Preview

Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника

Расширенный поиск
Том 22, № 4 (2019)
Скачать выпуск PDF

ОБЗОРНАЯ СТАТЬЯ

6-17 279
Аннотация

Введение. Идеальные многофазные унимодулярные последовательности, т. е. последовательности с идеальной периодической автокорреляцией и единичной амплитудой символов, широко используются в современной радиосвязи и радиолокации. Особое место среди них занимают идеальные троичные последовательности (ИТП) с элементами {–1, 0, 1}. ИТП достаточно многочисленны, а их длина в отличие от идеальных двоичных последовательностей не ограничена сверху. Известен обзор ИТП, сделанный Фаном и Дарнеллом в 1996 г. Однако за прошедшие два десятилетия были открыты новые многочисленные семейства ИТП, установлены связи между ИТП и циркулянтными взвешенными матрицами, получены теоремы о существовании ИТП с определенными параметрами. Поэтому возникла потребность в новом современном обзоре известных на сегодня ИТП.

Цель работы. Обзор современных ИТП предназначен для разработчиков радиоэлектронных систем, в которых используются идеальные последовательности.

Материалы и методы. Рассмотрены и проанализированы отечественные и зарубежные источники информации (книги, журнальные статьи, труды конференций, патенты). Поиск осуществлялся в сети Интернете по ключевым словам с использованием Интернет-ресурсов Yandex и Google, а также в цифровых электронных библиотеках (Российской Государственной библиотеке (РГБ), IEEE Xplore Digital Library), в материалах конференций (Цифровая Обработка Сигналов и ее Применение (DSPA), Sequences and Their Applica-tions (SETA), и др.).

Результаты. Наряду с решением информационно-библиографической задачи в обзоре показана взаимосвязь полученных в разное время ИТП, их эквивалентность циркулянтным взвешенным матрицам, а также рассмотрены устройства генерации известных семейств ИТП (Ипатова, Хохолдта-Джастесена и др.).

Заключение. Представлен ретроспективный обзор ИТП; рассмотрены генераторы известных семейств ИТП. Результаты исследования актуальны для применения в современных системах радиосвязи и радиолокации, в частности в CW- и LPI-радарах.

 

ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ

18-30 194
Аннотация

Введение. Помехозащищенное кодирование используется во многих системах связи для обеспечения приемлемого уровня производительности. Особенность использования – во включении избыточных символов в закодированный пакет, что требует большего времени передачи и существенно большую пропускную способности канала, чем при передаче некодированного пакета. Перспективным здесь является программное изменение конфигурации системы радиосвязи и разработка протоколов связи для обеспечения максимального коэффициента загруженности канала при обеспечения приемлемого уров-ня производительности.

Цель работы. Повышение производительности радиосистемы путём совершенствования протоколов связи, решение вопроса обеспечения максимальной загруженности канала при формировании и приеме сигналов.

Материалы и методы. В работе приводится описание и структура протокола, разработанного авторами и применимого в части программного обеспечения (ПО) управления приемопередающего модуля системы ионосферной радиосвязи. ПО разрабатывается в кроссплатформенной программной среде LabView на языке VHDL и проходит исследования на имитационной модели радиоинтерфейса.

Результаты. Исследована корректирующая способность кодов, для случая аддитивного гауссовского канала с двоичной фазовой модуляцией (OFDM-модуляция совместно с абсолютной фазовой манипуляцией 2PSK и 4PSK) для выбора энергоэффективного подхода к проектированию системы ионосферной радиосвязи. Разработана структура и функциональноe описание протокола, используемого в ПО для имитационной модели программно-конфигурируемого радиоканала. Работа ПО осуществляется в ОС Windows 7 и более поздних версиях с разрядностью x32/x64 под управлением пакета MS VisualC++. Показано, что разработанное ПО может задействовать аппаратные и программные средства управления приемопередающего модуля, включающего трансивер SunSDR2 и антенный усилитель.

Заключение. Полученные результаты позволяют заменить отдельно настраиваемые радиоприемники и трансиверы, построенные по сложной супергетеродинной схеме, на ограниченное число аппаратных блоков, работающих под управлением разработанного ПО. В дальнейшем планируется провести исследования по оценке прохождения сигналов OFDM через многолучевые каналы связи с замираниями Релея и Райса. Получаемая модель позволит оценить помехоустойчивость при различной длине циклического префикса OFDM символа и пронаблюдать за поведением сигнального созвездия при воздействии различных нестабильностей.

31-44 197
Аннотация

Введение. Частотный диапазон вблизи 60 ГГц – один из наиболее перспективных для создания высокоскоростных систем связи нового поколения за счет использования широкой полосы частот передаваемых сигналов, существенно превышающей доступные значения до 6 ГГц в традиционных частотных диапазонах. Активное развитие систем связи диапазона около 60 ГГц подкрепляется расширением многообразия соответствующих полупроводниковых компонентов и планарных устройств, реализуемых на СВЧ печатных платах и имеющих интерфейс на основе микрополосковых линий передачи. Для измерения и отладки полупроводниковых компонентов и планарных устройств возникает необходимость их соединения с волноводным интерфейсом измерительного оборудования, что может быть выполнено с помощью волноводно-микрополоскового перехода.

Цель работы. Разработка и исследование планарного широкополосного волноводно-микрополоскового перехода для частотного диапазона около 60 ГГц, обеспечивающего малый уровень вносимых потерь.

Материалы и методы. Для достижения поставленной цели проанализировано влияние неоднородностей в структуре перехода на его характеристики, а также исследованы методы устранения таких неоднородностей. Анализ влияния неоднородностей и расчет характеристик разработанного перехода выполнены с помощью электродинамического моделирования и подтверждены результатами экспериментального исследования изготовленных образцов широкополосного волноводно-микрополоскового перехода.

Результаты. Разработанный переход основан на электромагнитном взаимодействии через щелевую апертуру в экране микрополосковой линии и не содержит в своей структуре слепых переходных отверстий, часто применяемых для переходов миллиметрового диапазона частот, но значительно увеличивающих сложность и стоимость изготовления. Переход выполнен с возможностью непосредственного подсоединения к отрезку прямоугольного волновода стандартного сечения WR-15 без дополнительных модификаций в структуре волновода. По результатам моделирования и экспериментального исследования полоса пропускания перехода равна полной полосе пропускания волновода WR-15, а именно 50...75 ГГц по уровню –2 дБ коэффициента прохождения, а потери, вносимые в передаваемый сигнал, не превышают 0.8 дБ на частоте 60 ГГц.

Заключение. Широкая полоса пропускания сигнала, небольшие потери, устойчивость к неточностям изготовления и простота интеграции позволяют использовать волноводно-микрополосковый переход для соединения различных микрополосковых и волноводных устройств миллиметрового диапазона длин волн.

45-52 202
Аннотация

Введение. Рассмотрена проблема синтеза направленного излучателя с 50-омным портом на входе, в частотном диапазоне 0.9…5.8 ГГц. Данный диапазон на сегодняшний день является наиболее актуальным для анализа электромагнитной обстановки, так как в этой полосе частот наиболее часто реализуется обмен информацией с бортовой аппаратурой беспилотных летательных аппаратов.

Цель работы. Синтез направленного широкополосного излучателя в частотном диапазоне 0.9…5.8 ГГц.

Материалы и методы. Для синтеза широкополосного излучателя используется метод конечных элементов при электродинамическом моделировании в программном средстве HFSS. Характеристики излучателя, оптимизированные на электродинамической модели, подтверждаются с помощью натурных экспериментов на макете излучателя. Измерения диаграммы направленности, проводимые в безэховой камере, и коэффициента стоячей волны (КСВ) осуществляются с помощью анализатора цепей.

Результаты. Предложен неаналитический метод параметрической оптимизации модели по критерию КСВ < 2 удобный для применения в средствах электродинамического моделирования (HFSS, CST, FEKO и др.). Приведены эскизы разработанной оптимизированной модели с указанием итоговых значений всех геометрических параметров излучателя. Представлены снимки расчетного распределения электрического поля на полотне антенны, расчетные диаграммы направленности на крайних частотных точках рабочего диапазона (0.9 ГГц…5.8 ГГц), расчетный КСВ модели. Полученные результаты дают представление об основных характеристиках синтезируемой антенны. По результатам моделирования и параметрической оптимизации геометрии излучателя изготовлен макет антенны. Приведены измеренные главные сечения диаграммы направленности и КСВ макета.

Заключение. В результате представленного исследования разработана модель широкополосного излучателя в диапазоне 0.9…5.8 ГГц, проведено макетирование и краткий сравнительный анализ расчетных и измеренных характеристик антенны, демонстрирующий хорошее совпадение расчетных и измеренных диаграмм направленности и зависимостей КСВ от рабочей частоты. Описаны преимущества предложенного метода и самой модели излучателя. Результаты работы актуальны в задачах наблюдения, пеленгации и приема сигналов от беспилотных летательных аппаратов.

53-65 194
Аннотация

Введение. Ранее было установлено, что в полярной ионосфере мелкомасштабные неоднородности (МН), вытянутые вдоль магнитного поля, анизотропны в поперечном к магнитному полю направлении. При этом бо́льшая из поперечных осей МН имеет тенденцию ориентироваться вдоль направления дрейфа МН. Для средних широт прямые сопоставления направления анизотропии МН и направления ионосферного дрейфа отсутствовали.

Цель работы. Прямое сопоставление экспериментальных данных о форме МН с параметрами движения неоднородностей при измерениях в одном и том же месте (Москва), в одно и то же время. Ранее экспериментально полученные значения ориентации поперечной анизотропии МН в среднеширотной ионосфере сравнивались только с моделью нейтральных ветров.

Материалы и методы. Для определения параметров анизотропии МН использован томографический подход – обработка радиомерцаний сигналов при пролете ряда навигационных спутников, излучающих частоты 150 и 400 МГц. В рамках модели МН в виде ориентированных по магнитному полю эллипсоидов с тремя разными характерными масштабами размеров вдоль и поперек магнитного поля Земли получены оценки соотношения осей эллипсоидов и ориентации поперечных осей анизотропии. Параметры неоднородностей получены подбором параметров модели, при которых расчетный ход дисперсии логарифма относительной амплитуды сигналов спутников по мере их движения по орбите наиболее близок к экспериментально полученной зависимости. Оценки скорости и направления дрейфа среднемасштабных неоднородностей (СН) получены по данным ионо-зонда DPS-4, при радиолокации ионосферы декаметровыми волнами с поверхности Земли. Одновременные измерения доплеровских сдвигов частоты и углов прихода на землю рассеянных волн позволяют получить оценки трех компонент скорости дрейфа среднемасштабных неоднородностей.

Результаты. Обнаружено хорошее соответствие между направлением дрейфа среднемасштабных неоднородностей и ориентацией поперечной анизотропии мелкомасштабных неоднородностей. Разница в направлениях дрейфа СН и ориентацией поперечных осей МН изменялась от 3 до 10 градусов (при условии пространственного совпадения областей ионосферы, где проводились измерения).

Заключение. Обсуждаемая связь ориентации поперечной анизотропии вытянутых неоднородностей и направления их дрейфа может быть полезна в условиях дефицита информации о неоднородной ионосфере при построении модели сигнала обратного рассеяния в задачах радиолокации в КВ-диапазоне.

66-74 230
Аннотация

Introduction. Relativistic, high intensity and small emittance electron bunches are the basis of a future linear collider and free electron laser projects. Drive beam generation in a wakefield structure employing for power extraction and acceleration low loss dielectrics like microwave ceramics, fused silica and Chemical Vapor Deposition (CVD) diamond were considered.

Objective. We report here our experimental testing of a ceramic material with extremely low loss tangent at GHz frequency ranges allowing the realization of high efficiency wakefield acceleration. We also present Barium Strontium Titanium oxides (BST) ferroelectric material, which is a critical tuning element of the 400 MHz superconducting radiofrequency (RF) tuner developed and tested by the CERN/Euclid Techlabs collaboration. The materials discussed here also include quartz and CVD diamonds that are capable of supporting the high RF electric fields generated by electron beams or pulsed high power microwaves. These materials have been optimized or specially designed for accelerator applications.

Materials and methods. The ceramic materials for accelerators, commonly used for the dielectric based accelerating structures, have to withstand high gradient accelerating fields, and prevent potential charging by electron beams. Correspondingly, the ceramic materials, fused silica and CVD diamond were tested with high power wakefield accelerating structures at Argonne Wakefield Accelerator of Argonne National Laboratory. Some of the presented here ceramic materials were tested at X-band 11.4 GHz magnicon high power source.

Results. Low loss microwave ceramics, fused silica, and CVD diamonds have been considered as materials for dielectric based accelerating structures to study of the physical limitations encountered driving > 100 MV/m at microwave and ~ GV/m at THz frequencies in a dielectric based wakefield accelerator. Various ceramic compositions were high power and electron beam tested at X-band 11.4 GHz magnicon power source and Argonne Wakefield Accelerator correspondingly. Special attention was paid to the CVD diamond cylindrical Ka-band 35 GHz wakefield structure development. Finally, the dielectric based structure tuning was demonstrated by varying the permittivity of the BST ferroelectric layer by temperature changes and by applying an external direct current electric field across the ferroelectric. This allows us to control the effective dielectric constant of the composite system and therefore, to control the structure frequency during operation. The same type of ferroelectric material was used for the Ferroelectric Fast Reactive tuner (FE-FRT) development. In a world first, CERN has tested the prototype FE-FRT with a superconducting cavity, and frequency tuning has been successfully demonstrated.

Conclusion. Recent results on the development and experimental testing of advanced dielectric materials for accelerator applications are presented. Low loss microwave ceramics, quartz and CVD diamond are considered. We presented our experimental results on wakefield generation in microwave frequency ranges with the dielectric based accelerating structures. Special attention was paid to the experimental results on high power testing at X-band of the externally powered dielectric based components. Finally, we present here first experimental demonstration of ferroelectric tunable microwave ceramic for accelerator application, which includes both tunable dielectric wakefield accelerating structure and ferroelectric based fast high power tuner for superconducting cavities. The experimental results presented here are critical for the advanced dielectric wakefield accelerating structures and other components development intended for the future linear collider projects.

75-81 195
Аннотация

Introduction. Microacoustic sensors based on surface acoustic wave (SAW) devices allow the sensor integration into a wafer based microfluidic analytical platforms such as lab-on-a-chip. Currently exist various approaches of application of SAW devices for liquid properties analysis. But this sensors probe only a thin interfacial liquid layer. The motivation to develop the new SAW-based sensor is to overcome this limitation. The new sensor introduced here uses acoustic measurements, including surface acoustic waves (SAW) and acoustic methamaterial sensor approaches. The new sensor can become the starting point of a new class of microsensor. It measures volumetric properties of liquid analytes in a cavity, not interfacial properties to some artificial sensor surface as the majority of classical chemical and biochemical sensors.

Objective. The purpose of the work is to find solutions to overcome SAW-based liquid sensors limitations and the developing of a new sensor that uses acoustic measurements and includes a SAW device and acoustic metamaterial.

Materials and methods. A theoretical analysis of sensor structure was carried out on the basis of numerical simulation using COMSOL Multiphysics software. Lithium niobate (LiNbO3) 127.86° Y-cut with wave propagation in the X direction was chosen as a substrate material. Microfluidic structure was designed as a set of rectangular shape channels. A method for measuring volumetric properties of liquids, based on SAW based fluid sensor concept, comprising the steps of: (a) providing sensor structure with the key elements: a SAW resonator, a high-Q set of liquid-filled cavities and intermediate layer with artificial elastic properties between them; (b) measuring of resonance frequency shift, associated with the resonance in liquid-filled cavity, in the response of weakly coupled resonators of SAW resonator loaded by periodic microfluidic structure; (c) determination of volumetric properties of the fluid on the basis of a certain relationship between the speed of sound in liquid, the resonant frequency of the set of liquid-filled cavities, and the geometry design of the cavity.

Results. The new sensor approach is introduced. The eigenmodes of the sensor structure with a liquid analyte are carried out. The characteristic of sensor structure is determined. The key elements of introduced microfluidic sensor are a SAW structure, an acoustic metamaterial with a periodic set of microfluidic channels. The SAW device acts as electromechanical transducer. It excites surface waves propagating in the X direction lengthwise the periodic structure and detects the acoustic load generated by the microfluidic structure resonator. The origin of the sensor signal is a small frequency change caused by small variations of acoustic properties of the analyte within the set of microfluidic channels.

Conclusion. The principle of the new microacoustic sensor, which can become the basis for creating a new class of microfluidic sensors, is shown.

82-88 173
Аннотация

Introduction. Petroleum is a complex mixture of hydrocarbons. Sulphur is the most common heteroatom in pe-troleum and petroleum products. Its content in oil can reach 14 %. The determination of sulphur in oil and its removal is of great importance, since sulphur compounds adversely affect the quality of petroleum products and pollute the environment. Desulphurization of hydrocarbons is important in the processing of petroleum products, which needs in usage of accurate and simple methods for the sulphur-containing components determination. Most of developed methods are difficult to apply for flow online analysis, which can create difficulties in using them to monitor the content of sulphur-containing heteroatomic components in real time. Acoustic sensors are one of the possible solutions. In term of sensing of flammable liquids, the use of the acoustic methods is attractive since the analyte is not a part of an electrical measuring circuit and it is only acoustically coupled that prevents an occurrence of a spark.

Objective. The purpose of the work is to study the possibilities of online flow analysis of sulphur-containing heteroatomic components using acoustic measurements. The challenge is the development of a resonator system integrated with the pipe.

Materials and methods. Thiophene and oil fraction with the boundary boiling point of 100–140 oC were used to prepare the mixtures. Thiophene is a representative of sulphur-containing components, which may be included in the composition of petroleum and its derivatives. Experimental measuring equipment includes impedance analyzer, a developed sensor structure integrated with a liquid-filled pipe, a pump and a tank with a measured liquid. A theoretical analysis of sensor structure was carried out on the basis of numerical simulation using COMSOL Multiphysics software.

Results. The sensor structure was designed as a combination of 2D and 1D pipe periodic arrangements to achieve high Q-factor of acoustic resonance in the flow system. The eigenmodes of the sensor structure with a liquid analyte were carried out. The characteristic of sensor structure is determined. The sensor shows good sensitivity to the thiophene content with high resolution in-line analysis. This result is achieved by limiting the energy losses of acoustic resonance in radiation along the pipe by creating a periodic structure.

Conclusion. The study of acoustic properties of solutions prepared on the basis of thiophene and oil fraction with boundary boiling point 100–140 °C was performed. It shows that methods based on acoustic spectroscopy make it possible to accurately determine the concentration of heteroatomic components in gasoline mixtures, since the presence of heteroatomic components leads to a change in mechanical properties of liquid hydrocarbons mixtures. Possible applications for developed acoustic sensor are flow analysis for monitoring the quality of oil products.

89-98 170
Аннотация

Введение. При эксплуатации высокоточных измерительных стендов необходимо обеспечить достоверность измерений. Изменение расположения элементов измерительного тракта, особенно в стендах, работающих в СВЧ-диапазоне, приводит к искажению полученных результатов измерений. Для достижения достоверности измерений необходимо контролировать расположение элементов измерительного стенда. Контроль должен проводиться в процессе измерения, устройство контроля должно подключаться к автоматической системе управления измерительным стендом. Устройство не должно воздействовать механически на элементы стенда и не привносить помех. В настоящее время используемые системы контроля по совокупности технических характеристик не соответствуют необходимым требованиям.

Цель работы. Разработка системы контроля перемещений элементов высокоточного измерительного стенда с точностью 1.0 · 10–4 мм, не оказывающей механического воздействия на контролируемые элементы и не вносящей электрических и электромагнитных помех с возможностью цифровой обработки сигнала.

Материалы и методы. В разработанной системе использованы оптические методы контроля перемещений, основанные на геометрической оптике. Методами математического моделирования (Mathcad) определены реакции системы на изменение траектории луча и оценена чувствительность оптической системы контроля. Для регистрации реакции системы на изменение положения оптического пути используются приборы с зарядовой связью.

Результаты. Разработаны 2 варианта системы контроля. В первом варианте система позволяет регистрировать изменения в расположении элементов стенда, во втором – идентифицировать элемент, изменивший геометрическое положение. Система способна регистрировать перемещения элементов стенда на 1.0 · 10–4 мм и контролировать расположения элементов стенда при вибрационном воздействии. Система не оказывает механического и электромагнитного воздействия на элементы стенда. Все элементы системы не чувствительны к воздействию СВЧ-излучения и повышенного радиационного фона, за исключением прибора с зарядовой связью, который должен располагаться вне зоны облучения. Система контроля перемещений элементов высокоточного измерительного стенда позволяет производить цифровую обработку сигнала. Предложен способ повышения точности системы.

Заключение. Система может использоваться в стендах с повышенным СВЧ-, рентгеновским и радиационным излучением. В сравнении с системами, основанными на других физических принципах (индуктивный, емкостной и реостатный) разработанная система значительно проще в реализации.

99-108 206
Аннотация

Введение. В современной технике эксперимента известно направление, связанное с разработкой информационно-измерительных систем регистрации и анализа избыточных низкочастотных шумов. Любой измерительный канал представлен в виде многокаскадной схемы с заданными параметрами каждого каскада, что затрудняет адаптацию измерительной системы к конкретным условиям эксперимента. Решением проблемы является унификация всех компонентов канала, однако при этом одной из основных проблем является оценка собственных шумов электронных элементов, обеспечивающих изменение параметров усилителя.

Цель работы. Анализ собственных шумов электронных потенциометров, разработка малошумящего унифицированного усилителя постоянного тока с возможностью внешнего цифрового управления параметрами и исследование его характеристик.

Материалы и методы. С помощью метода суперпозиции произведен теоретический расчет шумового усиления для каждого компонента неинвертирующего усилителя. Экспериментальные исследования проводились на базе установки, представляющей собой малошумящий усилительный тракт и спектроанализатор на основе модуля сбора данных E14-440 и программного обеспечения «PowerGraph».

Результаты. По результатам теоретических расчетов шумового усиления для металлопленочных резисторов и экспериментальных исследований характеристик электронных потенциометров показано, что их удельные значения напряжений шумов практически идентичны. Использование цифрового потенциометра в качестве элемента обратной связи и малошумящего источника смещения с двухполярным питанием (AD8400), позволяют реализовать на их основе унифицированный модуль с возможностью каскадирования. Внешнее цифровое управление на основе однокристального микроконтроллера PIC18F2550, разработанного протокола канального уровня «Master-Slave» и ASCII-интерфейса командной строки на базе сети RS-485 позволяет адаптировать его к задачам измерения шумов электронных компонентов, малых токов и напряжений, фликкер-шумов, построения распределенных систем сбора и обработки информации.

Заключение. Полученные теоретические и практические результаты делают возможным проектирование многоканальных распределенных измерительных систем постоянного тока с адаптацией измерительных каналов к поставленным задачам и возможностями программной коррекции характеристик в реальном времени.

109-114 235
Аннотация

Introduction. Increasing demands of precise geometry measurements by science and industry cause the necessity of improvement in an associated branch of legal and practical metrology. One of the most significant fields is the measurement of internal dimensions and so the issues with the unit of meter transfer. Now we face the situation when the current accuracies of National standards of different levels in corresponding traceability chain (reference rings measurements) get close to each other. This means that we have to make the standard of upper level more precise. One of the obvious ways is to apply the latest ultra-stable laser locked to a frequency comb.

Objective. The objective is to propose possibilities for improvement of the National secondary standard of the unit of length by researching its measuring capabilities to minimize measurement uncertainty.

Materials and methods. The calculation of expanded uncertainty of internal diameter measurements by the National secondary standard of the unit of length is performed according to the international document «Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement» JCGM 100:2008 approved by BIPM. The secondary standard research results represented in previous reports and publications are also taken into consideration.

Results. Detailed uncertainty budget for the proposed measuring system is given as well as graphical data representing the accuracy improvement.

Conclusion. Actions for minimization of measurement uncertainty components of the National secondary standard of the unit of length in the field of reference ring internal diameter measurements in combination with state-of-the-art laser interferometer system improve it to the next frontiers of accuracy and precision.



Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1993-8985 (Print)
ISSN 2658-4794 (Online)