Preview

Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника

Расширенный поиск
Том 23, № 4 (2020)
Скачать выпуск PDF

РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ПЕРЕДАЧИ, ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

6-14 34
Аннотация

Введение. Современные методы стабилизации частоты автоколебаний базируются на улучшении стабильности реактивных параметров схемы автогенератора и повышении добротности колебательной системы. Существует также возможность улучшения стабилизации частоты, основанная на явлении взаимной синхронизации мод автогенератора при использовании многоконтурной колебательной системы. Ранее был описан метод снижения фазового шума с синхронизацией двух мод в бигармоническом автогенераторе с кратными частотами, разработанный в предположении безынерционности активного элемента. Идея метода синхронизации основного колебания с его второй гармоникой с помощью дополнительного контура основана на соображении, что внутренние флуктуационные процессы в активном элементе синфазно модулируют все гармоники тока. Это позволяет использовать "естественную" взаимную корреляцию шумовых процессов с целью нейтрализации их влияния.

Цель работы. Построение и анализ математической модели бигармонического автогенератора с целью анализа режимов его работы и уменьшения фазового шума выходного колебания.

Материалы и методы. Математическая модель получена методом медленно меняющихся амплитуд, а анализ выполнен методами численного интегрирования и дифференцирования.

Результаты. В статье проведен анализ динамических режимов бигармонического трехточечного автогенератора, работающего в режиме фазовой синхронизации двух мод. Показано, что с ростом инерционности активного элемента синхронный режим сохраняется. Получены укороченные дифференциальные уравнения системы для медленно меняющихся амплитуд и фаз колебательных мод. Исследование нелинейной динамики и стационарного синхронного режима системы проведено методом фазового пространства в координатах "амплитуды мод – разность фаз".

Заключение. Натурный эксперимент и теоретические исследования позволяют сделать вывод о возможности уменьшения фазового шума в стационарном синхронном двухмодовом режиме, что может быть использовано для стабилизации частоты автогенераторов различной физической природы. Механизм преобразования фазовых и амплитудных колебаний в режиме синхронизации представляет значительный интерес с фундаментальной точки зрения не только для анализа флуктуаций, но и для преобразования модулированных колебаний в нелинейных избирательных устройствах.

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА, МИКРОВОЛНОВАЯ ТЕХНИКА, АНТЕННЫ

15-24 27
Аннотация

Введение. Направление максимального излучения резонансных волноводно-щелевых антенных решеток совпадает с нормалью к продольной оси антенны. Такие антенны хорошо согласованы с питающей линией только в узкой полосе частот. При большом количестве элементов решетки даже незначительное отклонение от рабочей частоты приводит к существенному искажению диаграммы направленности. Устранение этих искажений в рабочей полосе частот становится актуальной задачей.

Цель работы. Сохранение в рабочей полосе частот неискаженной формы диаграммы направленности линейной резонансной волноводно-щелевой антенной решетки, построенной на основе продольных щелей на широкой стенке прямоугольного волновода.

Материалы и методы. Для решения поставленной задачи применено разбиение волноводно-щелевой антенной решетки на несколько подрешеток. Построение модели исследуемой структуры и анализ ее направленных свойств проведены в САПР Ansys HFSS с использованием макросов на языке Visual Basic Scripting Edition.

Результаты. В САПР Ansys HFSS разработаны 3 модели волноводно-щелевых антенных решеток, состоящие из двух, четырех и восьми подрешеток. Исследовано влияние разбиения антенны на подрешетки на диаграмму направленности на центральной частоте и на крайних частотах рабочего диапазона. Показано, что при разбиении антенны на подрешетки ширину главного лепестка диаграммы направленности на крайних частотах удается уменьшить с 2.4 до 1.0° и сравнять со значением этого параметра на центральной частоте.

Заключение. Исследования показали, что разбиение резонансной волноводно-щелевой антенной решетки на подрешетки является эффективной мерой, позволяющей добиться сохранения неискаженной диаграммы направленности в рабочей полосе частот. Сравнение полученных результатов с характеристиками антенны, не имеющей разбиения на подрешетки, показывает, что в области главного лепестка диаграммы направленности на центральной частоте и на крайних частотах рабочего диапазона совпадают с графической точностью, а уровень боковых лепестков не превышает –20 дБ.

СИСТЕМЫ, СЕТИ И УСТРОЙСТВА ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

25-37 19
Аннотация

Введение. Рассмотрена беспроводная система передачи данных, построенная на основе релейной сети, в которой связь между источником и приемником осуществляется через сеть релейных станций. Релейные станции работают по протоколу "усиление и передача", при котором каждая станция выполняет прием сигнала, усиление, поворот фазы и передачу на станцию-приемник. В результате возникает задача оптимизации мощностей и фазовых сдвигов, излучаемых релейными узлами, т. е. комплексных коэффициентов передачи этих узлов. Комплексные весовые коэффициенты релейных узлов оптимизируются таким образом, чтобы обеспечить максимальное отношение сигнал/шум в приемнике, при этом накладываются ограничения на мощности, излучаемые релейными узлами. В настоящей статье рассмотрена оптимизация пространственной обработки сигналов при наличии различной априорной информации о состоянии канала.

Цель работы. Анализ спектральной эффективности беспроводной релейной сети в рэлеевском канале с оптимальной пространственной обработкой при наличии априорной информации двух видов: о мгновенном состоянии канала и знании статистик второго порядка.

Материалы и методы. Оптимизация пространственной обработки в релейной сети основана на методах статической теории и теории оптимизации с использованием аппарата линейной алгебры и численного решения оптимизационных задач. Характеристики релейной сети анализируются с помощью математического моделирования на основе метода Монте-Карло. Статистическое моделирование выполняется в среде MatLab с использованием стандартных средств, а также пакета CVX для численного решения выпуклых оптимизационных задач.

Результаты. Представлены оптимальные решения для пространственной обработки сигналов релейной сети, основанные на критерии максимума отношения сигнал/шум при ограничении суммарной мощности сети или индивидуальных мощностей узлов сети. Проведено статистическое моделирование, получены спектральные эффективности релейной сети при наличии различного вида априорной информации о канале распространения сигнала и различных параметров канала. Получены зависимости средней пропускной способности для случайного рэлеевского канала от мощности источника и бюджета мощности на релейных узлах, а также статистических параметров канала, а именно коэффициентов, характеризующих соотношение между случайной и детерминированной составляющими канала.

Заключение. Полученные результаты имеют практическое применение. Так использование знания статистик второго порядка возможно в релейных сетях, в которых обеспечивается условие прямой видимости с малым уровнем фона от местных предметов. В условиях городской застройки, при которых возникают затенения и многолучевое распространение сигналов, возможно использование только подхода, основанного на знании мгновенного состояния канала.

КВАНТОВАЯ, ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ, ПЛАЗМЕННАЯ И ВАКУУМНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

38-47 20
Аннотация

Introduction. PECVD enables fabrication of wide range of advanced materials with various structure such as amorphous, polymorphous, nano-crystalline, nanostructured, microcrystalline etc. and with various electronic properties. The latter can be also changed by different dopingl. PECVD silicon materials are commercially employed in multi-layered PV structures (including ones on flexible substrates). Combining these materials with crystalline silicon active substrate resulted in significant improvement of PCE in hetero junction technology PV structures. Existence of new organic semiconductors (OS) together with understanding of physical properties resulted in fast development of OC PV devices.

Aim. To consider both PECVD and OS materials and to present description of fabrication, structure and electronic properties for device application.

Materials and methods. Devices based on non-crystalline materials, devices based on OS, hybrid devices. PECVD and Spin coating technique was used to deposit materials with tunable properties enabling device engineering possibilities.

Results. PECVD and OS materials were analyzed. These materials have different levels of characterization (data volume, interpretation of the results etc.) and of understanding of physics determining device performance. Some examples of these materials in PV including structures with crystalline silicon were considered.

Conclusion. Important advantage of both PECVD and OS materials is that fabrication methods are compatible and allow fabrication of great variety of hybrid device structures on crystalline semiconductors. Advantages of such devices are difficult to predict because of lack of data in scientific literature. However a new area in material science and related devices for further exploring and exploiting has appeared.

РАДИОФОТОНИКА

48-56 37
Аннотация

Введение. В настоящее время большой научный и практический интерес вызывает передача радиочастотного сигнала по оптической линии. Такую линию передачи можно также использовать при создании многих радиофотонных устройств. С ростом мощности используемого лазера снижаются потери СВЧ-сигнала в линии передачи. Однако массово выпускаемые фотодетекторы выдерживают мощность в несколько десятков милливатт. Использование фотодетектора с высоким фототоком позволит улучшить характеристики оптоволоконных линий передачи, в частности, снизить потери при передаче аналогового или цифрового радиочастотного сигнала.

Цель. Исследование характеристик фотодетектора с высоким фототоком в системе передачи сверхвысокочастотного радиосигнала по оптоволокну, а также исследование зависимости потерь СВЧ-сигнала от значения мощности оптического излучения в такой системе.

Материалы и методы. Экспериментальные исследования проведены на сконструированных экспериментальных схемах для исследования характеристик фотодетектора при модулированном и немодулированном оптическом излучении. Теоретические исследования выполнены математическим моделированием передаточных характеристик оптического тракта при различных мощностях входного СВЧ-сигнала.

Результаты. Найдены зависимости фототока и фотонапряжения фотодетектора от мощности излучения лазера. Представлены экспериментальные амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) оптической линии передачи, измеренные при различных мощностях оптического излучения. Описан алгоритм получения частотной зависимости чувствительности фотодетектора в диапазоне частот 0...12 ГГц. Приведены результаты теоретического расчета АЧХ линии передачи в указанном диапазоне частот. Получена приближенная частотная зависимость чувствительности фотодетектора.

Заключение. За счет использования фотодетектора с высоким значением фототока и повышения мощности лазера до 100 мВт потери СВЧ-сигнала в оптической линии передачи составили около 10 дБ. Показано, что для улучшения передаточных характеристик оптической линии передачи необходимо использовать широкополосный электрооптический модулятор.

ПРИБОРЫ МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ, КОНТРОЛЯ СРЕДЫ, ВЕЩЕСТВ, МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

57-65 17
Аннотация

Введение. В настоящее время волномерные буи (ВБ) повсеместно применяются для измерения статистических и спектральных параметров волн. Современные методы определения пространственного спектра волн используют их представление рядом Фурье, коэффициенты которого определяются по измерениям волновых процессов. Конструктивное исполнение современных ВБ позволяет измерять ординаты волн и углы волнового склона, чего достаточно для определения пяти членов ряда Фурье. Однако по измерениям волновой поверхности можно определить до девяти членов ряда. Для определения недостающих четырех членов необходима информация о кривизне волн. Отсутствие этой информации приводит к низкой разрешающей способности метода и к наличию в спектре отрицательных областей.

Цель работы. Разработка метода определения кривизны волн по измерениям ординат волн и углов волнового склона ВБ традиционной формы.

Методы и материалы. Приведены теоретические обоснования предложенного метода, представлено математическое моделирование нерегулярных волновых процессов в широком диапазоне интенсивности волн и экспериментальное исследование трех спектров волнения с троекратным повтором каждого из них.

Результаты. Разработан метод определения кривизны волн по измерениям ВБ традиционной формы посредством численного дифференцирования результатов измерений углов волнового склона с использованием информации о скорости распространения волн. Метод дополнен корректировкой амплитудных значений по критерию соответствия спектральных характеристик волновых процессов. Моделирование показало хорошее совпадение расчетной кривизны с заданными значениями. Отклонение по дисперсии составило менее 1 %. Экспериментальное исследование показало большее отклонение по дисперсии – до 9 %, что можно объяснить инструментальной погрешностью и неучтенным влиянием отраженных волн.

Заключение. Отличительной особенностью метода является использование измерений ординат волн и углов волнового склона, выполненных ВБ традиционной формы без дополнительных конструктивных элементов. Необходимы дополнительные исследования метода для определения влияния других факторов волнения (крутизны волн, ширины спектра, трехмерной структуры волны и т. д.) на результаты определения кривизны и пространственного спектра.

66-76 19
Аннотация

Введение. Оптическая когерентная томография (ОКТ) – неинвазивный инструмент для исследования оптически неоднородных сред с микронной точностью, включая онкологию кожи. Однако ОКТ-изображения тканей сильно зашумлены, что усложняет как экспертную, так и автоматическую оценку изображений. В литературе почти отсутствуют систематические сравнения алгоритмов шумоподавления.

Цель работы. Получить результаты сравнительного тестирования на наборе ОКТ-изображений меланомы кожи с помощью различных алгоритмов шумоподавления.

Материалы и методы. Описан ряд алгоритмов шумоподавления, в которые входят как 2 относительно простых классических алгоритма – винеровский и медианный, так и более сложные: комплексный диффузионный фильтр (Complex Diffusion Filter – CDF), нечеткий анизотропный диффузионный интервальный фильтр второго типа (Interval Type Two Fuzzy Anisotropic Diffusion Filter – ITTFADF) и фильтр на основе эмпирической модовой декомпозиции (Empirical Mode Decomposition – EMD), предложенный ранее автором для визуализации сеточных имплантов. Определены количественные метрики: отношение сигнал/шум (Signal-to-Noise Ratio – SNR), эффективное число наблюдений (Effective Numberof Looks – ENL), индекс структурного сходства и коэффициент корреляции χ, отражающие 2 основных выбранных принципа улучшения качества изображения: уменьшение шума и сохранность границ слоев ткани и неоднородностей.

Результаты. Получены результаты сравнительного тестирования на наборе изображений, состоявшем из 10 меланом, к которым были применены различные алгоритмы шумоподавления.

Заключение. Исследование не выявило лучший алгоритм по всем четырем метрикам. По метрике SNR лучше всего работают EMD-фильтр и CDF в зависимости от типа области. EMD-фильтр при этом либо лучший по всем признакам, либо уступает на неоднородных областях по SNR и занял второе место по ENL. Приняв за верную гипотезу о большей значимости сохранности границ перед интегральной оценкой шума, можно сделать однозначный вывод о необходимости использования именно EMD-фильтра. В качестве альтернативы EMD-фильтру можно рекомендовать использовать винеровский фильтр (выигрывающий на индексах сохранности границ) или ITTFADF, который занял третье место по всем используемым метрикам.

77-91 28
Аннотация

Введение. Нарушения деятельности микроциркуляторно-тканевых систем организма человека играют ключевую роль в патогенезе осложнений различных заболеваний. Однако при неинвазивном мониторинге микроциркуляторной функции и метаболических нарушений существует ряд нерешенных методологических и инструментальных проблем, связанных с недостаточной точностью, воспроизводимостью и информативностью результатов диагностики. Предложенный в настоящей статье подход мультипараметрической оптической диагностики, при котором оптические неинвазивные технологии применяются в сочетанном виде, может стать перспективным инструментом, улучшающим чувствительность и точность выявления микроциркуляторных и метаболических нарушений на ранней стадии, что важно для диагностики и лечения заболеваний различного профиля.

Цель работы. Разработка метода и устройства для оценки функционального состояния микроциркуляторно-тканевых систем организма человека на основе мультипараметрической оптической диагностики и оценка их диагностического потенциала в клинической практике.

Материалы и методы. В работе использованы теории переноса излучения, прикладной математической статистики и методов клинических исследований. Приведены статистические показатели разработанных методов диагностики, описан принцип построения устройства.

Результаты. Разработан оригинальный метод и принцип построения устройства для оценки функционального состояния микроциркуляторно-тканевых систем организма человека на основе мультипараметрической оптической диагностики.

Заключение. В настоящей статье представлен метод и устройство для оценки функционального состояния микроциркуляторно-тканевых систем организма человека на основе указанного подхода. Описаны основные принципы каждого из диагностических каналов – лазерной доплеровской флоуметрии, флуоресцентной спектроскопии и спектроскопии диффузного отражения. Представлены примеры клинического применения описанного устройства в различных областях медицины (эндокринология, ревматология, мини-инвазивная хирургия). Предложенный метод и принцип построения устройства с возможностью его технической адаптации за счет разработки дополнительных зондов для конкретных задач биомедицинских исследований делает проведение оптической неинвазивной диагностики доступным и повышает ее информативность.



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


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