Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 2023, T. 509, № 1, стр. 9-14

За последние 30 лет в единственной расчетной работе [1] был установлен факт значительной деформации амплитудно-временной формы сверхширокополосных (СШП) импульсов излучения с длительностью 50 пс и менее. Расчеты были выполнены с привлечением современных данных о спектральных свойствах паров воздушных масс и устанавливали факт заметного, до 30%, уширения таких импульсов на дистанции 10 км и почти вдвое больше на дистанции 20 км. Уширение импульса означает смещение высокочастотной границы его спектра в низкочастотную область. Одной из особенностей результата расчетов были незначительные колебания в течение 100 пс до и после появления основного сигнала, что, по-видимому, было обусловлено свойствами расчетной модели (рис. 1).

Рис. 1.

Деформация импульса с начальной длительностью 50 пс при прохождении им атмосферы Земли в зависимости от расстояния до излучателя.

Экспериментальная проверка этих результатов оказалась возможной лишь в настоящее время, когда, благодаря усилиям инженеров и исследователей, в основном санкт-петербургской, уральской и томской школ электрофизиков, заметное развитие получили разработки быстродействующих полупроводниковых коммутаторов, мощных генераторов высоковольтных импульсов напряжения и излучателей на их основе [2–8]. Расширенному применению таких приборов для запитки лазеров и сверхширокополосных излучающих антенн способствовало серийное производство широкой номенклатуры генераторов высоковольтных импульсов с характерной скоростью изменения напряжения ~10¹⁵ В/с [9].

Масса модуля СШП-излучателя, построенного на основе генератора с пиковым напряжением 10 кВ и мощностью 2 МВт, составляет около 10 кг (вместе с антенной, аккумулятором на 20 мин автономной работы и блоком управления). Высокие удельно-весовые параметры СШП-излучателей позволяют размещать их на легких носителях для различных целей. Именно такой модуль оказался пригодным для использования в описываемом эксперименте. Основные сведения о созданных и проектируемых СШП-излучателях, в том числе объединенных в синхронизированные активные антенные решетки, изложены в [7, 8].

Из нескольких практически доступных вариантов реализации эксперимента по исследованию прохождения СШП-излучения в свободной атмосфере с минимальным влиянием земной поверхности при дальности наблюдения ~10 км, изложенных в [10], был выбран подъем СШП-излучателя на воздушном шаре. Шар перемещался воздушными потоками и удалялся от точки наблюдения параметров излучения.

Регистрация импульсов излучения осуществлялась двумя СШП-приемниками и цифровыми осциллографами реального времени типа с шириной частотной полосы регистрации до 16 ГГц. Один приемник размещался в 2 м от поверхности земли, другой – на привязном воздушном шаре. В процессе проведения эксперимента высота размещения этого приемника изменялась от 50 до 100 м в зависимости от силы ветра.

В состав канала регистрации импульсов излучения входили приемная СШП-антенна (длительность фронта переходной характеристики ≈27 пс, чувствительность 35 В/кВ/м), осциллограф (≈26 пс), N-разъем в тракте регистрации (≈20 пс), кабель связи антенны и осциллографа. Таким образом, длительность переходной характеристики использованного тракта регистрации напряженности импульсного поля СШП-излучения была на уровне 42–45 пс, т.е. имела значение, близкое к значению фронта импульса возбуждения антенн (≈50 пс). Если фиксировать длительность импульса излучения как длительность его фронтальной части на уровне половины амплитудного значения, то данный канал регистрации должен был отображать импульс длительностью 50 пс как импульс с длительностью 60–65 пс.

Генераторы сверхкоротких импульсов возбуждения на основе полупроводниковых коммутаторов генерировали выходные импульсы напряжения с длительностью фронта нарастания не более 50 пс. Типичный импульс выходного напряжения генератора с амплитудой ≈15 кВ показан на рис. 2.

Рис. 2.

Импульс напряжения генератора возбуждения СШП-антенны для полетных экспериментов.

В корзине полетного шара размещались два излучателя на двухосной поворотной платформе (рис. 3).

Рис. 3.

СШП-излучатели в корзине полетного шара.

В предполетном тесте при точной взаимной ориентации осей диаграммы направленности антенн излучателя и приемника импульсы излучения действительно регистрировались как импульсы с длительностью 60–65 пс. В полете ориентиром прицеливания (визирования), как для антенны излучателя, так и для антенны приемника излучения, являлись воздушные шары и их корзины.

Фотографии СШП-излучателей и запись импульсов их излучения на удалении 2.8 км приведены на рис. 4.

Рис. 4.

СШП-излучатели и осциллограммы напряженности импульсного электрического поля излучения на дальности 2.8 км: а – излучатель № 1; б – излучатель № 2.

Обработка осциллограмм, зарегистрированных средством измерения на основе СШП-антенны и быстродействующего цифрового осциллографа, размещенного на привязном шаре, показала, что статистически значимое отклонение ширины импульсов излучения наблюдается в пределах ±6% при удалении излучателя от регистратора на расстояние до 15 км. А в соответствии с [1], на расстояниях свыше 10 км уширение импульса должно быть не менее 30% (рис. 5).

Рис. 5.

Осциллограммы напряженности импульсного электрического поля излучения вертикальной поляризации на дальности 5.6 км и высоте подъема излучателей на 1 км (а); 10.3 км и 880 м (б); 13.5 км и 800 м (в); 14.3 км и 750 м (г). На (г) заметна синусоидальная помеха с периодом 2 нс (500 МГц) от какого-то радиотехнического средства. Слева – регистрация на осциллографе; справа – фронтальная часть сигнала в увеличенном масштабе.

Рис. 5.

Окончание

Сигналы излучения с неизмененной длительностью фронтальной части импульса также были зарегистрированы и вторым СШП-приемником, расположенным в 2 м от поверхности земли, вплоть до нарушения прямой видимости излучателя из точки наблюдения.

На рис. 6 представлены сводные экспериментальные данные, аналогичные тем, что представлены на рис. 5 (справа), от обоих излучателей по зарегистрированным импульсам излучения в терминах электродинамического потенциала E × R, где E – напряженность электрического поля на расстоянии R. Все полученные результаты удовлетворяли каноническому критерию E × R = = const (в дальней зоне свободного пространства потенциал E × R не зависит от R). Фронтальные части импульсов были центрированы по максимальным значениям амплитуды E × R и нормированы на это значение.

Рис. 6.

Фронтальная часть сигналов излучения, зарегистрированных в полетных экспериментах на дальности от 0.6 до 14.3 км до излучателя.