книги / Элементы и устройства систем низких и сверхвысоких частот
..pdf(сигнала) через объект.
При использовании любого из перечисленных вариан
тов, либо их комбинации, необходимо учитывать следую щее допущение: нелинейный сигнал при переходе из од ной среды в другую (излучатель, среда распростране
ния, локальные или глобальная нелинейности, объект облучения) сохраняет свою нелинейность, в то время
как линейный сигнал может приобрести нелинейные свой ства при переходе границы сред, то есть, граница сред
(граничные условия и- условия перехода) является кри
тичной для свойств формируемого сигнала. Следователь
но, имеющийся |
линейный сигнал может быть реформирован |
|
в нелинейный, |
не считая вероятности такого реформиро |
|
вания |
в случае |
реализации варианта (в) достижения не |
линейности, при пересечении границы сред. |
||
Рассмотрим изложенные варианты достижения нелиней |
||
ности |
сигнала. |
При проведении анализа следует учиты |
вать, что единственным известным вариантом стабильно
го нелинейного сигнала, |
распространяющегося |
без рас |
|||
сеяния, является |
солитон |
(либо его варианты, |
напри |
||
мер, инстантон), |
который |
не |
изменяет свою |
форму при |
|
распространении, |
в том. числе |
при переходе |
из |
одной |
среды в другую с различными коэффициентами преломле
ния |
или с |
различными коэффициентами нелинейности. |
|||
Форма солитона при таком переходе |
может |
не меняться, |
|||
но |
параметры |
солитона изменяются, |
так |
как |
при перехо |
де |
из одной |
зоны в другую изменяются |
коэффициенты в |
уравнении поля, а значит, и их солитонные решения. Поэтому, результатом формирования нелинейного сигнала
должен быть, в оптимальном случае, солитон, либо сиг
нал описываемый солитонными уравнениями, например, уравнениями Кортевега-де Фриза (КдФ), нелинейным уравнением Шрёдингера (НУШ) или sin-Гордона.
1. Вариант а. Формирование сигнала в излучателе. Наиболее экономичным и простым в исполнении явля
ется случай, при котором маломощный сигнал, на уровне ВЧ-генератора, либо иных трактов первичного возбужде ния СВЧ сигнала, проходит через параметрическую ин дуктивность (либо ёмкость), управляемым параметром которой, как известно, является магнитная проницае мость, изменяемая за счёт влияния параметрической на качки на магнитопровод, представленный, например,
аморфным |
или иным |
магнетиком. |
Результатом такого |
про |
||
хождения |
является |
параметрическое |
суммирование |
(фак |
||
тически, перемножение) формируемого сигнала с |
пара |
|||||
метрической накачкой, через |
магнитную проницаемость и |
|||||
индуктивность. При |
этом тип |
и |
вид |
магнетика, а |
также |
вид (аналитическое описание) параметрической накачки, которая определяет модуляцию (изменение) магнитной
проницаемости, выбираются |
такими, чтобы результирую |
щий сигнал описывался бы |
солитонным уравнением, либо |
чтобы в результате разложения выражения (описания) |
такого сигнала в ряд Фурье наличествовали бы вышена званные сложные функции или функционалы, определяющие нелинейность сигнала.
Наличествуют также иные, "экзотические" случаи ва рианта (а) формирования нелинейного сигнала. Такие случаи достаточно сложны в технической реализации и
не экономичны, что ставит под сомнение целесообраз ность их реализации и использования. К названным слу чаям, в частности, относятся следующие: дополнитель
ная ионизация канала (его участка) распространения формируемого сигнала в излучателе; использование "плазменной подушки" в волноводном канале распростра нения формируемого сигнала.
Следует отметить, что сформированный нелинейный сигнал (в частности, солитон) при распространении в линейной среде будет преобразовывать такую линейную среду распространения в нелинейную в пределах границ
своего пространственного существования, чтр будет |
по |
||
зволять поддерживать нелинейную форму сигнала. |
сигнала |
||
2. |
Вариант |
б. Возникновение нелинейности |
|
при его распространениипосле излучения. |
|
||
Первый |
случай. |
Прохождение сигнала через локальную |
нелинейность.
В рассматриваемом случае очевидны два возможных частных случая: прохождение сигнала через локальную нелинейность естественного или искусственного проис хождения .
Наличие естественных локальных нелинейностей в зо не распространения (прохождения) сигнала может быть подвергнуто только вероятностной оценке. Влияние та ких нелинейностей на сигнал, при достоверно известных параметрах и характеристиках локальных нелинейностей
известно и достаточно полно изучено. Но естественные локальные нелинейности представляется невозможным ис пользовать в качестве перманентного преобразователя
линейной формы сигнала в нелинейную, ввиду априорной неопределённости наличия самой локальной нелинейно
сти, а также в связи с априорной неопределённостью вида и типа такой нелинейности, что влечёт невозмож ность достоверного априорного определения вида преоб разования линейного сигнала, проходящего через есте ственную локальную нелинейность.
Искусственные локальные нелинейности создаются с полностью известными, в некоторых случаях, с детерми
нированными параметрами и характеристиками и предна значаются в данном случае для перевода линейной формы излучаемого сигнала в нелинейную форму. Дополнитель но, искусственные локальные нелинейности могут слу жить согласователями импедансов (выходного импеданса
антенной системы и входного импеданса среды распро
странения) в интересах минимизирования энергетических
потерь и искажений сигнала при прохождении через гра ницу сред.
Одним из вариантов локальной нелинейности является
известное |
явление |
пробоя, наблюдаемое при |
излучении |
|||
сигнала |
с большой |
мощностью. |
Очевидно, |
что |
пробой |
|
можно рассчитать и |
спланировать |
заранее |
(в |
том |
числе, |
за счёт математического моделирования) . Однако мало
вероятно придание пробою таких свойств (более точно придание локальному образованию, представляемому про
боем, соответствующих параметров и характеристик), которые достоверно могли бы обеспечить переход линей
ной |
формы сигнала |
в нелинейную, с учётом соответствия |
||||||
её |
описания |
требуемому, априори |
заданному. |
Таким об |
||||
разом, |
использование пробоя |
принципиально |
возможно |
|||||
для |
формирования |
нелинейного |
сигнала, но |
нецелесооб |
||||
разно |
ввиду |
невозможности, |
при |
современном |
уровне |
развития теории и техники электродинамики и радиофи зики, обеспечить требуемые характеристики пробоя. При этом следует учесть, что сам формируемый (излучаемый) сигнал и обеспечивает пробой.
Другим вариантом локальной нелинейности является локальная нелинейность созданная на луче по направле нию излучения или в направлении главного лепестка
диаграммы направленности антенной системыизлучателя ГЛ ДН излучатель - объект облучения. В случае рас
положения такой нелинейности в дальней зоне, |
которую |
для данного случая в СВЧ диапазоне следует |
принять |
для больших мощностей излучения - располагающейся на
расстоянии |
порядка 30 м (для 10 ГГц) от |
излучателя, |
||||
она может |
быть |
сформирована |
за |
счёт |
перекрёстного, с |
|
пересечением по направлению |
ГЛ |
ДН, |
облучения некото |
|||
рой #локальной |
области пространства с созданием в ней |
|||||
искусственного |
ионизированного |
образования |
(ИИО), ли |
бо квазиплазменного образования - КПО, отличного от типичного ИИО тем, что КПО - максимально приближенное
к плазме состояние ИИО), либо плазменного образования
(ПО) . Ввиду того, что ИИО, КПО или ПО создаются ра диотехническими средствами, например, мощными СВЧ
РЛС, которые не имеют отношения к непосредственному
облучению объекта, а только к созданию локальной не линейности, следует возможность придания названным образованиям таких свойств, при которых линейный СВЧ
сигнал, проходящий через эти образования приобретает
свойства (аналитическое описание) соответствующие преобразованию сигнала в солитон, то есть, в данном
случае, в сигнал, в аналитике которого присутствуют солитонные уравнения. Таким образом, возможность соз
дания локальной нелинейности, свойства, характеристи
ки и параметры которой управляются и регулируются со ответствующим управлением и регулированием свойствами
излучения, характеристиками и параметрами излучателя,
обеспечивает достижение поставленной цели: формирова
ние нелинейного СВЧ сигнала.
В ближней зоне формирование локальной нелинейности нецелесообразно, так как невозможно задействование мощных, либо средней мощности, СВЧ РЛС формирующих
ИИО, КПО или ПО (то есть, нельзя использовать методы формирования нелинейностей в дальней зоне для ближней
зоны) и также невозможно использование каких-либо
иных, маломощных излучателей, либо иных устройств для организации названных нелинейностей в ближней зоне антенной системы излучателя формируемого сигнала.
В пределах апертуры антенной системы, излучателя формируемого сигнала могут быть задействованы мало мощные излучатели (более точно - облучатели) для ор
ганизации ИИО, КПО или ПО. Следует отметить, что при организации названных локальных нелинейностей в пре делах апертуры излучающей антенны могут быть исполь зованы и иные варианты формирования таких нелинейно стей. Например, ультрафиолетовая ионизация воздушного
пространства в апертуре, или ионизация за счёт ис пользования радиоактивностей, помимо перекрёстного СВЧ облучения выбранной области пространства.
Таким образом, в данном случае, формируемый нели нейный СВЧ сигнал представляется синтезированным сиг налом, полученным в результате сложения линейного СВЧ сигнала, импульсов облучения, формирующих локальную нелинейность, с учётом характеристик среды распро странения, более точно - характеристик локальной не линейности .
Второй случай. Распространение сигнала в глобаль ной нелинейности.
Под глобальной нелинейностью следует понимать в данном случае нелинейность, размеры которой - не ме нее половины расстояния от излучателя до облучаемого объекта. Очевидно, что глобальная нелинейность, не считая катастрофических и техногенных случаев, не мо жет иметь характер искусственною происхождения, а является только естественным образованием. Очевидно, что свойства (характеристики и параметры) глобальной нелинейности могут быть определены априори и не мох'У'г иметь значительной скорости изменения во времени, сравнительно со временем излучения пачки формируемых СВЧ импульсов.
Таким образом, возможны следующие варианты прохож дения сигнала в зоне глобальной нелинейности:
- излучатель (антенная система) находится в самой нелинейной среде, которая имеет размеры не меньшие расстояния от излучателя до облучаемого объекта;
-аналогично первому варианту, за исключением то го, что размеры нелинейности - меньше, чем расстояние излучатель - объект облучения;
-сигнал излучается в линейную среду (например, в свободное пространство) и затем проходит в нелиней ность, в которой распространяется до объекта облуче ния;
-после излучения и перед объектом облучения сиг
нал проходит через линейную среду, при этом не менее
половины расстояния до объекта сигнал распространяет ся в нелинейности.
Первый из перечисленных вариантов возможен, напри
мер, если излучатель и объект облучения находятся в
море, под водой или, например, в верхних слоях ионо сферы. Второй вариант - например, излучение из-под
морской |
поверхности. |
Третий |
вариант - облучение |
мор |
|
ского подводного объекта, |
либо, |
например, высотного |
|||
(до* 120 |
км) объекта |
с поверхности |
земли (СВЧ РЛС |
на |
земного или корабельного базирования. Четвёртый вари ант следует рассматривать аналогично прохождению сиг нала через локальную нелинейность естественного про исхождения .
При рассмотрении настоящего случая следует учесть, что отсутствует возможность управления (изменения)
свойствами глобальной нелинейности за счёт управления характеристиками каких-либо радиотехнических средств.
Следовательно, |
возможность |
формирования |
нелинейного |
||||||
сигнала может быть обеспечена только за счёт подбора |
|||||||||
собственных параметров излучаемого линейного СВЧ |
|||||||||
сигнала |
так, |
чтобы |
результатом |
взаимодействия |
|||||
линейного |
сигнала со |
средой, |
в |
том |
числе, |
с |
|||
глобальной |
нелинейностью, |
явилось |
бы |
формирование |
|||||
солитона, либо нелинейного колебания описываемого |
|||||||||
солитонными |
уравнениями. |
|
|
|
|
|
|
||
Кроме того, при прохождении сигналом, даже моно |
|||||||||
хроматическим, |
нелинейной зоны с определенными грани |
||||||||
цами возможно |
появление |
различных |
режимов, вплоть |
до |
|||||
появления неустойчивостей с осцилляциями внутри само |
|||||||||
го сигнала. |
|
|
|
|
нелинейного сигнала в |
||||
3. |
Вариант в. Формирование |
||||||||
объекте |
облучения. |
|
|
|
|
|
|
Данный вариант используется в интересах радиолока ции с использованием нелинейных свойств облучаемого объекта. Заключается такой вариант в том, что под
воздействием линейного сигнала в облучаемом объекте
возрастает нелинейность, которая, в свою очередь,
влияет на результаты воздействия сигнала на объект, усиливая такое воздействие. Например, известно, что достаточно, в СВЧ диапазоне плотности потока мощности облучения не более 500 мВт/см2 для обеспечения возмож
ности резонансного сложения импульсов облучения на
поверхности, в приповерхностном слое объекта при зна чительном, экспоненциальном, возрастании нелинейно
сти. Недостатком такого известного и используемого способа формирования нелинейности является необходи мость достоверного определения априори неизвестных
параметров и характеристик, в том числе, химического состава облучаемой поверхности объекта, что, очевид
но, возможно только оценочно, для конкретных классов объектов. Использовать данный способ для формирования нелинейного сигнала в неизвестном и неопределённом
объекте невозможно.
Использование варианта (в) формирования нелинейно
го сигнала непосредственно в объекте облучения явля ется наиболее экономически выгодным и технически про
стым способом, который может быть применён в условиях
детерминирования параметров объекта. При этом следует учесть, что реализация рассмотренного варианта (реа лизация нелинейности самого объекта под воздействием
линейного сигнала) |
не всегда |
влечёт преобразование |
формы сигнала: из |
линейной в |
нелинейную, что может |
затруднить достижение поставленной цели, при достиже нии цели облучения - радиолокационное обнаружение объекта. Для разрешения названного противоречия сле
дует, как и в случае с прохождением сигнала в гло бальной нелинейности, производить излучение сигнала с такими характеристиками, которые бы с учётом детерми нированных, априори определённых параметров объекта
обеспечивали преобразование формы сигнала в нелиней ную при проявлении и нарастании нелинейности объекта.
Исходя из изложенного, следует основной выводу во
всех рассмотренных вариантах и случаях формирование нелинейного СВЧ сигнала возможно только при обеспечен
нии излучения (формирования) такого линейного сигна
ла, а также при формировании иных нелинейных образо ваний, который при взаимодействии с нелинейностями описывался бы результирующим выражением, содержащим солитонные уравнения. Обеспечение данных свойств сиг нала и искусственных нелинейных образований является аналитической и технической задачей реализации опи санных механизмов формирования нелинейного сигнала.
ОБ ИЗЛУЧЕНИИ РАДИОВОЛН ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ АНТЕННОЙ
Процесс возбуждения радиоволн в свободном про странстве при помощи электрической дипольной антенны считается известным. Тем не менее, физический меха низм возникновения электромагнитных волн в различных источниках описывается по-разному. В одних учебниках физики это делается с помощью манипуляций с вообра
жаемыми линиями |
магнитной |
индукции [1], |
в других, бо |
|||||
лее солидных |
трудах |
[2], |
- при помощи |
математического |
||||
аппарата, |
путем |
введения |
так |
называемых |
«опережающих |
|||
и задерживающих |
потенциалов», |
которые |
не проясняют |
|||||
ситуацию, |
то |
есть |
современная |
наука |
не |
может внятно |
объяснить механизм возникновения ЭВМ даже в простом случае, - в дипольной электрической антенне, которая успешно применяется в радиотехнике уже более ста лет.
Теория распространения ЭВМ основывается на уравне
ниях |
Максвелла, то есть |
на уравнениях макроскопиче |
ской |
электродинамики, |
описывающих электрическое и |
магнитное поля в вакууме:
(1 ) (2)
Распространение электромагнитных волн в дальней волновой зоне в вакууме или разреженном нейтральном газе в воздухе не встречает каких-либо трудностей. Но в проводящей материальной среде даже на низких и средних частотах возникают проблемы в правильном опи сании распространения ЭВМ, если только это не полное их поглощение.
Бегущая ЭВМ возникает в ближайшей зоне электриче ской дипольной антенны и ее формирование всегда свя зано с антенной, которая выполнена из хорошо проводя щего электрический ток материала и в которой уравне ния Максвелла для вакуума не применимы. Электрическое и магнитное поля взаимодействуют с проводящим вещест вом антенны. Это взаимодействие учитывается при помо щи материальных уравнений электродинамики, связываю щих электрическое и магнитное поля в вакууме Е и Н с электрическим и магнитным полями в веществе D и В:
D - |
ее0Е; |
(3 ) |
В* = |
ццоН, |
(4) |
где |
Цо = 4л*1(Г7 |
Гн/м |
- |
магнитная |
постоянная, |
||
е0 = |
(Рос2)”1 Ф/м - электрическая постоянная |
(с - |
ско |
||||
рость |
распространения |
света |
в |
вакууме), |
е и |
ц |
ди |
электрическая и магнитная проницаемости материала ан тенны, соответственно.
Поскольку в антенне течет электрический ток, то к уравнениям (1) и (2) для полей в веществе добавляется материальное уравнение для электрического тока (закон Ома) :
j = |
аЕ, |
(5) |
где а - электрическая проницаемость |
материала антен |
|
ны. |
|
|
Физический смысл материальных уравнений электроди |
||
намики состоит в следующем. |
Так как |
в уравнениях Мак |
свелла первоначально заложено движение несжимаемой электрической субстанции, не имеющей инерции и движу щейся по идеальному проводнику без трения [3], то ма териальные уравнения вводятся для учета движения электрических зарядов в реальном веществе, не обла дающем отмеченными выше идеальными свойствами. К свойствам реального вещества, первоначально не учиты ваемым электродинамикой, следует также отнести эффект усиления внешнего магнитного поля в ферромагнетиках.
Уравнение (3) учитывает смещение связанных элек трических зарядов в веществе под действием электриче ского поля (электрическую поляризацию). Уравнение (4) учитывает степень усиления магнитного поля в веществе по отношению к магнитному полю в вакууме, а уравнение
(5) учитывает силы трения, препятствующие движению свободных электрических зарядов в проводящем электри
ческий ток |
веществе. |
|
|
|
|
Основные уравнения электродинамики в среде имеют |
|||||
следующий |
вид: |
|
|
|
|
|
„ ^ |
dD |
ии к |
(6 ) |
|
|
VxB = ии ее |
— |
+ |
||
|
о о |
dt |
0 |
|
|
|
|
dB |
|
(7) |
|
|
VxE = - |
|
|
||
|
|
dt * |
|
(8 ) |
|
|
V D = p; |
V-B = 0. |
|||
|
|
где e и ц - диэлектрическая и магнитная проницаемость
вещества, |
соответственно, |
а под j подразумевается |
сумма всех |
токов проводимости. |
|
Внешнее воздействие на частицы вещества осуществ |
||
ляется посредством сил. При |
этом принято считать, что |
воздействие на электрически заряженные частицы со стороны электрического и магнитного полей осуществля ется только посредством силы Лоренца:
|
FL = |
еЕ |
+ е [vxB], |
(9) |
где |
е - заряд электрона, v - скорость электрона. |
Од |
||
нако |
сила Лоренца (9) |
не |
является полной электромаг |
нитной силой, действующей на электроны. Так как элек троны имеют массу, то они обладают инерцией. Но инер ция электронов не учитывается материальными уравне ниями электродинамики (3) - (5), а электромагнитная сила инерции электронов не входит в уравнение Лоренца
(9) . Таким образом, классическая электродинамика пол ностью игнорирует инерцию электронов в проводнике. И только в некоторых приложениях электродинамики (в ча стности, в электротехнике) инерция электрического то ка косвенно учитывается введением так называемой эк вивалентной индуктивности проводника [4].
Согласно [5], попытка ввести силу инерции электро на в электромагнитном виде предпринималась еще
Дж.Дж.Томсоном, однако, |
эта |
«сила |
самоиндукции» |
|||
|
|
4 U |
|
|
|
|
|
F = - |
w, |
|
|
|
|
где U |
электрическая |
Зс2 |
электрона в |
состоянии |
||
энергия |
||||||
покоя, |
с - скорость света |
и w |
- |
ускорение |
электрона, |
являясь смесью электрических и механических парамет ров, не отражала реальные свойства электромагнитной инерции и в дальнейшем не использовалась.
Электромагнитная сила инерции электронов, ответст венная за явление самоиндукции в металлическом про
воднике, |
может быть |
представлена |
следующим образом |
[6,7] |
|
|
|
|
F |
= |
(Ю) |
|
s-i |
|
|
где г - |
радиус-вектор, соединяющий |
ось (центр) сим |
метрии источника магнитного поля с заряженной части
цей, а В2 - |
магнитное |
поле самоиндукции. |
Знак |
«минус» |
||||||
показывает, |
что |
сила |
|
инерции направлена |
против |
силы, |
||||
вызывающей |
|
движение электрона. Сила (10) направлена в |
||||||||
сторону |
движения |
электронов |
в |
проводнике |
при |
|||||
(dB/dt)<0, |
|
и |
против |
движения |
|
электронов |
- |
при |
||
(dB/dt)<0 |
(рис.1). |
|
|
|
|
|
|
|