2016, т. 7(21), № 2
ЧИСЕЛЬНО-АНАЛІТИЧНИЙ МЕТОД РОЗВ’ЯЗАННЯ ЗАДАЧІ ПРО ВИПРОМІНЮВАННЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ ІЗ ПЛАСКОГО ХВИЛЕВОДУ ЗІ СКІНЧЕННИМ ЧИСЛОМ ЩІЛИН
C. M. Воробйов
Вивчаються характеристики випромінювання електромагнітних хвиль із заповненого діелектриком плаского металевого хвилеводу зі скінченним числом нееквідистантно розташованих, різних за шириною паралельних щілин на одному боці хвилеводу, що збуджується на основній хвилі. Така структура допускає строгий електродинамічний розв’язок при мінімумі відомих радіофізичних допущень і, як модель, може добре відповідати реальним антенам, виготовленим з тонкого фольгованого діелектрика з довгими відносно довжини хвилі щілинами. Задачу розв’язано методом аналітичного напівобернення оператора первісної крайової задачі у поєднанні з методом моментів. Аналізуються ближнє і дальнє поля випромінювання (Е- і Н-компоненти поля), а також енергетичні характеристики відбитого та такого, що пройшло у хвилевід, полів.
ІНДИКАТРИСА РОЗСІЯННЯ КРИСТАЛІВ СНІГУ
Г. Б. Веселовська, Г. І. Хлопов
Радіолокаційні методи дослідження хмар і опадів є одними з найбільш ефективних методів дистанційного зондування атмосфери. Переваги радіолокаційних методів у тому, що вони дозволяють оперативно вимірювати характеристики опадів на великих площах. За умов турбулентного середовища частинки можуть знаходитися під різними кутами відносно до падаючого поля, тому в роботі зроблено спробу дослідження індикатриси розсіяння кристалів снігу (залежності ефективної площі розсіяння (ЕПР) від кута падіння електромагнітної хвилі), що дозволило оцінити межі мінливості ЕПР частинок снігу при варіаціях кута піднесення антени радара. Для числового моделювання розсіювальних властивостей частинок снігу використовувалися частинки двох типів під різними кутами спостереження, при цьому в роботі розглядалися два азимутальних кути падіння електромагнітного поля в широкому частотному діапазоні.
ПРО СПЕКТР ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ В ОДНОВИМІРНОМУ ДЕФЕКТНОМУ ФОТОННОМУ КРИСТАЛІ, ЩО МЕЖУЄ З ПРОВІДНИМ СЕРЕДОВИЩЕМ
М. М. Білецький, С. А. Борисенко
У теперішній час велика увага приділяється дослідженню електромагнітних властивостей дефектних фотонних кристалів. Це обумовлено як наявністю плазмових і дефектних хвиль у таких кристалах, так і зонним характером спектра цих хвиль. Однією з найцікавіших електромагнітних властивостей дефектних фотонних кристалів є резонансна взаємодія плазмових і дефектних хвиль. Доведено, що резонансна взаємодія найбільш чітко спостерігається в другій забороненій зоні фотонного кристала. У зв’язку з цим актуальною задачею є дослідження властивостей електромагнітних хвиль у різних типах дефектних фотонних кристалів. Ця робота присвячена вивченню ефекту резонансної взаємодії плазмових і дефектних електромагнітних хвиль в одновимірних дефектних фотонних кристалах, що межують з провідним середовищем за умови, що дефектний шар є плазмоподібним. Виявлено, що найкращі умови для спостереження ефекту резонансної взаємодії плазмових і дефектних мод мають місце, коли дефектний фотонний кристал межує з напівпровідниковою плазмою, а величина діелектричної проникності дефектного шару є додатною і має проміжне значення між величинами діелектричної проникності двох шарів елементарної ланки фотонного кристала. Отримані результати мають важливе прикладне значення для створення нових приладів мікроелектроніки та фотоніки.
НЕСТІЙКІСТЬ ТРУБЧАСТОГО ЕЛЕКТРОННОГО ПУЧКА ПРИ ВЗАЄМОДІЇ З ПЛАЗМОПОДІБНИМ СЕРЕДОВИЩЕМ
Ю. О. Аверков, Ю. В. Прокопенко, В. М. Яковенко
Останнім часом велика увага приділяється питанням генерації випромінювання міліметрового і субміліметрового діапазону довжин хвиль, що виникає при взаємодії потоків заряджених частинок з твердотільними структурами. Однак на сьогодні відсутній послідовний теоретичний опис подібного роду ефектів. У зв'язку з цим у цій роботі виконано докладне теоретичне дослідження ефекту нестійкості нерелятивістського нескінченно тонкого трубчастого електронного пучка, який рухається у вакуумі над діелектричним (плазмовим) циліндром. Через нерелятивістський характер руху пучка розрахунки виконані в електростатичному наближенні. Розглянуто випадки сталої і залежної від частоти діелектричної проникності циліндра. Побудовано дисперсійні криві збуджених мод і досліджено залежності інкрементів (декрементів) цих мод від величини радіуса пучка і азимутального модового індексу. Показано що, як для діелектричного, так і для плазмового середовища величини інкрементів (декрементів) збуджених мод мають найбільші значення для нульового значення азимутального хвильового числа, а із зростанням цього числа максимальні величини інкрементів (декрементів) збуджених мод зменшуються. Встановлено, що за наявності частотної залежності діелектричної проникності середовища можливе виникнення абсолютної пучкової нестійкості, область існування якої лежить у кінцевому інтервалі значень поздовжнього хвильового числа.
ДІАПАЗОН ПЕРЕСТРОЮВАННЯ ЧАСТОТИ ГЕНЕРАТОРА ДИФРАКЦІЙНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ З ПЕРІОДИЧНОЮ СТРУКТУРОЮ У ВИГЛЯДІ ПОДВІЙНОЇ ГРЕБІНКИ
Є. O. Ковальов, В. С. Мірошниченко
Генератор дифракційного випромінювання є одним із перспективних джерел для міліметрового та терагерцевого діапазонів, що потребує подальшого покращення його вихідних характеристик. У цій роботі розглянуто вплив параметрів періодичної структури у вигляді подвійної гребінки на ширину діапазону перестроювання генератора дифракційного випромінювання. Показано, що ширина діапазону перестроювання частоти суттєво залежить від подовження H10-хвилі в елементарних хвилеводах, що утворені протилежно розміщеними щілинами подвійної гребінки. Наведено результати експериментальних досліджень та 2D-моделювання властивостей відкритої резонансної системи, які дають можливість обрати оптимальні параметри подвійної гребінки для генератора дифракційного випромінювання за критерієм «широка смуга перестроювання плюс висока добротність коливань». Наведено результати досліджень властивостей генератора дифракційного випромінювання для 8-мм діапазону довжин хвиль з декількома варіантами параметрів подвійної гребінки.
МОДЕЛЮВАННЯ ТА ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК КЛІНОТРОНІВ БЕЗПЕРЕРВНОЇ ДІЇ В ДІАПАЗОНІ ЧАСТОТ 125…135 ГГЦ
Ю. С. Ковшов, С. О. Кишко, С. С. Пономаренко, С. О. Власенко, Ю. С. Новікова-Коротун, В. В. Завертанний, О. М. Кулешов
Розробка компактних генераторів електромагнітного випромінювання, які здатні у безперервному режимі забезпечувати рівні потужності в одиниці Ватт та вище у міліметровому й субміліметровому діапазонах, є актуальною задачею для великої кількості практичних застосувань, зокрема, з метою підвищення чутливості спектрального аналізу на ядерно-магнітному резонансі з динамічною поляризацією ядер. Проведено моделювання параметрів клінотрона с центральною робочою частотою 130 ГГц на основі результатів, що отримано у ході експериментальних досліджень параметрів однотипних генераторів 2-мм діапазону хвиль. За результатами аналізу робочих характеристик генераторів визначено частотні залежності параметрів просторового заряду, параметра підсилення Пірса, а також електричної довжини системи. Отримані результати використано у розрахунку систем типу «пласка гребінка», що сповільнює рух, а також у подальшому моделюванні робочих характеристик клінотронів з даними системами. За результатами моделювання запропоновано конструкції клінотронів з однорідною та чотириступеневою сповільнюваною системою. Експериментально отримано генерацію коливань в генераторі з однорідною сповільнюваною системою, в діапазоні частот 125…135 ГГц. Вивчено пускові умови генерації залежно від величин струму пучка та індукції магнітного поля, що фокусує. У процесі експериментального дослідження робочих характеристик даного клінотрону показано добру відповідність отриманих результатів з результатами теоретичного моделювання. Запропоновано використання викладеної методики розрахунку електродинамічної системи для клінотронів сусідніх діапазонах довжин хвиль.
ВПЛИВ НАНОЧАСТИНОК СРІБЛА НА ІНТЕНСИВНІСТЬ ФЛУОРЕСЦЕНЦІЇ РОДАМІНА 6G І СУЛЬФОРОДАМІНА 101
С. В. Ніколаєв, В. В. Пожар, М. І. Дзюбенко, К. С. Ніколаєв
Останнім часом інтенсивно розвивається напрям, пов’язаний із створенням нових ефективних лазерних середовищ, які є композитами, складеними з лазерно-активних молекул і наноструктур благородних металів. Відомо, що додавання плазмонних наночастинок металів до активних середовищ може бути використане для поліпшення випромінювальних характеристик середовища. Для реалізації цієї можливості необхідно дослідити характер взаємодії компонентів для кожної конкретної сполуки. У цій роботі досліджено залежність інтенсивності флуоресценції рідких розчинів лазерних барвників Родамін 6G і Сульфородамін 101 від концентрації наночастинок срібла радіусом ~ (32 ± 5) нм для різних частот збуджувального випромінювання. Установлено, що підвищення концентрації нанодобавки підсилює інтенсивність флуоресценції обох барвників. Показано, що зростання інтенсивності флуоресценції тим більше, чим ближче довжина хвилі збуджувального випромінювання до максимуму спектра плазмонного резонансу наночастинок. На підставі отриманих залежностей зроблено висновок про наявність оптимальної концентрації нанодобавки, перевищення якої спричинить зменшення інтенсивності флуоресценції за рахунок зростання імовірності безвипромінювальної дезактивації збуджених станів молекул.
ЕФЕКТ ПОДВІЙНОГО РОЗЩЕПЛЕННЯ ШАРУ МНОЖЕННЯ У ЛАВИННО-ГЕНЕРАТОРНИХ ДІОДАХ І ГЕНЕРАЦІЯ ДВОЧАСТОТНИХ АВТОКОЛИВАНЬ
К. О. Лукін, П. П. Максимов
Актуальним завданням напівпровідникової електроніки є створення потужних джерел електромагнітних коливань мікрохвильового і терагерцового діапазонів. У роботі розглянуто завдання розробки лавинно-генераторних діодів, які синхронно генерують два автоколивання мікрохвильового і терагерцового діапазонів. Підсумовування двох коливань з близькими або з різними частотами дозволяє керувати енергетичними і спектральними характеристиками вихідного сигналу. Досліджено фізичні процеси, що відбуваються в лавинно-генераторних діодах на основі різких Si і GaAs p–n-переходів при високій постійній напрузі зворотного зміщення. Виявлено ефект подвійного розщеплення шару множення. Показано, що в запропонованих раніше авторами лавинно-генераторних діодах синхронно збуджуються і підтримуються регулярні і хаотичні автоколивання електронної і діркової компонент вихідної потужності відповідно в p- і n-областях p–n-переходу.
СИНХРОННА ГЕНЕРАЦІЯ ДВОХ КОЛИВАНЬ МІКРОХВИЛЬОВОГО І ТЕРАГЕРЦОВОГО ДІАПАЗОНІВ У ЛАВИННО-ГЕНЕРАТОРНИХ ДІОДАХ ІЗ ЗОВНІШНІМ СИГНАЛОМ
К. О. Лукін, П. П. Максимов
Досліджено багаточастотні лавинно-генераторні діоди (ЛГД) на основі різких Si і GaAs p–n-переходів із високолегованою n-областю. Розраховано часові реалізації вихідної потужності і наведено проекції атракторів на двовимірний фазовий простір ЛГД. Виконано спектральний аналіз вихідної потужності і визначено електронний коефіцієнт корисної дії. Показано, що багаточастотні автоколивання синхронно збуджуються в n- і p-областях різкого p–n-переходу на вищих гармоніках зовнішнього сигналу. Представлені числові результати можуть становити інтерес для розробників потужних джерел електромагнітних коливань мікрохвильового і терагерцового діапазонів. Досліджений режим синхронної генерації двочастотних коливань може розглядатися як основа для генерації так званих пов’язаних/сплутаних станів електромагнітного поля (Entangled Photons), тобто сигналів різних частот, що осцилюють у часі зі збереженням фазових співвідношень, для використання в сенсорних і радарних системах.
ВИМІРЮВАЛЬНА КОМІРКА НА ОСНОВІ КВАРЦОВОГО КВАЗІОПТИЧНОГО РЕЗОНАТОРА ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ ДІЕЛЕКТРИЧНИХ РІДИН У СУБТЕРАГЕРЦОВОМУ ДІАПАЗОНІ
О. А. Баранник, С. О. Вітусевич, А. І. Губін, І. О. Проценко, М. Т. Черпак
Використання резонаторів з модами шепочучої галереї дозволяє досягти високої точності вимірювань при визначенні діелектричної проникності речовин завдяки їх високій добротності. Резонатор з мікрофлюїдним каналом (МФК) є перспективним для дослідження малих об’ємів речовин, що є особливо актуальним для біологічних рідин. Раніше було запропоновано використовувати сапфіровий резонатор з МФК як вимірювальну комірку для визначення діелектричної проникності рідин у 8-мм діапазоні довжин хвиль. Проте для використання в субтерагерцовому діапазоні більш перспективним є кварцовий резонатор, тому що його добротність вища. У цій роботі запропоновано вимірювальну комірку для визначення комплексної проникності рідин, які займають малий об’єм, у субтерагерцовому діапазоні, на основі кварцового квазіоптичного резонатора, покритого шаром пластика з МФК. Проведено експериментальні дослідження резонаторної структури і запропоновано модель для числових досліджень у програмі COMSOL Multiphysics. Шляхом порівняння значень частоти і добротності резонатора з відповідними значеннями, які було отримано обчисленням, проведено коректування моделі для випадку заповнення МФК водою. Показано, що модель для числових досліджень коректно описує резонаторну структуру. Отримано значення частоти і добротності резонатора при заповненні МФК речовинами з відомими значеннями комплексної діелектричної проникності (метанол, пропанол, етанол, ацетон). Значення частоти і добротності резонатора, отримані числовим і експериментальним шляхом, добре збігаються, що вказує на можливість використання резонатора в якості вимірювальної комірки для визначення діелектричної проникності речовин, які займають малий об’єм, з використанням спеціальної калібрувальної процедури.
ВІЗУАЛІЗАЦІЯ ПЛАЗМОНІВ ЗА ДОПОМОГОЮ ВЕКТОРА УМОВА–ПОЙНТІНГА
О. А. Величко, О. П. Ніколаєнко
Циліндричні датчики з благородних металів, що засновані на явищі поверхневого плазмонного резонансу, широко застосовуються в медико-біологічних дослідженнях і дослідженнях навколишнього середовища, тому вивчення їх характеристик в різних діапазонах довжин хвиль було і залишається актуальним завданням. В роботі розглянуто розсіювання плоскої Н-поляризованої електромагнітної хвилі на срібному наноциліндрі з концентричним діелектричним шаром у оптичному діапазоні спектра. Поверхневі плазмонні резонанси, що виникають, описано як за допомогою звичайного, класичного способу у вигляді просторового розподілу амплітуди поля навколо об’єктів, так і просторового розподілу вектора Умова–Пойнтінга. Продемонстровано, що опис плазмонів за допомогою вектора Умова–Пойнтінга має очевидну перевагу, оскільки в цьому випадку чітко видно стоячі хвилі і хвилі, що біжать, та більш чітко окреслено межі досліджуваного об’єкта. Ілюструється парадоксальний вплив діелектричної проникності покриття на тип плазмонного резонансу та розподіл поля у просторі.
ВИМІРЮВАННЯ ДІЕЛЕКТРИЧНОЇ ПРОНИКНОСТІ ПЕНОПЛАСТІВ РЕЗОНАНСНИМ МЕТОДОМ ЗА ДОПОМОГОЮ ХВИЛЕВІДНО-ДІЕЛЕКТРИЧНОГО РЕЗОНАТОРА
Р. І. Білоус, М. В. Вовнюк, І. Г. Скуратовський, О. І. Хазов, Г. С. Шахова
Інтенсивний розвиток електронної техніки характеризується безперервним розширенням функціональних можливостей створюваних нових типів елементів, приладів та систем, в яких використовуються пористі пластмаси. Тому виникає необхідність дослідження основних електрофізичних характеристик таких матеріалів. Успішне розв’язання цієї задачі неможливе без точного визначення діелектричної проникності (e ). У роботі наведено два методи вимірювання низької відносної e (1,012…1,1) пінопластів за допомогою циліндричного хвилевідно-діелектричного резонатора на позамежному хвилеводі, результати вимірювань e чотирьох типів пінопластів у діапазоні частот 10…12 ГГц та оцінку похибок вимірювань. У «безпосередньому» методі досліджуваний матеріал використовується як діелектричний елемент резонатора. У «непрямому» методі діелектричний елемент був виготовлений з фторопласту, а пінопласт заповнював позамежні ділянки хвилеводу. Проведені дослідження показали, що «непрямий» метод дає зменшення похибки вимірювання e в 2,5–5 разів у порівнянні з «безпосереднім». Але «безпосередній» метод простіший і дозволяє вимірювати будь-які діелектричні проникності.