Концептология и методологические основания современной радиофизики

ТИТУЛЬНЫЙ ЛИСТ ОФОРМИТЕ СОГЛАСНО ВАШИМ ТРЕБОВАНИЯМ

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Радиофизика является одной из фундаментально важных научных дисциплин в современной физике и технике.

Исторически радиофизика формировалась в процессе взаимодействия и взаимопроникновения идей и методов теории электромагнитных колебаний и волн, радиотехники, радиоэлектроники, теории передачи информации и др.

Причиной такого взаимодействия послужила необходимость решения практически важной проблемы: разработки теоретических и прикладных аспектов обеспечения работы приемно-передающих систем радиосвязи в самом широком смысле.

В связи с достаточно большим числом научных направлений, входящих в содержание современной радиофизики, весьма трудно дать однозначное определение этой науки.

Объект исследования. Современная радиофизика.

Предмет исследования. Развитие и проблематика современной радиофизики.

Цель работы. Исследовать концептологию и методологические основания современной радиофизики.

Задачи работы:

Структура работы. Работа состоит из введения, теоретической части в виде трёх разделов, заключения и списка использованных источников.

1. Истоки развития радиофизики

В истории радиотехники до второй мировой войны отчетливо выделяются два этапа. Первый этап — искровой радиотехники — начинается непосредственно с открытия А. С. Попова. Начальным пунктом второго этапа следует считать изобретение в 1907 г. американским радиотехником Ли де Форестом (1873—1961) электронной лампы — триода, внедрению которого в американскую промышленность и радиотехнику в сильной степени способствовал сам изобретатель, получив от соотечественников титул «отца радио». Действительно, роль электронной лампы в развитии радиотехники трудно переоценить. Уже в 1913 г. Александр Мейснер (1883—1958) разработал генератор незатухающих колебаний с триодом. В годы первой мировой войны электронные генераторы, усилители и приемники начали интенсивно вытеснять искровую технику, и послевоенный период стал этапом электронной радиотехники и радиофизики. Вторая мировая война стимулировала развитие микроволновой радиотехники и полупроводниковой электроники —третий этап в истории радиотехники. Молодая советская наука и техника активно разрабатывала электронную радиотехнику. Здесь прежде всего следует отметить заслуги Нижегородской радиолаборатории и ее организатора Михаила Александровича Бонч-Бруевича (1888-1940). Электронные лампы конструкции Бонч-Бруевича обеспечивали развитие советской радиотехники и радиофизики. Другой тип ламп разрабатывал в Ленинграде Александр Алексеевич Чернышев (1882—1940), один из организаторов Ленинградского физико-технического института, крупный специалист по электротехнике высоких напряжений, впоследствии академик.

Молодая русская радиотехника чтила имя великого изобретателя радио А. С. Попова. В 1925 г. вышел специальный выпуск журнала «Электричество», посвященный А. С. Попову. В статье А. А. Петровского (1873—1942) отмечались заслуги Попова в изобретении радио, рисовался облик ученого и педагога. М. А. Бонч-Бруевич посвятил свою статью рассмотрению свойств и преимуществ коротких волн. В этом же номере рассказывалось и об успехах советского радиовещания [14].

Советскую радиотехнику интенсивно развивали И. Г. Фрейман (1890— 1929), автор первого советского курса радиотехники; В. П. Вологдин (1881-1953), конструктор машин высокой частоты; О. В. Лосев (1903-1942), открывший еще в 20-х годах транзисторный эффект; М. В. Шулейкин (1884-1939) и многие другие. III съезд русских физиков в Нижнем Новгороде в значительной мере был посвящен радиофизике и радиотехнике. Вопросы радиофизики и электроники интенсивно разрабатывались в Московском университете в школе В. К. Аркадьева, из которой вышел известный советский радиофизик академик Б. А. Введенский (1893—1969), в школе В. И. Романова (1880-1954) и Н. А. Капцова (1883-1966). С 1925 г. в Московском университете работал Л. И. Мандельштам, создавший мировую школу нелинейных колебаний. Л. И. Мандельштам возглавил в университете кафедру теоретической физики. Возникновение советской теоретической физики — один из важных моментов ранней истории советской физики [11].

Радиофизика как наука. История физики хранит огромное количество событий и фактов, оказавших влияние на формирование наших представлений об окружающем мире, становление и развитие физической науки. При этом история физики представляет собой не просто хронологически упорядоченный набор фактов, но целостную картину возникновения и развития физических идей. Так как современная физика практически необъятна, целесообразно применить историко-физический подход к какому-то ее разделу и экстраполировать полученные результаты на историю развития всей постнеклассической физики. Такой научной дисциплиной может быть радиофизика. Начнем с обсуждения предмета и методов этой науки.

Радиофизика – раздел физики, охватывающий изучение и использование электромагнитных колебаний и волн радиодиапазона: их возбуждение, распространение, прием и преобразование частоты, а также возникающие при этом взаимодействия электрических и магнитных полей с зарядами в вакууме и в веществе [4]. На шкале электромагнитных волн радиодиапазон занимает интервал частот (длин волн): 104 –1011 Гц (103 –10–4 м), и первоначально радиофизические исследования велись именно в этих границах. Со временем методы радиофизики проникли и в другие диапазоны: от очень низких частот до γ-излучения, а также в область исследований волновых процессов неэлектромагнитной природы (например, в акустику).

Радиофизика охватывает различные области науки и техники, современные технологии, производство, здравоохранение, СМИ и культуру современного цивилизованного общества. В ней неразрывно сочетаются научный, технический и гуманитарный потенциалы современной физики [5].

Научный потенциал. Радиофизика – важнейший источник знаний об окружающем мире. Благодаря появлению таких радиофизических направлений исследований, как радиоспектроскопия, статистическая радиофизика, квантовая радиофизика, микроэлектроника, радиоастрономия и другие был осуществлен стремительный прорыв во многих областях современной науки. Недаром 45 ученых стали лауреатами 21 Нобелевской премии за работы в этой области!

Технический потенциал. Расширяя и многократно умножая возможности человека, радиофизика обеспечивает его уверенное продвижение по пути технического прогресса. Радиофизические открытия являются основой технических устройств (мобильная телефония, лазерные технологии, микроэлектронные устройства и т.д.), определяющих жизнь современного общества. Радиофизические методы используются во многих областях науки и техники (современные средства связи, исследование космоса, медицина, геология, оборонные технологии и т.д.) [10].

Гуманитарный потенциал. Изучение истории развития радиофизики показывает, что она вносит весомый вклад в развитие духовного облика человека, формирует его научное мировоззрение, учит ориентироваться в шкале культурных ценностей. Изучение истории становления и развития научных взглядов в области радиофизики способствует глубокому пониманию физической сущности рассматриваемых явлений. Современное общество все больше осознает необходимость формирования у каждого человека целостного научного мировоззрения, которое бы соответствовало последним достижениям фундаментальной науки. Науки о природе развивают менталитет людей, в частности, формируют научный стиль мышления, дефицит которого ощущается в сегодняшнем обществе. Формирование научного стиля мышления невозможно, в частности, без достаточно прочных радиофизических знаний [2, 8].

Рассмотрим характерные особенности современной физики на примере радиофизики. Начнем с междисциплинарности научных исследований, которая предполагает существование взаимосвязи, преемственности, взаимопревращаемости различных объектов, изучаемых в естественных науках. В современной радиофизике междисциплинарность проявляется весьма активно. В качестве примера можно привести томографию, которая одновременно является разделом современной радиофизики, одним из основных методов неинвазивной диагностики и отдельным направлением в области получения и обработки информации. Томографические методы применяют в радиолокации и оптике, в медицине и физиологии, в геофизике и химии, астрономии и исследовании атмосферы и т.д.

Радиофизика играет ведущую роль в разработке и совершенствовании методологии современного физического эксперимента. Анализ этого вопроса свидетельствует об универсальности радиофизических методов – возможности их применения в различных областях науки и техники. В этом отношении радиофизика представляет собой многоликую научную дисциплину, которая сама развивает собственные методы и «экспортирует» их в другие области знаний. Широкое применение методов вычислительной математики в научных исследованиях кардинально изменило получение и обработку их результатов. Компьютерные технологии становятся неотъемлемой частью любых физических исследований. Не следует забывать, что именно радиофизические изобретения (транзисторы, интегральные схемы, гетероструктуры, устройства на квантовых точках и др.) стали предвестниками наступления компьютерной эры и способствовали формированию информационного общества XXI в. Усложнение экспериментальной базы. Выдающиеся успехи физики получены с помощью сложных инженерных устройств, действие которых часто основано на недавно открытых физических явлениях, не в последнюю очередь радиофизических. Так, применение методов лазерного охлаждения атомов позволило глубже понять взаимодействие лазерного излучения с веществом и квантовомеханическое поведение газов при сверхнизких температурах. Развитие техники фазированной антенной решетки (ФАР) позволило решить проблемы СВЧ-микроэлектроники как основы микроминиатюризации СВЧ-компонентов и обеспечения их массового производства [7].

Индустриализация современных физических исследований приобретает в настоящее время космическое ускорение. Фактически сейчас в макро-, микро- и мегафизике значимые результаты исследований удается получить только с помощью сложнейших индустриальных установок, в которых всегда присутствует весомая радиофизическая составляющая. В качестве примеров можно привести ряд уникальных радиофизических установок: спутник «COBE», радиотелескоп Аресибо, систему апертурного синтеза VLA и др.

Международная научная кооперация проявляется в том, что в настоящее время практически все крупные научные проекты строятся при финансовой поддержке нескольких государств. Так, в России находится в стадии разработки международный проект «Радиоастрон». В нем предусматривается запуск на эллиптическую орбиту с периодом около 9,5 суток и максимальным удалением от Земли 350 тыс. км 10-метрового космического радиотелескопа. В проекте участвуют обсерватории США, Канады, европейских государств, Китая, Индии и Австралии.

Все вышесказанное позволяет говорить о радиофизике как об одном из наиболее бурно развивающихся направлений в физике и о краеугольном камне современной фундаментальной науки. Однако история этой научной дисциплины исследована явно недостаточно. Отметим, что радиофизика изобилует не только значительными открытиями, но также рядом уникальных научных школ, возглавляемых выдающимися учеными. Так, благодаря работам научных школ Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси, М. А. Леонтовича, Е. К. Завойского и других отечественная радиофизика добилась впечатляющих успехов [5, 6].

Вывод по первому разделу работы. В данном разделе работы исследовались истоки развития радиофизики.

Таким образом, главная задача истории радиофизики состоит в определении ее места в фундаментальной науке и технике. Изучение истории радиофизики предоставляет исследователям и инженерам возможность расширять свой кругозор, используя научные достижения предшествующих лет. Однако к настоящему времени указанная задача не только не решена, но попросту забыта. Таким образом, распространению знаний по истории радиофизики и радиотехники необходимо уделять значительно больше внимания (прежде всего в вузах, а также в школах и в дистанционном обучении).

2. Состояние современной радиофизики

Перед историей физики (в частности историей радиофизики) в настоящее время стоит множество задач, для решения которых нужны высококвалифицированные историки науки. Однако аспирантуры по истории физики фактически нет, защита кандидатских и докторских диссертаций по истории физики проходит от случая к случаю. Положение усугубляется тем, что история науки – чрезвычайно многосторонняя область знания. Историк науки должен хорошо знать науку, обладать системным, а не фрагментарным видением научной проблемы, понимать межпредметные связи, владеть методами истории науки, в том числе и современными [2, 3].

Изучение истории современной физики чрезвычайно важно при подготовке физиков-профессионалов любого профиля. Без знаний, расширяющих физический кругозор, ни один серьезный ученый состояться не может. На наш взгляд, спецкурсы типа «Современная физика», «Современная физика и астрофизика», курс «История физики» должны обязательно входить в образовательные программы университетов и институтов. Большую роль такие курсы играют в педагогических вузах, так как будущие учителя готовятся к преподаванию настоящей физической науки (включая ее современные достижения), в том числе в профильной школе. Отметим, что специальные курсы по различным направлениям современной физики часто представляют собой курсы по истории науки, так как в них широко используется исторический подход, а изложение ведется на качественном уровне без обращения к сложному математическому аппарату [1].

Важно понимать, что охватить все моменты развития радиофизической науки сложно: она богата по содержанию и множеству других аспектов. Тем не менее предложенная интегративная модель изучения истории радиофизики позволяет, во-первых, понять, что история радиофизики – важнейшее направление в истории физики, а во-вторых, рассмотреть ее как вузовскую учебную дисциплину. Кроме того, модель позволяет изучать эту научную дисциплину с позиций ученого (историка науки), преподавателя вуза и студента. Конечно, для доказательства эффективности модели ее необходимо приложить к другим разделам современной физики.

Большинство публикаций по истории радиофизики посвящено истории того или иного направления радиофизики (например, книги М. А. Быховского по истории развития теории связи) или биографическим сведениям об ученых-радиофизиках (например, книги о жизни и научной деятельности А. С. Попова, Л. И. Мандельштама, Дж. К. Максвелла и др.). Кроме того, существуют некоторые периодические издания («Электросвязь», «Радио», «Успехи физических наук»), на страницах которых помещаются материалы по истории радиофизики и ее отдельных направлений [4].

В то же время главная задача истории радиофизики состоит в определении ее места в фундаментальной науке и технике. Изучение истории радиофизики предоставляет исследователям и инженерам возможность расширять свой кругозор, используя научные достижения предшествующих лет. Однако к настоящему времени указанная задача не только не решена, но попросту забыта. В силу ограниченности тиражей историко-физической литературы результаты научных исследований лишь в малой степени доступны широкому читателю. При этом вне их круга оказываются студенты, аспиранты радиотехнических специальностей вузов, молодые специалисты, которым и адресованы указанные издания. Таким образом, распространению знаний по истории радиофизики и радиотехники необходимо уделять значительно больше внимания (прежде всего в вузах, а также в школах и в дистанционном обучении).

Основные отрасли современной радиофизики. Радиофизика относится к физико-математическим наукам и занимается исследованиями общефизического характера. Некоторые её разделы (разработка и создание приборов, установок, теплотехнических процессов и их применение в народном хозяйстве) могут быть отнесены и к техническим наукам.

Паспорт научной специальности 01.04.03 даёт следующую формулу специальности: «Радиофизика – раздел физики, занимающийся изучением общих закономерностей генерации, передачи, приема, регистрации и анализа колебаний и волн различной физической природы и разных частотных диапазонов, а также их применением в фундаментальных и прикладных исследованиях» [1].

Радиофизика занимается исследованиями в следующих областях [1].

Это:

1. Разработка физических основ генерации, усиления и преобразования колебаний и волн различной природы (электромагнитных, акустических, плазменных, механических), а также автоволн в неравновесных химических и биологических системах. Поиски путей создания высокоэффективных источников когерентного излучения миллиметрового, субмиллиметрового и оптического диапазонов, техническое освоение новых диапазонов частот и мощностей;

2. Изучение линейных и нелинейных процессов излучения, распространения, дифракции, рассеяния, взаимодействия и трансформации волн в естественных и искусственных средах;

3. Разработка, исследование и создание новых электродинамических систем и устройств формирования и передачи радиосигналов: резонаторов, волноводов, фильтров и антенных систем в радио, оптическом и ИК-диапазоне;

4. Исследование флуктуаций, шумов, случайных процессов и полей в сосредоточенных и распределенных стохастических системах (статистическая радиофизика). Создание новых методов анализа и статистической обработки сигналов в условиях помех. Разработка статистических основ передачи информации. Исследование нелинейной динамики, пространственно-временного хаоса и самоорганизации в неравновесных физических, биологических, химических и экономических системах;

5. Разработка научных основ и принципов активной и пассивной дистанционной диагностики окружающей среды, основанных на современных методах решения обратных задач. Создание систем дистанционного мониторинга гео-, гидросферы, ионосферы, магнитосферы и атмосферы. Радиоастрономические исследования ближнего и дальнего космического пространства;

6. Разработка физических основ и создание новых волновых технологий модификации и обработки материалов;

7. Разработка теоретических и технических основ новых методов и систем связи, навигационных, активных и пассивных локационных систем, основанных на использовании излучения и приема волновых полей различной физической природы и освоении новых частотных диапазонов.

Многогранность природы радиофизических процессов исключает возможность близкого знакомства с проблемами радиофизики во всех этих областях в рамках настоящего курса, поэтому основное внимание будет уделено тем аспектам, над которыми работают учёные ЯрГУ.

Радиофизика как наука имеет различные методы исследований в своём арсенале. Однако, как указывается «общность изучаемых радиофизических закономерностей излучения, распространения, взаимодействия и трансформации колебаний и волн в различных средах, в том числе в неоднородных, нелинейных и нестационарных, позволяет [любому исследователю] включить радиофизические методы как универсальное средство исследования окружающей среды на самых различных уровнях: от микромира до космического пространства» [16].

Среди методов радиофизики есть пассивные, когда исследователь только наблюдает и регистрирует информацию, и активные, когда предпринимаются специальные усилия по созданию определённых колебаний и излучению их в область интереса. Реакция на колебания, будучи зарегистрированной, позволяет извлечь информацию о предмете интереса или среде распространения сигнала. Пассивные методы используются, например, для наблюдения за погодой, а активные – для исследования толщины арктических льдов [15].

Радиофизика опирается на модели процессов и систем. Модели могут быть детерминированными, статистическими и имитационными. Каждый тип моделей применяется для решения определённого круга задач с заданными требованиями к решению.

Вывод по второму разделу работы. В данном разделе работы определялось состояние современной радиофизики.

Таким образом, современная радиофизика – это: оригинальный научный метод изучения различных явлений природы, универсальный взгляд на мир как на совокупность колебательных и волновых процессов; сочетание фундаментальности и глубины образования со специализацией в самых современных направлениях науки и техники; применение информационных технологий при исследованиях природных сред, широкий спектр приложения знаний и возможности самореализации в науке, технике, бизнесе и других сферах человеческой деятельности.

3. Проблемы современной радиофизики

Радиофизика – динамически развивающаяся отрасль науки. Несмотря на сложившиеся традиции, определяющие её инструментарий и понятийный аппарат, радиофизика постоянно осваивает новые, неизведанные ранее возможности. Это:

Радиофизические теории, методы, задачи ведут себя как объекты, обладающие характерным жизненным циклом из ряда «горбов», в ходе которого от пионерских, новаторских работ (основание главного горба) через шквал массовых разработок (резкий рост) тема приходит к уровню всесторонней проработанности (область насыщения), уступает новым острым задачам (спад) и далее либо сходит с научного горизонта (например, при появлении более эффективных и точных методов, более простых для реализации принципов построения устройств), либо получает вторую жизнь на новом уровне развития технологий, материальной базы, прогностических возможностей моделей, а также при переносе на новую почву, в новый диапазон частот, новое, невозможное ранее применение (второй пик) [17].

Самый эффективный способ ознакомления с современным состоянием дел – анализ тематик работ, представленных в последние годы на крупных международных и всероссийских научных конференциях (см., например, календарь проводимых IEEE конференций, мероприятия «Московской микроволновой недели» [3]), а также опубликованных в журналах с малым сроком рецензирования, например в журналах IEEE (для поиска можно пользоваться системой ieeeexplore [4]).

Современные проблемы излучения, распространения и приёма электромагнитных колебаний. В настоящее время человечеством накоплено огромное количество устройств и методов, позволяющих работать в различных диапазонах частот, реализовывать разный функционал и обеспечивать качество, соответствующее любым имеющимся критериям. Особенностями настоящего момента являются:

Во-первых, большая загруженность частотного спектра в диапазонах до десятков ГГц, порождающая освоение новых диапазонов частот и исследование физических принципов, на которых можно было бы построить эффективную аппаратуру в этих диапазонах, разработка новых элементов и устройств, создание методов приёма и обработки с учётом особенностей частотного диапазона;

Во-вторых, стремление к миниатюризации, обеспечивающее тот же или более мощный функционал при большей мобильности и вызывающее потребности в применении новых материалов и сверхплотном размещении элементов, в интеграции приёмопередатчиков и элементов их антенно-фидерных трактов в одном кристалле, в дроблении одного крупногабаритного устройства на сеть из множества мелких устройств при сохранении общих характеристик и управляемости;

В-третьих, потребность во всё больших скоростях передачи и обработки информации, что заставляет расширять полосу используемых частот, искать способы построения всё более широкополосных устройств, разрабатывать схемы и программы компенсации неоднородности свойств основных блоков аппаратуры, а также экономить мощность и энергоресурсы передатчиков путём разработки методов адаптивного диаграммоформирования для антенно-фидерных систем и адаптивного энергопотребления и приёмо-передатчиков, методов контроля занятости частотных полос и оптимизации частотного спектра для передачи с минимальными затратами, методов энергетически эффективных модуляции и кодирования, методов приёма сигналов в условиях априорной неопределённости, методов идентификации свойств сигнала для адаптации к нему приёмника и т. п.;

В четвёртых, необходимость обеспечивать всё более высокое качество сигнала на выходе приёмника, лучшую вероятность правильного обнаружения в радиолокации, большую вероятность правильного распознавания объектов одновременно с уменьшением мощности и габаритов передатчика порождает потребность во всё более точном измерении уровня сигнала на входе приёмника (в том числе для компенсации потерь в канале), в выделении его из-под помех и внутренних шумов аппаратуры, в разработке методов снижения собственных шумов устройств (в том числе за счёт охлаждения), методов повышения радиоконтраста сигналфон (или объект-фон), в том числе за счёт обработки или прогнозирования вероятностно-статистических свойств помех и шумов;

В-пятых, потребность в обеспечении электромагнитной совместимости огромного количества одновременно работающих устройств с запасом «по умолчанию», в том числе за счёт использования для работы шумоподобных сигналов, оказывающих слабое влияние на устройства с «чужой» формой кодового сигнала, а также в координации их работы, т. е. в существенно большем быстродействии вычислителей [18].

Таким образом, в настоящее время изменяются и физические принципы генерации, излучения, приёма и обработки сигналов. Формулируются и соответствующие задачи. Например, задача выбора диапазона частот, обеспечивающего в условиях конкретного приёмника наилучший контраст радиоизображения; задача разработки надёжного сверхчувствительного приёмника терагерцевого диапазона с применением, по возможности, дешёвых в массовом производстве материалов; задача создания оболочек, обеспечивающих радионевидимость укрываемых объектов и парная ей задача разработки методов радиовидения объектов, укрытых с применением «стелс»-технологий [19].

Остаются также задачи построения и апробации физических моделей каналов и распространения в них сигналов (для использования их в вероятностных моделях приёма (в том числе многоканального) и обработки информации. Так как связь охватывает все территории, то множество моделей расширяется для различных условий – лесов и лесополос с конкретными свойствами, для различных ситуаций городской застройки, для турбулентной атмосферы с различными нестационарными процессами, для комбинированных каналов связи на большие расстояния, наконец, для таких новых каналов, как межспутниковые (с учётом гравитации, накопившегося космического мусора и действующих космических аппаратов).

Обзор одной из проблем современной радиофизики на примере: «Экспериментальной модели сверхширокополосной антенны с уголковым рефлектором». В настоящее время существует значительный интерес к изучению проблем направленного нестационарного излучения с использованием антенн различной конфигурации [1,2]. Актуальность этих проблем обусловлена необходимостью разработки систем сверхширокополосной (СШП) радиолокации нового поколения, а также получения новых результатов в задачах, относящихся к высокому разрешению изображений и методам неразрушающего контроля. Еще одной интересной и перспективной областью применения направленных антенн СШП диапазона является формирование так называемых локализованных волн. Они известны как бездифракционно распространяющиеся волны, первоначально введенные в рассмотрение при попытке получить слабо расходящийся пучок волн на максимально большом расстоянии [1]. Одним из примеров проявления такого эффекта является так называемый «электромагнитный снаряд» [3]. Его физическая сущность определяется тем фактом, что для СШП сигналов зона высокой концентрации энергии излучения может наблюдаться на очень больших расстояниях от антенны. При этом энергия излучения убывает существенно медленнее, чем обратный квадрат расстояния от антенны до точки наблюдения. Наиболее простой способ обеспечения направленности излучения связан с применением уголковой антенны. В случае узкополосных антенн подобные конструкции широко используются. Их возможности при работе с СШП сигналами отчасти были исследованы нами в [4]. Настоящая работа имеет целью теоретически и экспериментально продемонстрировать возможность формирования с помощью СШП уголковой антенны импульсного сигнала типа электромагнитного снаряда. В экспериментах использовалась установка, блок-схема которой приведена на рисунке (см. Приложение 1).

На рисунке (см. Приложение 1), обозначены: 1 – генератор биполярных импульсов ТМГ200020Р01, 2 – сверхширокополосный стробоскопический осциллограф АКИП-4112, 3 – персональный компьютер, 4 – генератор синхроимпульсов, 5 и 6 излучающая и приемная СШП антенны. Приведем кратко условия проведения эксперимента. Все исследования проводились в безэховой камере. Излучающая антенна располагалась между отражающими гранями уголкового рефлектора, ширина которых составляла 1 м, а высота 0,5 м. В качестве излучающей и приемной антенн, использовались малогабаритные СШП антенны, разработанные на кафедре радиофизики ТГУ рисунок (см. Приложение 2). Отличительными особенностями таких антенн являются их малые размеры и широкая полоса пропускания. Коэффициент стоячей волны (КСВН) такой антенны не превышает 2 в полосе частот от 2 до 23 ГГц рисунок (см. Приложение 3). При этом антенна сохраняет свои направленные свойства в широкой полосе частот.

Для возбуждения излучающей антенны использовался генератор биполярных импульсов длительностью 200 пс с формой, близкой к периоду синусоиды, и амплитудой 15 В. Частота повторения импульсов составляла 100 кГц. Регистрация сигнала с приемной антенны осуществлялась сверхширокополосным стробоскопическим осциллографом. На рисунках (см. Приложение 4-5) представлена экспериментальная установка и отмечены основные ее элементы.

Перед началом проведения эксперимента имелась возможность устанавливать определенный угол раскрыва между гранями рефлектора. Платформа, на которой была установлена уголковая антенна, позволяла перемещать ее в радиальном направлении относительно приемника. Излучающая антенна располагалась симметрично относительно граней уголкового рефлектора, на расстоянии 0,5 м от его ребра рисунок (см. Приложение 4). Ее положение выбиралось и фиксировалось так, чтобы было обеспечено максимальное значение принимаемого сигнала. Перед началом эксперимента, расстояние между излучающей и приемной антеннами составляло 0,8 м., а затем постепенно увеличивалось через 0,1 м. Для обработки экспериментальных зависимостей была реализована программа в математическом пакете Mathcad.

Нами была произведена оценка расстояния, на которое может быть перенесена энергия электромагнитного импульса без существенного затухания энергии. Граница зоны Френеля и характерная для этой зоны высокая концентрации энергии для импульсов с широким и медленно убывающим частотным спектром может наблюдаться на весьма больших расстояниях. Для сверхширокополосных электромагнитных импульсов короткой длительности границу зоны Френеля можно определить, если воспользоваться следующим выражением [2,3]:

где tp − длительность импульса, Ra − размер апертуры, c – скорость света. На расстоянии f < lf энергия убывает существенно медленнее, чем l / r2.

В нашем случае длительность импульса составляла 0,2 нс, а размер апертуры уголковой антенны 2 м. Оценка по формуле (1) показала, что вплоть до расстояния 33 метра должно наблюдаться затухание энергии, характерное для электромагнитного снаряда. Кроме того, с использованием разработанной программы в математической среде Mathcad было проведено численное моделирование излучения дипольного источника в присутствии клиновидной отражающей структуры с бесконечными идеально проводящими гранями (модель приемоизлучающей системы). Расчеты проводились на основе метода зеркальных изображений. При этом выражения для поля дипольного источника в свободном пространстве были взяты из работ [5,6]. Импульс тока ti )( в диполе представлялся выражением, аппроксимирующим биполярный импульс напряжения длительностью 0,2 нс, который использовался нами в экспериментальных исследованиях. Экспериментальные исследования и численные расчеты проводились для нескольких значений угла раскрыва рефлектора (45°, 60°, 90°).

Далее представлены результаты экспериментальных исследований, а также численного моделирования. На рисунке (см. Приложение 6) изображена экспериментальная зависимость (кривая 2) напряженности электрического поля от расстояния r между излучающей и приемной антеннами, отвечающая случаю рефлектора с углом раскрыва 60°. Здесь же для сравнения нанесена расчетная кривая 1, отражающая типичное убывание напряженности электрического поля (пропорционально обратному расстоянию ( /1 r ) между антеннами). Как видно, имеет место гораздо более медленное убывание поля импульсного сигнала. На рисунке (см. Приложение 7) приведен один из результатов численного моделирования. Показана зависимость напряженности поля от расстояния для случая, когда диполь размещен на биссектрисе уголкового рефлектора и ориентирован параллельно его ребру. Расстояние от ребра рефлектора до диполя составляло 0,25 м. Первоначально точка наблюдения располагалась на расстоянии 0,5 м от диполя, а затем это расстояние последовательно увеличивалось на 0,1 м. Результат расчета приведен для случая, когда угол раскрыва рефлектора составляет 90°. Аналогичные результаты были получены и для других значений углов раскрыва рефлектора.

Как видно из представленных результатов, существует такая зона, где убывание поля происходит не пропорционально обратному расстоянию 1 / r , а медленнее. Это означает, что использование СШП излучающей антенны в сочетании с уголковым рефлектором позволяет получить, по крайней мере, два положительных эффекта. Во-первых, как и в случае узкополосных излучающих антенн, рефлектор обеспечивает возможность создания более направленного излучения. Во-вторых, за счет использования сверхширокополосного излучения можно формировать специальную структуру излученного импульса – электромагнитный снаряд. Указанные два эффекта в совокупности могут способствовать заметному увеличению потенциала, например систем связи и зондирования ближнего радиуса действия [20].

Вывод по третьему разделу работы. В данном разделе работы определялись проблемы современной радиофизики.

Таким образом, спектр вопросов и проблем, находящихся на переднем крае радиофизики, постоянно меняется, но эти направления развития можно считать неизменно присутствующими, составляющими саму суть радиофизики как науки, при этом изменяются лишь параметры – конкретный диапазон частот, конкретные свойства веществ и т. п.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подведем итоги настоящей работы.

Цель работы, исследовать концептологию и методологические основания современной радиофизики.

В первом разделе работы исследовались истоки современной радиофизики.

Так было определено что радиофизика — наука, в широком смысле занимающаяся изучением колебательно-волновых процессов различной природы, в узком — изучением электромагнитных волн радиодиапазона. Исторически, основным предметом исследований радиофизики являлись радиоволны, а именно, их излучение и приём, распространение в различных средах, взаимодействие с объектами, а также поглощение. Однако впоследствии методы радиофизики были перенесены на другие разделы физики: оптику, акустику, СВЧ электронику, полупроводниковую электронику. Была создана общая теория распространения волн, разработаны методы решения волновых уравнений для нелинейных и неравновесных сред с пространственной и временной дисперсиями.

Во втором разделе работы определялось состояние современной радиофизики.

Так было определено что современный уровень развития радиофизики и актуальных задач требует применения математического аппарата высокого уровня и хорошего владения большим количеством специфических методов. Кроме того, радиофизика является особым разделом физики, с особым, «волновым», подходом к решению задач. Это привело к выделению данного раздела в отдельную специальность «радиофизика».

В третьем разделе работы определялись проблемы современной радиофизики.

Так было определено что спектр вопросов и проблем, находящихся на переднем крае радиофизики, постоянно меняется, но эти направления развития можно считать неизменно присутствующими, составляющими саму суть радиофизики как науки, при этом изменяются лишь параметры – конкретный диапазон частот, конкретные свойства веществ и т. п.

Таким образом, актуальность работы подтверждена, цель работы достигнута, все задачи решены.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1.

Блок-схема экспериментальной установки

Приложение 2.

Сверхширокополосная антенна

Приложение 3.

Коэффициент стоячей волны антенны

Приложение 4.

Излучающая антенна с уголковым рефлектором

Приложение 5.

Общий вид экспериментальной установки со стороны приемной антенны: 1 – приемная антенна, 2 – излучающая антенна с уголковым рефлектором

Приложение 6.

Зависимость напряженности поля от расстояния r : 1 – ослабление поля по закону 1 / r ; 2 – экспериментальная зависимость

Приложение 7.

Зависимость напряженности поля от расстояния r в модели приемоизлучающей системы: 1 – ослабление поля по закону 1 / r ; 2 – расчетная зависимость