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

Гостре та помірне фокусування комбінованих мод терагерцового лазера

О.В. Гурін — 2023-03-10

Актуальність. Розглядається задача гострого та помірного фокусування комбінованих мод діелектричного хвилевідного лазера. Результати дослідження різного типу фокусування лазерних пучків мають широкий спектр потенційних застосувань, від отримання 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 та досягнення субхвильової роздільної здатності ТГц томографії.

Мета роботи — встановлення фізичних закономірностей гострого та помірного фокусування лазерних пучків випромінювання, описуваних комбінованими лінійно поляризованими модами круглого порожнистого діелектричного хвилеводу.

Матеріали та методи. Для дослідження фокусування лазерних пучків, які збуджувались модами квазіоптичного хвилевідного резонатора, була використана векторна теорія Релея-Зоммерфельда. Щоб експериментально дослідити ці явища, були використані добре відомі методи вимірювань просторово-енергетичних характеристик лазерних пучків в ТГц діапазоні.

Результати. Теоретично та експериментально встановлені фізичні особливості просторово-енергетичних характеристик лазерних пучків випромінювання з лінійною поляризацією поля при гострому та помірному фокусуванні у вільному просторі, які збуджуються комбінованими модами резонатора лазера на основі круглого діелектричного хвилеводу.

Висновки. Показано, що сумарна інтенсивність поля, як комбінованих TE_0n+EH_2n, так і EН_-1_n+EH₃_n-мод
(n = 1, 2, 3), визначається усіма трьома компонентами та на осі має провал при обох видах фокусування. Центральні максимуми поля даних мод значно зміщуються від геометричних фокусів досліджуваних лінз зі збільшенням порядку n цих мод. Найменший діаметр фокальної плями в області максимальної інтенсивності має EН_-11+EH₃₁-мода при гострому фокусуванні, найбільший діаметр фокальної плями має при помірному фокусуванні TE₀₃+EH₂₃-мода.

Маскуючий режим функціонування діелектричного включення у порожнині щілиного елемента зв'язку

Н.К. Блинова — 2023-03-27

Актуальність. Проблеми маскування, приховування чи зменшення помітності матеріальних об'єктів у різних діапазонах електромагнітних хвиль нині мають велике значення. Тому розвиток нових методів для вирішення таких завдань, безперечно, є актуальним.

Мета роботи. Метою даної роботи є обґрунтування можливості застосування вузької лінійної щілини (яка прорізана в плоскому екрані, який ідеально проводить і містить у своїй порожнині матеріальне включення) як функціональний елемент маскуючого покриття.

Матеріали та методи. Чисельне моделювання (вирішення зворотної дифракційної задачі щодо величини магнітної проникності матеріалу вставки в порожнині щілини) у строгій електродинамічній постановці проведено для випадку вібраторно-щілинної дифракційної структури в сантиметровому діапазоні довжин хвиль.

Результати. В результаті проведених досліджень встановлено, що для забезпечення маскуючого режиму функціонування щілини матеріал щілинної вставки повинен мати властивості спеціального метаматеріалу - магнетика гібридного типу.

Висновки. Рішення дифракційної задачі для випадку взаємодії вузької щілини з розсіювальним вібратором показало обгрунтованість можливості застосування щілини (прорізаної в нескінченному екрані кінцевої товщини) як функціональний елемент маскуючого покриття. Встановлено, що при цьому матеріал щілинної вставки повинен мати властивості спеціального метаматеріалу - магнетика гібридного типу. У разі потреби обґрунтування може бути узагальнено на інші типи об'єктів, що розсіюють.

Широкосмуговий смуго-загороджуючий фільтр на квазі-фрактальній основі

С.О. Погарський — 2023-02-17

Актуальність. Створення нових високоефективних конструкцій широкосмугових частотно-селективних пристроїв є однією з пріоритетних задач у сучасній техніці НВЧ. Це пояснюється вимогами як до багатофункціональності пристроїв, так і вирішенням задачі електромагнітної сумісності. Істотну роль у ряді селективних пристроїв відіграють смуго-загороджуючі фільтри (або режекторні фільтри), що забезпечують стабільну роботу приладів в умовах впливу загороджуючих, шумових та паразитних сигналів. При цьому необхідний пошук нових підходів до конструювання, використання нових базових елементів.

Мета роботи – чисельне моделювання характеристик смуго-загороджуючого фільтра на основі квазі-фрактальної мікросмужкової структури, проведення оптимізації параметрів фільтра, встановлення критичних параметрів, які впливають на амплітудно-частотну характеристику.

Матеріали та методи. Чисельне моделювання здійснене в рамках методу кінцевих елементів з використанням пакета Ansoft HFSS.

Результати. Проведено чисельне моделювання амплітудно-частотних характеристик широкосмугового смуго-загороджуючого фільтра на основі квазі-фрактальної структури. Проведено моделювання структури розподілу струмів на мікросмужкових провідниках. Встановлений фактор впливу електричної довжини елементів фільтра на характеристичний опір окремих елементів фільтра. Шляхом оптимізації електричної довжини елементів фільтра показана можливість придушення паразитних резонансів у структурі. Досягнуті високі рівні режекції сигналів у досить широкій смузі частот.

Висновки. Запропоновано конструкцію смуго-загороджуючого фільтра на основі квазі-фрактальної мікросмужкової структури, яка забезпечує режекцію сигналів в 72.3% смузі частот відносно центральної частоти. На окремих частотах реалізовані практично недосяжні рівні режекції при конструюванні аналогічних фільтрів на зв'язаних мікросмужкових резонаторах. Конструкція смуго-загороджуючого фільтра на основі квазі-фрактальної структури має незаперечні переваги перед традиційними конструкціями частотно-селективних пристроїв на основі зв'язаних мікросмужкових резонаторів – це компактність та простота корекції критичних параметрів при порівняних значеннях інших електродинамічних параметрів. Крім того, у порівнянні із класичними конструкціями фільтрів на основі зв'язаних резонаторів виключається етап багатоетапної корекції або взаємного зв'язку резонаторів, або їх електричної довжини.

Іоносферні ефекти ударної хвилі, згенерованої вибухом вулкану Тонга 15 січня 2022 р.

Л.Ф. Чорногор — 2023-02-27

Актуальність. Вулкани належать до високоенергетичних джерел, здатних викликати значні збурення у всіх підсистемах системи Земля – атмосфера – іоносфера – магнітосфера (ЗАІМ). Видатною подією стався вибух вулкану Хунга – Тонга – Хунга – Хаапай (далі коротко Тонга) 15 січня 2022 р. Вибух викликав: помірний землетрус із магнітудою 5.8, генерацію двох типів цунамі зі швидкостями ~ 200 та 315 м/с та висотою, що поступово зменшувалася від 90 м над кратером підводного вулкану до 2–3 дм на відстані ~ 20 Мм; спектр хвиль у атмосфері (вибухової, хвилі Лемба, атмосферної гравітаційної, інфразвуку, звуку); появу іоносферної «діри»; хвильові процеси у іоносфері зі швидкістю від ~ 250 м/с до ~ 1000 м/с; електризацію частинок у вулканічному струмені та плюмі; суттєве зростання обʼємної густини електричного заряду, його розділення, збільшення густини атмосферного струму, збурення глобального електричного кола; генерацію чисельних (до 20000 хв^–1) блискавок у плюмі, електромагнітне випромінювання яких збурило температуру та концентрацію електронів у нижній іоносфері, поширилося вздовж магнітних силових ліній до магнітосфери та радіаційного поясу, викликаючи висипання високоенергійних частинок із радіаційного поясу. Вибух вулкану Тонга викликав цілий комплекс фізичних процесів у системі ЗАІМ. Актуальним є дослідження варіацій повного електронного вмісту (ПЕВ) та параметрів рухомих іоносферних збурень, викликаних вибухом вулкану Тонга 15 січня 2022 р.

Метою цієї роботи є аналіз часових аперіодичних і квазіперіодичних варіацій ПЕВ, згенерованих потужним вибухом вулкану Тонга 15 січня 2022 р., та оцінка їхніх параметрів.

Методи і методологія. Для аналізу іоносферних збурень, викликаних вибухом вулкану Тонга, використано дані трансіоносферного зондування на основі GPS-технологій. За даними вимірювань псевдодальностей розраховувався ПЕВ в іоносфері у вертикальному стовпі. Сумарна похибка складала близько 0.1 TECU.

Результати. Аналіз часових варіацій ПЕВ для станцій, віддалених від епіцентру вибуху вулкану на відстань близько 500–4400 км, показав наступне. Спостерігалося три групи збурень у іоносфері, час запізнювання яких збільшувався при збільшенні відстані від епіцентру. Цим збуренням відповідали три групи горизонтальних удаваних швидкостей: ~ 1000 м/с та дещо більше, ~ 350–700 м/с та 270–330 м/с. Ці швидкості повʼязані з вибуховою хвилею, атмосферною гравітаційною хвилею та хвилею Лемба. Доведено, що дефіцит ПЕВ (іоносферна «діра»), викликаний саме вибухом вулкану, оскільки час запізнювання по відношенню до моменту вибуху та час існування «діри» зростали при збільшенні відстані від епіцентру вибуху. Величина виявлених ефектів суттєво залежала від місця дислокації станції, положення екваторіальної іонізаційної аномалії, часу доби, освітленості іоносфери тощо. Зменшення ПЕВ сягало 10–15 TECU, а відносне зменшення – 25–60%. Хвильові збурення зазвичай мали період 10–15 хв та амплітуду 0.5–1 TECU.

Висновки. Ударна хвиля, згенерована вибухом вулкану Тонга, викликала в іоносфері аперіодичні та квазіперіодичні збурення.

Алгоритми обробки сигналів георадарів і підвищення якості неруйнівного контролю

Д.О. Батраков — 2023-03-10

Актуальність проблеми. Актуальність завдань вдосконалення методів обробки георадарних даних обумовлена необхідністю отримання достовірної інформації про стан будівельних конструкцій та об'єктів транспортної інфраструктури. Тому розвиток методів неруйнівного контролю, що спираються на застосування георадарів як інструмент отримання інформації про внутрішню будову та підповерхневі неоднорідності багатошарових конструкцій, удосконалення алгоритмів обробки георадарних даних, створюють основу для оперативної оцінки технічного стану конструкцій і споруд за відносно низької собівартості робіт.

Мета роботи - огляд існуючих методів обробки даних неруйнівного контролю та удосконалення раніше запропонованого авторами алгоритму обробки даних, отриманих за допомогою георадара.

Матеріали та методи. Розроблений метод, що призначений для вирішення завдань товщинометрії плоскошаруватих середовищ. Метод реалізований в обчислювальному алгоритмі. Основу алгоритму склали результати досліджень в області теорії дифракції та математичної фізики.

Результати. Доведено ефективність процедури отримання та застосування калібрувальних сигналів георадару для визначення зондуючого сигналу. За результатами лабораторних експериментів: визначено вплив частоти сигналу георадару на ефективність процедури обробки даних, підтверджено адекватність запропонованого алгоритму в частині відновлення геометричних та електрофізичних параметрів шарів конструкцій; встановлені обмеження методу відновлення електрофізичних параметрів плоскошаруватих конструкцій, що стосуються кількості шарів; доведено принципову можливість розвитку даного методу і програмного забезпечення для подальшого збільшення кількості аналізованих шарів і підвищення точності визначення геометричних і електрофізичних параметрів конструкцій, що досліджуються.

Висновки. Отримані результати сприятимуть розвитку методів неруйнівної діагностики автомобільних доріг і транспортних споруд із застосуванням георадарів. Окремо слід зазначити перспективи подальшого розвитку запропонованого підходу для вирішення завдань позиціонування та ідентифікації підповерхневих неоднорідностей.

Обернені завдання розсіювання та їх застосування у різних галузях техніки

Д.О. Батраков — 2023-04-03

Актуальність проблеми. Практичне застосування методів підповерхневої радіолокації для вирішення завдань діагностики та оцінки стану технічних об’єктів, дефектоскопії багатошарових структурно-неоднорідних конструкцій, пошуку підповерхневих неоднорідностей природного або штучного походження ґрунтується на оцінюванні параметрів об`єктів, що досліджуються, за величиною характеристик розсіяного електромагнітного поля. Вирішення означених завдань ґрунтується на розв’язку обернених задач розсіяння. Тому розвиток та удосконалення методів розв’язку обернених задач розсіяння електромагнітного поля на підповерхневих неоднорідностях є надзвичайно актуальним завданням радіофізики.

Мета роботи – аналіз методів розв’язання обернених задач розсіювання для різних наукових та технічних додатків. Це насамперед завдання неруйнівного контролю та дистанційного зондування природних та штучних об'єктів.

Матеріали та методи. Аналіз спирається на застосування аналітичних методів, методів чисельного моделювання, статистичних методів та експериментальну перевірку одержаних результатів. Основна увага приділена аналізу підходів, які спираються на залучення схеми Ньютона-Канторовича, метод регуляризації Тихонова та принцип максимуму Понтрягіна для визначення електрофізичних параметрів плоскошаруватих середовищ – відносної діелектричної проникності та на наступному етапі – геометричних параметрів шарів конструкції.

Результати. Проведено аналіз різних підходів до розв’язання обернених задач розсіювання, а також їх комбінацій. Основну увагу приділено результатам у галузі неруйнівного контролю та дистанційного зондування за допомогою хвильових методів. Розглянуто сфери практичного застосування методів розв’язку обернених задач розсіювання та сформульовано можливі напрями їх розвитку.

Висновки. Результати проведеного аналізу створюють основу розроблення нових методів розв’язання обернених задач розсіювання та вдосконалення методів, що запропоновані раніше.

Надширокосмугові антенні решітки на випромінювачах Клевіна

П.Г. Фомін — 2023-04-06

Актуальність. Щілинні антени отримали поширення через гарні електродинамічні параметри, простоту збудження, зручну геометрію для вбудовування у різноманітні пристрої. Як правило, такі антени є вузькосмуговими через резонансні явища, які в них протікають. Але використання складної геометрії щілини дає змогу значно розширити діапазон робочих частот такого випромінювача за рахунок зміни характеристичного опору вздовж плеча щілини, що породжує часткові відбиття хвиль на різних частотах в різних місцях розрізу металевого екрану. Вдалий закон зміни форми щілини від координати дає змогу забезпечити відносно рівномірні випромінювальні характеристики такої антени в діапазоні частот декількох октав. Поєднання щілини, як випромінювача магнітного типу з вібратором, як випромінювачем електричного типу, дуальним до щілини, може створити можливість для взаємної компенсації недоліку однієї з цих антен на певних частотах, якщо інша антена саме на цих частотах є ефективною. Така конструкція отримала назву надширокосмугової антени Клевіна. Але є нагальна необхідність збільшення випроміненої енергії електромагнітної хвилі та кращої концентрації її енергії в заданому напрямку. Одним з рішень цих проблем є створення на основі описаних вище комбінованих одиночних випромінювачів антенної решітки, чому і присвячена дана робота.

Мета роботи. Розробити конструкції антенних решіток на основі одиночних комбінованих випромінювачів Клевіна з урахуванням їхньої взаємодії та можливістю одночасного використання елементів одного випромінювача для іншого випромінювача з метою створення більш компактних конструкцій. Останнє дозволить не тільки зменшити розміри, заощадити ресурси, але і зменшить бічне випромінювання. Також необхідно провести розрахунок випромінювальних характеристик отриманих решіток та аналіз їхніх параметрів напрямленості. Додатково треба оптимізувати одиночний випромінювальний елемент, з метою покращити його характеристики у порівнянні з нашими попередніми роботами.

Матеріали та методи. Задача випромінювання отриманих конструкцій антенних решіток розв’язана числовими методами у часовому просторі. Саме такий підхід дає можливість для точного врахування всіх конструктивних особливостей побудованих решіток.

Результати. Покращено коефіцієнт стоячої хвилі напруги одиночного випромінювача в широкому діапазоні частот за рахунок знаходження більш оптимальних розмірів щілини та її форми. Розроблено і розраховано три конфігурації антенної решітки на основі надширокосмугових аналогів випромінювача Клевіна. Отримані часові залежності амплітуд випромінених хвиль в дальній зоні в Е- та Н-площинах за допомогою прямого числового розрахунку.

Висновки. Показана можливість використання надширокосмугового аналога випромінювача Клевіна для побудови антенних решіток, в тому числі підвищеної компактності за рахунок подвійного використання одного надширокосмугового диполя двома сусідніми щілинами. Проілюстрований енергетичний виграш у випроміненому полі за рахунок побудови антенної решітки. Кутова залежність основних випромінювальних характеристик показує здатність ефективно направляти надширокосмугові хвилі без погіршення їхньої часової форми. Більш сильна зміна форми випромінюваного імпульсу від кута розглянутих антенних решіток може покращити параметри системи імпульсного позиціонування.

Надширокосмугова система позиціонування без використання часової синхронізації

В.А. Плахтій — 2023-04-06

Актуальність. Сьогодення не можна уявити без широкого використання позиціонування рухомих об’єктів. Глобальні системи позиціонування увійшли практично в усі сфери сучасного життя. Але ці системи також мають свої недоліки, в першу чергу неефективність в умовах щільної забудови, в приміщеннях, при швидкому переміщенні приймачів та чутливість до навмисних завад. Також найбільш поширені системи позиціонування потребують коштовної часової синхронізації найвищої якості усіх передавальних систем. Окрім загальновідомих традиційних вузькосмугових систем, активно розроблюються і вважаються перспективними надширокосмугові системи позиціонування.

Мета роботи. Метою роботи є побудова ефективної та незалежної від часової синхронізації системи позиціонування, яка ґрунтується на кутовій залежності часової форми випроміненої хвилі для імпульсних надширокосмугових антен. Відсутність потреби у жорсткій часовій синхронізації базується на явищі зміни діаграми спрямованості антен від частоти та, відповідно, зміни часової форми випроміненої хвилі. Ці зміни запропоновано виявляти за допомогою штучних нейронних мереж. В даній роботі, на відміну від попередніх, пропонується вирішення проблеми невизначеності часу приходу імпульсу від базової станції.

Матеріали та методи. Електродинамічна частина поставленої задачі розв’язується за допомогою прямого числового методу моделювання у часовому просторі (FDTD). Це дозволяє отримати точні часові форми випромінених антенами хвиль під різними кутами при їх збудженні надкороткими імпульсами. Розпізнавання імпульсів в точці прийому реалізується штучною нейронною мережею в реальному часі без попередньої спектральної обробки, що забезпечує високу швидкість роботи системи.

Результати. Побудована та натренована нова штучна нейронна мережа, яка має можливість надійно розпізнавати прийняті імпульси, навіть якщо точний час їх приходу невідомий. Ця мережа протестована на штучно зашумлених прийнятих сигналах. Знайдений пороговий рівень зашумленості, перевищення якого призводить до суттєвих помилок у визначенні координат приймача.

Висновки. Система позиціонування на імпульсних надширокосмугових хвилях була покращена за рахунок розширеного навчання, що дозволяє набагато менше залежати від часу приходу імпульсу, який теоретично можу бути довільний. Таким чином показано, що запропонована система може не потребувати часової синхронізації передавальних і приймальних пристроїв. Була показана стабільність роботи системи позиціонування до рівня співвідношення енергії сигналу до енергії шуму 20 дБ. Результати розпізнавання можуть бути покращені шляхом використання принципово різних часових залежностей збуджуючих імпульсних сигналів для кожної антени.