Том 26, № 4 (2023)
Статьи
Особенности спектра отраженного и прошедшего света круговой поляризации для тонкого слоя анизотропного кристалла типа вюрцита вблизи фононного резонанса
Аннотация
Обоснование. Поляритоны привлекают внимание исследователей и инженеров своими уникальными свойствами и перспективными приложениями в области микро- и наноэлектроники. Среди таких применений могут быть устройства типа транзистора или даже лазера на поляритонах, о чем сообщалось в научной литературе.
Цель. В работе проводится анализ частотных спектров отражения при возбуждении поляритонов, а также рассматривается изменение эллипса поляризации при отражении света круговой поляризации от анизотропного кристалла.
Методы. На основе волнового уравнения в анизотропной среде выводится дисперсионное уравнение для поляритонов для расчета энергетических коэффициентов отражения с использованием метода характеристических матриц.
Результаты. В качестве объекта анализа выбран кристалл нитрида алюминия AlN. Показано, что применение поляризованного по кругу падающего излучения дает возможность с помощью анизотропного кристалла изменять характер поляризации от круговой до практически линейной.
Заключение. Найденная зависимость поляризации отраженного света может быть использована в электронных устройствах на базе поляритонов.
10-16
Частотный критерий устойчивости в «целом» импульсных преобразователей напряжения модуляционного типа по Ляпунову
Аннотация
Обоснование. Использование методов исследования и проектирования устойчивых нелинейных динамических систем путем построения частотных характеристик петлевого усиления отрицательной обратной связи импульсного преобразователя напряжения через временные характеристики, полученные численными методами решения нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитные процессы в преобразователе, занимает большое время и имеет низкую точность расчета оптимальных режимов, когда требуется рассчитывать сотни вариантов.
Цель. Поэтому представляется необходимым дальнейшее развитие теории устойчивости импульсных преобразователей напряжения модуляционного типа с использованием частотных критериев устойчивости, функций Ляпунова, амплитудно- и фазочастотных характеристики петлевого усиления преобразователя.
Методы. Устойчивость в «малом» решается с использованием линеаризованных моделей, которые строятся с использованием так называемого первого метода Ляпунова – метода «первого приближения». Второй метод исследования устойчивости нелинейных динамических систем – метод гармонической линеаризации, когда нелинейный элемент заменяется гармонически линеаризованным звеном с коэффициентом передачи только по первой гармонике. Результаты. Найдена функция Ляпунова для импульсного преобразователя напряжения с нелинейными элементами релейного типа.
Заключение. Полученные в работе результаты позволяют упростить проектирование импульсных преобразователей напряжения устойчивых по Ляпунову за счет применения метода амплитудно-частотных характеристик, используемых для стационарных линейных систем.
17-37
Анализ теплового влияния двух внешних параллельных печатных проводников плат, установленных на металлическое основание и работающих в условиях космического вакуума, друг на друга
Аннотация
Обоснование. Необходимость анализа теплового влияния двух внешних параллельных проводников обусловлена увеличением плотности проводящего рисунка. Для печатных плат, установленных на металлическое основание и работающих в условиях космического вакуума, эта необходимость обостряется слабостью проработки вопроса.
Цель. Проведение анализа взаимного влияния двух внешних параллельных печатных проводников плат, установленных на металлическое основание и работающих в условиях космического вакуума, друг на друга, для выявления зависимости их температуры от расстояния между ними и определения расстояния, при котором эта зависимость практически исчезает.
Методы. Для достижения цели использовался расчет конечно-элементным методом, реализованный в программе ANSYS, модуль Steady-State Thermal. Расчету подвергались три многослойные печатные платы: 4-слойная, 6-слойная, 8-слойная. Температурный коэффициент сопротивления учитывался отдельно путем пересчета.
Результаты. Были построены графики зависимостей перегрева (разницы между температурой печатного проводника и металлического основания) от расстояния между печатными проводниками. Проведена аппроксимация полученных результатов. По аппроксимированным зависимостям найдены минимальные значения расстояний между печатными проводниками, при которых взаимное влияние печатных проводников практически исчезает. С увеличением толщины печатной платы это расстояние увеличивается.
Заключение. Полученные результаты могут помочь оценить влияние соседних печатных проводников при проектировании плат бортовой аппаратуры космических аппаратов.
38-47
Беспроводная система связи в субтерагерцовом частотном диапазоне
Аннотация
Обоснование. Субтерагерцовый и терагерцовый диапазоны частот перспективны для создания высокоскоростных беспроводных сетей связи из-за возможности получения полосы пропускания в несколько десятков ГГц, что обеспечивает высокую пропускную способность. Однако быстрое ослабление сигнала при распространении в атмосфере создает сложности в обеспечении работы сетей связи этих диапазонов.
Цель. Применение фиксированных узконаправленных антенн с большим коэффициентом усиления позволяет обеспечить дальность прямой наземной связи на расстояние до нескольких километров. Ограничение на дальность связи можно частично снять понижением частоты до 200 ГГц и уменьшением ширины полосы пропускания канала до единиц ГГц.
Методы. В работе описан макет приемопередающего устройства (200–220 ГГц) на основе современных полупроводниковых приборов. Результаты. Экспериментально показана возможность передачи цифровых сигналов со скоростью до 1 Гбит/с на расстояние 1 км.
Заключение. Согласно расчетам, мощности на выходе передатчика в несколько сотен микроватт достаточно для передачи данных на расстояние до 1,5 км при коэффициенте усиления антенны не менее 50 дБ.
48-59
Активный и пассивный сенсоры для диагностики квазизенитных ионосферных каналов КВ-связи
Аннотация
Обоснование. Необходимость активной сенсорной диагностики парциальных КВ-каналов с целью частотного обеспечения квазизенитных КВ-радиолиний в изменчивых условиях распространения сигнала требует повышения эффективности алгоритмов функционирования активных сенсоров за счет сокращения времени излучения. Преодолению данной проблемы способствует переход от последовательной к параллельной (одновременной) диагностике. Другой важной проблемой КВ-связи являются сосредоточенных помехи. Решение этой проблемы возможно методом пассивной сенсорной диагностики, которая позволяет оценить доступность парциальных каналов по уровню спектральной плотности мощности помех в них.
Цель. Развитие алгоритмов и программных средств, реализующих спектральный мониторинг и параллельное зондирование парциальных каналов для сенсорной диагностики ионосферных каналов квазизенитной КВ-связи.
Методы. Предлагаемый подход основан на комплексировании методов динамической диагностики при создании интеллектуальных сенсоров ионосферных КВ-радиолиний и развитии методов анализа данных. Используется созданное для решения сформулированных задач специальное программное обеспечение для ЭВМ. Экспериментальные исследования проводятся на основе созданных устройств интеллектуальных активного и пассивного радиосенсоров КВ-радиолиний и загруженности каналов КВ-связи.
Результаты. Создан сенсор ортогональных квазизенитных ионосферных радиоканалов, для этого развиты алгоритмы синтеза группового импульса, состоящего из ортогональных поднесущих с учетом минимизации пик фактора, алгоритмы разделения поднесущих и вычисление корреляционной функции на приеме. В сенсоре реализован метод модуляции сигнала OFDM-BPSK, позволяющий работать в режиме одновременно-последовательного зондирования в возможном для связи диапазоне рабочих частот, что позволило в 8 раз сократить общее время излучения сигнала.
Заключение. Полученные научные результаты имеют широкий спектр практических применений, в том числе для повышения эффективности работы систем широкополосной КВ-связи сигналами с расширенным спектром.
60-67
Распространение электромагнитных ТЕ- и ТМ-волн в плоском волноводе, покрытом графеном, с учетом нелинейности
Аннотация
Обоснование. Волноводные свойства различных структур с графеном имеют большое значение для практических приложений и изучались во многих работах. Во всех таких исследованиях графен характеризовался, как правило, линейной поверхностной проводимостью. Однако, если интенсивность электромагнитной волны велика, то взаимодействие графена с ней становится нелинейным; в этом случае графен более корректно описывать нелинейной проводимостью.
Цель. Данная работа направлена на исследование влияния кубической нелинейности графена, отвечающей так называемым эффектам самовоздействия (не влияющим на частоту падающей волны), на распространение ТЕ- и ТМ-поляризованных волн в структуре, представляющей собою плоский диэлектрический слой, покрытый с одной стороны графеном.
Методы. В рамках данного исследования свойства волноведущей структуры изучаются, используя преимущественно аналитический подход. Так, из уравнений Максвелла, материальных уравнений и граничных условий выводится пара дисперсионных уравнений для ТЕ- и ТМ-поляризованных волн, и затем исследуется их разрешимость. Кроме того, в работе проводятся и некоторые численные эксперименты.
Результаты. В работе получены в явном виде дисперсионные уравнения исследуемой волноведущей структуры для ТЕ- и ТМ-поляризованных волн. Исследуя аналитически полученные уравнения, найдены условия для параметров волновода, обеспечивающие существование заданного числа волноводных мод. Кроме того, в настоящем исследовании получены некоторые численные результаты, дающие представление о том, как нелинейные эффекты влияют на распространяющиеся в структуре электромагнитные волны.
Заключение. Полученные в данном исследовании результаты обнаруживают два эффекта, связанных с кубической нелинейностью графена. Во-первых, в плоском диэлектрическом слое с графеновым покрытием в сильном нелинейном режиме распространяются ТЕ-волны с большей длиной волны и ТМ-волны с меньшей длиной волны по сравнению с ТЕ- и ТМ-волнами, которые распространяются в той же структуре в линейном режиме. Кроме того, сильная кубическая нелинейность приводит к большей локализации электромагнитной волны внутри волноведущей структуры.
68-77
Исследование коэффициентов взаимного влияния в двухполяризационных антенных решетках
Аннотация
Обоснование. Антенные решетки находят широкое применение в различных областях радиотехники, например в радио- и телекоммуникациях, спутниковых системах связи, и др. Одной из важных характеристик антенной решетки является ее диаграмма направленности. Оценку матриц импеданса, матриц рассеяния, а также парциальных диаграмм направленности обычно производят по результатам численного электродинамического моделирования. В случае большого числа антенных элементов, такое моделирование и оптимизация решетки требует значительного времени.
Цель. Исследование взаимного влияния между двухполяризационными антенными элементами, входящими в состав линейной антенной решетки.
Методы. Моделирование антенных решеток на базе кросс-дипольных элементов проводилось с использованием методов пакетов электродинамического моделирования. Исследование взаимного влияния антенных элементов в составе антенной решетки и верификация разработанной математической модели проводились численными методами.
Результаты. Дана физическая интерпретация тому, что взаимодействие между элементами, работающими в ортогональных поляризациях практически отсутствует, а коэффициенты взаимного влияния убывают с увеличением расстояния между антенными элементами. Предложена упрощенная модель взаимного влияния, позволяющая сократить расчетную сложность задачи определения матриц взаимного влияния.
Заключение. Разработан математический аппарат, позволяющий производить расчет характеристик антенных решеток с большим количеством антенных элементов, проводя при этом электродинамическое моделирование только изолированного антенного элемента и двухэлементной решетки.
78-87
Свойства и технические приложения антенных решеток, сфокусированных по широкополосному сигналу
Аннотация
Обоснование. В настоящее время активно исследуются антенные решетки, сфокусированные в зоне ближнего излученного поля. Известны основные свойства и характеристики сфокусированных антенных систем, использующих узкополосные сигналы. Расширить технические возможности устройств, использующих сфокусированные электромагнитные поля возможно за счет применения широкополосных сигналов. Настоящая статья посвящена описанию свойств и ряда технических приложений антенных решеток, сфокусированных в зоне ближнего излученного поля по широкополосному сигналу.
Цель настоящей статьи заключается в описании основных свойств сфокусированных широкополосных электромагнитных полей и выработке на их основе вариантов практического применения.
Методы. Достижение цели статьи обусловлено использованием известных принципов электродинамики и апертурной теории антенн.
Результаты. Показаны особенности формирования сфокусированных широкополосных электромагнитных полей и приведены их основные свойства. Предложены варианты технического применения сфокусированных широкополосных антенных решеток.
Заключение. Полученные результаты подтверждают важность оценки свойств широкополосных сфокусированных антенн и выработке на их основе ряда технических предложений.
88-94
Применение комплекснозначных сверточных нейронных сетей для эквализации и детектирования SEFDM-систем
Аннотация
Обоснование. Недостатком спектрально эффективных сигналов с частотным мультиплексированием является появление межсимвольной интерференции, что еще более усугубляется при распространении данных сигналов в частотно селективных каналах.
Цель. Произведена оценка возможности и эффективности применения нейросетевых подходов для эквализации канала и детектирования сигнала в системах связи, использующих SEFDM сигналы.
Методы. Предложена структура приемника для SEFDM систем на основе глубокой комплекснозначной сверточной нейронной сети, позволяющая восстанавливать биты из временного представления сигнала без использования дробного преобразования Фурье и обращения матрицы взаимной корреляции между поднесущими частотами. Разработана двухэтапная схема обучения сети. На основе имитационного моделирования проведен сравнительный анализ помехоустойчивости SEFDM систем как в канале с белым гауссовским шумом, так и в канале с релеевскими замираниями, использующих классический и нейросетевой приемники.
Результаты. Показано отсутствие потерь помехоустойчивости в каналах с аддитивным белым гауссовским шумом и увеличение помехоустойчивости системы до 2 дБ в канале, заданном расширенной автомобильной моделью (3GPP-EVA).
Заключение. Показана эффективность использования глубоких нейронных комплекснозначных сверточных сетей в качестве приемников для спектрально эффективных систем связи, а также их преимущество над классическими.
95-103
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: серия ФС 77 - 68199 от 27.12.2016.