2015, т. 6(20), № 4
ШУМАНІВСЬКІ РЕЗОНАНСИ У МОДЕЛІ ГРОЗОВОЇ АКТИВНОСТІ, ЩО РІВНОМІРНО РОЗПОДІЛЕНА ПО ЗЕМНІЙ КУЛІ
Ю. П. Галюк
Інтерес до явища шуманівських резонансів пояснюється тим, що це один з небагатьох інструментів, за допомогою яких можна дослідити властивості нижньої іоносфери, вимірювання яких прямими методами вкрай складне (супутники літають вище, а метеозонди – нижче). Саме явище зобов’язане наявності у діапазоні наднизьких частот навколосвітніх електромагнітних хвиль, які викликані світовою грозовою активністю. У процесі розв’язання обернених задач вкрай важливо мати максимально адекватну математичну модель явища, за допомогою якої шляхом заміни параметрів домагаються найкращого збігу теорії з експериментом. У статті викладено строгі методи розрахунку полів діапазону наднизьких частот у моделі регулярного хвилеводу «Земля–ізотропна іоносфера», а також електричної та магнітної компонент потужності шуму.
ІДЕНТИФІКАЦІЯ РАДІОЛОКАЦІЙНИМ МЕТОДОМ ПУСТЕЛЬНИХ ОБЛАСТЕЙ – ДЖЕРЕЛ НАСИЧЕННЯ ПИЛОМ АТМОСФЕРИ
В. К. Іванов, О. Я. Матвєєв, В. М. Цимбал, С. Є. Яцевич, Д. М. Бичков
Атмосферний пил представляє собою суміш маленьких часток різноманітних солей, мінералів, він містить також рештки рослинних і тваринних організмів, спори хворобо-утворюючих мікробів та ін. Вітрами пил переноситься на значні відстані, і його присутність в атмосфері є одним з факторів, що суттєво впливають на клімат планети. На цей час для космічного моніторингу еолових процесів та їх наслідків використовуються тільки багатозональні оптичні системи (TOMS, METEOSAT, MODIS та інші), які не дозволяють надійно та незалежно від хмарності, освітлення та прозорості атмосфери ідентифікувати самі райони джерела підняття пилу в атмосферу і спостерігати за динамікою еолових процесів. Таке завдання дозволяють вирішувати космічні радіолокаційні системи дистанційного зондування Землі (ДЗЗ). У статті надано перші результати відпрацювання радіолокаційного методу ідентифікації пустельних районів, в яких під впливом еолових процесів відбувається підйом пилу з поверхні в атмосферу. Відпрацювання проводилося з використанням даних радіолокаційного ДЗЗ пустель Маврітанії SAR Envisat-1. Проаналізовано особливості проявів вузькоспрямованого зворотного розсіювання радіохвиль на радіолокаційному зображенні при різних швидкостях приповерхневого вітру, напрямках радіолокаційного опромінення поверхні та вітру. Зроблено висновок про ефективність використання радіолокаційних засобів дистанційного зондування для виявлення районів підняття пилу в атмосферу. Результати дослідження дозволяють створювати нові методи дистанційного моніторингу процесів у пустельних районах, які впливають на клімат великих регіонів Землі.
ВИЗНАЧЕННЯ ПАРАМЕТРІВ ПРИБЕРЕЖНОГО ХВИЛЮВАННЯ ЗА ДОПОМОГОЮ ІНТЕРФЕРОМЕТРИЧНОГО РАДІОЛОКАТОРА З СИНТЕЗОВАНОЮ АПЕРТУРОЮ
Ю. В. Гончаренко, Г. Фаркухарсон, В. М. Горобець
Прибережні зони морів і океанів завжди були і залишаються особливо значущими в життєдіяльності більшості людей. Поряд із стабілізуючим фактором погоди і клімату, зумовленим близькістю води, на межі суші і моря виникають специфічні градієнти і потоки тепла, вологи, тиску та ін., що породжує надзвичайні ситуації та призводить до необхідності їх діагностики та прогнозування. Основою цілеспрямованого вивчення впливу природних і антропогенних факторів на прибережні зони і, зокрема, на морські береги, є моніторинг берегових процесів. Серед існуючих сучасних методів моніторингу стану навколишнього середовища особливо перспективними є дистанційні методи зондування. У роботі представлено результати радіолокаційного зондування прибережної зони в дельті річки Нью Рівер (штат Північна Кароліна, США) за допомогою радіолокатора із синтезованою апертурою (РСА). Проведено оцінку параметрів прибережного хвилювання, таких як висота хвилі, фазова швидкість, довжина гребеня та ін., за РСА-зображенням. Розроблено алгоритм визначення ширини і форми спектра радіальної компоненти швидкості частинок рідини у хвилі, що обрушується; отримано залежність діапазону радіальних швидкостей частинок від значної висоти хвиль.
ВТРАТИ ЕНЕРГІЇ ЗАРЯДЖЕНОЇ ЧАСТИНКИ НА ЗБУДЖЕННЯ ХВИЛЬ У НАПІВПРОВІДНИКОВОМУ ЦИЛІНДРІ З ДВОВИМІРНИМ ЕЛЕКТРОННИМ ГАЗОМ НА БОКОВІЙ ПОВЕРХНІ
А. В. Дормидонтов, Ю. В. Прокопенко, В. М. Яковенко
Однією з актуальних проблем сучасної радіофізики є дослідження фундаментальних властивостей твердотільних структур, які містять нанорозмірні фрагменти. Дослідження механізмів збудження електромагнітних хвиль під час руху заряджених частинок у різноманітних електродинамічних системах складають основу електроніки. До числа принципово важливих характеристик структур відносяться їх дисперсійні рівняння. Вони дозволяють визначити місце електродинамічних структур у радіофізичних системах різноманітного призначення. Інформаційною характеристикою є втрати енергії зарядженої частинки в одиницю часу на збудження в системі власних хвиль і/або коливань. В електростатичному наближенні отримано дисперсійне рівняння, що характеризує власні моди напівпровідникового циліндра з шаром двовимірного електронного газу на його бічній поверхні (3D+2D-плазми). Знайдено втрати енергії зарядженої частинки, що рухається в зовнішньому магнітному полі, вектор напруженості якого спрямований паралельно повздовжній осі симетрії 3D+2D-плазми циліндричної конфігурації. Зазначено універсальний характер отриманого співвідношення. За його допомогою можливо визначити втрати енергії як при обертальному русі навколо циліндра, так і при поступальному русі частинки паралельно твірній циліндра. Виявлено ефект невзаємності збудження власних хвиль 3D+2D-плазмового циліндра з ідентичною структурою розподілу полів, які проте відрізняються напрямком розповсюдження вздовж азимутальної координати. Результати досліджень розширюють наші уявлення про електрофізичні властивості систем з плазмоподібними середовищами та систематизують знання про механізми збудження електромагнітних хвиль в електродинамічних системах, які складають основу мікрохвильових пристроїв.
МІКРОХВИЛЬОВІ ВТРАТИ У СЛАБОПОГЛИНАЮЧИХ АЛМАЗОПОДІБНИХ МАТЕРІАЛАХ ПРИ 1 К < T < 300 К. ФЕНОМЕНОЛОГІЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ
Р. В. Головащенко, В. М. Деркач, С. І. Тарапов
Розробка і створення нових матеріалів для мікро- та наноелектроніки нероздільно пов'язані з проблемою вивчення механізмів втрат електромагнітної енергії в нових речовинах у гігагерцевому діапазоні частот. Достатньо обґрунтованою методикою визначення цих механізмів є аналіз температурної залежності тангенса кута втрат таких матеріалів у діапазоні температур від кріогенних до кімнатної. У роботі на підставі експериментальних даних виконано феноменологічне моделювання втрат у слабопоглинаючих матеріалах, що мають алмазоподібну кристалічну ґратку. Експерименти проведено у діапазонах частот 60…120 ГГц і температур 1…300 К. Використано метод вимірювання енергетичних характеристик дискового діелектричного резонатора на модах шепочучої галереї. У результаті розділено ступені прояву основних механізмів у досліджених матеріалах та визначено величини низки основних фізичних параметрів матеріалів.
АЛГОРИТМ ГОМОМОРФНОЇ ОБРОБКИ СИГНАЛІВ ГЕОРАДАРА
О. В. Ситнік, С. О. Масалов, Г. П. Почанін
У роботі досліджено актуальну проблему вимірювання товщини приповерхневих шарів зондованого середовища за допомогою георадарних радіолокаційних систем при жорстких обмеженнях на мінімальну тривалість зондуючого відеоімпульсу і наявності інтенсивних інтерференційних завад, зумовлених резонансними ефектами в антені та багаторазовими перевідбиваннями зондуючого сигналу від меж розділу середовищ. Традиційні кореляційно-екстремальні методи обробки сигналів не дозволяють отримати розділення менше, ніж половина сумарної тривалості імпульсу. Подолати це обмеження можливо застосуванням нелінійних методів гомоморфної обробки сигналів георадара. Теоретично та експериментально показано, що при застосуванні надширокосмугових зондуючих сигналів нелінійна обробка відбитих від приповерхневих шарів середовища сигналів дає можливість ідентифікувати межі розділу структур на глибинах аж до 5 % від тривалості імпульсу. На основі методу кепстрального аналізу синтезований алгоритм обробки сигналів відеоімпульсного георадара. За допомогою швидкого перетворення Фур’є обчислюється амплітудний спектр сигналів, результат піддається логарифмуванню, обчислюється обернене перетворення Фур’є, яке містить кепстр зондуючого сигналу і дискретний лінійчастий кепстр сигналу затримки, аналіз якого при відносно високих співвідношеннях сигнал/шум дозволяє обчислити оцінку товщини шару. Наведено результати моделювання. Обговорюється проблема впливу шумів на помилки ідентифікації підповерхневих об’єктів.
ВОЛЬТАМПЕРНА ХАРАКТЕРИСТИКА І НАВЕДЕНИЙ СТРУМ В ЗОВНІШНЬОМУ КОЛІ ЛАВИННО-ГЕНЕРАТОРНИХ ДІОДІВ НА ОСНОВІ РІЗКИХ ЗВОРОТНОЗМІЩЕНИХ P–N-ПЕРЕХОДІВ
К. О. Лукін, П. П. Максимов
Створення сучасних твердотілих джерел потужності НВЧ базується на застосуванні активних елементів з розширеними функціональними можливостями. Активними елементами діодних генераторів є зворотнозміщені різкі p–n-переходи. Перспективними для створення діодних генераторів є лавинно-генераторні діоди (ЛГД) на основі зворотно-зміщених різких p–n-переходів з постійною напругою. Методами дифузійно-дрейфової теорії досліджена статична вольтамперна характеристика (ВАХ) ЛГД. Показано, що при високій напрузі зворотного зсуву спостерігається струмова нестійкість на ВАХ ЛГД. Досліджений наведений струм в зовнішньому колі ЛГД. Встановлено, що спектр наведеного струму визначається спектром автоколивань ЛГД. Результати досліджень є теоретичною основою для створення діодних генераторів НВЧ-потужності з необхідними енергетичними і спектральними характеристиками.
ДИНАМІКА ДВОЧАСТОТНИХ ЛАВИННО-ГЕНЕРАТОРНИХ ДІОДІВ МІКРОХВИЛЬОВОГО ДІАПАЗОНУ
К. О. Лукін, П. П. Максимов
Актуальним завданням напівпровідникової електроніки є розробка і створення діодних генераторів НВЧ-потужності на основі активних елементів з розширеними функціональними можливостями. Показано, що лавинно-генераторні діоди (ЛГД) на основі різких p–n-переходів з постійною напругою зворотного зсуву є генераторами НВЧ-потужності. Теоретичний аналіз математичної моделі ЛГД заснований на розв'язанні повної системи рівнянь дифузійно-дрейфової моделі, що описує фізичні процеси в діоді з урахуванням впливу заряду рухомих носіїв на електричне поле. Визначено граничний цикл і атрактор у фазовій площині ЛГД. Показано, що при високій напрузі зворотного зсуву на різких p–n-переходах у ЛГД виникає внутрішній зворотний зв’язок між електричним полем і лавинним струмом, що приводить до струмової нестійкості і генерації двочастотних коливань. Результати теоретичного аналізу ЛГД можуть бути корисними для розробників потужних двочастотних джерел електромагнітних хвиль мікрохвильового діапазону.
НАНОЦИЛІНДРИ ІЗ БЛАГОРОДНИХ МЕТАЛІВ ЯК РОЗСІЮВАЧІ ПЛОСКОЇ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ ХВИЛІ
О. А. Величко, О. П. Ніколаєнко
Нанодроти і нанотрубки із благородних металів широко використовуються в сучасних технологіях в якості складових частин лазерів, біосенсорів та інших пристроїв. Однак у науковій літературі розглянуто далеко не всі можливі задачі, що виникають при дослідженні подібних об’єктів. У даній роботі за допомогою чисельного моделювання циліндричні нанооб’єкти із золота і срібла розглядаються в якості своєрідної призми, що здатна відбирати окремі довжини хвиль і розсіювати їх під різними кутами. Для цього досліджується розсіювання плоскої електромагнітної хвилі Н-поляризації на нанотрубках та нанодротах із золота і срібла з діелектричним покриттям та без нього у видимому діапазоні довжин хвиль. Задача розсіювання розв’язується методом розділення змінних в полярних координатах. У розрахунках використовується комплексний показник заломлення золота і срібла, значення якого отримано за допомогою експериментальних даних, опублікованих в літературі. Результати дослідження свідчать про те, що досліджувані нанооб’єкти можуть служити частотно-вибірковим приймачем або оптичним фільтром, який одночасно відбирає і відхиляє під різними кутами окремі довжини хвиль, однак великий вплив на кінцевий результат мають геометричні параметри розсіювачів та діелектрична проникність покриття.
РАДІАЦІЙНІ ВТРАТИ ЕЛЕМЕНТІВ ЗВ’ЯЗКУ ДЗЕРКАЛЬНОГО ДИСКОВОГО ДІЕЛЕКТРИЧНОГО РЕЗОНАТОРА.
ЧАСТИНА 1. ЗВ’ЯЗОК З УЗГОДЖЕНИМИ ХВИЛЕВОДАМИ
В. В. Гламаздін, М. П. Натаров, В. М. Скресанов, О. І. Шубний
Для ефективного використання відкритих резонаторів (ВР) у вимірювальній техніці та в якості коливальних систем генераторів необхідне урахування впливу елементів зв’язку (ЕЗ) на характеристики ВР. У ВР ЕЗ викликають додат-кові радіаційні втрати завдяки розсіянню та випромінюванню у вільний простір. До останнього часу не було відомо про дослідження таких втрат у різновидності ВР – дзеркальних дискових діелектричних резонаторах (ДДДР) з модами шепочучої галереї – та їх впливу на характеристики ДДДР. У роботі представлено результати експериментального дослідження радіаційних втрат енергії на ЕЗ ДДДР із узгодженими хвилеводами. Вимірювання проведено методом імпедансу та методом балансу потужностей, які були модифіковані для застосування у ДДДР. Досліджено ЕЗ двох типів: отвір у діафрагмі на дзеркалі та звужений відкритий кінець хвилеводу (щілина) на дзеркалі. Наведено результати вимірювань характеристик радіаційних втрат, їх залежності від розмірів і місця розташування ЕЗ, подано порівняльну характеристику ЕЗ двох типів. Встановлено, що ЕЗ у вигляді щілин мають більш високу ефективність як збудження, так і виводу енергії із ДДДР, у порівнянні з ЕЗ у вигляді отворів.
РАДІАЦІЙНІ ВТРАТИ ЕЛЕМЕНТІВ ЗВ’ЯЗКУ ДЗЕРКАЛЬНОГО ДИСКОВОГО РЕЗОНАТОРА.
ЧАСТИНА 2. ЗВ’ЯЗОК ІЗ НЕУЗГОДЖЕНИМ ХВИЛЕВОДОМ
В. В. Гламаздін, М. П. Натаров, В. М. Скресанов, О. І. Шубний
Досліджено радіаційні втрати елементів зв’язку (ЕЗ) дзеркального дискового діелектричного резонатора (ДДДР) з модами шепочучої галереї з неузгодженими хвилеводами. Результати дослідження мають особливий інтерес для розробників автогенераторів з використанням ДДДР, коли напівпровідникові прилади з колами узгодження імпедансу розташовані у хвилеводах, утворюючи комплексне навантаження. Виміряно залежності резонансної частоти і добротності ДДДР від амплітуди і фази хвилі, відбитої від комплексного навантаження. Досліджувалися ДДДР з ЕЗ двох типів: отвір в діафрагмі і звужений відкритий кінець хвилеводу (щілина) на дзеркалі. Для випадку ЕЗ у вигляді щілини показано, що добротність й резонансна частота ДДДР з комплексним навантаженням у хвилеводі може бути розрахована з використанням запропонованої схеми заміщення ЕЗ в ДДДР, при цьому номінали схеми заміщення можуть бути виміряні відповідно до методики, викладеної в першій частині цієї роботи. Розраховано дві складові додаткових втрат, що вносяться в ДДДР комплексним навантаженням в хвилеводі: радіаційні втрати ЕЗ й теплові втрати в навантаженні.
ОСОБЛИВОСТІ МІЖТИПОВОЇ ВЗАЄМОДІЇ В ДИСКОВИХ КВАЗІОПТИЧНИХ ДІЕЛЕКТРИЧНИХ РЕЗОНАТОРАХ ПРИ ЗБУДЖЕННІ ПАРАЗИТНИХ ТИПІВ КОЛИВАНЬ
О. Я. Кириченко, Г. В. Голубнича
Дискові діелектричні резонатори з модами шепочучої галереї, мають високу добротність, проте перешкодою до широкого застосування їх в якості елементів НВЧ є густий частотний спектр. Зокрема, спотворення амплітудно-частотної характеристики обумовлено межтиповою взаємодією коливань. Вивчення особливостей цієї взаємодії допоможе зрозуміти обставини їх виникнення і, отже, знайти можливість уникнути цього явища. Експериментально досліджено особливості міжтипової взаємодії в дисковому діелектричному резонаторі, який збуджується на вищих азимутальних типах, у разі внутрішнього збудження паразитного типу коливань в одиночному диску. Вивчено динаміку впливу зміни неоднорідності у вигляді елемента зв’язку резонатора з діелектричним хвилеводом на форму резонансної кривої. Встановлено можливість компенсації впливу цієї неоднорідності внесенням додаткової неоднорідності. Виявлено зміну двогорбої резонансної кривої в залежності від напрямку переміщення по кутовій координаті додаткової неоднорідності. До теперішнього часу дослідження міжмодової взаємодії проводилися тільки для випадку зовнішнього збудження при використанні двох діелектричних дисків. Отримані результати можуть служити інструментом селекції спектра коливань в дискових діелектричних резонаторах.
ОДНОВИМІРНІ ОБЕРНЕНІ ЗАДАЧІ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО ЗОНДУВАННЯ ШАРУВАТИХ ДІЕЛЕКТРИЧНИХ СЕРЕДОВИЩ
А. В. Бровенко, О. О. Вертій, М. П. Мележик, П. М. Мележик, А. Ю. Поєдинчук
Задача про відновлення профілю діелектричної проникності шаруватого діелектричного середовища за значеннями коефіцієнта відбиття для кінцевого числа частот зондуючої плоскої електромагнітної хвилі є актуальною у зв’язку з розробкою сучасних методів неруйнівного контролю. Для її розв’язання первинні задачі зведено до пошуку оптимального керування (профілю діелектричної проникності) задачі Коші для рівняння Ріккаті. Побудова оптимального керування в класі поліноміальних функцій засновано на мінімізації відповідного функціоналу. Запропоновано критерій відбору поліноміальних апроксимацій профілю діелектричної проникності, який використовує розділення вхідних даних на навчальну і перевірочну послідовності зондуючих частот. Проведено аналіз похибки відновлення уявної частини діелектричної проникності шаруватого середовища. Встановлено, що відносна похибка відновлення малої уявної частини діелектричної проникності (Ime ~ 10–4) не перевищує 10 %, а великої (Ime ³ 0,1) – становить менше 1 %.
КОНТРОЛЬ БІОЛОГІЧНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ ДІЇ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ПОЛІВ МІЛІМЕТРОВОГО ДІАПАЗОНУ
О. І. Білоус, Н. В. Брюзгінова, С. П. Сіренко, А. І. Фісун
Вкрай високочастотне (КВЧ) електромагнітне випромінювання використовується у медицині як лікувальний та діагностичний засіб. Дію слабкого та надслабкого рівнів випромінювання зазвичай відносять до числа інформаційних. При цьому теплові режими біологічного об’єкта залишаються незмінними. Одним із сучасних напрямків у фізіотерапії є КВЧ-аутогемотерапія, де в якості активатора використовується опромінення дози крові КВЧ-хвилями. У роботі контроль ефективності цієї фізіотерапевтичної процедури запропоновано проводити за допомогою тестування електрофоретичної активності ядер клітин букального епітелію пацієнтів. Результати проведених експериментальних спостережень підтверджують можливість оцінки динаміки лікування хвороб неврологічного характеру як традиційними методами лікування, так і за допомогою КВЧ-аутогемотерапії.