Распространение радиоволн учебная дисциплина и направление научных исследований кафедры антенных устройств и распространения радиоволн Национального исследовательского университета «МЭИ»

Кафедра АУиРРВ читает одну из важнейших базовых дисциплин радиотехнического факультета – распространение радиоволн Любая радиотехническая система передает или принимает информацию в виде радиосигнала, которая распространяется в окружающем пространстве. В соответствии с международными соглашениями к радиоволнам относятся электромагнитные волны частотой от 3 до 3*10^12 Гц (1 Гц – это колебание электрической величины: тока, напряжения, напряженности электрического или магнитного поля – с периодом в 1 секунду). Для передачи информации в радиосистемах используются сигналы с частотами от 3000 Гц до 3*10^12 Гц. Этим частотам соответствуют длины радиоволн от 10^5 км до 0,1 мм.

На первый взгляд распространение радиоволн происходит в свободном пространстве (в вакууме) со скоростью света 2,997*10^8 м/с. Однако это интуитивное представление ошибочно. На распространение радиоволн влияют: земная поверхность, лес, дом и другие естественные и искусственные объекты. Влияет также земная атмосфера. Особенно существенно влияние нижней части земной атмосферы – тропосферы, которая располагается на высотах до км над поверхностью Земли, и верхней части земной атмосферы – ионосферы, находящейся на высотах свыше 60 км. Однако, влияние земли и различных частей атмосферы на распространение радиоволн зависит от длины волны. Поэтому приходится проводить экспериментальные и теоретические исследования, влияния окружающей среды на распространение волн определенных диапазонов, чтобы обеспечить работоспособность радиотехнических систем. В течение XX века радиотехника освоила почти весь диапазон радиоволн – вплоть до миллиметрового. Сейчас идет интенсивное освоение диапазона волн длиной короче миллиметра – террагерцового диапазона волн.

Тенденция современной радиотехники – создание высокоточных радиотехнических систем. При этом роль процессов распространения радиоволн очень велика, т.к. они определяют точностные характеристики радиосистем, обусловленные фундаментальными законами, не зависящими от инженерного искусства. Поэтому неудивительно, что изучение процессов распространения радиоволн в различных средах практически важно при проектирование радиосистем, особенно на новых принципах. Кафедра АУиРРВ с момента ее создания в 1943 году читает дисциплину «Распространение радиоволн» всем группам радиотехнического факультета МЭИ. С того же момента на кафедре проводятся научные исследования в области распространения радиоволн. Преподавание дисциплины «Распространение радиоволн» длится в течение одного семестра и включает: чтение лекций, проведение практических занятий и выполнение лабораторных работ.

С момента организации кафедры лекции по данной дисциплине читал заведующий кафедрой, профессор, д.т.н. А. Н. Казанцев (1893 – 1979) – один из первых специалистов в нашей стране по распространению радиоволн. Из воспоминаний Б. А. Попереченко: «Что касается Казанцева, то он отличался интеллигентностью «настоящего профессора», живостью и активностью, несмотря на свои отнюдь немолодые годы. Он умел расположить к себе студентов за счет простоты и непосредственности в общении. Кроме всего, мое внимание неизменно привлекал его большой темно-рыжий портфель из кожи, похожей на крокодилову, судя по всему - «оттуда». Казанцев нередко выезжал за рубеж в научные экспедиции по делам своей научной работы в Академии Наук в области радиофизики Солнца и, связанным с этим, распространением радиоволн на Земле.»

В послевоенные годы ( ) А. Н. Казанцев выполнил цикл исследований ионосферных радиолиний коротковолнового диапазона. В результате был создан эффективный метод расчета напряженности поля на коротких волнах, учитывающий основные физические процессы распространения радиоволн в ионосфере. Этот цикл работ А.Н.Казанцева был отмечен Государственной премией. После перехода профессора Казанцева А. Н. в 1957 году в МФТИ лекции по распространению радиоволн стала читать его ученица доцент, к.т.н. Г. П. Грудинская. Схематическая картина многоскачкового распространения коротких радиоволн в ионосфере. Основные ионосферные слои показаны синим и красным цветом, траектории радиоволн – тонкими желтыми линиями. Видно, что волна, стартуя с земли под углом к поверхности, многократно переотражается в канале между землей и ионосферой. Такой режим распространения обеспечивает радиосвязь на дальние расстояния

Г.П. Грудинская читала лекции по этой дисциплине длительное время, свыше 30 лет, написала ряд учебников, которые до сих пор пользуются популярностью у студентов. В проведение занятий принимали участия старший преподаватель В. Н. Воловский, к.т.н. доцент А. И. Гореликов, к.т.н. доцент В. В, Солодухов и другие. С середины 90-х годов курсы лекций по распространению радио- волн читаются к.т.н. доцентом Володиной И. В., и д.ф.-м.н. профессором Пермяковым В. А.. Учебники по курсу «Распространение радиоволн», выпущенные кафедрой АУиРРВ: 1) Грудинская Г.П. Распространение радиоволн. М. Высшая школа ) Марков Г.Т., Петров Б.М., Грудинская Г.П. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Советское радио, 1979 г. 3) Пермяков В.А., Солодухов В.В, Бодров В.В., Исаков М.В. Распространение радиоволн. М Издательский дом МЭИ

Научные исследования кафедры АУиРРВ в области распространения радиоволн Первые научные исследования в области распространения коротких радиоволн в ионосфере были выполнены проф. Казанцевым во время его работы на кафедре. Ионосфера представляет собой плазму – ионизированный газ, содержащий свободные электроны и ионы. Диэлектрическая проницаемость ионизированного газа в радиодиапазоне определяется исключительно концентрацией электронов, имеет значение меньше единицы и даже меньше нуля. Электромагнитная волна идущая с поверхности земли, в диапазоне коротких волн отражается и может распространятся на очень большие расстояния путем многократного отражения от ионосферы. Дальность действия коротковолновой радиолинии определяется ослаблением радиоволн в ионосфере. А.Н.Казанцев предложил физически наглядную и простую формулу для расчета ослабления радиоволн в ионосфере позволяющие рассчитать дальность работы коротковолновой линии.

Следующий оригинальный цикл исследований был выполнен под руководством д.т.н. профессора Васильева Е. Н. в хх годах прошлого века. Для этих исследований в МЭИ была создана специальная научная лаборатория. Тематика лаборатории - изучение влияния «ракетной» плазмы на распространения радиоволн от бортовых антенн. Струи реактивных двигателей представляют собой слабоионизованную плазму, которая изменяет характеристики антенн, установленных на борту ракеты, приводит к искажению и ослаблению радиосигнала. Старт ракеты Союз с космодрома Куру. Видно, что светящаяся область струй двигательных установок имеет сферическую форму.

Были проведены теоретические и экспериментальные исследования влияния «ракетной» плазмы на распространение радиоволн. Разработаны теоретические модели, позволившие определить искажения диаграмм направленности бортовых антенн и уменьшение энергетического потенциала радиолинии для плазменных неоднородностей, как соизмеримых, так и больших по сравнению с длинной волны. В первом случае для определения характеристик антенн использовался метод интегральных уравнений (для учета влияния корпуса ракеты на характеристики антенн) и метод собственных функций (для учета влияния неоднородной плазмы). Теоретические исследования в этом направлении были выполнены с.н.с. к.т.н. Каменевым В.Г. и с.н.с. к.т.н. Пермяковым В.А. Во втором случае анализ влияния неоднородной плазмы на характеристики антенн был проведен квазиоптическими методами (метод геометрической оптики и его обобщения). Теоретический исследования в этом направлении были выполнены с.н.с. к.т.н. Орловым Ю. И., с.н.с. к.т.н. Якушкиным И. Г..

Научные результаты группы профессора Васильева выходили за рамки прикладных задач. Ю.И. Орловым были найдены нетривиальные каустики, формируемые источниками вблизи неоднородной плоскослоистой плазмы, предложен оригинальный метод интерференционного интеграла, позволяющий определить дифракционные поля в области неприменимости метода геометрической оптики. Среди научных результатов В.А. Пермякова следует отметить исследования дифракционных эффектов в освещенной области неоднородных плазменных образований и эффектов самовоздействия электромагнитных волн в средах с отрицательной (ионизационной) нелинейностью. И. Г. Якушкин получил глубокие результаты в задачах распространения неоднородных полей в случайно-неоднородных и нелинейных средах.

Другим интересным направлением работ группы профессора Васильева Е. Н. было моделирование слабоионизованной плазмы с помощью искусственных плазмоподобных диэлектриков. В качестве таких модельных сред использовались стержневые и спиральные диэлектрики. Были экспериментально исследованы модели плоскослоистой плазмы и модель плазменной струи в виде радиально неоднородного шара. Созданы модели плазмы с отрицательной диэлектрической проницаемостью. В последние годы началось интенсивное изучение практических приложений искусственных сред, называемых метаматериалами, к которым относятся и плазмоподобные диэлектрики с отрицательной диэлектрической проницаемостью. Различные варианты искусственных диэлектриков моделирующих плазму.

Был так же проведен комплекс исследований по наземной и бортовой диагностике плазмы. Основные результаты исследований опубликованы в большом количестве работ, часть которых упомянута ниже: 1)Факел реактивного двигателя и радиосвязь с летательным объектом. Часть II. Под редакцией Е.Н. Васильева. Москва 1974 г. 2) Кравцов Ю.А., Орлов Ю.И., Геометрическая оптика неоднородных сред. М.: Наука ) Васильев Е.Н. Возбуждение тел вращения. М.: Радио и связь г. 4) Васильев Е.Н., Ситнянский Б.Д., Тезисы докладов на 4-м симпозиуме по дифракции и распространению волн. Харьков, АРТА, ) Воловский В.Н., Пермяков В.А. Электродинамическое моделирование плазмы с помощью искусственных диэлектриков. / Х Всесоюзная конференция по распространению радиоволн. Тезисы докладов. Секция VII. Распространение радиоволн в искусственных плазменных образованиях. –М.: Наука, 1972, с ) Гераськин А.П., Николаенко Л.С., Пермяков В.А., Ситнянский Б.Д., Урманчеев И. Моделирование однородной плазмы с помощью искусственного стержневого диэлектрика. / Труды МЭИ, вып.119, М.:, 1972, с

В последние годы на кафедре АУиРРВ проводились исследования распространения радиоволн в следующих направлениях: Распространение сверхширокополосных сигналов в ионосфере с связи с разработкой радиолокаторов с синтезированной апертурой для дистанционного зондирования земли. Распространение радиоволн в зданиях. Распространение радиоволн в условиях арктических морей в связи с разработкой радиолокаторов для мониторинга ледовой обстановки. Результаты исследований опубликованы в работах: 1.Баскаков А.И., Исаков М.В., Конькина О.В., Пермяков В.А. Влияние сферически слоистой ионосферы на разрешение по дальности космического радиолокатора. /Труды международной научной конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн» ИРЭМВ- 2007, Таганрог, Россия, июнь ,, т.2. с Баскаков А.И., Исаков М.В., Конькина О.В., Пермяков В.А. Анализ разрешающей способности по дальности космического радиолокатора дециметрового диапазона при учете плоскослоистой и сферически слоистой ионосферы. Радиотехнические тетради, 2007, 35, с

3. Баскаков А.И., Терехов В.А., Гусевский В.И., Жердев П.А., Пермяков В.А. Анализ точностных характеристик космических РСА интерферометров с переменной базой, сформированной из однопозиционных РСА на космических аппаратах, находящихся на синхронно связанных орбитах. /Электротехнические и информационные комплексы и системы 2006, 1, т.2, с Пермяков В.А. Жексенов М.А.. Методы расчета распространения радиоволн в городе (обзор) /Излучение и рассеяние электромагнитных волн (ИРЭМВ-2009) Труды международной научной конференции Таганрог – Дивноморское, Россия, июнь 27 – июль 1, 2009 г. стр Баскаков А.И., Егоров В.В, Исаков М.В., Махалов А.М., Пермяков В.А. Оценка энергетического потенциала РЛС для обнаружения морских льдов с буровых платформ в Арктике. / V Всероссийская научно-техническая конференция «Радиолокация и радиосвязь» ноября 2011 г., Москва Доклады стр Баскаков А.И., Егоров В.В, Исаков М.В., Пермяков В.А. ПРОБЛЕМЫ РАДИОЛОКАЦИИ МОРСКИХ ЛЬДОВ С БУРОВЫХ ПЛАТФОРМ В АРКТИКЕ /23-я Всероссийская конференция по распространению радиоволн мая 2011 г., Йошкар-Ола. 7. Комаров А.А. Пермяков В.А. ДИФРАКЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН НА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТУПЕНЬКЕ /23-я Всероссийская конференция по распространению радиоволн мая 2011 г., Йошкар- Ола. 8. Комаров А.А. Пермяков В.А. ДИФРАКЦИЯ ПЛОСКОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ НА ПРЯМОУГОЛЬНОМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОМ КЛИНЕ. АНАЛИЗ ЧИСЛЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ. /Журнал радиоэлектроники, сентябрь 2011 г.