Статья: ИТЕРАЦИОННЫЙ ПОДХОД К РАСЧЕТУ ФОТОННО-КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ (2024)

Обоснование. Показана необходимость исследования влияния атмосферной турбулентности на спектральные характеристики радиосигнала.

Цель. Проведено изучение влияния атмосферной турбулентности на спектральную флуктуацию интенсивности радиосигнала и на смещение спектральных составляющих радиосигнала.

Методы. Исследования проведены на основе анализа связи двухволновых и одноволновых корреляционных соотношений. На основе решения дифференциального уравнения для флуктуаций эйконала амплитуды электромагнитной волны и использования выведенного тригонометрического соотношения получена связь между двухволновым Фурье-спектром и одноволновыми спектрами. При этом использован единый источник воздействия турбулентности на радиосигнал в точке координаты распространения радиоволны путем введения новой переменной, равной среднему значению координат воздействия турбулентности. Для нахождения возникающего двойного интеграла одна из координат воздействия преобразована в угловую переменную.

Результаты. Найдена зависимость относительного безразмерного среднего квадрата флуктуаций интегральной интенсивности радиосигнала от волнового числа турбулентных пульсаций атмосферы при различных смещениях спектральных длин волн радиосигнала.
Заключение. Показано, что турбулентность мало искажает спектральную информационную сущность распространяющегося радиосигнала в различных диапазонах длин волн.

Обоснование. Использование зеркально асимметричных химических соединений для легирования кварца позволяет создать метаматериал, который обладает свойством киральности. В подобной композиционной структуре возможно возникновение необычных эффектов при взаимодействии с оптической волной.

Цель. В данной работе проводится расчет прохождения и отражения линейно-поляризованной оптической волны через многослойную структуру, состоящую из двух легированных кварцевых стекол, разделенных двумя воздушными зазорами.

Методы. На основе гомогенной математической модели кирального метаматериала, учитывающей дисперсию диэлектрической проницаемости и параметра киральности на основе матричного метода, получена система линейных алгебраических уравнений для комплексных коэффициентов отражения и прохождения электромагнитной волны в линейной поляризации поляризации.

Результаты. Проведен анализ частотных и угловых характеристик модулей коэффициентов отражения и прохождения при различных значениях уровня легирования кварца. Теоретически предсказано, что на некоторых длинах волн большая часть падающей оптической энергии может быть сконцентрирована в воздушных зазорах многослойной структуры.

Заключение. Полученные в результате расчетов данные могут быть использованы при разработки планарных структур для частотно-селективной концентрации энергии видимого и инфракрасного спектра на основе кварцевых стекол, легированных киральными химическими соединениями.

Обоснование. Работа направлена на развитие и исследование строгих методов расчета тонкопроволочных структур со сложной формой образующей, имеющих малые волновые размеры, а также на исследование протекающих в них физических процессов. Частным случаем подобных структур является синусоидальная антенна, работающая в режиме стоячей волны тока.

Цель. В работе осуществляется решение внутренней и внешней задач электродинамики для синусоидальной антенны малых волновых размеров, расположенной над бесконечно протяженным идеальным рефлектором. Производится расчет токов на элементах структуры, определяются ее входное сопротивление и характеристики излучения.

Методы. В основе исследований лежит строгий электродинамический подход, в рамках которого для указанной структуры в тонкопроволочном приближении формируется интегральное представление электромагнитного поля, сводящееся при рассмотрении на поверхности проводников совместно с граничными условиями к системе интегральных уравнений Фредгольма второго рода, записанных относительно неизвестных распределений тока на проводниках (внутренняя задача).

Результаты. Предложена математическая модель излучающей структуры, определены: входное сопротивление структуры и базовые характеристики ее излучения. Показано, что рабочий диапазон синусоидальной антенны в режиме стоячих волн определяется добротностью резонансов входного сопротивления; увеличение ширины синусоидального проводника ведет с снижению резонансных частот входного сопротивления с одновременным увеличением добротности резонансов.

Заключение. С практической точки зрения использование рассмотренной структуры позволяет существенно уменьшить габариты в сравнении с тонким электрическим вибратором, однако при этом будет соответствующим образом сужен рабочий диапазон, определяющийся, в силу слабой зависимости характеристик излучения от частоты, добротностью резонансов. Распределение тока на образующей структуры можно рассматривать как «проекцию» стоячей поверхностной волны, локализованной в плоскости синусоидального проводника и образующейся в результате суперпозиции прямой и обратной поверхностных (замедленных) волн, распространяющихся со скоростью, существенно меньшей скорости света. Для дальнейшего уточнения физики происходящих в структуре процессов следует использовать спектральный анализ токовых функций и исследование распределений электромагнитного поля в ближней зоне структуры.

Обоснование. Для развития новых терагерцовых систем беспроводной связи с высокой пропускной способностью и скоростью передачи, таких как 6G и выше, необходимо эффективное управление направлением поляризации излучаемых терагерцовых волн, однако большинство методов технологически сложные и дорогие. Реализация терагерцовых антенн и устройств на основе 2D-материалов, таких как графен, решает проблему, связанную с разработкой эффективного управления.

Цель. Исследование возможности управления поляризацией терагерцового и ИК-излучения плазмонных антенн на основе прямоугольных графеновых нанолент с помощью изменения химического потенциала (приложением внешнего электрического поля).

Методы. Эту важную научную проблему, связанную с проектированием терагерцовых антенн, во многом позволяет решить моделирование с помощью программы электродинамического моделирования CST MWS 2023.

Результаты. В качестве объекта анализа выбраны плазмонные терагерцовые антенны на основе прямоугольных графеновых нанолент и показана возможность излучения волн двух ортогональных поляризаций. Выявлены способы управления поляризацией терагерцового, ИК-излучения таких антенн, основанные на выборе рабочих частот, соответствующих резонансам мод поверхностных плазмон-поляритонов, и нанесении металлизации на диэлектрическую подложку.

Заключение. Возможность управления поляризацией терагерцового, ИК-излучения позволяет создавать как новые элементы плазмонных антенных решеток, так и новые коммуникационные технологии, в том числе будущих сетей 6G.

Обоснование. Необходимость создания станций космической связи, базирующихся на подвижных носителях, например на кораблях, требует использования облучающих систем многодиапазонных двухзеркальных антенн, обеспечивающих совмещение не только каналов приема и передачи ВЧ-сигналов, но и пеленгационных каналов для построения моноимпульсной системы слежения.

Цель. Исследование возможности создания облучающей системы, обеспечивающей в многодиапазонных двухзеркальных антеннах совмещение приема и передачи сигналов в разнесенных диапазонах с полосами частот С(Rx) - 21 %, С(Tx) - 16 % и K(Rx) - 21 %, с реализацией в обоих приемных диапазонах моноимпульсной системы углового автосопровождения.

Методы. Разработка трехдиапазонной облучающей системы, обеспечивающей реализацию автосопровождения в обоих приемных диапазонах. Анализ характеристик трехдиапазонной облучающей системы, обеспечивающей реализацию приема и автосопровождения в обоих приемных диапазонах.

Результаты. Разработана трехдиапазонная облучающая система, обеспечивающая реализацию автосопровождения в обоих приемных диапазонах. Проанализированы характеристики трехдиапазонной облучающей системы.

Заключение. Предложена облучающая система многодиапазонной двухзеркальной антенны для зеркал с профилированными поверхностями, с реализацией совмещенного приема сигналов в диапазонах частот С(Rx) и K(Rx) с полосой 21 % и передачей сигналов в диапазоне частот С(Tx) с полосой 16 % и формированием в обоих приемных диапазонах парциальных ДН для реализации моноимпульсной системы углового слежения. Реализованы характеристики облучающей системы: кросс-поляризационная развязка более 30 дБ, формирование идентичных парциальных ДН и устойчивый режим слежения по сигналам бортовых ретрансляторов в системах связи с повторным использованием частот.

Обоснование. Для дальнейшего развития сетей связи планируется использование гибридных спутниковых сетей для передачи трафика. Однако спутниковые каналы связи имеют особенности, такие как искажения, вызванные эффектом Доплера, и повышенные требования к энергоэффективности.

Цель данного исследования - анализировать варианты методов ортогонального частотного мультиплексирования и методы модуляции, чтобы выбрать наиболее устойчивую технологию, учитывая дестабилизирующие факторы. Методом сравнения различных технологий обработки сигналов и исследования их устойчивости к битовым ошибкам является имитационное моделирование канала связи в среде Matlab. Этот подход позволяет создать модель сети связи, учитывающую основные параметры каналов связи, такие как эффект Доплера, энергодефицитность и дестабилизирующие факторы.

Результаты. Проведено сравнение распределения коэффициента битовой ошибки для различных технологий обработки сигнала в зависимости от отношения сигнал/шум. Определен метод частотного мультиплексирования, обеспечивающий минимальный пик-фактор и наиболее устойчивый к битовой ошибке. Также отмечается, что эффективность всех исследованных технологий зависит от интервалов разнесения и модуляционных созвездий и что необходимо настраивать характеристики системы для каждого случая.

Заключение. Результаты этого исследования могут быть использованы для улучшения качества связи в сложных помеховых условиях гибридных мобильных сетей 5-го и 6-го поколений с использованием спутникового сегмента.

Обоснование. Наличие возможности аналитического определения части параметров различных радиоустройств, оптимальных по критерию обеспечения заданных значений модулей и фаз передаточных функций на необходимом количестве частот, значительно уменьшает время численной оптимизации остальной части параметров по критерию формирования требуемых АЧХ и ФЧХ в полосе частот. До настоящего времени такие задачи решались в отношении радиоустройств только с одним каскадом типа «нелинейная часть - согласующее устройство» или «согласующее устройство - нелинейная часть». В качестве согласующего устройства использовались реактивные, резистивные, комплексные или смешанные четырехполюсники. Решена также задача многокаскадных радиоустройств с реактивными четырехполюсниками. Изменение базиса для согласующих четырехполюсников и места включения нелинейной части приводит к изменению области физической реавлизуемости.

Цель. Разработка алгоритмов параметрического синтеза радиоустройств с произвольным количеством одинаковых и неодинаковых каскадов типа «нелинейная часть - согласующий смешанный четырехполюсник» по критерию обеспечения заданных частотных характеристик. Нелинейные части представлены в виде нелинейного элемента и параллельной или последовательной по току или напряжению обратной связи.

Методы. Теория четырехполюсников, матричная алгебра, метод декомпозиции, метод синтеза управляющих устройств СВЧ, численные методы оптимизации.

Результаты. В интересах достижения указанной цели сформированы и решены системы алгебраических уравнений. Получены модели оптимальных смешанных четырехполюсников в виде математических выражений для определения взаимосвязей между элементами их классической матрицы передачи и для отыскания зависимостей сопротивлений двухполюсников от частоты. Показано, что при определенных соотношениях между количеством одинаковых каскадов и значениями сопротивлений источника сигнала и нагрузки однокаскадного радиоустройства частотные характеристики однокаскадного и многокаскадного радиоустройств оказываются идентичными или подобными. Такие схемы названы эквивалентными. Использование неодинаковых каскадов приводит к значительному увеличению рабочей полосы частот.

Заключение. Сравнительный анализ теоретических результатов (АЧХ и ФЧХ радиоустройств, значения параметров), полученных путем математического моделирования в системе MathCad, и экспериментальных результатов, достигнутых путем схемотехнического моделирования в системах OrCad и MicroCap, показывает их удовлетворительное совпадение.

Обоснование. Разработка современных оптико-электронных систем предъявляет повышенные требования к качеству и выходной мощности источника излучения. Одним из возможных вариантов выполнения указанных требований является создание систем когерентного сложения нескольких оптических пучков. Основной проблемой при этом стала разработка методов фазового синтеза в мультиканальной оптической системе.

Цель. В статье рассмотрен метод восстановления фазового поля для мультиапертурной системы когерентного сложения пучков с активной обратной связью, в основе работы которого лежит алгоритм Гершберга - Сэкстона. Данный алгоритм позволяет восстанавливать комплексные амплитуды поля в апертурной и фокальной плоскостях по распределениям интенсивности в данных полях. Проанализировано применение данного алгоритма для мультиканальных систем, и выявлены его особенности, такие как возникновение стагнации и неоднозначность решения.

Методы. Предложены решения для устранения проблемы сходимости алгоритма к побочным решениям и попадания итерационной процедуры в локальный экстреммум с помощью алгоритмов глобальной оптимизации, методов редукции размерности задачи и введении антисимметричной модуляции амплитуды.

Результаты. В работе продемонстрированы результаты по восстановлению фазового поля для большого числа оптических источников. Для семиапертурной системы осуществлено физическое моделирование по восстановлению фазовой информации, подтверждающее результаты численного моделирования.

Заключение. Предложенный подход является разумной альтернативой существующим в настоящее время методам и может быть использован в задаче когерентного сложения в мультиканальных оптических системах.

Обоснование. Работа направлена на развитие и исследование строгих методов решения внутренней задачи электродинамики для многоэлементных структур (метаструктур), состоящих из конечного числа элементов, а также на исследование протекающих в них физических процессов. Частным случаем подобных структур являются двумерные решетки с фиксированным межэлементным расстоянием, состоящие из одинаковых элементов, имеющих одну и ту же пространственную ориентацию (регулярные решетки).

Цель. На основе итерационного подхода осуществляется решение внутренней задачи электродинамики для конечной регулярной двумерной решетки спиральных элементов. С целью получения априорной информации об электродинамических характеристиках элементов решетки и обоснования выбора систем проекционных функций осуществляется анализ спектральных характеристик интегрального оператора внутренней задачи для одиночного спирального элемента. Затем производится расчет токов на элементах структуры, определяются их спектральные характеристики. Результаты спектрального анализа позволяют повысить эффективность решения внутренней задачи.

Методы. В основе исследований лежит строгий электродинамический подход, в рамках которого для указанной структуры в тонкопроволочном приближении формируется интегральное представление электромагнитного поля, сводящееся при рассмотрении на поверхности проводников совместно с граничными условиями к системе интегральных уравнений Фредгольма второго рода, записанных относительно неизвестных распределений тока на проводниках (внутренняя задача). Решение внутренней задачи в рамках метода моментов сводится к решению СЛАУ с блочной матрицей.

Результаты. Предложена математическая модель конечной двумерной решетки спиральных элементов излучающей структуры. Для указанной структуры в случае ее возбуждения плоской электромагнитной волной на основе итерационного подхода решена внутренняя задача электродинамики. В широкой полосе частот проведены: анализ сходимости итерационного процесса, спектральный анализ интегрального оператора внутренней задачи для одиночного спирального элемента, а также спектральный анализ функций стороннего поля и токовых функций на элементах решетки.

Заключение. Показана целесообразность определения спектральных характеристик интегральных операторов внутренней задачи для элементов, образующих метаструктуру. Выявлена связь между частотной зависимостью собственных чисел интегрального оператора внутренней задачи одиночных элементов, образующих метаструктуру, с резонансными явлениями, возникающими в метаструктуре, подтверждено влияние резонансов на сходимость итерационного процесса. Показана целесообразность рассмотрения усредненных амплитудных токовых спектров. Выявлено, что усредненный спектр токовых функций близок к вырожденному, особенно вблизи резонансных частот. Это позволяет использовать в качестве проекционных функций компактный набор собственных функций, имеющих существенные амплитуды в окрестности исследуемой частоты, что существенно упрощает решение внутренней задачи.

Обоснование. Возмущения плазменной плотности, вызванные инфразвуковыми волнами, могут оказывать заметное влияние на условия распространения и отражения электромагнитных волн свистового диапазона, падающих на ионосферу сверху.

Цель. В работе исследуется взаимосвязь коэффициента отражения свистовой волны от ионосферы сверху, поля электромагнитной волны на земной поверхности и параметров инфразвуковой волны.

Методы. Для нахождения поля электромагнитной волны используются метод коллокаций решения граничной задачи для плоскослоистой ионосферы и метод теории возмущения.

Результаты. Наиболее сильная модуляция коэффициента отражения свистовых волн от утренней ионосферы связана с возмущениями концентрации на высотах порядка 80-110 км, где декремент затухания распространяющихся мод излучения увеличивается более чем на порядок в пределах достаточно локальной по высоте (менее 15-20 км) области. При этом относительное изменение коэффициента отражения свистовой волны может достигать почти 40 %.

Заключение. Полученные результаты важны для понимания взаимосвязи магнитосферных волновых процессов различной природы. Исследование модуляции инфразвуковыми волнами коэффициента отражения свистовых волн от ионосферы сверху актуально для объяснения режимов работы плазменного магнитосферного мазера.