Научно-практический рецензируемый журнал
Журнал «Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника» публикует результаты научных исследований преподавателей, сотрудников, докторантов, аспирантов и студентов высших учебных заведений, а также научно-исследовательских организаций России и зарубежных стран. Журнал ориентирован на публикацию материалов, соответствующих области радиоэлектроники и смежных областей.
Журнал ориентирован на специалистов, работающих в областях, соответствующих тематическим направлениям журнала.
Русскоязычные статьи переводятся на английский язык.
Индекс по каталогу АО «Почта России» -«Подписные издания» П4296
Текущий выпуск
РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ПЕРЕДАЧИ, ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
Введение. Вопросы безопасности железнодорожного транспорта напрямую связаны с состоянием железнодорожного полотна, а также поверхности колес вагонов. Одной из причин возникновения нештатных ситуаций на железной дороге могут быть различные дефекты, например неровности рельсового пути, поэтому актуальной является задача измерения и расчета коротких и импульсных неровностей. Важным также является проведение совместного анализа сигналов виброускорений акселерометров с целью исследования типов и размеров неровностей рельсового пути.
Цель работы. Разработка алгоритма поиска дефектов поверхности катания рельса по показаниям акселерометров с вертикальной измерительной осью, установленных на буксовых узлах колесной тележки вагона.
Материалы и методы. В рамках проведенного исследования использовались методы вейвлетпреобразования и вейвлет-обработки сигналов, включая дискретное вейвлет-преобразование и непрерывное вейвлет-преобразование, а также частотно-временной анализ на основе фурье-спектрограммы и непрерывной вейвлет-скалограммы. Данные методы обеспечивают частотно-временную локализацию событий в сигнале, в том числе обнаружение дефектов железнодорожного полотна и определение его параметров.
Результаты. Предложены алгоритмы обработки и анализа вибрационных сигналов с помощью непрерывного и дискретного вейвлет-преобразования. Показано, что дискретное вейвлет-преобразование эффективно при проведении мультиразрешающего и мультиполосного анализа сигналов виброускорений, а непрерывное вейвлет-преобразование и вейвлет-скалограмма позволяют выявлять дефекты рельсового пути и определять их параметры. Относительная погрешность определения глубины неровности улучшилась на 18 %, а абсолютная погрешность определения длины неровности уменьшилась в 7 раз.
Заключение. Применение дискретного преобразования Фурье и фурье-спектрограммы к анализу сигналов виброускорений обеспечивает хорошее разрешение в частотной области, однако при этом затруднительным является разделение компонент во временной и частотно-временной областях. Ключевой является именно частотновременная локализация. Непрерывное вейвлет-преобразование обеспечивает достаточное разрешение в низкочастотной области для локализации компонент, а также качественной и количественной визуализации дефектов.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
Введение. Полосовые фильтры (ПФ) на поверхностных акустических волнах (ПАВ) используются в качестве устройств частотной селекции приемной и передающей радиоэлектронной аппаратуры. Среди множества требований к ПФ на ПАВ на первый план выходят как требования к качеству характеристик – уменьшение вносимых потерь, уменьшение неравномерности в полосе пропускания и т. д., так и требования по сокращению времени разработки фильтра. Сокращение времени разработки с одновременным снижением затрат на нее достигается за счет предварительного компьютерного моделирования. Указанная задача решается при комплексном подходе к построению системы автоматизированного проектирования с возможностью решения задач оптимизации с большим числом степеней свободы.
Цель работы. Разработка концепции проектирования ПФ на ПАВ с помощью оптимизационных алгоритмов. Апробация работы по созданию реальных частотных фильтров на примере резонаторных фильтров с малыми потерями на вытекающих ПАВ.
Материалы и методы. Теоретическая часть работы выполнена с применением методов статистического анализа, теории цепей и модели связанных мод. В ходе работы применялась математическая обработка и расчет в программе MATLAB.
Результаты. Разработана концепция построения системы автоматизированного проектирования фильтров на ПАВ с заданными частотными характеристиками. Предложен оригинальный метод оптимизации элементов топологии ПФ на ПАВ для получения заданных частотных характеристик. В качестве апробации предложенного подхода рассчитан и изготовлен резонаторный фильтр на вытекающих ПАВ на 64° YX-срезе ниобата лития.
Заключение. Предложенный комплексный подход к проектированию ПФ на ПАВ позволяет быстро и относительно точно прогнозировать характеристики фильтра на стадии моделирования, что дает существенный выигрыш по сравнению с проведением многочисленных натурных экспериментальных исследований или численных исследований при наличии большого числа степеней свободы.
Введение. Современные радиотехнические системы предъявляют жесткие требования к стабильности частоты источников СВЧ-колебаний (СВЧ-генераторов), входящих в их состав. Однако СВЧ-генераторы (на диэлектрических резонаторах или резонаторах на поверхностных акустических волнах), несмотря на низкие уровни спектральной плотности мощности частотных флуктуаций формируемых сигналов, не обладают необходимой стабильностью частоты, требуемой для большинства прецизионных применений (измерители фазового шума, авиационные радиолокаторы, сверхмалошумящие синтезаторы частоты). Повысить стабильность частоты таких генераторов возможно, например, посредством системы фазовой автоматической подстройки частоты, однако для ее реализации, как правило, в состав СВЧ-генератора должен входить блок электронной перестройки частоты. Введение в состав СВЧ-генератора такого блока может приводить к ухудшению других его электрических характеристик, например спектральной плотности мощности частотных флуктуаций формируемых сигналов.
Цель работы. Разработка методики синтеза блоков электронной перестройки частоты с требуемым диапазоном изменения вносимого фазового сдвига и минимальными собственными потерями мощности для узкополосных СВЧ-генераторов с резонаторами на поверхностных акустических волнах.
Материалы и методы. Синтез блоков электронной перестройки частоты проводится численно-аналитическим методом с применением системы математических расчетов MATLAB (лицензия № 906991). Критический анализ полученных результатов проводится сравнительным методом.
Результаты. В статье представлена методика синтеза блоков электронной перестройки частоты с требуемым диапазоном изменения вносимого фазового сдвига при сохранении минимальных вносимых потерь, позволяющая учесть собственные паразитные параметры варикапа. Даны рекомендации по правильному выбору варикапов. Проведен сравнительный анализ расчетных и практических результатов. Практическая реализация блока электронной перестройки частоты проведена на базе ООО "Радиокомп" в 2023 г.
Заключение. Представленная методика синтеза блоков электронной перестройки частоты является универсальной и может быть использована не только для синтеза блоков электронной перестройки частоты различных узкополосных СВЧ-генераторов, использующих в качестве частотозадающего элемента двухпортовые резонаторы, но и для синтеза узкополосных СВЧ-фазовращателей.
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА, МИКРОВОЛНОВАЯ ТЕХНИКА, АНТЕННЫ
Введение. Основным механизмом расширения полосы рабочих частот в антенных решетках Вивальди является удлинение излучателей. Однако вслед за длиной излучателей увеличивается масса всего изделия и стремительно растет уровень кросс-поляризации. Исследования последних лет в этой области в основном были сфокусированы на техниках снижения уровня кросс-поляризационного излучения. Однако малоизученной остается возможность разработки антенных решеток Вивальди с расширенной рабочей полосой частот в первую очередь без изменения габаритных размеров излучателей или шага антенной решетки.
Цель работы. Разработка конструкции и исследование характеристик излучателя антенной решетки Вивальди, обеспечивающего работу в более широкой рабочей полосе частот, не прибегая к увеличению габаритов и массы.
Материалы и методы. Численное исследование характеристик элементарной ячейки с периодическими граничными условиями на гранях выполнено в программе ANSYS HFSS. Проведен сравнительный анализ характеристик элементарных ячеек антенной решетки-прототипа и предлагаемой конструкции.
Результаты. Представлены результаты проектирования излучателя антенной решетки Вивальди с улучшенными характеристиками. Исследовано влияние отдельных параметров излучателя на его характеристики при работе в составе бесконечной антенной решетки. Проведен сравнительный анализ характеристик элементарных ячеек двух плоских бесконечных антенных решеток линейной поляризации: на основе предложенного излучателя и излучателя-прототипа. Показана возможность понижения нижней границы рабочей полосы частот на 18.6 % и снижения уровня кросс-поляризации на отдельных частотах до 15 дБ.
Заключение. Предложенная конструкция излучателя позволяет расширить рабочую полосу частот антенной решетки, не прибегая к увеличению габаритных размеров. Проведенное численное исследование позволило определить ориентиры, которых следует придерживаться при разработке антенных решеток на основе предлагаемого решения.
Введение. В настоящее время одной из проблем при эксплуатации антенн для различных радиоэлектронных систем является учет влияния отказов фазовращателей (ФВ) на характеристики фазированных антенных решеток, в частности волноводно-щелевой фазированной антенной решетки (ВЩФАР). Анализ публикаций показывает, что ситуации выхода из строя указанных элементов рассмотрены не в полной мере и исследования в этом направлении носят весьма ограниченный характер.
Цель работы. Исследование характеристик ВЩФАР при отказах ФВ, когда их фаза принимает значение, равное нулю, вместо требуемого значения.
Материалы и методы. При исследовании влияния отказов на характеристики ВЩФАР использовались методы статистического моделирования. Расчеты проводились на ЭВМ с помощью пакета прикладной математики Mathcad 15.
Результаты. В ходе исследования предложен алгоритм статистического моделирования влияния отказов на характеристики ВЩФАР. Приведено соотношение, связывающее диаграмму направленности с объемом статистической выборки и количеством ФВ, вышедших из строя. Исследовались неисправности излучателей от 5 до 35 из 50 элементов, найдены диапазоны изменения следующих характеристик: среднеквадратическое отклонение – от 0.064 до 0.18; относительные значения: ширина диаграммы направленности – от 8 до 18 %; уровень боковых лепестков – от 13 до 59 %; мощность излучения – от 0.9 до 0.3.
Заключение. Результаты исследований могут быть обобщены и использованы в радиоэлектронных системах с антенными решетками на этапе их разработки. Следующим направлением работы автор считает исследование влияния отказов ФВ с установлением фаз случайным образом и случайными значениями, а также варианта выхода из строя ФВ, при котором мощность не проходит в излучатель. Другим важным направлением является компенсация искажений в результате отказов антенных элементов.
РАДИОЛОКАЦИЯ И РАДИОНАВИГАЦИЯ
Введение. В полуактивных радиолокационных системах (ПАРЛС) обнаружение целей выполняется по отраженным сигналам, излученным сторонними передатчиками. Отсутствие собственного передатчика определяет основные преимущества ПАРЛС в сравнении с активными РЛС: более низкая стоимость, скрытность работы, отсутствие электромагнитного воздействия на другие радиотехнические устройства и окружающую среду. В зависимости от доступности и зоны действия передатчиков, характеристик используемых сигналов, а также областей возможного применения ПАРЛС в качестве источников подсвета сегодня используют передатчики различных телекоммуникационных систем, включая теле- и радиовещание, навигационные и системы мобильной связи. Появление новых стандартов телекоммуникационных систем открывает дополнительные перспективы для развития ПАРЛС. Так, внедрение пятого поколения мобильной связи стандарта 5G с более высокой пропускной способностью потенциально может повысить точностные характеристики обнаружения целей в ПАРЛС, работающей по сигналам передатчиков нового стандарта. Исследование возможностей использования сигналов передатчиков стандарта 5G в качестве радиолокационного подсвета является актуальной задачей.
Цель работы. Анализ возможностей, ограничений и перспектив использования сигналов 5G в качестве подсвета в полуактивных радиолокационных системах.
Материалы и методы. В проведенных исследованиях использовались основы теории полуактивной радиолокации, теории связи, сравнительный анализ. Оценка потенциальных характеристик обнаружения целей проведена с помощью компьютерного статистического моделирования в среде MATLAB.
Результаты. Исследованы особенности сигналов стандарта 5G с точки зрения их применения в качестве сигналов подсвета в ПАРЛС. Проведена оценка потенциальных характеристик обнаружения целей в ПАРЛС, использующей сигналы 5G в качестве радиолокационного подсвета, и их сравнение с характеристиками ПАРЛС, работающей по сигналам других передатчиков. Показано, что сигнал 5G позволяет получить лучшее разрешение по дальности и скорости, чем сигналы других телекоммуникационных систем.
Заключение. В результате сравнительного анализа показано, что передатчики сигналов 5G NR можно использовать в качестве перспективного источника подсвета в полуактивных радиолокационных системах на относительно небольших территориях.
ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ НА ОСНОВЕ АКУСТИЧЕСКИХ, ОПТИЧЕСКИХ И РАДИОВОЛН
Введение. Современные мобильные объекты управления требуют применения высокочувствительных преобразователей параметров движения, например ускорения, с широким диапазоном измерений. Повысить чувствительность к измеряемым параметрам можно используя прецизионные оптические средства, например на основе туннельного эффекта. Однако рабочие диапазоны индуцированных перемещений составляют менее микрометра, что создает трудности позиционирования чувствительного элемента. Для повышения технологичности, расширения диапазона измерений и уменьшения погрешностей преобразователей ускорения с оптическим туннелированием можно использовать компенсационные схемы с активным чувствительным элементом – пьезоэлектрическим актюатором.
Цель работы. Расширение диапазона измерений микроэлектромеханического преобразователя ускорения с помощью комплексного подхода, включающего введение контура компенсации перемещений чувствительного элемента на основе обратного пьезоэлектрического эффекта и детектирование этих перемещений оптическими средствами.
Материалы и методы. Предложен способ компенсации перемещений чувствительного элемента, заключающийся в использовании биморфной пьезоэлектрической пластины в качестве инерционного элемента. Рассмотрено применение оптического считывания субмикрометровых перемещений чувствительного элемента.
Результаты. Разработаны структурная и функциональная схемы компенсационного микрооптоэлектромеханического преобразователя ускорения с биморфным пьезоэлектрическим чувствительным элементом. Исследованы деформации чувствительного элемента под действием ускорений (до 100 м/c2) и компенсационных напряжений, амплитуда которых не превышает единиц вольт, для обеспечения возможности использования оптического туннельного эффекта в предлагаемом преобразователе.
Заключение. Разработана и исследована математическая модель преобразователя, достигнуто увеличение диапазона измерения в 2.5 раза. Показано, что введение компенсирующей обратной связи не сужает разрешенный частотный диапазон измеряемых ускорений.
Введение. Наклонно-направленное бурение к настоящему времени можно считать традиционным способом бестраншейной прокладки подземных коммуникаций, разведки твердых полезных ископаемых, проведения геологоразведочных работ в обеспечение инженерно-геологических задач промышленности. Для этих целей используется устройство наклонно-направленного бурения с высокоточным комплексом определения координат буровой головки для соответствия текущей трассы бурения заданной проектной. Проблема получения точных координат (глубина, зенит, азимут) буровой головки является одной из приоритетных задач при бестраншейном бурении. Авторами ранее рассмотрен акустический способ мониторинга положения буровой головки в устройстве наклонно-направленного бурения. В настоящей статье рассматривается радиолокационный комплекс мониторинга положения буровой головки с поверхности земли с неподвижными маяками-ответчиками. Применение радиолокационного метода получения информации позволит усовершенствовать процесс бурения – высокая точность позиционирования, постоянный автоматический мониторинг положения, снижение временных и финансовых затрат.
Цель работы. Показать возможность построения радиолокационного комплекса получения информации о позиционировании буровой головки устройства наклонно-направленного бурения на основе маяков-ответчиков, распределенных на поверхности земли.
Материалы и методы. Исследование возможности построения радиолокационного комплекса мониторинга положения буровой головки устройства наклонно-направленного бурения с поверхности земли с неподвижными маяками-ответчиками основано на физических принципах, используемых в мобильных системах, т. е. определение местоположения зонда и его параметров по радиосигналам, излучаемым зондом в диапазоне частот, составляющем десятки килогерц, для максимального снижения влияния неоднородностей в грунте.
Результаты. Исследована возможность применения радиолокационного метода получения координат буровой головки при мониторинге ее положения в процессе проведения буровых работ. Рассмотрен принцип работы радиолокационного комплекса, определены схемы расположения маяков-ответчиков на поверхности земли и относительно буровой головки, описана технология обеспечения буровых работ при таком методе, а также отличительные особенности.
Заключение. В статье предложен вариант определения координат буровой головки и автоматического мониторинга ее положения в реальном времени. Предлагаемый вариант построения высокоточного радиолокационного комплекса передачи информации может быть использован при проектировании и модернизации техники наклонно-направленного бурения.
ПРИБОРЫ МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ, КОНТРОЛЯ СРЕДЫ, ВЕЩЕСТВ, МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ
Введение. В настоящее время видеоданные, полученные в узких спектральных диапазонах, активно применяют для повышения эффективности диагностики в различных областях медицины, в частности в лапароскопии. Традиционная лапароскопия использует изображения, полученные в белом свете. Изображения, полученные в видимом диапазоне, хорошо отображают цвет и текстурные особенности тканей. Одновременно с этим на изображениях видимого диапазона врачу трудно отличить область поражения от нормальной ткани вследствие их близости по цвету и текстуре. Существенное повышение эффективности определения пораженных участков обеспечивает использование флуоресцентных изображений, на которых области поражения визуально отличаются от остальных тканей. Основной проблемой при использовании мультиспектральных данных является необходимость одновременного предъявления врачу изображений, полученных в белом свете и свете флуоресценции. В работе предлагается метод синтеза изображения для предъявления врачу на основе данных, полученных в белом свете и свете флуоресценции. Отличительной особенностью метода является использование при синтезе изображения метрики CIEDE 2000, учитывающей свойства зрения человека.
Цель работы. Разработка метода визуализации мультиспектральных данных, обеспечивающего предъявление врачу изображения, включающего данные, полученные в белом свете, и выделенную цветом область пораженных тканей.
Материалы и методы. Предложенный метод состоит из следующих шагов: предобработка изображений, полученных в видимом диапазоне и свете флуоресценции; сегментация области поражения на флуоресцентных изображениях; формирование псевдоцветного изображения сегментированной области поражения; слияние псевдоцветного изображения и изображения, полученного в белом свете.
Результаты. Предложенный метод позволяет сформировать изображение, которое включает изображение области операции, полученное в белом свете и выделенную область поражения на основе флуоресцентной информации в ближнем инфракрасном диапазоне. При синтезе изображения учтены свойства зрения человека. Экспериментальное исследование метода было проведено на реальных лапароскопических изображениях. В экспериментах участвовали врачи-эндоскописты, которые являлись экспертами при проведении субъективной оценки предъявляемых изображений. Оценка предъявляемых изображений по методу парных сравнений показала, что большинство врачей предпочли изображение, синтезированное предложенным методом, одновременной визуализации изображений в белом свете и свете флуоресценции.
Заключение. Разработанный метод обеспечивает формирование изображения с повышенной диагностической ценностью.
ОТ РЕДАКЦИИ
Объявления
2021-10-05
Антенны и распространение радиоволн 2021
Всероссийская научно-техническая конференция «Антенны и распространение радиоволн 2021» (АРР'21) проводится 24-26 ноября 2021 г. в рамках Санкт-Петербургской Антенной Недели 2021 совместно с Международной конференцией «Antenna Design and Measurement International Conference 2021» (ADMInC'21) в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) (СПбГЭТУ «ЛЭТИ»). Мероприятие предоставляет специалистам в области антенной техники, электродинамики, измерений антенных систем и распространения радиоволн широкие возможности для представления новых научных результатов, обмена опытом и установления деловых контактов.
Труды конференции на русском языке будут опубликованы в электронном виде и распространены в день открытия конференции.
Доклады размещаются в коллекции Научной электронной библиотеки e-library.ru и индексируются библиографической базой данных научных публикаций российских ученых РИНЦ.
Планируется поддержка Международного института инженеров электротехники и электроники IEEE (англ. Institute of Electrical and Electronic Engineers). По итогам рецензирования англоязычные доклады, подготовленные авторами - членами IEEE, будут переданы для размещения в электронную библиотеку IEEE Xplore для последующей индексации Scopus.
Еще объявления... |
ISSN 2658-4794 (Online)