Физика волновых процессов и радиотехнические системы @journal-pwp
Статьи журнала - Физика волновых процессов и радиотехнические системы
Все статьи: 639
Статья научная
В статье исследуется влияние флуктуаций весовых коэффициентов на статистические характеристики адаптивной антенной решетки с нелинейной функцией в цепи корреляционной обратной связи, настраивающейся по алгоритму LMS с квадратичным ограничением. Показано, что флуктуации весового вектора приводят к искажению статистических характеристик адаптивной антенной решетки, в том числе корреляционной функции и мощности выходного сигнала. В формулах этих характеристик появляются дополнительные слагаемые, обусловленные учетом флуктуаций, что в итоге искажает полезный сигнал на выходе адаптивной антенной решетки.
Бесплатно
Влияние формы штриха решетки голограммы на качество спиральных пучков света
Статья научная
Обоснование. Спиральные пучки света представляют большой интерес для практических задач оптики и фотоники. В работе проводилось исследование эффективности и качества спиральных пучков света, сформированных голографическим методом. Цель. Исследовать влияние формы штриха дифракционной решетки голограмм на указанные параметры восстановленных спиральных пучков света. Методы. Численное моделирование спиральных пучков света и их экспериментальная реализация голографическим методом при помощи фазового жидкокристаллического пространственного модулятора света. Были оценены энергетическая эффективность и такие критерии качества, как среднеквадратическая ошибка, пиковое отношение сигнал – шум, коэффициент структурного подобия. Результаты. Экспериментально показано, что тип профиля штриха дифракционной решетки существенно влияет на качество формируемых спиральных пучков. Установлено, что пучки, восстановленные с помощью голограмм с пилообразным штрихом решетки, характеризуются более однородной структурой, а также более высокой энергетической эффективностью, чем голограммы с синусоидальным штрихом решетки. Количественный анализ подтвердил качественные наблюдения: для голограмм с пилообразным штрихом решетки значения математических критериев в среднем на 10–30 % лучше, а эффективность в 2 раза выше. Заключение. Выявлено, что пилообразный профиль штриха дифракционной решетки голограммы обеспечивает более высокую точность восстановления пучков и энергетическую эффективность по сравнению с синусоидальным профилем.
Бесплатно
Статья научная
Обоснование. Для высокоскоростных систем устойчивой беспроводной связи уровня 5G, в том числе с беспилотными летательными аппаратами, представляют интерес миниатюрные кварупольные приемно-передающие антенны гигагерцового диапазона с круговой поляризацией излучения. Кроме того, такие антенны должны быть многополосными с возможностью оперативного перехода с одной рабочей частоты на другую. Проблема может быть решена путем использования квадрупольных патч-антенн, в том числе с двусторонним патчем. В последнее время стали появляться также публикации, рекламирующие фрактальные антенны, сочетающие в себе обусловленную масштабной инвариантностью принципиальную многополосность с компактностью. Однако имеются работы, в которых рекламируемые достоинства фрактальных антенн отрицаются. Цель. Исследование реального влияния фрактализации на характеристики печатной квадрупольной антенны для гигагерцового диапазона частот. Методы. Поставленная цель достигается использованием электродинамического моделирования в программном пакете CST Microwave Studio путем сравнения полученных характеристик исходной канонической антенны и трех ее фрактальных итераций. Результаты. Исследована двусторонняя патч-антенна из фольгированного с двух сторон диэлектрика с относительной диэлектрической проницаемостью 3,55 толщиной 0,203 мм, состоящая из параллельно включенных двух дипольных антенн с четвертьволновыми плечами. Для исходной нефрактальной антенны и трех ее фрактальных итераций по типу «квадратный ковер Серпинского» построены частотные зависимости элемента S11 матрицы рассеяния, коэффициента стоячей волны напряжения и входного импеданса. Представлены также диаграммы направленности исследуемых антенн в полярных и сферических координатах на наблюдаемых рабочих частотах. Заключение. Поэтапным по числу итераций фрактальной структуры вышеуказанного типа моделированием печатной квадруполной антенны в диапазоне частот вплоть до 100 ГГц показано, что ее фрактализация не вносит существенных изменений в характеристики, а лишь приводит к усложнению конструкции и удорожанию антенны.
Бесплатно
Статья научная
На основе классических критериев устойчивости, используя выражения передаточной функции, согласно блок-схеме, произведена оценка устойчивости импульсного регулятора с обратной связью. Анализируется влияние частоты коммутации ключа и амплитуды опорного напряжения на устойчивость импульсного стабилизатора напряжения понижающего типа при детерминированных параметрах системы. В соответствии с критерием Найквиста по передаточной функции разомкнутой системы могут быть оценены как устойчивость, так и запасы устойчивости по фазе для замкнутой системы. При моделировании работы устройства получен запас устойчивости по фазе, по критерию Найквиста, который составляет γс = Н = 7°. Увеличение пилообразного напряжения - нежелательное явление, которое пусть и повышает запас устойчивости, однако снижает стабильность. Притом зависимость пульсаций, влияющих на стабильность работы, от амплитуды пилообразного напряжения является непрогнозируемой величиной и принимает случайное значение.
Бесплатно
Влияние шума квантования на информативные параметры эхо-сигнала при условии возмущенной атмосферы
Статья научная
Приведена и обоснована физическо-математическая модель эхо-сигнала отраженного от облачно-дождевых систем. Предложены алгоритмы получения несмещенных, эффективных и состоятельных оценок первого и второго начальных моментов эхо-сигнала от дождя. Предложены схемы оценки физических параметров капель дождя на основе оценки мощности отраженного сигнала: наведенного дипольного момента капли дождя, затухания при распространении сигнала вдоль сферической координаты дальности туда и обратно и параметров облачно-дождевой системы: интенсивности дождя, водности облачно дождевой системы. Показана связь с оценкой диэлектрической проницаемости и проводимости дождевых капель.
Бесплатно
Статья научная
Рассматриваются отличия спектра вынужденных колебаний дисковых диэлектрических резонаторов при использовании распределенной связи с диэлектрическими волноводами от собственных колебаний такого резонатора. Исследуется влияние на амплитудно-частотную характеристику резонатора, возбуждаемого на волнах шепчущей галереи, величины распределенной связи резонатора с диэлектрическими волноводами и роль межтипового взаимодействия при «чисто внутреннем» возбуждении мешающей моды.
Бесплатно
Статья научная
Обоснование. В статье для обобщения применимости барицентрического метода в решении внешних краевых и начально краевых задач математической физики введено понятие внешних барицентрических координат. Цель работы состоит в формировании простого аналитического соотношения, позволяющего с заданной точностью вычислять барицентрические координаты, внешние относительно заданной произвольной многоугольной области.
Бесплатно
Статья научная
Обоснование. Эффективность применения беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) в сельском хозяйстве, логистике и мониторинге инфраструктуры напрямую зависит от продолжительности их полета. Современные литий-ионные аккумуляторы с удельной энергоемкостью до 0,25 кВт·ч/кг ограничивают автономность аппаратов 25– 40 минутами, что недостаточно для выполнения сложных многочасовых миссий. Рост взлетной массы при увеличении емкости батарей нивелирует выигрыш во времени, что обуславливает необходимость перехода на альтернативные энергоустановки с более высокими показателями плотности энергии. Цель. Работа направлена на системный анализ применения водородных топливных элементов в качестве ключевой технологии для кратного увеличения продолжительности полета БПЛА, а также на выявление технологических барьеров, препятствующих их массовому внедрению. Методы. Проведен сравнительный анализ эксплуатационных характеристик литиевых аккумуляторов, двигателей внутреннего сгорания и водородных систем на базе топливных элементов с протонообменной мембраной (PEMFC). Рассмотрены принципы построения гибридных схем электропитания, и проведена оценка эффективности различных методов хранения водорода на борту: в сжатом, жидком и твердофазном состояниях. Результаты. Установлено, что водородные системы обеспечивают удельную энергоемкость 800–1500 Вт·ч/кг, что позволяет увеличить время нахождения БПЛА в воздухе в 5–10 раз по сравнению с литиевыми аккумуляторами. Обоснована необходимость использования гибридной компоновки с буферной батареей для компенсации пиковых нагрузок при взлете и маневрировании. Выявлено, что основным практическим решением на текущем этапе являются композитные баллоны высокого давления, в то время как криогенное и сорбционное хранение требует решения задач по снижению массы вспомогательного оборудования и сложности терморегулирования. Заключение. Водородные топливные элементы являются наиболее перспективным решением для профессиональных БПЛА, обеспечивая сочетание высокой автономности, низкой акустической заметности и надежности. Успешное внедрение технологии требует концентрации усилий на разработке облегченных систем хранения водорода, повышении эффективности вспомогательных агрегатов и создании заправочной инфраструктуры.
Бесплатно
Возбуждение прямоугольного резонатора через окна связи в конвейерной установке СВЧ-нагрева
Статья научная
На основе теории возбуждения Л.А. Вайнштейна получены простые и удобные итерационные соотношения для возбуждения резонатора в виде прямоугольного параллелепипеда с диэлектрическим слоем через несколько окон связи в его стенках. Использовано разложение поля по полной системе соленоидальных функций прямоугольного резонатора. Соленоидальность обусловлена тем, что электрические поля возбуждения в раскрывах прямоугольных волноводов на стенках резонатора, питаемых через коаксиально-волноводные переходы, являются касательными к границам нагреваемого диэлектрического слоя. Получены простые формулы для коэффициентов разложения и расчета полей. Полученные неявные формулы удобно решать итерационно, при этом возможен учет как линейного диэлектрика, так и нелинейного диэлектрика, диэлектрическая проницаемость которого зависит от квадрата электрического поля. Алгоритм реализован для моделирования конвейерной установки СВЧ-нагрева. Возможна модификация алгоритма путем введения потенциальных базисных подсистем функций для случае моделирования сложных диэлектрических включений. Результаты пригодны для моделирования других нелинейных включений, а также в задачах при использовании объемных заданных источников вместо поверхностных. При заданных электрических полях в окнах связи входящая в резонатор мощность рассчитывается на основе вектора Пойнтинга.
Бесплатно
Возможности совершенствования антенной техники путем использования киральных метаматериалов
Статья научная
Приведен обзор существующих исследований к анализу и синтезу антенн на основе метаматериалов, а также ряд новых исследований авторов по возможностям применения киральных метаматериалов в антенной технике и сетях радиосвязи. Обоснована перспективность применения метаматериалов в антенных системах сетей радиосвязи в целях совершенствования их электрических и массо-габаритных характеристик.
Бесплатно
Возникновение флуктуаций амплитуды и фазы радиосигнала в турбулентной атмосфере
Статья научная
Рассмотрено взаимодействие электромагнитной волны, как детерминированного волнового процесса, распространяющегося в атмосфере и атмосферной турбулентности, как стационарного стохастического волнового процесса. Получено дифференциальное уравнение для флуктуаций эйконала электромагнитной волны. На основе этого уравнения исследовано возникновение флуктуаций амплитуды и фазы электромагнитной волны при распространении радиосигнала в турбулентной атмосфере. В частности, получены и решены дифференциальные уравнения для флуктуаций амплитуды и фазы электромагнитной волны, вызванных турбулентными пульсациями показателя преломления атмосферы. Рассмотрены Фурье-спектры двухточечных корреляций показателя преломления атмосферы, амплитуды и фазы электромагнитной волны. Получены и методом введения функции Грина решены дифференциальные уравнения для этих корреляций. На основе анализа различных волновых диапазонов энергетического спектра атмосферной турбулентности найдены зависимости Фурье-спектров амплитуды и фазы радиосигнала от параметров электромагнитной волны и турбулентности атмосферы.
Бесплатно
Волновые структуры в комплексных сплошных средах, включая атмосферу, гидросферу и космическую плазму
Статья научная
Представлены результаты теоретического и численного изучения структуры и динамики 2- и 3-мерных солитонов и нелинейных волн, описываемых обобщенными уравнениями системы Белашова - Карпмана (такими как классы уравнений Кадомцева - Петвиашвили и 3-DNLS), а также вихревых систем, описываемых уравнениями эйлерового типа. Рассматриваются обобщения (относящиеся к различным комплексным физическим средам), учитывающие дисперсионные поправки высокого порядка и диссипацию. При изучении устойчивости неодномерных решений этих уравнений используется метод исследования ограниченности гамильтониана при его деформациях, сохраняющих импульс системы, путем решения соответствующей вариационной задачи. В результате получены условия существования 2- и 3-мерных солитонных решений в системе Белашова - Карпмана в зависимости от значений коэффициентов уравнений, т. е. от параметров среды и распространяющейся волны. Устойчивость 2- и 3-мерных вихревых систем исследуется на основе критериев устойчивости, полученных ранее. Эволюция и взаимодействие неодномерных солитонов и вихревых систем изучается численно. Отдельное внимание уделяется приложениям теории в различных областях современной физики, включая физику плазмы (БМЗ, ИЗ и альфвеновские волны в космической плазме), гидродинамику (поверхностные волны на «мелкой» жидкости и океанические вихри) и физику атмосферы (внутренние гравитационные волны на высотах F слоя ионосферы, вихри циклонического типа и торнадо в земной атмосфере и т. д.).
Бесплатно
Волны, описываемые краевой задачей на присоединенном уравнении Гельмгольца
Статья научная
Формулируется краевая задача о несобственных волнах экранированного волновода на основе присоединенного уравнения Гельмгольца. Показывается, что такая задача является самосогласованной, поскольку в ней учитывается обратное влияние поля на источник и волновые числа в функциях поля и в функциях источника совпадают.
Бесплатно
Восстановление диаграммы направленности антенны, измеренной в неидеальных условиях
Статья научная
Анализируется процедура измерения диаграммы направленности испытуемой антенны, включающая обследование облучающего поля с помощью зонда, перемещаемого вокруг рабочей зоны. Это поле представляется в виде сходящегося пучка плоских волн, пространственный спектр которого используется на этапе восстановления диаграммы направленности. На примере двухмерной скалярной задачи (измерение в плоскости и в условиях, когда поляризации антенны и облучающего поля одинаковы) внутри и вне рабочей зоны демонстрируются рельефы полей, образованных пучками плоских волн при аппроксимации сферической волны от относительно близкого источника. Сопоставляется методическая погрешность восстановления диаграммы направленности при использовании изотропного зонда и зонда с кардиоидной диаграммы направленности. Худшая обусловленность соответствующей системы алгебраических уравнений в первом варианте приводит к яркому росту осцилляций в аппроксимированном облучающем поле и к менее точному восстановлению диаграммы направленности.
Бесплатно
Статья научная
Статья посвящена разработке и исследованию распределенных волоконных систем аэроакустического контроля параметров газовоздушного потока на срезе сопла турбомашин. Рассмотрена задача локализации источников и восстановление акустического поля турбомашин. Рассмотрено управление аэроакустической системой контроля на основе волоконнооптических датчиков основанное на принципах самообучения, так как экстремальные регуляторы, хотя и просто технически реализуются, однако обладают низким быстродействием, что особенно сказывается при большом числе управляющих элементов.
Бесплатно
Статья научная
Для вырожденного четырехволнового преобразователя излучения на резонансной и тепловой нелинейностях получено аналитическое выражение, связывающее временную зависимость пространственного спектра объектной волны с временной зависимостью пространственного спектра сигнальной волны. Показано, что одновременный учет двух типов нелинейностей приводит к появлению в объектной волне дополнительной волны. Найдена связь времени выхода на стационарное значение этой дополнительной волны с временами выхода на стационарное значение объектных волн, обусловленных наличием только тепловой или только резонансной нелинейностей.
Бесплатно
Вторичная электронная эмиссия и методы ее исследования
Статья научная
В статье рассмотрены и приведены физическая и математическая модели процесса вторичной электронной эмиссии – вторичных электронов, вырванных из метала при облучении поверхности металла потоком первичных электронов. Предложен анализ процессов, протекающих в эффективных эмиттерах, при условии облучения сканирующим пучком и выбор необходимых аппаратных и технических средств. Выполнен анализ погрешности измерения коэффициента вторичной электронной эмиссии при различных схемах контроля. Содержатся теоретические обоснования для построения математической модели выхода вторичных электронов из твердого тела под действием падающего на него потока первичных электронов. На основе математической модели, являющейся результатом решения кинетического уравнения, разработан алгоритм расчета коэффициента истинной вторичной электронной эмиссии в зависимости от энергии первичных электронов. Изложена структурная схема автоматизированного программно-технического комплекса, позволяющего измерять коэффициент вторичной электронной эмиссии различных материалов с высокой степенью достоверности.
Бесплатно
Вычисление цветовых различий между двумя цветами
Статья научная
В данной работе рассматриваются проблемы вычисления цветовых различий между двумя заданными цветами в существующих колориметрических системах МКО, а также точности цветовых различий полученных с помощью специальных формул: JРС -79; СМС на основе JРС -79, разработанной Комитетом по колориметрии Королевского общества красильщиков и колористов; а также формулой, рекомендованной в 1994 г. МКО. В свое время, одним из авторов (проф. Ложкиным Л.Д.) была предложена строго равноконтрастная цветовая система, защищенная патентом на изобретение, но в этой системе был применен достаточно сложный математический аппарат, основанный на тензорном исчислении. В данной работе используется простая методика вычисления цветовых различий, и достаточно несложный математический аппарат. Приведены результаты вычисления цветовых различий между двумя заданными цветами. Для этого была специально создана компьютерная программа, позволяющая проводить вычисления цветовых различий.
Бесплатно
Вычислительная модель оценки эффективности систем многочастотной цифровой радиосвязи
Статья научная
Обоснование. Развитие современных беспроводных систем связи во многом обусловлено использованием многочастотных сигналов в качестве функций-носителей информации, которыми описывается физический колебательный процесс, выступающий носителем информации при ее передаче получателю. Именно такие системы радиосвязи позволили существенно увеличить скорость беспроводной передачи данных, в том числе в сложных условиях многолучевого распространения радиосигнала. Одной из задач, направленной на проектирование и разработку связной радиоаппаратуры, является предварительная оценка ее эффективности с точки зрения использования выделенных ей ресурсов.
Бесплатно
Статья научная
Обоснование. Статья посвящена разработке вычислительно эффективного численного решения задачи дифракции на бесконечно тонком идеально проводящем круглом диске. Основное внимание уделяется вопросу нахождения распределения поверхностной плотности тока с каждой стороны диска в отдельности, который остался нераскрытым в других известных исследованиях. Цель настоящей статьи состоит в устранении указанного недостатка путем формирования вычислительно эффективного алгоритмического решения, основанного на методе моментов и позволяющего численно задавать гладкую аппроксимацию поверхностной плотности тока на освещенной и теневой сторонах бесконечно тонкого идеально проводящего круглого диска.
Бесплатно
