Вісник Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна. Серія «Радіофізика та електроніка»

Магніто-іоносферні ефекти часткового сонячного затемнення 25 жовтня 2022 р. над Україною

2025-04-02T08:03:37+00:00

Актуальність. Навколоземне середовище, що входить до системи Земля – атмосфера – іоносфера – магнітосфера (ЗАІМ), є основним функціонуючим радіоканалом. Він використовується системами радіозв’язку, радіонавігації, радіолокації, дистанційного радіозондування, радіоастрономії. Система ЗАІМ і радіоканал рідко знаходяться у спокійному стані. Час від часу вони збурюються високоенергетичними джерелами. Одним із них є сонячне затемнення (СЗ). І хоча збурення системи ЗАІМ сонячним затемненням досліджується більше ста років, вивчення всієї сукупності ефектів у цій системі залишається актуальною задачею. Це пов’язано з тим, що ефекти СЗ суттєво залежать від фази затемнення, стану космічної погоди, положення у циклі сонячної активності, пори року, часу доби, географічних координат тощо.

Мета роботи – опис результатів дослідження часових варіацій компонент геомагнітного поля та повного електронного вмісту (ПЕВ) у іоносфері, що супроводжували часткове СЗ 25 жовтня 2022 р. над Україною.

Методи і методологія. У якості вихідних даних використано результати реєстрації X-, Y- і Z-компонент геомагнітного поля на станції Львів і результати вимірювання параметрів радіосигналів Глобальної навігаційної супутникової системи (ГНСС) у Харкові. Часове розрізнення складало 1 хв. Похибка вимірювання рівня геомагнітних компонент – 0.1 нТл, а ПЕВ – 0.1 TECU.

Результати. СЗ над Україною викликало аперіодичні збурення компонент геомагнітного поля, які сягали 2 – 3 нТл. Найбільше збурення спостерігалося у X-компоненті, а найменше – у Z-компоненті. Тривалість збурення складала 80 – 100 хв. СЗ супроводжувалося квазіперіодичними збуреннями компонент геомагнітного поля. Амплітуда коливань з періодом 30±5 хв тривалістю 70 – 80 хв сягала 2 нТл. СЗ викликало зменшення ПЕВ від ~24 до ~18 TECU. Час запізнювання реакції ПЕВ на СЗ складав близько 14 хв. Лінійний коефіцієнт рекомбінації в середньому був близьким до 1.2×10^–3с^–1. Результати оцінки магнітного та іоносферного ефектів добре узгоджуються з результатами спостережень.

Обчислення електромагнітних полів на рухомій межі середовища, опроміненого імпульсом Ейрі

2025-04-02T08:03:55+00:00

Актуальність. Нові ефекти поширення електромагнітного імпульсу Ейрі, отримані у результаті його взаємодії з рухомою межею, можуть активно застосовуватись при проходженні імпульсів через різні прилади та обладнання, такі як лінзи, дзеркала тощо. Результати такої взаємодії надзвичайно важливі в задачах нанооптики та нанофотоніки, у біохімії для сортування мікрочастинок ті відбору клітин у якості оптичного пінцета.

Мета роботи – дослідження та аналіз особливостей перетворення імпульсу Ейрі у результаті його взаємодії з межею, що рухається йому назустріч.

Матеріали та методи. Для дослідження, аналізу та імітаційного моделювання імпульсу Ейрі у нестаціонарних електромагнітних середовищах використовується метод інтегральних рівнянь Вольтерра другого роду. Перевага використання даного методу полягає в тому, що рішенням інтегральних рівнянь Вольтерра є аналітичні розв’язки, які отримані шляхом строгих математичних викладок. Окрім цього, метод інтегральних рівнянь Вольтерра універсальний відносно вільного члена рівняння, що дозволяє у якості первинного поля обирати будь-яке електромагнітне поле, у тому числі, і електромагнітний імпульс Ейрі. Розв’язання базового інтегрально рівняння у роботі проводиться методом резольвенти, що дозволяє отримати аналітичний вираз для поля імпульсу, що пройшов через межу. Перевага застосування резольвенти до розв’язку інтегрального рівняння полягає в тому,що даний метод дозволяє розглядати електромагнітні поля з довільною залежністю від часу.

Результати. Проведено дослідження впливу рухомої межі розділення двох діелектричних середовищ на несиметричний електромагнітний імпульс Ейрі. Отримано точні математичні вирази для поля імпульсу Ейрі, які описують його просторово-часову структуру після взаємодії з рухомою межею. Результати отриманих аналітичних виразів супроводжуються числовим імітаційним моделюванням вторинних імпульсів та їх аналізом.

Висновки. Досліджено складний випадок поширення електромагнітного імпульсу, а саме його взаємодію з нестаціонарною межею, що рухається, починаючи з нульового моменту часу. Встановлено, що у результаті зустрічного руху межі та імпульсу формуються вторинні імпульси в різних областях простору,які змінюють напрямок руху, швидкість та частоту модуляцій. За результатами імітаційного моделювання видно, що після взаємодії імпульсу Ейрі з межею, що рухається, підвищується частота та амплітуда вторинного поля, а розсіяне відбите від межі поле має зменшену енергію та різницеву частоту коливань у часі.

Дослідження та знаходження 1-ої, 2-ої похідних від складових членів дисперсійного рівняння для плоского двошарового одновимірно-періодичного фотонного кристала

2025-04-02T08:04:18+00:00

Актуальність. Останні десятиріччя спостерігається стрімкий розвиток фотоніки. Тому науковий інтерес до оптичного діапазону електромагнітного випромінювання продовжує зберігати актуальність. Як наслідок, задача про розсіяння електромагнітних хвиль (дифракційна задача) на таких об’єктах як фотонні кристали представляться актуальною задачею. Йдеться про розв’язання хвильового рівняння з подальшим застосуванням методу розділення змінних та переходом до проблеми Штурма-Ліувілля на необмеженому інтервалі . Для дифракційних структур, які розглядаються у роботі, зазначений метод розділення змінних дозволяє отримати розв’язок хвильового рівняння (котре у такому разі виявляється рівнянням з періодичними коефіцієнтами) у явному вигляді. Інший метод – метод матриці перенесення (Transfer matrix method) для хвильового рівняння з періодичними коефіцієнтами дає змогу врахувати специфіку його рішення на необмеженому інтервалі , та досягти виконання складової умови розв’язності проблеми Штурма-Ліувілля – умови про самоспряженість диференціального оператора в цій проблемі. Тож, метод матриці перенесення передбачає побудову та розв’язок так званого дисперсійного рівняння – рівняння, що пов’язує параметри дифракційної задачі з умовами розв’язності проблеми Штурма-Ліувілля. У наслідок цього виникає необхідність у дослідженні складових членів такого дисперсійного рівняння. А саме, виникає необхідність розуміти поведінку розв’язку спектрального рівняння у даній проблемі Штурма-Ліувілля залежно від спектрального параметра. Тому, на думку авторів, пошук похідних від цього розв’язку має актуальність, оскільки апарат похідної у цілому відіграє доволі важливу роль у дослідженні будь-яких функціональних залежностей.

Мета роботи. Визначити першу та другу похідні за спектральним параметром від розв’язку спектрального рівняння у проблемі Штурма-Ліувілля для плоского двошарового одновимірно-періодичного фотонного кристала. А також, показати, що кожна із зазначених похідних лінійно виражається через сам розв’язок та свою похідну, але за просторовою змінною, а вже як наслідок, можливість мати дві лінійні залежності, що дає змогу отримати лінійне однорідне диференціальне рівняння 2-го порядку відносно цього розв’язку. Подальше дослідження зазначеного рівняння у деякій перспективі може послужити розвитку альтернативного апарату розуміння поведінки даного розв’язку як функції спектрального параметра.

show that each of the specified derivatives is linearly expressed through the solution itself and its derivative, but in terms of a spatial variable, and as a consequence, the possibility of having two linear dependencies, which makes it possible to obtain a

Методи і методологія. Умова про самоспряженість диференціального оператора у проблемі Штурма-Ліувілля (складова умова розв’язності проблеми Штурма-Ліувілля) для плоского двошарового нескінченного одновимірно-періодичного фотонного кристала досягається шляхом застосування методу матриці перенесення (Transfer matrix method). Спираючись на принцип невизначених коефіцієнтів, автори використовують підставлення (що запропоновано у роботі) та здійснюють перехід від лінійного неоднорідного диференціального рівняння 2-го порядку, розв’язком якого є шукана похідна (2-га похідна), до системи рівнянь, котра розглядається як матричне рівняння. Для розв’язання матричного рівняння використовується метод варіації.

Результати. У поданій роботі визначається друга похідна за спектральним параметром від розв’язку спектрального рівняння у проблемі Штурма-Ліувілля для плоского двошарового одновимірно-періодичного фотонного кристала (необмеженого вздовж періодичності). Визначена похідна лінійно виражається через сам розв’язок та свою похідну, але за просторовою змінною. Також у роботі розв’язується лінійне неоднорідне диференціальне рівняння 2-го порядку, таким чином, власне, й отримується шукана похідна. Таке рівняння вдається розв’язати на основі досліджень та результатів попередніх робіт – робіт з визначення відповідної 1-ї похідної. Втім, варто заначити, що прямої аналогії між методикою визначення 1-ї та 2-ї похідної вбачати не вдається у цьому, зокрема, й виражається змістовність даної роботи.

Моделювання взаємодії антен у ближній зоні

2025-04-02T08:04:34+00:00

Актуальність. Аналізується отримання мінімізації або максимізації взаємодії між випромінюючою та приймальною антенами (або приймальної антени з полями, відбитими від якоїсь перешкоди) за рахунок орієнтування та розташування антен на певній відстані та під певними кутами. Розв’язання таких задач дозволить створювати ефективні радіоелектронні прилади різного призначення, зокрема, радіолокаційні системи та алгоритми обробки інформації.

Мета роботи – провести моделювання імпульсного випромінювання дипольної антени, визначити закономірності такого випромінювання при різних розташуваннях приймальної антени відносно передавальної. Визначити сигнал у приймальній антени та виявити закономірності його формування.

Матеріали та методи. Для розв’язання поставленої задачі буде використаний метод скінченних різниць в часовій області (Finite Difference Time Domain, FDTD) з використанням алгоритму Yee для чисельного розв'язання рівнянь Максвелла. Спектри випромінюючої та приймальної антени аналізуються за допомогою алгоритму швидкого перетворення Фур`є (Fast Fourier Transform, FFT). Для отримання діаграм спрямованості антени в дальній зоні використовується алгоритм Near to Far Transformation.

Результати. Отримано сигнали у часовій формі для передавальної та приймальної антен. Аналіз спектрів, отриманих за допомогою FFT від часових форм сигналів в передавальній і приймальній антенах, продемонстрував, що у спектрі сигналу для випромінюючої антени присутні складові на низьких частотах нижче 250 МГц, для приймальних антен такі складові не спостерігаються. Отримано часову залежність струму в антені в кожний момент часу і спектр струму, отримано діаграму спрямованості антени в дальній зоні.

Висновки. Для приймальних антен, розташованих на відстані від випромінюючої, маємо найбільшу складову поля на частоті, що відповідає першому резонансу, особливо суттєво це проявляється розташовані під кутами та , де сигнал в інших антенах (на більшій відстані від випромінюючої) є дуже малим. Для розташовані під прямим кутом, тобто для співвісних антен передача енергії із випромінюючої антени до прийомної є максимальною, але лише на невеликих відстанях, при збільшенні відстані між антенами зв`язок між ними швидко зменшується.

Поширення вихрових лазерних пучків металевого резонатора

2025-04-02T08:04:50+00:00

Актуальність. Розглядається задача поширення випромінення вихрових лазерних пучків, сформованих модами металевого хвилевідного резонатора. Результати розрахунків поширення таких пучків мають широкий спектр потенційних застосувань, від отримання ТГц зображень і спектроскопії до зв’язку, зондування, біомедицини та розв’язання задач, які пов’язані з взаємодією електромагнітних хвиль з речовиною: діагностика тонких плівок, поверхні матеріалів, різних біологічних об’єктів, а також астрономії та космічних досліджень.

Мета роботи — отримати аналітичні вирази для опису непараксіальної дифракції мод хвилевідного металевого резонатора терагерцевого лазера при їх взаємодії зі спіральною фазовою пластинкою та шляхом чисельного моделювання вивчити фізичні особливості отриманих вихрових пучків при їх поширенні у вільному просторі.

Матеріали та методи. Для дослідження поширення у зоні Френеля вихрових лазерних пучків, які збуджувались модами металевого хвилевідного квазіоптичного резонатора, була використана векторна теорія Релея-Зоммерфельда.

Результати. Для опису непараксіальної дифракції мод металевого хвилевідного резонатора терагерцового лазера одержані аналітичні вирази. Також за допомогою чисельного моделювання досліджено фізичні особливості виникаючих вихрових пучків при їх поширенні у вільному просторі.

Висновки. У вільному просторі спіральна фазова пластина для збуджуючої моди TE₁₁ з профілю з максимумом інтенсивності в центрі (n = 0) утворює асиметричне кільце з двома максимумами (n = 1, 2). Для збуджуючої моди TE₀₁ початкова кільцева (n = 0) структура напруженості поля трансформується в структуру з максимальною інтенсивністю випромінювання в центрі (n = 1), а потім знову в кільцеву (n = 2). Фазовий фронт променю для компоненти E_y лінійно поляризованої вздовж осі y моди TE₁₁ змінюється від сферичного до спірального з однією точкою сингулярності на осі. У фазовому профілі поперечних складових азимутально поляризованої моди TE₀₁ з’являється ділянка з двома та трьома позаосьовими точками фазових сингулярностей.

Вплив температури на характеристики шумових діодів з гетерокатодом

2025-04-02T08:05:07+00:00

Актуальність. Створення компактних джерел шуму в широкому діапазоні частот, що здатні підтримувати незмінні в часі та від зовнішніх умов характеристики і формувати еталонні сигнали для вимірювання шумових характеристик підсилювачів та приймачів, є актуальною задачею в галузі телекомунікації та безпеки. Зразком приладів, які здатні задовольнити вимоги до джерел шуму, є діоди з катодним статичним доменом (ДКСД). Важливим фактором, який впливає на характеристики напівпровідникових приладів, є температура та ефект саморозігрівання.

Метою роботи є дослідження впливу температури та саморозігрівання на характеристики ДКСД на основі нітридних сполук, що містять варізонний шар на катоді.

Методи і методологія. Для отримання характеристик діода проводиться числове моделювання процесів переносу заряду в двовимірних напівпровідникових структурах з використанням багаточастинкового методу Монте-Карло. Враховуються всі суттєві механізми розсіяння носіїв заряду. У роботі обчислюються залежності густини струму, що протікає в діоді від величини постійної напруги на ньому, в умовах різної температури, в тому числі з урахуванням генерації тепла в ньому при протіканні електричного струму.

Результати. Отримано залежності густини струму від прикладеної напруги живлення для різних конструкцій ДКСД з варізонним AlGaN - катодом за умов сталої температури різної величини та з урахуванням ефектів саморозігрівання. Показано, що підвищення температури призводить до зменшення густини струму, що протікає через діод, а ефекти саморозігрівання можуть суттєво обмежити діапазон робочих напруг діода.

Висновки. Продемонстровано вплив температури на роботу діодів на основі AlGaN з варізонним гетерокатодом. Підвищення температури призводить до обмеження робочих напруг діода і в умовах виникнення ударної іонізації може привести до руйнування діода.