні 27 см/с (l – робоча довжина хвилі, f – поточна частота в спектрі флуктуацій відбитого сигналу). Обробка результатів вимірювань також показала, що максимуми радіолокаційної відбиваності і швидкості дисипації турбулентної енергії, в основному, не збігаються, причому найбільшу кількість турбулентних осередків різних розмірів зосереджено у верхній частині хмар.
ГРУПУВАННЯ ЕЛЕКТРОНІВ У ГЕНЕРАТОРАХ ТИПУ «КЛИНОТРОН».
КЛИНОТРОН ЯК ПОМНОЖУВАЧ ЧАСТОТИ
М. В. Мільчо
Існує проблема створення зручних в експлуатації та не особливо дорогих генераторів для освоєння субміліметрового діапазону хвиль, особливо у його короткохвильовій частині. Генератори типу лампи зворотної хвилі (ЛЗХ) дають гарні наслідки у довгохвильовій частині субміліметрового діапазону, однак при просуванні в короткохвильову частину діапазону з’являються великі труднощі. Існуючі технологічні можливості не дозволяють отримати необхідні для цього діапазону дуже тонкі електронні пучки з великою густиною струму. Значно послабити вимоги до електронних пучків можна, якщо використовувати помножувачі частоти. Для модуляції електронного пучка за густиною у помножувачах частоти можливо використати генератор типу «клинотрон». У клинотроні широкий та порівняно товстий електронний пучок спрямовано під малим кутом до поверхні системи для сповільнення хвиль. Пучок частково розсіюється на цій поверхні. Клинотрон забезпечує вихідну потужність на декілька порядків більшу, ніж звичайні ЛЗХ. Це важливо для отримання доброї (глибокої) модуляції електронного пучка. Необхідно дослідити процес групування електронів у щільні згустки у генераторах типу «клинотрон» та визначити умови використання клинотронів для модуляції електронів за густиною у помножувачах частоти. У роботі проведено числове дослідження групування електронів у клинотроні за допомогою спеціальної програми, яку ми розробили раніше для врахування специфіки клинотроного режиму. Досліджується тривимірний рух електронів в обмеженому (не безкінечному) магнітному полі. У результаті числового дослідження було виявлено ефект пошарового групування електронів у клинотронних генераторах: чим далі розташований шар електронів від поверхні системи для уповільнення хвиль, тим пізніше відбувається групування електронів у згустки в цьому шарі. Показано, що добираючи режим роботи клинотрона та нахил фокусуючого магнітного поля до поверхні гребінки, можна забезпечити формування щільних електронних згустків у частині пучка вже за межами уповільнюючої системи клинотрона, де має бути розташована друга уповільнюючи система, яка працює в режимі відбирача потужності. Таким чином, доведено можливість використовувати клинотрон при створенні помножувачів частоти.
КЛИНОТРОН – ПОМНОЖУВАЧ ЧАСТОТИ В СУБМІЛІМЕТРОВОМУ ДІАПАЗОНІ ХВИЛЬ (l = 0,93 мм)
М. В. Мільчо, А. С. Тищенко, В. В. Завертанний, І. В. Лопатін, С. М. Терьохін
У помножувачах частоти значно послаблені вимоги до якості електронних пучків порівняно з генераторами типу лампи зворотної хвилі (ЛЗХ типу О). Тому для освоєння субміліметрового діапазону хвиль можуть бути перспективними помножувачі частоти, хоча їх вихідна потужність звичайно менша за ЛЗХ. Відомі експериментальні роботи з помножувачами частоти у міліметровому діапазоні хвиль. У цих приладах модулятором є резонатор типу клістронного, який живиться зовнішнім потужним генератором сантиметрового діапазону. Відбірником потужності є система для уповільнення хвиль типу «гребінка». Ми вважаємо, що для субміліметрового діапазону хвиль можна створити помножувач у вигляді двокаскадного генератора типу «клинотрон», який одночасно буде генератором для модуляції, модулятором і відбірником потужності. Теоретичні числові дослідження показали, що у клинотроні існує ефект пошарового групування електронів у стрічковому пучку: чим далі розташований шар електронів від поверхні гребінки, тим пізніше відбувається групування електронів у згустки в цьому шарі. Тому клинотрон може бути використаний в якості модулятора електронного потоку. Мета цієї роботи – експериментальна перевірка такої можливості; описано просту конструкцію клинотрона-помножувача й наведено результати експериментального дослідження роботи цього приладу. У моделюючій частині клинотрона генеруються коливання з довжиною хвилі l » 2,8 мм, а у відбірнику потужності – з довжиною хвилі l » 0,93 мм. Продемонстровано можливість зменшити у цьому приладі індукцію фокусуючого магнітного поля до 0,5…0,3 Тл, тоді як для ЛЗХ цього діапазону потрібно магнітне поле близько 1,0 Тл.
ЗБУДЖЕННЯ ХВИЛЕВОДІВ І РЕЗОНАТОРІВ ЕЛЕКТРОННИМИ ПОТОКАМИ
О. О. Кураєв, В. Д. Єрьомка, А. О. Рак
Рівняння збудження хвилеводів і резонаторів сторонніми джерелами застосовують для розв’язання задач в електродинаміці, електроніці НВЧ і терагерцовій електроніці. Автори низки монографій описують алгоритм розв’язання задачі про збудження, представляючи хвилевід (або резонатор) в області сторонніх струмів регулярним і, як наслідок, виходячи з умови ортогональності власних хвиль регулярного хвилеводу в цій області. У реальності сторонні струми задані на елементах збудження (штирі, петлі, щілини і вікна в стінках хвилеводу або резонатора), які перетворюють названі електродинамічні системи на нерегулярні, відбувається дифракція і розсіяння хвиль в області сторонніх джерел. У зв’язку з цим загальновідомі рівняння збудження із згаданих монографій не можна застосовувати для розв’язання задач про збудження сторонніми джерелами нерегулярних електродинамічних систем. У вакуумних електронних приладах НВЧ це обмеження відпадає: сторонні електричні струми формуються потоками вільних електронів, а елементи збудження – щілини, петлі, вікна – відсутні. Проте виникає інша перешкода: у вакуумних джерелах мікрохвильового випромінювання, на відміну від пасивної електродинаміки, області збудження не фіксовані в просторі, тому має місце поперечне фазування електронів. У цій роботі в загальному вигляді сформульовані рівняння збудження хвилеводів і резонаторів електронними потоками в умовах тривимірного фазування електронів. Застосування цих рівнянь істотно розширює область розв’язуваних задач в електродинаміці і вакуумній мікрохвильовій електроніці (зокрема, в електроніці нових типів гіроприладів).
ПРО ДВІ ПРИЧИНИ, ЩО УСКЛАДНЮЮТЬ ОСВОЄННЯ СУБМІЛІМЕТРОВОГО ДІАПАЗОНУ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ КЛІНОТРОНАМИ
О. Я. Кириченко
На цей час здійснюються дослідження, спрямовані на створення джерел електромагнітних коливань субміліметрового діапазону. Поряд з пошуком нових методів генерації вивчаються можливості давно відомих генераторів з тривалою взаємодією електронного потоку з полями періодичних структур – клінотронів і генераторів дифракційного випромінювання. Основною перешкодою на шляху створення таких генераторів часто помилково вважається дрібноструктурність їх елементів. На основі експериментальних досліджень клінотронів, що перекривають міліметровий діапазон генерації, продемонстровано дві причини, що ускладнюють ефективну генерацію клінотрона в субміліметровому діапазоні довжин хвиль: зниження густини струму на межі електронного потоку, що прилягає до поверхні періодичної структури, і розкид геометричних параметрів періодичної структури.
СПОСОБИ ОТРИМАННЯ БАГАТОЧАСТОТНОЇ ГЕНЕРАЦІЇ В РЕЗОНАТОРІ ЛАЗЕРА ТЕРАГЕРЦОВОГО ДІАПАЗОНУ
В. П. Радіонов, П. К. Нестеров, В. К. Кісельов
У ряді областей радіофізики при створенні гетеродинних пристроїв, що використовують лазери терагерцового (ТГц) діапазону як джерела випромінювання, потрібне отримання стабільної різниці між частотами сигнального й гетеродинного каналів. У даній роботі розглядаються різні способи вирішення цієї задачі, зокрема, розглянуто можливість генерації в спільному обсязі активної речовини лазерних випромінювань декількох окремих частот із діапазону випромінювання цієї речовини, що дає низку переваг у порівнянні з відомими способами. Запропоновано схему ТГц лазера з комбінованим багатоканальним резонатором і методику отримання стабільної різниці частот в кожному каналі. Розроблений багатоканальний лазер може використовуватися у відомих схемах інтерферометрів і поляриметрів, а також в інших вимірювальних системах, які потребують одночасної генерації ТГц випромінювання в різних каналах з різницею між частотами генерації в межах смуги підсилення активної речовини. Це відкриває нові можливості для використання ТГц лазерів у вимірювальних системах.
УЗГОДЖЕННЯ СТРУКТУР З ДВОПРОМЕНЕЗАЛОМЛЕННЯМ ФОРМИ З ВІЛЬНИМ ПРОСТОРОМ У ТЕРАГЕРЦОВОМУ ДІАПАЗОНІ ЧАСТОТ
В. І. Безбородов, О. С. Косяк, Є. М. Кулешов, В. В. Ячін
При побудові поляризаційних радіовимірювальних трактів як перетворювачів поляризації, елементів безперервних фазообертачів і зрушувачів частоти широко використовуються диференційні фазові секції (ДФС). Застосування хвиль терагерцового (ТГц) діапазону дозволяє здійснити дослідження в області радіоастрономії, радіоспектроскопії, біології, медицини, фізики атмосфери та ін. У зв’язку з тим що в ТГц діапазоні хвиль використовуються квазіоптичні лінії передачі, виправданий перехід до оптичних принципів побудови ДФС із застосуванням діелектриків, які мають властивість подвійного променезаломлення, зокрема, двопроменезаломлення форми. Однією з важливих вимог при створенні ДФС є узгодження їх з вільним простором. У роботі розглянуто способи узгодження двопроменезаломлених структур у вигляді багатошарового набору переміжних діелектричних пластин з різними діелектричними проникностями. При цьому узгоджувальний шар утворений з пластин самої двопроменезаломленої структури, які виступають над її поверхнею. У першому випадку виступаючі пластини мають поперечні пази, у другому – пластини виконано без пазів. Для розрахунку таких структур був застосований числовий метод інтегральних функціоналів у частотній області для багатомодової задачі розсіяння плоскої монохроматичної хвилі на решітці, що складається з діелектричних брусів без втрат. Проведено експериментальне дослідження макетів структур, яке підтвердило можливість узгодження розглянутими способами в ТГц діапазоні хвиль.
ОПТИЧНИЙ РЕФЛЕКТОМЕТР НА ОСНОВІ МЕТОДУ СПЕКТРАЛЬНОЇ ІНТЕРФЕРОМЕТРІЇ
К. О. Лукін, Д. М. Татьянко, Ю. А. Шиян, Л. В. Юрченко, А. В. Базакуца
Надано результат розробки оптичного низько-когерентного рефлектометра на основі спектральної інтерферометрії з гетеродинним перенесенням частоти в радіодіапазон, що дозволяє вимірювати відстані в десятки кілометрів. Розроблено, виготовлено й досліджено макет рефлектометра мікрометричного діапазону відстаней на базі волоконно-оптичного інтерферометра Фабрі–Перо і широкосмугового джерела інфрачервоного випромінювання. На основі досліджень, що були проведені, показано можливість і доцільність використання методу низькокогерентної спектральної інтерферометрії для застосування в рефлектометричних вимірюваннях відстаней на волоконно-оптичних лініях зв’язку.
МIMO-СИСТЕМА ПЕРЕДАЧІ ІНФОРМАЦІЇ МІЖ АВТОМОБІЛЯМИ НА АВТОБАНІ ІЗ ПРОПУСКНОЮ СПРОМОЖНІСТЮ, БЛИЗЬКОЮ ДО МЕЖІ ШЕННОНА
К. О. Лукін, В. Є. Щербаков
Запропоновано новий підхід до проектування самоорганізовної MIMO-системи передачі даних в реальному часі між транспортними засобами (VVDT), які знаходяться в межах автомагістралі в радіусі 1-го кілометра, з використанням EU DSRC-стандарту. Метод побудови самоорганізовної EU DSRC-VVDT MIMO-системи передбачає автономну роботу транспортного засобу, обладнаного даною системою, за умов повної відсутності базових станцій, як правило, керуючих системами мобільного зв’язку. Запропонований метод надає можливість на практиці реалізувати множинний доступ з просторово-кодовим розподілом каналів (S-CDMA) і передачу інформації з використанням широкосмугових хаотичних послідовностей і унікальних бінарних псевдовипадкових послідовностей. Крім того, ці кодові сигнали надають потенційну можливість побудови самоорганізовної EU DSRC-VVDT MIMO-системи для передачі даних без виділення частотного або часового каналу для кожного транспортного засобу і прийому даних на безпошуковій основі. Поєднання просторово-кодового розділення каналів (S-CDMA) і хаотичного кодування для реалізації стандарту CDMA – характерні особливості пропонованої EU DSRC-VVDT MIMO-системи. Ключова ідея методу полягає в тому, щоб в EU DSRC-VVDT MIMO-системі унікальний код для кожного автомобіля асоціювати не з самим автомобілем, а з його поточним положенням на автобані. Нова процедура припису S-CDMA-коду кожному автомобілю у межах робочої дальності дії EU DSRC-VVDT MIMO-системи уможливлює використання стандартної приймально-передавальної апаратури на всіх транспортних засобах. Самоорганізовна MIMO-система дозволяє на практиці реалізувати (для максимально можливої кількості транспортних засобів) пропускну спроможність каналу, близьку до межі Шеннона.