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

Особливості збуджених полів у резонаторі, який заповнено середовищем з показником заломлення близьким до нуля

М. С. Антюфєєва — 2023-10-25

Актуальність. Сучасні штучні середовища здатні відтворювати спеціально підібрані електрофізичні параметри, такі як від’ємний показник заломлення, або показник заломлення близький до нуля. Ці властивості широко використовуються в оптиці та фотоніці у новітніх розробках, а також для елементів та пристроїв мікрохвильового діапазону. Наприклад, такі середовища здатні приводити до суперзв’язку між хвилеводами з дуже невідповідними поперечними перерізами. Використання заповнюючого середовища з показником заломлення близьким до нуля може суттєво змінити картину щодо резонансних частот такого резонатора і розширити робочі діапазони мікрохвильових резонаторів.

Мета роботи. Метою роботи є теоретичне дослідження впливу параметрів дисперсійного середовища з показником заломлення близьким до нуля на резонансні частоти об’ємного мікрохвильового резонатора, що заповнений таким середовищем, і на характеристики вимушених коливань у такому резонаторі.

Матеріали та методи. Задача про вимушені електромагнітні поля в об’ємному резонаторі з ідеально провідними стінками, який заповнено однорідним ізотропним середовищем з дисперсією, завдяки чому його показник заломлення є близьким до нуля в певному діапазоні частот, розв’язується за допомогою еволюційного підходу до електродинаміки у часовій області. Цей підхід дозволяє повністю розділити часову та просторову частини задачі, що суттєво полегшує розв’язання і забезпечує отримання аналітично-числових розв’язків у випадку заповнення резонатора довільним однорідним середовищем з дисперсією. Для опису середовища, що заповнює резонатор використано модель, раніше запропоновану у літературі, показник заломлення якої є близьким до нуля у певному діапазоні частот, і одним з основних питань роботи є питання, як вплинуть властивості такого середовища на характеристики звичайного мікрохвильового резонатора та електромагнітні коливання, збуджені в такому резонаторі.

Результати. В роботі отримано аналітично-числові розв’язки еволюційних рівнянь для конкретного середовища, що моделює показник заломлення близький до нуля у певному діапазоні частот. Отримано характеристики такого заповненого резонатора і простежено вплив параметрів середовища на резонансні частоти заповненого резонатора та спектральний склад вимушених коливань.

Висновки. У роботі теоретично показано можливість розширити частотні характеристики та робочі режими об’ємних резонаторів за рахунок специфічного заповнення, значно підвищити робочу частоту мікрохвильового резонатора.

Аналіз та методологія визначення норми власних функцій як граничний перехід у скалярному добутку в спектральній проблемі Штурма-Ліувілля для фотонного одновимірного кристала

О. В. Казанко — 2023-10-11

Актуальність. Останні десятиріччя (приблизно з 90-х років ХХ-го сторіччя) спостерігається стрімкий розвиток фотоніки. Тому, у першу чергу, злободенність теперішньої роботи пов’язана з актуальністю дифракційних задач для структур оптичного діапазону (фотонних кристалів). Задача про обчислення норми власних функцій проблеми Штурма-Ліувілля, зокрема, виникає при розв’язанні хвильових рівнянь методом розділення змінних, а також при здійсненні переходу від однієї повної до іншої повної ортогональної системи (при зведенні до спільного базису – метод Фур’є). Крім того значущість роботи справедливо пов’язувати з можливістю отримати аналітичну залежність, яка дає явний зв’язок між нормою та самою власною функцією.

У роботі вибудовується підхід до визначення норми власних функцій спектральної проблеми Штурма-Ліувілля для двошарового нескінченного одновимірного фотонного кристала. В основу даного підходу покладається граничний перехід у відповідному скалярному добутку. Невизначеність, що виникає при граничному переході, розкривається за допомогою правила Лопіталя.

Мета роботи – спростити отримане раніше граничне перетворення норми (перетворення, яке безпосередньо виникає при здійсненні граничного переходу у відповідному скалярному добутку). Досягається, головним чином, внаслідок того, що вдається знайти такий розв’язок лінійного неоднорідного диференціального рівняння (це неоднорідне рівняння отримується взяттям похідної від спектрального рівняння за спектральним параметром), котре задовольняє квазіциклічним умовам на періоді (умовам Флоке). Також автори мали на меті поставити наголос на перевагах теперішнього підходу до обчислення норми, адже останній дає зв’язок між нормою та самою власною функцією у явному вигляді.

Матеріали та методи. Інтеграл, що визначає норму (точніше, скалярний добуток) береться на кінцевому проміжку, тому неоднорідне рівняння, що виникає за Лопіталем, розв’язується на кінцевому проміжку, тобто розв’язок цього неоднорідного рівняння відшукується як розв’язок граничної задачі з граничними умовами – умовами Флоке. Спектральне же рівняння в проблемі Штурма-Ліувілля розв’язується на необмеженому інтервалі , тому для того, щоб вписатися в умови самоспряженості, застосовується метод матриць перенесення (transfer matrix method).

Результати. Було підібрано такий розв’язок, який задовольняє квазіциклічним умовам на періоді (умовам Флоке). Зазначений розв’язок вибирається з множини усеможливих розв’язків неоднорідного диференціального рівняння, яке за Лопіталем, виникає при граничному переході. В наслідок підстановки цього розв’язку вихідне граничне перетворення норми спрощується.

Висновки. Інтерес до перетворення норми, отриманого у наслідок здійснення граничного переходу в відповідному скалярному добутку, справедливо пов’язувати з реалізованою можливостю отримати залежність між нормою та самою власною функцією в аналітичному вигляді. Основна увага приділяється випадку, коли вдається досягти виконання умов Флоке, при отримані розв’язку неоднорідного рівняння, потрібного для знаходження похідної у зв’язку з правилом Лопіталя. У такому разі граничне перетворення норми спрощується.

Вплив легування на ефективність роботи GaAs - діодів з бічною границею на основі варізонного GaInAs

В. О. Зозуля — 2023-12-01

Актуальність. Розвиток сучасних систем зв’язку, безпеки та медицини потребує компактних джерел терагерцового випромінювання які здатні працювати при нормальних умовах. Одним з приладів, які здатні забезпечити генерацію терагерцових коливань у низькочастотній частині терагерцового діапазону залишаються діоди, що працюють на ефекті міждолинного перенесення електронів. Модифікація планарних варіантів таких приладів дозволяє підвищити ефективність та граничні частоти їх роботи. Планарні діоди, що містять бічну активну границю, яка являє собою варізонний напівпровідник розглядаються як можливі твердотілі джерела терагерцового випромінювання. Оптимізація їх параметрів є важливий процес, що дозволить підвищити ефективність їх роботи.

Метою роботи є дослідження впливу концентрації легуючої домішки на характеристики планарних GaAs- діодів з активною бічною границею на основі варізонного InGaAs

Методи і методологія. Для отримання характеристик діода проводиться числове моделювання процесів переносу заряду в ньому з використання багаточастинкового методу Монте-Карло з врахуванням усіх актуальних механізмів розсіяння та процесу ударної іонізації. У роботі обчислюються залежності густини струму при різній величині постійної напруги на діоді, а також визначаються оптимізовані за діючою напругою на діоді ефективності та потужності змінного струму при роботі діода в режимі генерації. Всі обчислення проводяться для різних концентрацій донорної домішки в каналі діода та в активній бічній границі на частотах резонатора 200 ГГц та 250 ГГц.

Результати. Показано існування оптимальних концентрацій та співвідношення між концентраціями в каналі діода та бічній границі. Максимальна величина ефективності відповідає концентрації в каналі близько 10¹⁷ см^-3 та концентраціям донорної домішки активній бічній границі 2·10¹⁶ см^-3 при генерації на частоті 250 ГГц.

Висновки. Оптимальна концентрація для GaAs- діода Ганна з довжиною 1,28 мкм є більшою 10¹⁷ cm^-3 в каналі діода і складає близько 2·10¹⁶ cm^-3 у АБГ. Існує можливість отримання оптимальних умов для генерації на максимальних частотах роботи діода.

Метод Бесселя в дослідженні впливу сонячного затемнення на іоносферу

Ю. Б. Милованов — 2023-11-02

Актуальність. Сонячне затемнення (СЗ) є глобальним збурюючим чинником, який суттєво змінює характеристики іоносфери. Як відомо, іоносфера впливає на поширення радіохвиль усіх діапазонів, а значить на роботу навігаційних і радіоастрономічних систем, радарів, на телекомунікацію, на дистанційне зондування навколоземного простору. Тому дослідження впливу СЗ на іоносферу є важливою задачею, яка у загальному вигляді складається з астрономічної і іоносферної частин роботи.

Мета цієї роботи – викладення елементів методик астрономічних розрахунків, розроблених для іоносферних досліджень, і опис результатів застосування цих методик для вивчення впливу СЗ на іоносферу.

Методи і методологія. Методики розроблені на базі методу Бесселя, який дозволяє істотно спростити розрахунки, використовуючи поняття фундаментальної площини.

Результати. Одержані аналітичні співвідношення для сліду місячної тіні на земній поверхні, фази затемнення, а також відносної освітленості в точці вимірювання. З використанням розроблених методик оптимально вибрані GPS-станції і прольоти супутників поточного угрупування супутників, встановлені час затримки основного відгуку іоносфери, який склав приблизно 30–40 хв, та залежність між величиною фази затемнення і зміною повного електронного вмісту (ПЕВ). Для фази затемнення 0.7 падіння ПЕВ склало 3.5 TECU або 19%.

Висновки. Розроблені методики дозволяють підвищити ефективність досліджень впливу СЗ на іоносферу.

Доплерівське зміщення частоти ВЧ радіохвиль у іоносфері на gохилих радіотрасах

Л. Ф. Чорногор — 2023-10-24

Актуальність. Іоносфера широко використовується в якості каналу в радіозв’язку, радіонавігації, радіолокації, дистанційному зондуванні Землі з космосу, а також в радіоастрономії. Для виявлення змін параметрів радіоканалу та динамічних процесів у іоносфері доцільно використовувати вимірювання доплерівського зміщення частоти та амплітуди радіосигналів ВЧ діапазону на похилих радіотрасах різної орієнтації. Доплерівське радіозондування має високу чутливість до динамічних процесів у іоносфері. Актуальною задачею є подальший розвиток теоретичних основ похилого ВЧ радіозондування іоносфери як основного простого та дешевого методу моніторингу іоносферного радіоканалу.

Метою цієї роботи є розвиток теоретичних основ доплерівського радіозондування іоносфери на похилих радіотрасах і отримання простих аналітичних співвідношень для доплерівського зміщення частоти.

Методи і методологія. Для розвитку теоретичних основ похилого ВЧ зондування використано сферично-шарувату модель незбуреної іоносфери, періодичну та аперіодичну моделі збурень у іоносфері. В якості вихідних залучені показник заломлення ізотропної іоносфери без втрат, закон Снелліуса, загальна формула для доплерівського зміщення частоти. Основний метод – аналітичні обчислення.

Результати. Для сферично-шаруватої іоносфери отримано скоригований закон секанса, який описує умову відбиття ВЧ радіохвилі від ізотропної іоносфери без втрат. Встановлено просте аналітичне співвідношення для оцінки максимальної застосовної частоти на похилих ВЧ радіотрасах за відомим значенням максимальної плазмової частоти. Для умов похилого ВЧ зондування іоносфери отримано прості аналітичні співвідношення для оцінки відносної амплітуди квазіперіодичних збурень та величини аперіодичних збурень концентрації електронів
у іоносфері. Продемонстрована застосовність отриманих співвідношень при використанні на практиці.

Висновки. Розроблена методична база для практичного її використання під час похилого ВЧ зондування іоносфери.

Особливості іоносферних ефектів часткового сонячного затемнення 25 жовтня 2022 р. поблизу вечірнього термінатора

Л. Ф. Чорногор — 2023-10-24

Актуальність. Іоносфера залишається основним каналом, який використовується засобами радіозвʼязку, радіонавігації, радіолокації, дистанційного радіозондування та радіоастрономії. Параметри цього каналу суттєво залежать від впливу високоенергетичних джерел, що мають місце в системі Земля – атмосфера – іоносфера – магнітосфера (ЗАІМ). Одним із таких джерел є сонячне затемнення (СЗ). Актуальною задачею є дослідження особливостей реакції іоносфери на дію СЗ, що має місце поблизу моментів заходу Сонця.

Метою цієї роботи є опис результатів дослідження часових варіацій повного електронного вмісту (ПЕВ) в іоносфері, викликаних СЗ поблизу вечірнього термінатора.

Методи і методологія. У якості первинних даних використано результати вимірювання параметрів радіосигналів Глобальної навігаційної супутникової системи (ГНСС) GPS на станції NVSK для шести супутників (G04, G07, G09, G16, G26 і G27). Похибка оцінки ПЕВ не перевищувала 1%.

Результати. Вперше за допомогою ГНСС-технологій досліджено реакцію ПЕВ на сонячне затемнення, що мало місце перед проходженням та в період проходження вечірнього термінатора. Встановлено, що СЗ запускає фізико-хімічні та динамічні процеси в системі ЗАІМ, які забезпечують продовження реакції іоносфери і після закінчення затемнення та після заходу Сонця на поверхні Землі. Тривалість реакції сягала 120–180 хв. За максимальної фази СЗ дефіцит ПЕВ не перевищував 5 TECU або 33–36%. Величина дефіциту в цілому відстежувала зменшення фази СЗ та площі покриття диску Сонця. Є підстави вважати, що мала місце синергетична взаємодія двох наступних джерел – сонячного затемнення та термінатора.

Висновки. Встановлено основні особливості іоносферних ефектів сонячного затемнення в період дії вечірнього термінатора.