книги / Элементы и устройства систем низких и сверхвысоких частот

(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

вать, что единственным известным вариантом стабильно­

среды в другую с различными коэффициентами преломле­

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,

вид (аналитическое описание) параметрической накачки, которая определяет модуляцию (изменение) магнитной

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

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

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

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

для больших мощностей излучения - располагающейся на

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

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.

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

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

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

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:

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) :

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

где e и ц - диэлектрическая и магнитная проницаемость

воздействие на электрически заряженные частицы со стороны электрического и магнитного полей осуществля­ ется только посредством силы Лоренца:

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

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

метрии источника магнитного поля с заряженной части­