Journal of the Russian Universities. Radioelectronics / Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника
Not a member yet
541 research outputs found
Sort by
Low Loss Microwave Ceramic and other Microwave Dielectric Materials for Beam Physics Applications
Get PDFIntroduction. 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.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
СИНТЕЗ ПОЛОСНЫХ ФИЛЬТРОВ С НЕРАВНОВОЛНОВЫМИ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
Get PDFIntroduction. Band-pass filters circuit elements can be calculated by converting low-pass filter (LPF) parameters, which is the prototype of the designed band-pass filter. The conversion causes problems in case calculated values of circuit elements (resistors and capacitors) are out of standard values determined by the GOST standard. Obviously, frequency characteristics of band-pass filters are distorted when replacing the calculated values of circuit elements by the standard ones. The number of circuit elements with values different from standard can be reduced to zero by solving an additional system of equations that connects parameters of designed and reintroduced non-equiripple frequency responses. Objective. The objective of this work is to develop a calculation method of band-pass ladder filters with values of circuit elements corresponding to standard ones. Materials and methods. The filter design process includes two stages. The first stage is a parameters calculation of a polynomial LPF prototype. The calculated parameters are determined as a system of equations solution set. The equations are formed by equating coefficients of variables raised to the same powers in transfer function (TF) expressions of designed and realized filters. Initial characteristics are the filter order and frequency response unevenness. The transition to the standard values of circuit elements can be done when solving another system of equations that connects LPF converted parameters with unknown parameters of reintroduced non-equiripple frequency response. Results. TF of LPF prototypes up to the fifth order and frequency responses of band-pass filters (BPF) and bandrejection filters up to the tenth order are presented. Analytical expressions of non-equiripple and equiripple frequency responses are used to estimate distortions of the latter when a band-pass filter center frequency is tuned by using variable inductors or capacitors. The integral quadratic function of a variable is taken as a measure of real frequency response distortions. The tenth order BPF calculation example is given. Conclusion. The presented calculation methods of band-pass filters and given example demonstrate possibilities of the filter design method based on the systems of non-linear equations solution. In contrast to approximation methods of ideal filter frequency response by using special functions and tabular filters design, the presented method allows high-order filter calculation for any initial requirements without using reference data.Введение. При расчете полосных фильтров элементы цепи могут быть определены посредством преобразования параметров фильтра нижних частот (ФНЧ), являющегося прототипом синтезируемого фильтра. Проблема может возникнуть в случае, если в результате преобразования номиналы синтезированных элементов (резисторов и конденсаторов) выпадают из шкал значений, определенных межгосударственным стандартом. Очевидно, что при замене расчетных значений стандартными частотные характеристики полосных фильтров искажаются. Число компонентов, расчетные номиналы которых не соответствуют стандартному ряду, может быть сведено к нулю решением дополнительной системы уравнений, связывающей параметры синтезированной и вновь вводимой неравноволновой амплитудно-частотных характеристик (АЧХ). Цель работы. Разработка методики расчета полосных фильтров лестничной структуры с элементами, соответствующими стандартным значениям. Материалы и методы. Процесс синтеза включает 2 этапа. На первом этапе рассчитываются параметры полиномиального ФНЧ-прототипа. Расчетные параметры определяются в результате решения системы уравнений, образованных приравниванием коэффициентов при одинаковых степенях переменной в выражениях реализуемой передаточной функции (ПФ) и ПФ синтезируемого фильтра. Исходными характеристиками являются порядок фильтра и неравномерность передачи цепи. Переход к номинальным значениям всех элементов выполнен при решении еще одной системы уравнений, связывающих преобразованные параметры ФНЧ с неизвестными (искомыми) параметрами вновь вводимой неравноволновой АЧХ. Результаты. Представлены ПФ ФНЧ-прототипов до пятого порядка и АЧХ полосно-пропускающих фильтров (ППФ) и полосно-заграждающих фильтров до десятого порядка. Аналитические выражения неравноволновой и равноволновой АЧХ применены для оценки искажений последней при изменении центральной частоты настройки полосных фильтров с помощью переменных индуктивностей или конденсаторов. В качестве меры искажений реальной частотной характеристики принята интегральная квадратичная функция переменной величины. Приведен пример расчета ППФ десятого порядка. Заключение. Представленные методики расчета полосных фильтров и приведенный пример наглядно демонстрируют возможности метода синтеза фильтров, основанного на решении систем нелинейных уравнений. В отличие от методов аппроксимации идеальной характеристики фильтра в частотной области с помощью специальных функций и табличного проектирования фильтров рассмотренный метод позволяет рассчитать фильтр высокого порядка для любых исходных требований, не прибегая к справочным данным
Моделирование и практическая реализация широкополосной двухгребневой рупорной антенны с шириной рабочей полосы более октавы и высоким уровнем кроссполяризационной развязки
Get PDFIntroduction. The resolution of the problem of radio polarimetry in multiposition microwave screening systems (MMSS) with aperture synthesis requires the use of antennas with a high level of cross-polarization discrimination (XPD) in a wide spatial angle. The radio images are reconstructed in MMSS at distances commensurate with the aperture of the antenna structures. Therefore, the value of the spatial angle, at which high XPD is required, can reach 30°. This leads to a new problem of creating an antenna configuration of the X and Ku band, the application of which in MMSS will resolve the problem of constructing a radio image of depolarized microwave radiation scattered on the human body in the form of hidden dangerous objects.Aim. To develop a double-ridged receiving antenna for long-term operation in MMSS with an XPD level of 28 dB at a spatial angle of 30° and operating frequencies of 8…20 GHz.Materials and methods. The requirements for the receiving antenna in MMSS were determined. Theoretical justifications were proposed for the choice of antenna design. Aperture synthesis was used to construct microwave images in MMSS. The stages and results of modelling broadband double-ridge antennas were presented using the CST Studio software broadly applied for three-dimensional electro-magnetic field modelling. The results of modelling pyramidal and conical double-ridged antennas, as well as those in circular and elliptical waveguides, were analyzed. The designed antenna was tested in an anechoic chamber. The measurement results were compared with those obtained during simulation.Results. An elliptical double-ridged horn antenna with a VSWR of no more than 2 and cross-polarization discrimination in a spatial angle of 30° of no less than 28 dB for the frequency range that covers an octave was designed and constructed.Conclusion. The developed antenna can be used in MMSS for the purpose of detecting the effect of micro-wave radiation depolarization as hidden dangerous objects on a human body. Such characteristics of the antenna as its high XPD value in a wide spatial angle will allow the future introduction of microwave polarimetry in MMSS.Введение. Для решения задачи радиополяриметрии в многопозиционных микроволновых досмотровых системах (ММДС) с апертурным синтезом необходимо использовать антенны с высоким уровнем кроссполяризационной развязки (КПР) в широком пространственном угле. Восстановление радиоизображений в ММДС происходит на дистанциях, соизмеримых с размерами апертуры антенных структур, поэтому значение пространственного угла, в котором необходимо выполнение требования высокой КПР, может достигать 30°. Таким образом, возникает новая задача создания антенной структуры X- и Ku-диапазонов, применение которой в ММДС позволило бы решить задачу построения радиоизображения деполяризованного микроволнового излучения, рассеянного скрытыми опасными объектами на теле человека.Цель работы. Разработка приемной антенны жесткой конструкции для долговременной эксплуатации в ММДС с уровнем КПР 28 дБ при пространственном угле 30° и рабочих частотах 8… 20 ГГц.Материалы и методы. Определены требования для приемной антенны в ММДС. Приведены теоретические обоснования для выбора конструкции антенны. В разработанной ММДС для построения микроволнового изображения используется апертурный синтез. Представлены этапы и результаты моделирования широкополосных двухгребневых антенн в программе трехмерного моделирования электромагнитного поля CST Studio. Рассмотрены результаты моделирования двухгребневых антенн: пирамидальной, конической, в круглом и эллиптическом волноводах. Произведено сравнение результатов измерения в безэховой камере для макета полученной антенны и результатов моделирования.Результаты. Разработана и изготовлена двухгребневая эллиптическая антенна жесткой конструкции, с КСВН не более 2 и кроссполяризационной развязкой в пространственном угле 30° не менее 28 дБ в диапазоне частот, перекрывающем октаву.Заключение. Антенна может быть использована в ММДС для детектирования эффекта деполяризации микроволнового излучения скрытыми опасными объектами на теле человека. Высокое значение КПР антенны в широком пространственном угле позволит в дальнейшем внедрить микроволновую поляриметрию в ММДС
Широкополосный волноводно-микрополосковый переход для частотного диапазона 60 ГГЦ
Get PDFIntroduction. The frequency band around 60 GHz is one of the most promising to realize new generation communication systems with high data rate due to the utilization of a wide operational frequency band that significantly exceeds traditional frequency bands below 6 GHz. High interest in the development of 60 GHz communication systems is related to the recent evolution of MMIC technology that allows creating effective components for this band and the variety of planar devices. Both are typically realized on printed circuit boards and have interfaces that are based on microstrip lines. The wideband waveguide-to-microstrip transition is required to test various active and passive planar devices with microstrip interfaces in order to provide an effective interconnection between the standard waveguide interface of measurement equipment and planar microstrip structures.Objective. The paper deals with the design of planar wideband waveguide-to-microstrip transition with low insertion loss level in the 60 GHz frequency band.Materials and methods. The main objective is achieved by analyzing of discontinuities in waveguide-tomicrostrip transition structure and their influence on transition characteristics. The transition characteristics are analyzed using full-wave electromagnetic simulation and confirmed with experimental investigation of designed wideband waveguide-to-microstrip transition samples.Results. The designed transition is based on an electromagnetic coupling through a slot aperture in a microstrip line ground plane. The transition is performed without using blind vias in its structure that provides low production cost and al-lows integrating the WR-15 rectangular waveguide in a simple manner without any modifications in the waveguide structure. Results of the electromagnetic simulation are confirmed with experimental investigations of the fabricated waveguide-to-microstrip transition samples. The designed transition provides operation in the nominal bandwidth of the WR-15 waveguide, namely, 50…75 GHz with the insertion loss level of 2 dB and with less than 0.8 dB insertion loss level at the 60 GHz frequency.Conclusion. The designed waveguide-to-microstrip transition can be considered as an effective solution for interconnection between various waveguide and microstrip millimeter-wave devices due to its wideband performance, low insertion loss level, simple integration and robustness to the manufacturing tolerances structure.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
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕРМИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ НА СТРУКТУРУ И ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛЕНОК ВОССТАНОВЛЕННОГО ОКСИДА ГРАФЕНА
Get PDFIntroduction. An incomplete list of graphene properties includes high electric conductivity, thermal conductivity, strength, large surface area, high light transmittance. Graphene is a very promising material from the point of view of its application in micro- and nanoelectronics. In addition, graphene advantage is a possibility of its obtaining by various ways. It allows creating materials with desired physicochemical properties by using appropriate technological methods. Objective. The investigation of a thermal reduction temperature influence on physicochemical properties of graphene oxide (GO) films. Materials and methods. In the present work, GO films are obtained on a slide surface by its immersing and removing from a graphene oxide water dispersion (dip coating). Obtained samples are studied by methods of scanning electron microscopy, Raman spectroscopy, and elemental CHN analysis. A sheet resistance is measured by a four-point probes method. Results. A content difference of elements (C, H, N) in studied samples, and both graphene structure defectiveness and sheet resistance decrease, are found to be proportional to a reduction temperature increase. A GO films thickness decrease during a heat treatment is also observed, which is presumably associated with a functional GO groups loss while thermal reduction. Conclusion. Research results demonstrate a possibility of a carbon films with desired physicochemical properties obtaining from a reduced graphene oxide (RGO), which can be used in thin-film technologies. Presented materials can also be useful in issues related to GO and RGO obtaining and applying.Введение. Высокая электропроводность, теплопроводность, прочность, большая площадь поверхности, высокий коэффициент светопропускания – это лишь неполный перечень свойств графена – материала, являющегося весьма перспективным с точки зрения применения в микро- и наноэлектронике. Кроме того, к преимуществам графена можно отнести возможность его получения различными способами. Это позволяет, используя соответствующие технологические приемы, создавать материалы с заданными физико-химическими характеристиками. Цель работы. Исследование степени влияния температуры термического восстановления на физикохимические свойства пленок оксида графена (ОГ). Материалы и методы. В описываемой работе пленки ОГ были получены на поверхности предметного стекла посредством его погружения и извлечения из водной дисперсии оксида графена (dip coating). Полученные образцы были охарактеризованы методом сканирующей электронной микроскопии, спектроскопии комбинационного рассеяния света, элементного CHN-анализа. Удельное поверхностное электрическое сопротивление было измерено четырехзондовым методом. Результаты. Установлено отличие содержания элементов (C, H, N) в исследуемых образцах, снижение дефектности в графеновой структуре, а также уменьшение удельного электрического сопротивления пропорционально увеличению температуры восстановления. Также обнаружено уменьшение толщины пленок ОГ при термической обработке, что предположительно связано с потерей функциональных групп в ОГ при его термическом восстановлении. Заключение. Результаты исследований демонстрируют возможность получения углеродных пленок из восстановленного оксида графена (ВОГ) с заданными физико-химическими характеристиками, которые могут найти применение в тонкопленочных технологиях. Представленные материалы также могут быть полезны исследователям в вопросах получения и применения ОГ и ВОГ
Метод автоматической сегментации транспортных средств на изображении
Get PDFIntroduction. Modern systems for active vehicle safety are designed to significantly reduce the number of road accidents. Sensors based on monocular cameras are increasingly being introduced by the world's leading automakers as an effective tool for improving traffic safety. Modern methods of localisation and classification, combined with semantic segmentation algorithms, allow for image division into independent groups of pixels corresponding to each object. However, the problem of developing segmentation algorithms ensuring improved quality of image segmentation remains to be solved.Aim. To develop an automatic method for segmenting a given object during image analysis.Materials and methods. An automatic method for segmenting vehicles in an image was proposed. The method presented herein allows semantic segmentation of the object of interest, based upon a priori information about the bounding boxes, which frame the objects in the image. Bounding box information is used to transform an image into a polar coordinate system where the pixels of the image act as the edges of a weighted graph. A closed contour is obtained around the object of interest by using the shortest path search algorithm and inverse transformation to the Cartesian coordinate system.Results. The experiments confirmed the correctness of the selected area of interest based on this algorithm. Jacquard’s similarity coefficient for the Carvana open database is 85 %. Furthermore, the proposed method was applied to different classes of images from the Pascal VOC database, thus demonstrating the ability to segment objects of other classes.Conclusion. The main contribution of the proposed method was as follows: 1) segmentation of the object of interest at the level of modern methods, and in some cases in excess thereof; 2) the study presents a new look at the way of tracking object contours.Введение. Современные системы активной безопасности транспортных средств призваны существенно снизить количество дорожно-транспортных происшествий. Датчики на основе монокулярных камер все чаще внедряются ведущими мировыми автопроизводителями как эффективный инструмент повышения безопасности движения. Современные методы локализации и классификации в совокупности с алгоритмами семантической сегментации позволяют разделить изображение на независимые группы пикселов, соответствующие каждому объекту. Тем не менее является актуальным разработка методов сегментации, обеспечивающих улучшение качества сегментации изображений.Цель работы. Разработка автоматического метода сегментации детектированного объекта интереса на изображении.Методы и материалы. В статье предложен автоматический метод сегментации транспортных средств на изображении. Представленный метод позволяет провести семантическую сегментацию объекта интереса на основе априорной информации о границах прямоугольника, ограничивающего объект на изображении. Информация о границах объекта используется для преобразования изображения в полярную систему координат, где пикселы изображения выступают в роли ребер взвешенного графа. С использованием алгоритма поиска кратчайшего пути и обратного преобразования в декартову систему координат вокруг объекта интереса формируется замкнутый контур.Результаты. Проведенные эксперименты подтвердили корректность выделения объекта интереса на основе предложенного метода. Коэффициент сходства Жаккара для открытой базы изображений Carvana составил 85 %. Предложенный метод также был успешно применен к разным классам изображений базы Pascal VOC, что доказало возможность обработки объектов различных классов.Заключение. Основной вклад предложенного метода: 1) позволяет сегментировать объект интереса на уровне современных методов сегментации, а в отдельных случаях превосходит их; 2) предоставляется новый взгляд на способ прослеживания контура объекта
СКАНИРУЮЩАЯ ТОРОИДАЛЬНО-БИФОКАЛЬНАЯ ЛИНЗОВАЯ АНТЕННАЯ СИСТЕМА ДИАПАЗОНА 57–64 ГГЦ
Get PDFIntroduction. Currently, one of the most promising approaches to the development of 5th generation mobile wireless systems is the deployment of heterogeneous networks based on existing LTE cellular systems having both large and small cells. Small, low-cost relay stations equipped with highly directional steerable antenna systems to connect small cells with LTE base station serving macrocell can comprise the main elements of such networks. Objective. Since existing solutions are either too expensive or do not allow the flexible rearrangement of current information transmission lines, the objective of this work is to develop antenna equipment for low-cost relay stations based on simple, steerable antenna systems of millimetre wavelength (57-64 GHz), which allow beamsteering on both azimuth and elevation planes. Methods and materials. The developed steerable, bifocal lens antenna system comprises a specially-shaped lens made of high-molecular-weight polyethylene and integrated with a phased array antenna. A key feature of its design is a wide-angle beamsteering in the azimuth plane and ability to adjust the beam in the elevation plane. The calculation of the lens profiles was carried out by means of an approximation of geometrical optics in Matlab, while the main technical characteristics of the lens antenna system were obtained by direct electromagnetic modelling in CST Microwave Studio. Results. A prototype steerable, bifocal lens-array antenna system has been developed and its characteristics studied. The following technical characteristics are achieved in the 57–64 GHz range: beamsteering in the elevation plane – ±3º; beam-steering in the azimuth plane – ±40º; antenna gain – from 20 to 27.5 dBi for all angles. Conclusion. It is shown that the developed antenna system can be successfully used as a component of the receiving and transmission equipment of small relay stations that transmit information in the frequency range of 57-64 GHz over a distance of 100-300 m.Введение. В настоящее время одним из перспективных подходов к построению систем мобильной радиосвязи пятого поколения является развертывание неоднородных сетей на основе существующих систем сотовой связи LTE с большими и малыми сотами. Основными элементами таких сетей могут стать небольшие дешевые релейные станции, оснащенные высоконаправленными сканирующими антенными системами для связи малых сот с базовой станцией LTE, обслуживающей макросоту. Существующие решения во многом слишком дороги или не позволяют гибко перестраивать используемые линии передачи информации. Цель работы. Разработка антенного оборудования для дешевых релейных станций на основе простых сканирующих антенных систем миллиметрового диапазона длин волн (57…64 ГГц), позволяющих управлять главным лучом в двух плоскостях: азимутальной и угломестной. Материалы и методы. Профиль линзы из высокомолекулярного полиэтилена был рассчитан в приближении геометрической оптики в MATLAB. Основные технические характеристики линзовой антенной системы получены прямым электромагнитным моделированием в CST Microwave Studio, а также в ходе экспериментальных исследований с помощью вспомогательной антенны с высоким коэффициентом усиления, расположенной в дальней зоне. Результаты. Разработан и создан прототип сканирующей бифокальной линзовой антенной системы, представляющий собой линзу специальной формы из высокомолекулярного полиэтилена, интегрированную с плоской фазированной антенной решеткой. В диапазоне рабочих частот 57…64 ГГц достигнуты следующие технические показатели: углы сканирования в угломестной плоскости ±3º, в азимутальной плоскости ±40º, коэффициент усиления антенной системы для всех углов сканирования находится в пределах 20…27.5 дБи. Заключение. Разработанная линзовая антенная система может найти практическое применение в качестве приемо-передающего антенного оборудования небольших релейных станций, осуществляющих передачу информации в частотном диапазоне 57…64 ГГц на расстояния 100…300 м
О ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ОПОРНОГО СИГНАЛА В ГОМОДИННОМ АКУСТООПТИЧЕСКОМ СПЕКТРОАНАЛИЗАТОРЕ
Get PDFIntroduction. For a homodyne acousto-optic spectrum analyzer functioning a reference optical channel must be organized. The signal in this channel should provide uniform reference illumination throughout the spatial frequency range. In the general case, the spectrum analyzer functioning can be considered with a continuous photosensor and photosensor with charge accumulation. With the last one, the signal in the reference channel is proposed to be a wideband pulses periodic sequence. Objective. Analyze the spectrum analyzer functioning with a periodic reference signal. Materials and methods. We derive the mathematical expression to describe the influence of the reference signal structure on the analyzer’s output signal for the cases of continuous photosensor and photosensor with charge accumulation. Results. It is shown that in the case of continuous photosensor, the reference signal periodicity does not lead to characteristics degradation. However, in the case of many frequency resolution points it is impractical, since each photodetector signal is parallel, processing is required: filtering, amplification and digitization. In the case of using of the charge accumulation sensor, the discrete frequency grid appears, which means signals omissions in frequency. This can be avoided by choosing the accumulation time equal to the minimum among the values of the acousto-optic modulator time aperture and the reference signal period, which is hard to implement, or still leads to the signal omissions in frequency or time. Conclusion. To perform a real-time mode in the homodyne acousto-optic spectrum analyzer, the reference signal must be either non-periodic, which raises the question of its synthesis, or a continuous photodiode array should be used.Введение. Для работы гомодинного акустооптического спектроанализатора необходимо организовать опорный оптический канал. Сигнал в этом канале должен обеспечивать равномерную засветку по всей области пространственных частот. В общем случае можно рассматривать работу спектроанализатора с фотоприемником мгновенного действия и фотоприемником с накоплением. В последнем случае сигнал в опорном канале предлагается формировать в виде периодической последовательности широкополосных импульсов. Цель работы. Анализ работы спектроанализатора с периодическим опорным сигналом. Материалы и методы. Анализ основан на выводе математического выражения, описывающего влияние структуры опорного сигнала на выходной сигнал спектроанализатора для случаев применения фотоприемника мгновенного действия и фотоприемника с накоплением. Результаты. Показано, что для спектроанализатора с фотоприемником мгновенного действия периодичность опорного сигнала не приводит к ухудшению характеристик. Однако такой вариант при большом количестве точек разрешения в частотной области нецелесообразен с практической точки зрения, так как требует параллельной обработки сигнала каждого фотоприемника трактом с фильтрацией, усилением и оцифровкой. При использовании фотоприемника с накоплением процесс накопления заряда приводит к формированию дискретной сетки частот, что означает наличие пропусков сигналов по частоте. Установлено, что избежать этого можно, выбирая время накопления, равное минимальному среди значений временной апертуры акустооптического модулятора и периода сигнала. Реализация такого варианта на практике либо невозможна на современных фотоприемниках с накоплением, либо приводит к наличию пропусков по частоте или времени. Заключение. Для обеспечения режима реального времени в гомодинном акустооптическом спектроанализаторе опорный сигнал должен быть либо непериодическим, что ставит вопрос о синтезе подходящего сигнала, либо необходимо использовать фотоприемник мгновенного действия в виде линейки фотодиодов
Improvement of the Russian National Secondary Standard of the Unit of Length Using Latest Ultra-Stable Laser Equipment
Get PDFIntroduction. 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.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