Journal of the Russian Universities. Radioelectronics / Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника
Not a member yet
541 research outputs found
Sort by
Особенности построения радиофотонных приемопередающих каналов бортовых систем связи, радиолокации и радиомониторинга
Get PDFIntroduction. Designers of modern on-board systems for communication, radar, and radio monitoring face the problem of improving their qualitative characteristics, including the operating frequency, instantaneous bandwidth, receiver sensitivity, and electromagnetic compatibility. In addition, the dimensions, weight, and power of such systems, as well their cost, should be minimized. However, the current semiconductor microwave electronics has reached its limits in terms of frequency and dynamic characteristics. A possible solution consists in the implementation of microwave photonic transmission lines in the design of on-board systems for communication, radar, and radio monitoring on the basis of modulation of laser radiation by means of electro-absorption.Aim. To study the transfer characteristics and noise figure of a microwave photonic transmission line realized based on the modulation of laser radiation by means of electro-absorption. To compare the results of theoretical calculations and experimental investigations.Materials and methods. The research methodology involved external modulation using an electro-absorption modulator (EAM), mathematical representation of the transmission coefficient, as well as comparison of the theoretical and practical results.Results. Theoretical values of the transmission coefficient and noise figure for a microwave photonic transmission line based on the external modulation method using an EAM were obtained. Experimental values of the transmission coefficient and noise figure for a microwave photonic line in the frequency range from 100 MHz to 16 GHz were presented. The obtained data were compared with those of the nearest mass-produced products of foreign production and those presented in domestic publications on microwave photonic signal transmission lines.Conclusion. The use of an EAM, whose main advantage consists in the possibility of integration with a laser emitter, allowed the authors to design and manufacture a small-sized industrial prototype of a radio-photonic transceiver, capable of transmitting a radio signal over tens of kilometers in the frequency range from 100 MHz to 12 GHz with a transmission coefficient of at least −3 dB and a noise figure no more than 36 dB at the upper operating frequency. At the same time, the closest analogue manufactured by Emcore with similar dimensions has a transmission coefficient of −30 dB and uses direct modulation of laser radiation as a transmission method, which significantly reduces the transmission range of the microwave signal.Введение. При проектировании современных бортовых систем связи, радиолокации и радиомониторинга остро стоит проблема улучшения качественных характеристик, таких, как увеличение рабочей частоты, расширение мгновенной полосы пропускания и повышения чувствительности приемника, улучшение электромагнитной совместимости. Кроме того, необходимо уменьшать размер системы, ее массу, мощность и стоимость. При этом полупроводниковая сверхвысокочастотная (СВЧ) электроника подошла к границам достижимых частотных и динамических характеристик. Одним из оптимальных решений данной проблемы является использование радиофотонной передающей линии при построении бортовых систем связи, радиолокации и радиомониторинга, в основе которой лежит модуляция лазерного излучения посредством электроабсорбции.Цель работы. Основная цель данной статьи – исследование передаточных характеристик и коэффициента шума радиофотонной передающей линии, в основе которой лежит модуляция лазерного излучения посредством электроабсорбции, сопоставление теоретических расчетов и практических результатов.Материалы и методы. Метод внешней модуляции с использованием электроабсорбционного модулятора (ЭАМ), математическое представление коэффициента передачи, коэффициента шума при использовании ЭАМ, метод сопоставления практических результатов в части коэффициента передачи, коэффициента шума и теоретических.Результаты. Получены теоретические значения коэффициента передачи и коэффициента шума для радиофотонной передающей линии, в основу которой положен метод внешней модуляции с использованием ЭАМ. Представлены экспериментальные результаты исследования коэффициента передачи и коэффициента шума для радиофотонной линии в диапазоне частот от 100 МГц до 16 ГГц и сопоставлены с результатами как для наиболее близких серийно выпускаемых изделий зарубежного производства, так и отечественных исследований радиофотонных линий передачи сигнала.Заключение. За счет использования ЭАМ и его главного достоинства в части возможности интеграции с лазерным излучателем был спроектирован и изготовлен малогабаритный промышленный образец радиофотонного приемопередатчика, способный передавать радиосигнал на десятки километров в диапазоне частот от 100 МГц до 12 ГГц с значением коэффициента передачи не менее −3 дБ и коэффициента шума не более 36 дБ на верхней рабочей частоте. При этом наиболее близкий аналог, изготавливаемый фирмой "Emcore", при схожих габаритах имеет коэффициент передачи на уровне −30 дБ и в качестве способа передачи использует непосредственную модуляцию лазерного излучения, что значительно снижает дальность передачи СВЧ-сигнала
Конструктивные подходы к интеграции приборов на основе разных полупроводниковых технологий в микроэлектронике СВЧ
Get PDFIntroduction. Enhanced performance of electronic systems can be achieved by heterogeneous integration of different semiconductor technologies. The benefits of heterogeneous integration become obvious when close connections between the devices are provided. The development of integration approaches, enabling functionality and improved performance, appears a relevant task for modern microwave microelectronics.Aim. Review of state-of-the-art and promising heterogeneous integration concepts and techniques in microwave microelectronics.Materials and methods. Eight integration approaches that ensure the connection of devices based on different semiconductor technologies for microwave frequencies are considered: monolithic heterogeneous integration, wafer bonding, micro-transfer printing, embedded chip assembly, print additive manufacturing, wire bonding, flip-chip, and hotvia. The integration approaches are analyzed in terms of their implementation specifics, advantages and disadvantages.Results. Monolithic heterogeneous integration and wafer bonding, as well as micro-transfer printing, despite the minimum interconnections, have a number of fundamental limitations. These limitations are related to the compatibility of various semiconductor technologies and the necessity of high technological capabilities. The technology of embedded chip assembly enables the variability of implementation techniques, which makes it possible to provide unique characteristics, e.g., due to the integration of magnetic materials. However, this approach is associated with a high complexity of integration technological processes. Flip-chip integration ensures minimal interconnect losses due to bump miniaturization. Hot-via, as a modification of flip-chip, provides for a better compatibility with microstrip type circuitry. Their further improvement and mass application largely depends on the development of technologies for the formation of low-pitch interconnections.Conclusion. The development of close integration approaches in microwave microelectronics is proceeding both in the monolithic direction, i.e., monolithic heterogeneous integration wafer bonding, as well as in the quasi-monolithic direction, i.e., micro-transfer printing, embedded chip assembly, print additive manufacturing, flip-chip, and hot-via. The conducted comparative analysis of the presented methods has practical application.Введение. Достижение высоких характеристик радиоэлектронной системы требует применения комбинации приборов, реализованных на разных полупроводниковых технологиях, – гетерогенной интеграции. Достоинства гетерогенной интеграции очевидны при компактном соединении элементов в единую схему. Развитие подходов интеграции, обеспечивающих повышенную функциональность и улучшенные рабочие характеристики, является актуальной проблемой современной электронной компонентной базы СВЧ.Цель работы. Аналитический обзор современных и перспективных направлений конструктивных решений интеграции микроэлектроники СВЧ на основе разных широкозонных полупроводниковых технологий.Материалы и методы. Рассмотрены 8 подходов интеграции, обеспечивающих соединение приборов на разных полупроводниковых технологиях в СВЧ-диапазоне: монолитная гетерогенная интеграция, монтаж пластина-к-пластине, метод переноса слоев, интеграция в единую подложку, интеграция методом печати, интеграция проволоками, перевернутый монтаж, hot-via. Рассмотрены конструктивные подходы интеграции, этапы реализации, достоинства и недостатки.Результаты. Монолитная гетерогенная интеграция и монтаж пластина-к-пластине, как и метод переноса слоев, несмотря на минимальные длины межсоединений, имеют ряд фундаментальных ограничений, связанных с совместимостью разных полупроводниковых материалов, а также требуют больших технологических возможностей, что сдерживает их развитие и применение. Интеграция в единую подложку из-за вариативности реализации позволяет обеспечить уникальные характеристики, например благодаря интеграции магнитных материалов, однако требует высокой сложности технологических процессов интеграции. Метод перевернутого монтажа обеспечивает минимальные потери и паразитные составляющие переходных межсоединений в СВЧ-диапазоне благодаря миниатюризации переходных межсоединений. Hot-via, как модификация метода перевернутого монтажа, обеспечивает лучшую совместимость с микрополосковыми схемами. Их дальнейшее совершенствование и массовое применение во многом зависят от развития технологии формирования локальных переходных межсоединений.Заключение. Развитие подходов близкой интеграции в микроэлектронике СВЧ идет как в монолитном направлении – монолитная гетерогенная интеграция и монтаж пластина-к-пластине, так и в гибридномонолитном – метод переноса слоев, интеграция в единую подложку, применение аддитивных технологий, перевернутый монтаж и hot-via. Проведенный сравнительный анализ представленных методов имеет практическое применени
Исследование компенсационных методов регулирования параметров ключевых преобразователей напряжения
Get PDFIntroduction. Approaches to the introduction of negative feedback in pulse control systems regulating the parameters of electricity flow with pulse-width modulation (PWM) continue to attract research attention in the field of switch power amplifiers (SPA) and switch voltage converters (SVC). Evaluation of the potential of compensation methods is of importance when selecting power electronics devices for various purposes.Aim. To review compensation methods for parameter regulation and to investigate conditions for the operational stability of SVC with feedback on output voltage and current.Materials and methods. The research methodology included the theory of pulsed automatic control systems, the method of harmonic linearization with stability assessment according to Nyquist criteria, and the generating filter method based on multiple frequencies.Results. An analysis of operational stability conditions was carried out. Analytical dependences and graphical representation of the limit feedback values from the modulation parameters and the switch transformation scheme were proposed.Conclusion. The conducted study of the feedback depth in SVC, limited by the penetration of high-frequency components into the path of a width-modulated signal and its delay, due to the peculiarities of the terminal stage of the SPA, demonstrates that the limit value of the voltage feedback depth at typical circuit parameters does not exceed 12 dB, while the depth of the current feedback of the filter choke of the low frequencies can be fundamentally (more than 20 dB) higher. At the same time, the implementation of voltage stabilization and output current limitation modes for maintaining reliable operation in start-up and overload modes is possible only with the use of combined feedback.Введение. Изучение особенностей введения отрицательной обратной связи в системах импульсного регулирования параметров потока электроэнергии с широтно-импульсной модуляцией всегда вызывало особый интерес разработчиков ключевых усилителей мощности (КУМ) и преобразователей напряжения (КПН). Оценка потенциала компенсационных методов является актуальной задачей при выборе направлений реализации устройств силовой электроники различного назначения.Цель работы. Обзор компенсационных методов регулирования параметров и исследование условий устойчивости работы КПН с обратной связью по выходному напряжению и току.Материалы и методы. В работе использованы основы теории импульсных систем автоматического регулирования, дополненные методом гармонической линеаризации с оценкой устойчивости по критериям Найквиста и методикой формирующего фильтра с применением метода кратных частот.Результаты. Проведен анализ условий устойчивости работы, предложены аналитические зависимости и графическое представление величин предельной обратной связи от параметров модуляции и схемы ключевого преобразования.Заключение. Проведенное исследование глубины обратной связи в ключевых регуляторах напряжения, ограниченной проникновением высокочастотных составляющих в тракт формирования широтномодулированного сигнала и его задержкой, обусловленные особенностями работы оконечного каскада КУМ, демонстрирует, что предельное значение глубины обратной связи по напряжению при типовых параметрах схемы не превышает 12 дБ, тогда как глубина обратной связи по току дросселя фильтра нижних частот может быть принципиально (более чем на 20 дБ) выше. При этом реализация режимов стабилизации напряжения и ограничения выходного тока для обеспечения надежной работы в пусковых режимах и режимах перегрузки возможна только при применении комбинированной обратной связи
Антенна Фабри–Перо на основе электрически перестраиваемой щелевой антенны и двухслойной частотно-селективной поверхности
Get PDFIntroduction. One of the directions in Fabry–Perot antenna design consists in increasing its operation frequency range. In the present work, we set out to develop a Fabry–Perot antenna with a smooth gain pattern across a wide frequency range. To that end, a tunable slot antenna based on a thin-film ferroelectric varactor was used. The major development criterion was a high uniformity of the gain pattern, not exceeding 1 dB in the given frequency band. Aim. To develop a Fabry–Perot antenna for the 4.9–5.5 GHz frequency range with a high gain uniformity within the operating frequency band.Materials and methods. The antenna under development was based on thin-film ferroelectric capacitors as tunable elements. Fluoroplastic plates metallized on both sides were used as a dielectric material for manufacturing a frequency selected surface and a slot antenna. The parameters of ferroelectric elements were measured using a resonance technique, while the parameters of the dielectric material were determined using the Nicholson–Ross–Weir method.Results. The developed antenna has an operating frequency band of 4.9–5.5 GHz. Samples of ferroelectric capacitors and foiled dielectric material were manufactured and experimentally investigated. A tunable slot antenna was fabricated, and its characteristics were measured. The simulation results show that the gain value of the developed Fabry–Perot antenna is not less than 10 dB in the operation frequency range. Variations in the gain value within the operating frequency band do not exceed 0.7 dB.Conclusion. A Fabry–Perot antenna based on an electrically tunable slot antenna and a two-layer frequency-selective surface was developed. The operating frequency band of the developed device ranges within 4.9–5.5 GHz, which corresponds to the frequency band of Wi-Fi networks. Optimization of the antenna design parameters made it possible to achieve higher gain values under their minor variations in the operation frequency band.Введение. Ряд работ в области конструирования антенн Фабри–Перо направлен на достижение широкой полосы рабочих частот, однако не всегда удается добиться сравнительно одинакового коэффициента усиления внутри нее. В данной статье описана конструкция антенны Фабри–Перо, в которой для расширения полосы частот использовалась перестраиваемая щелевая антенна. Одним из критериев при разработке антенного устройства являлась высокая стабильность коэффициента усиления – его изменения не должны превышать 1 дБ в заявленной полосе.Цель работы. Разработка антенны Фабри–Перо для частотного диапазона 4.9…5.5 ГГц с высокой стабильностью коэффициента усиления внутри рабочей полосы частот.Материалы и методы. В конструкции разрабатываемой антенны в качестве перестраиваемых элементов использовались тонкопленочные сегнетоэлектрические конденсаторы. Диэлектрическим материалом при разработке антенны служил металлизированный армированный фторопласт. Параметры сегнетоэлектрических элементов измерялись с использованием резонансной методики, в то время как параметры диэлектрического материала определялись с помощью метода Николсона–Росса–Вейра.Результаты. Рабочая полоса частот разработанной антенны составила 4.9…5.5 ГГц. Были изготовлены и экспериментально исследованы образцы сегнетоэлектрических конденсаторов и фольгированного диэлектрического материала, на основе которых был создан прототип перестраиваемой щелевой антенны. Результаты моделирования показали, что коэффициент усиления разработанной антенны Фабри–Перо составил не менее 10 дБ. Изменение коэффициента усиления внутри рабочей полосы частот не превысило 0.7 дБ.Заключение. Разработана Антенна Фабри–Перо на основе электрически перестраиваемой щелевой антенны и двухслойной частотно-селективной поверхности. Рабочая полоса частот разработанной антенны составила 4.9…5.5 ГГц, что соответствует полосе частот сетей Wi-Fi. Оптимизация конструктивных параметров антенны позволила добиться высокого коэффициента усиления при его малом изменении в заданном частотном диапазоне
Алгоритм распознавания малоразмерных воздушных целей по траекторным признакам в полуактивной РЛС
Get PDF Introduction. In the past few years, the rapid development and widespread use of unmanned aerial vehicles (UAVs) for solving a variety of tasks has created new threats. The problem of ensuring the safety of protected objects, especially in the area of critically important objects or in places with difficult ornithological conditions (airports, wind power facilities), is of particular importance. In this regard, the issue of detecting small air targets and recognizing their type and degree of danger is acquiring greater importance. This paper presents an algorithm for recognizing air targets based onartificial intelligence technology. The results of a comparative analysis of decision-making methods for recognizing small UAVs and birds based on their trajectory features are presented. The results obtained can be used in the development of systems for recognizing classes of small airborne targets in existing and future radar stations. Aim. Development of an algorithm for recognizing small air targets by trajectory features based on machine learning. Implementation and evaluation of the quality of decision-making methods in a given recognition problem. Materials and methods. Experimental data on the trajectories of UAVs and birds obtained in a passive bistatic radar system are used. The trajectory parameters of the targets and their statistical characteristics are calculated; a set of features for recognition is formed. Using the MATLAB software package, a program for implementing the recognition algorithm and analyzing the quality of decision-making methods was developed. Results. An algorithm for recognizing air targets based on artificial intelligence technology is presented. A comparative analysis of the six most common recognition methods based on machine learning (Naïve Bayes, decision trees, k-nearest neighbors, neural network recognition algorithm, support vector machine, random forests) was carried out, which showed that, under the conditions of this problem, the most effective are k-nearest neighbor method and support vector machine. Conclusion. The presented methods can be used to directly determine the class of targets from a set of marks of their trajectories. Further research will be aimed at developing and implementing a real-time recognition algorithm. Введение. В последние несколько лет бурное развитие и широкое применение беспилотных воздушных средств (БВС) для решения самых разных задач формирует и новые угрозы. Особую значимость приобретает проблема обеспечения безопасности, особенно в зоне критически важных охраняемых объектов или в местах со сложной орнитологической обстановкой (аэропорты, объекты ветроэнергетики). В связи с этим возрастает актуальность обнаружения малоразмерных воздушных целей, распознавания их типа и степени опасности. В данной статье приведен алгоритм распознавания воздушных целей по траекторным признакам на основе технологии искусственного интеллекта. Представлены результаты сравнительного анализа качества методов классификации БВС и птиц на основе их траекторных признаков. Цель работы. Разработка алгоритма распознавания малоразмерных воздушных целей по траекторным признакам на основе методов машинного обучения. Реализация и оценка качества методов принятия решения в заданной задаче распознавания. Материалы и методы. Используются экспериментальные данные траекторий БВС и птиц, полученные в полуактивной радиолокационной системе (РЛС). Рассчитаны траекторные параметры целей, их статистические характеристики, сформирован набор признаков для распознавания. С помощью пакета MATLAB разработана программа для реализации алгоритма распознавания и анализа качества методов принятия решения. Результаты. Представлен алгоритм распознавания воздушных целей на основе технологии искусственного интеллекта. Проведен сравнительный анализ шести наиболее распространенных методов распознавания на основе машинного обучения (наивный байесовский метод, решающие деревья, метод k-ближайших соседей, нейросетевой алгоритм распознавания, метод опорных векторов, метод случайных лесов), который показал, что в условиях данной задачи наиболее эффективными являются метод k-ближайших соседей и метод опорных векторов. Заключение. Полученные результаты свидетельствуют о том, что предложенные методы позволяют определить класс целей по набору отметок их траекторий. Дальнейшие исследования будут направлены на разработку и реализацию алгоритма распознавания в реальном времени
Исследование нелинейного логического элемента "исключающее ИЛИ-НЕ" на основе наведенного нелинейного сдвига фазы спиновых волн
Get PDFIntroduction. Recent years have seen a growing interest in studying the nonlinear properties of spin waves. Nonlinear phenomena, such as envelope solitons, nonlinear frequency shifts of intense spin waves, and etc., have attracted particular attention. However, a number of important issues remain to be underexplored, including the problem of induced nonlinear phase shift of spin waves. The relevance of this problem is related to the need to develop spin-wave logic gates that could be controlled by changing the spin wave phase.Aim. To study a nonlinear XNOR logic gate whose operation is based on the induced nonlinear phase shift of a spin wave.Materials and methods. An original theory is used to simulate the frequency response of a nonlinear XNOR logic gate. The operating principle of the nonlinear XNOR logic gate is substantiated. The possibility of implementing the nonlinear XNOR logic gate in a circuit similar to a spin-wave Mach-Zehnder interferometer is experimentally demonstrated.Results. An experimental study of the induced nonlinear phase shift of operating signals incident on identical nonlinear spin-wave phase shifters located in the arms of the logic gate was carried out. It is shown that an increase in the pump signal power up to 60 mW, supplied to nonlinear phase shifters, changes the induced nonlinear phase shift of the operating signal by more than 180°. Hence, nonlinear phase shifters can be used for constructing spin-wave logic gates. In addition, the operating principle of a spin-wave logic gate was experimentally studied. It is shown that the XNOR logical function is implemented in the low-frequency part of the device’s frequency response characteristic.Conclusion. Numerical simulation of the characteristics of a nonlinear XNOR logic gate based on the Mach-Zehnder interferometer circuit was carried out. It is shown that its logical functions are implemented due to the effect of an induced nonlinear phase shift of spin waves in nonlinear phase shifters located in different arms of the logic gate.Введение. В последние годы наблюдается рост интереса к исследованию нелинейных свойств спиновых волн. Были исследованы такие нелинейные явления, как солитоны огибающей, нелинейный сдвиг собственных частот интенсивных спиновых волн и многие др. Однако ряд важных вопросов остается неизученным. Сюда можно отнести задачу исследования наведенного нелинейного сдвига фазы спиновых волн. Интерес к такому исследованию обусловлен необходимостью разработки спин-волновых логических элементов, управление которыми происходило бы с помощью изменения фазы рабочей спиновой волны.Цель работы. Исследование нелинейного логического элемента "исключающее ИЛИ-НЕ", в основе работы которого лежит эффект наведенного нелинейного сдвига фазы рабочей спиновой волны.Материалы и методы. С помощью оригинальной теории проводится моделирование амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) логического элемента "исключающее ИЛИ-НЕ". Обосновывается принцип его работы. С помощью векторного анализатора цепей экспериментально показывается возможность реализации логической функции "исключающее ИЛИ-НЕ" в схеме по типу спин-волнового интерферометра Маха–Цендера.Результаты. Проведено экспериментальное исследование наведенного нелинейного сдвига фазы рабочих сигналов, падающих на идентичные нелинейные спин-волновые фазовращатели (НФВ), расположенные в плечах логического элемента. Показано, что с ростом мощности сигнала накачки до 60 мВт, подающегося на нелинейные фазовращатели, происходит наведенный нелинейный сдвиг фазы рабочего сигнала более, чем на 180°, что обусловливает возможность использования НФВ для построения спин-волновых логических элементов. Также экспериментально исследован принцип действия спин-волнового логического элемента. Показано, что в низкочастотной области АЧХ устройства реализуется логическая функция "исключающее ИЛИ-НЕ".Заключение. Проведено численное моделирование характеристик спин-волнового логического элемента "исключающее ИЛИ-НЕ", построенного по схеме интерферометра Маха–Цендера. Показано, что логические функции выполняются за счет эффекта наведенного нелинейного сдвига фазы спиновых волн в нелинейных фазовращателях, расположенных в разных плечах логического элемента
Непараметрические байесовские сети как инструмент комплексирования данных мультимасштабного анализа временных рядов и дистанционного зондирования
Get PDFIntroduction. Nonparametric Bayesian networks are a promising tool for analyzing, visualizing, interpreting and predicting the structural and dynamic characteristics of complex systems. Modern interdisciplinary research involves the complex processing of heterogeneous data obtained using sensors of various physical nature. In the study of the forest fund, both methods of direct dendrological measurements and methods of remote observation using unmanned aerial vehicles are widely used. Information obtained using these methods must be analyzed in conjunction with hydrometeorological monitoring data.Aim. Investigation of the possibility of automating the monitoring of the well-being of the forest fund based on the integration of ground survey data, remote multispectral measurements and hydrometeorological observations using the mathematical apparatus of nonparametric Bayesian networks.Materials and methods. To assess the long-term joint dynamics of natural and climatic indicators and the radial growth of trees, a modified method of multiscale cross-correlation analysis was used with the removal of the background trend described by the moving average model. Relationships between various indicators were estimated based on the unconditional and conditional nonparametric Spearman correlation coefficients, which were used to reconstruct and parameterize the nonparametric Bayesian network.Results. A multiscale nonparametric Bayesian network was constructed to characterize both unconditional and conditional statistical relationships between parameters obtained from remote sensing, hydroclimatic and dendrological measurements. The proposed model showed a good quality of the plant fund state forecasting. The correlation coefficients between the observed and predicted indicators exceed 0.6, with the correlation coefficient comprising 0.77 when predicting the growth trend of annual tree rings.Conclusion. The proposed nonparametric Bayesian network model reflects the relationship between various factors that affect the forest ecosystem. The Bayesian network can be used to assess risks and improve environmental management planning.Введение. Непараметрические байесовские сети представляют собой перспективный инструмент для анализа, визуализации, интерпретации и прогнозирования структурных и динамических характеристик сложных систем. Современные междисциплинарные исследования подразумевают комплексную обработку разнородных данных, получаемых с помощью датчиков различной физической природы. При исследовании лесного фонда широко применяются методы как непосредственных дендрологических измерений, так и дистанционного наблюдения с использованием беспилотных летательных аппаратов. Информацию, полученную с помощью этих методов, необходимо анализировать во взаимосвязи с данными гидрометеорологического мониторинга.Цель работы. Исследование возможности автоматизации мониторинга благополучия лесного фонда на основе комплексирования данных наземных исследований, дистанционных мультиспектральных измерений и гидрометеорологических наблюдений с использованием математического аппарата непараметрических байесовских сетей.Материалы и методы. Для оценки долговременной совместной динамики природно-климатических показателей и радиального прироста деревьев использован модифицированный метод мультимасштабного взаимного корреляционного анализа с удалением фонового тренда, описываемого моделью скользящего среднего. Взаимосвязи между различными показателями оценивались на основе безусловных и условных непараметрических коэффициентов корреляции Спирмена, которые использовались для реконструкции и параметризации непараметрической байесовской сети.Результаты. Построена мультимасштабная непараметрическая байесовская сеть, характеризующая безусловные и условные статистические взаимосвязи между параметрами, полученными в результате дистанционного зондирования, гидроклиматических и дендрологических измерений. Предложенная модель показала хорошее качество прогнозирования состояния растительного фонда. Коэффициенты корреляции между наблюдаемыми и предсказываемыми показателями превышают значения 0.6, а при предсказании тренда прироста годичных колец деревьев коэффициент корреляции составляет 0.77.Заключение. Предложенная непараметрическая байесовская сетевая модель отражает взаимосвязи между различными факторами, влияющими на лесную экосистему. Байесовская сеть может использоваться для оценки рисков и улучшения планирования экологического управления
Parameter Justification of a Signal Recognition Algorithm Based on Detection at Two Intermediate Frequencies
Get PDF Introduction. The signal recognition task for the purposes of RF spectrum management can be solved using a signal recognition algorithm with detection at two intermediate frequencies. This algorithm is based on time–frequency analysis using fast Fourier transform (FFT) and signal envelope processing. Due to the relative simplicity of transformations, this algorithm is implemented on commercially available field programmable gate arrays and allows processing received signals in near real-time. However, the justification of the algorithm parameters providing effective signal recognition by the criterion of minimizing the signal-to-noise ratio (SNR) has not performed so far. Aim. Justification of parameters of the developed signal recognition algorithm, providing the minimum required SNR at the algorithm input. Materials and methods. The efficiency of the developed algorithm was estimated by computer simulation in the MATLAB environment. Results. The influence of the parameters of functional blocks and received signals on the efficiency of the developed algorithm was investigated. For chirp, simple pulse, binary, and quadrature phase shift keying signals, the following parameters are recommended: a pulse duration of 5…20 μs; a chirp rate of 0.8…24 MHz/μs; a code duration of 0.5…1 μs. For these signal parameters, the parameters of the algorithm ensuring its efficiency according to the given criterion are as follows: the number of FFT points equals 1024; the Hamming weight window; bandwidths of band-pass filters are 4 MHz; signal envelope amplitude averaging coefficient equals 0.15…0.25. Conclusion. The algorithm with the scientifically valid parameters can be used for recognition of signals at the input minimum SNR for the given types and parameters of signals. Introduction. The signal recognition task for the purposes of RF spectrum management can be solved using a signal recognition algorithm with detection at two intermediate frequencies. This algorithm is based on time–frequency analysis using fast Fourier transform (FFT) and signal envelope processing. Due to the relative simplicity of transformations, this algorithm is implemented on commercially available field programmable gate arrays and allows processing received signals in near real-time. However, the justification of the algorithm parameters providing effective signal recognition by the criterion of minimizing the signal-to-noise ratio (SNR) has not performed so far. Aim. Justification of parameters of the developed signal recognition algorithm, providing the minimum required SNR at the algorithm input. Materials and methods. The efficiency of the developed algorithm was estimated by computer simulation in the MATLAB environment. Results. The influence of the parameters of functional blocks and received signals on the efficiency of the developed algorithm was investigated. For chirp, simple pulse, binary, and quadrature phase shift keying signals, the following parameters are recommended: a pulse duration of 5…20 μs; a chirp rate of 0.8…24 MHz/μs; a code duration of 0.5…1 μs. For these signal parameters, the parameters of the algorithm ensuring its efficiency according to the given criterion are as follows: the number of FFT points equals 1024; the Hamming weight window; bandwidths of band-pass filters are 4 MHz; signal envelope amplitude averaging coefficient equals 0.15…0.25. Conclusion. The algorithm with the scientifically valid parameters can be used for recognition of signals at the input minimum SNR for the given types and parameters of signals
Антенные системы с широкоугольным механоэлектрическим сканированием
Get PDF Introduction. The active development of satellite communication networks determines the need for new antenna systems for ground terminals. The Sphere Federal program implies the commissioning of new satellite constellations for communication and remote sensing of the Earth. The Skif (providing broadband Internet access) and Express-RV (providing the Internet and communications for Arctic) satellite constellations are not geostationary, thus requiring constant satellite tracking even for stationary terminals. Deflecting structures operating on the principle of quasi-optical beam control make it possible to develop scanning antenna systems for organizing continuous satellite communications. Aim. Investigation of various types of dielectric structures for radiation pattern deflection and scanning antenna systems on their basis, as well as identification of a configuration with improved characteristics compared to the ideal structure in the shape of a dielectric wedge. Materials and methods. Mathematical modeling, electrodynamic modeling using CAD by the finite element method and the finite integration method, as well as an experimental study of an antenna system prototype in an anechoicchamber by measuring methods in the far-field and near-field of the antenna. Results. Electrodynamic simulation was carried out for three types of dielectric structures, analogues of a dielectric wedge, including a structure assembled from various dielectrics of fixed sizes with different dielectric constants; a structure of triangular dielectric plates; and a perforated dielectric structure. In addition, scanning antenna systems based on the presented configurations were analyzed. Radiation patterns were obtained for all structural types for various rotation angles of the deflecting systems. The structure assembled from various dielectrics of fixed sizes with different dielectric constants was found to possess the most optimal characteristics. This structure was used to develop a model for experimental confirmation of the conducted electrodynamic simulation. The maximum tilt angle of the radiation pattern was about 60°, the decrease in the directivity relative to the maximum value was 6 dB; for tilt angles up to 55°, the directivity degradation did not exceed 4 dB, the level of the side lobes did not exceed –12 dB (calculated) and –14 dB (measured). Conclusion. The results of studies into various types of structures for quasi-optical beam control of the radiation pattern show the possibility of using these configurations when creating low-profile antenna systems with wide-angle mechanoelectric scanning for organizing satellite communications for both mobile and stationary consumers using medium earth orbit spacecrafts. Введение. В связи с активным развитием спутниковых сетей связи возникает потребность и в новых антеннах для наземных терминалов. Федеральная программа "Сфера" предполагает введение в эксплуатацию новых спутниковых группировок для связи и дистанционного зондирования Земли. Спутниковые группировки "Скиф" (предоставление широкополосного доступа в Интернет) и "Экспресс-РВ" (обеспечение Арктики интернетом и связью) не относятся к геостационарным и требуют постоянного слежения за спутником даже для стационарных терминалов. Отклоняющие структуры, работающие по принципу квазиоптического управления диаграммой направленности (ДН), позволяют разрабатывать сканирующие антенные системы (АС) для организации непрерывной спутниковой связи. Цель работы. Исследование различных типов диэлектрических структур для отклонения ДН и сканирующих АС на их основе, а также выявление конфигурации с лучшими характеристиками по сравнению с идеальной структурой в виде диэлектрического клина. Материалы и методы. Математическое моделирование, электродинамическое моделирование при помощи САПР методом конечных элементов и методом конечного интегрирования, а также экспериментальное исследование макета АС в безэховой камере методами измерения в дальней и ближней зонах антенны. Результаты. Проведено электродинамическое моделирование трех типов отклоняющих диэлектрических структур – аналогов диэлектрического клина: структуры, набранной из диэлектриков с различными диэлектрическими проницаемостями; структуры из диэлектрических пластин треугольной формы; структуры из перфорированного диэлектрика, а также сканирующих АС на основе представленных конфигураций. Получены их расчетные ДН. Выявлена структура с лучшими характеристиками, на основе которой изготовлен макет для экспериментального подтверждения результатов электродинамического моделирования. Максимальный угол наклона ДН составил порядка 60°, снижение коэффициента направленного действия (КНД) относительно максимального значения составило 6 дБ, а для углов наклона до 55° деградация КНД не превысила 4 дБ, уровень боковых лепестков не превысил значения –12 дБ (расчетный) и –14 дБ (измеренный). Заключение. Результаты исследований различных типов структур квазиоптического управления лучом ДН показывают возможность использования данных конфигураций при создании низкопрофильных АС с широкоугольным механоэлектрическим сканированием для организации спутниковой связи как для мобильных потребителей, так и для стационарных, с использованием средне- и низкоорбитальных космических аппаратов
Создание кольцевой антенной решетки на основе излучателей Вивальди для широкополосного канала связи с ретрансляцией
Get PDFIntroduction. Unmanned aerial vehicles (UAVs) are rapidly gaining in popularity. The UVA development requires active antenna systems capable of forming a narrow beam of the main lobe of the radiation pattern. Although numerous studies have considered specialized antenna arrays with a wide range of scanning angles, the location of such systems on UAVs remains under-investigated. The development of such arrays for UAVs will enable the creation of a secure relay broadband channel with a few repeaters.Aim. Development of a broadband antenna array for UAVs with the possibility of setting the main lobe of the radiation pattern in any direction of the azimuthal plane, for use in relay tasks.Materials and methods. An emitter model and a circular antenna array on its basis was developed in the Ansys HFSS electromagnetic modeling package.Results. The dependence of the directional coefficient and the gain for an array consisting of 8 and 16 elements was shown. Voltage standing-wave ratio dependences and directivity patterns that satisfy the conditions of retransmission in a wide-frequency band using UAVs were obtained. Recommendations on the number of active elements in a circular antenna array that ensure the maximum gain (directivity) were formulated.Conclusion. Technical solutions that can be used in the development of UAVs are proposed. The system can be further improved by optimizing the antenna array elements and using a cylindrical or hemispherical array.Введение. В настоящее время беспилотные летательные аппараты (БПЛА) находят все более широкое применение. Одной из задач развития БПЛА является создание активных антенных систем с возможностью установки узкого луча главного лепестка диаграммы направленности (ДН). Несмотря на то, что во многих исследованиях рассматривается создание специализированных антенных решеток с широким диапазоном углов сканирования, особенности расположения таких систем на БПЛА не изучались подробно. После разработки таких решеток для БПЛА возможно создание цепи ретрансляции с защищенным широкополосным каналом.Цель работы. Разработка широкополосной антенной системы для БПЛА с возможностью установки главного лепестка ДН в любом направлении азимутальной плоскости для использования в задачах ретрансляции.Материалы и методы. В рамках исследования разработана модель излучателя и кольцевой антенной решетки на его основе в пакете электромагнитного моделирования Ansys HFSS.Результаты. Показаны частотные зависимости коэффициента направленного действия (КНД) и коэффициента усиления (КУ) для кольцевой антенной решетки, состоящей из 8 и 16 элементов, а также частотные зависимости коэффициента стоячей волны по напряжению и ДН, удовлетворяющие условиям ретрансляции в широкой полосе частот с использованием БПЛА. Представлены рекомендации по количеству активных элементов кольцевой решетки для обеспечения максимума КУ (КНД).Заключение. Предложены конструктивные решения для использования антенных систем на БПЛА. В дальнейшем система может быть улучшена за счет оптимизации элементов антенной решетки и использования цилиндрической или полусферической решетки