Кафедра радіоінженерії (РІ)
Постійне посилання на фонд
Сайт кафедри: https://ri.kpi.ua/
Переглянути
Перегляд Кафедра радіоінженерії (РІ) за Ключові слова "621.396.962.3(043.3)"
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Результатів на сторінці
Налаштування сортування
Документ Відкритий доступ Передавальний модуль пікосекундних імпульсів(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Козачук, Максим Андрійович; Найденко, Віктор ІвановичКозачук М. А. Передавальний модуль пікосекундних імпульсів. - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 172 «Телекомунікації та радіотехніка» (17 - Електроніка та телекомунікації). Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2023. Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науково-технічної задачі розробки передавального модуля пікосекундних імпульсів для радара виявлення зброї, прихованої на тілі людини. Основна увага зосереджена на ключових складових такого передавального модуля, а саме, на потужному генераторі імпульсів протилежної полярності тривалістю порядка сотень пікосекунд з частотою повторення до 15 МГц і амплітудою порядка 10 В, та ультраширокосмуговій антені, здатній випромінювати такі імпульси. Дослідження виконано в рамках гранту НАТО G4992 «Long-range Stand-off Microwave Radar for Personnel Protection» за програмою НАТО «Наука заради миру та безпеки» (Science for Peace and Security, SPS). Запропоновано спосіб та схемотехнічні рішення генерації ультракоротких імпульсів Гауса протилежної полярності, які повторюються з заданою частотою. Запропоновано нову ультраширокосмугову планарну щілинну антену яка відрізняється від відомих планарних щілинних антен (класичної, антиподальної та балансної антиподальної антен Вівальді) оригінальною топологією та двосторонньою металізацією. Вперше проведено чисельне й експериментальне дослідження такої антени. Показано, що завдяки наявності дзеркальних площин симетрії в Е- і Н-площинах, запропонована антена має найнижчий рівень кросполяризаційного випромінення серед планарних щілинних антен. Антена може ефективно випромінювати сигнали в смузі частот 0,5 – 6,5 ГГц, при значенні КСХН менше 2. Завдяки сукупності позитивних конструктивних та електродинамічних якостей запропонована модифікована щілинна антена може стати альтернативою антенам Вівальді у спеціальних застосуваннях. Дисертація складається зі вступу та чотирьох розділів. Перший розділ містить огляд літератури за тематикою дисертації. В ньому розглянуто існуючі види трансмітерів для формування ультракоротких імпульсів. Наведено основні властивості та характеристики діода з накопиченням заряду SRD (step recovery diode). Проаналізовано схеми трансмітерів та можливості їх покращення. У другому розділі наведено результати електродинамічного моделювання, оптимізації характеристик та експериментального дослідження надширокосмугових (UWB) антен. Проведено пошук початкової топології UWB антени, адаптованої для задач даної роботи, та досліджено можливі шляхи покращення її характеристик. Основними змінами є перехід від традиційної схеми живлення антени Вівальді до живлення за допомогою щілинної лінії та додавання металізації по обидві сторони підкладки, чим досягнуто повну дзеркальну симетрію антени в Е- та Н-площинах та, як наслідок, мінімальний рівень кросполяризаційного випромінювання. Для електродинамічного моделювання та оптимізації характеристик запропонованої антени вибрано програмний пакет CST Studio Suite Learning – професійний інструмент, який дозволяє досліджувати на електродинамічному рівні всі характеристики, зокрема характеристика узгодження та випромінювання антени. При моделюванні та виготовленні використано матеріал Rogers AD450, який має низькі втрати та стабільні характеристики. Особливу увагу приділено живленню антени. Зміною ширини щілинної лінії досягнуто значення вхідного опору антени 50 Ом. Також додано перехід з симетричної лінії на несиметричну, що дозволило живити антену коаксіальним кабелем. Досліджено частотні залежності діаграми спрямованості (ДС) антени на основній поляризації та кросполяризації та її коефіцієнта стоячої хвилі за напругою (КСХН). Розглянуто різні конфігурації антени та їх вплив на досліджувані параметри. Зокрема, введено еліптичні вирізи та прорізи в металевих пелюстках антени для покращення узгодження на низьких частотах. Детально досліджено вплив розмірів вирізів та прорізів на КСХН. У третьому розділі розглянуто особливості створення та вимірювання характеристик розробленого генератора пікосекундних імпульсів. Головна частина дослідження включає розробку, виготовлення та експериментальне дослідження генератора імпульсів типу моноцикл Гауса та генератора різнополярних імпульсів Гауса, рознесених у часі. Одним із компонентів трансмітера є генератор тактової частоти. Він задає частоту повторення імпульсів. Побудований на мікросхемі МАХ038, яка живиться від двополярного джерела напруги +/–5 В. Ця мікросхема може генерувати імпульси різної форми, включаючи гармонічну, меандр та трикутник. Частота може змінюватися від 1 МГц до 15 МГц. В даному дослідженні використано меандрові імпульси з частотою 3,5 МГц. На першій схемі трансмітера вдалося досягти однакової амплітуди моноцикл імпульсів, яка від піку до піку дорівнює 4 В. Ширина негативного імпульсу сягає 120 пс, а позитивного 135 пс. Генератор може працювати з частотами від 1 МГц до 10 МГц. Рівень джитера незначний. Другий розроблений трансмітер генерує пікосекундні послідовності імпульсів Гауса з протилежною полярністю, що повторюються з заданою частотою. Амплітуди імпульсів протилежної полярності однакові, і сягають +/–5 В. Ширини позитивного і негативного імпульсу теж майже однакові, і дорівнюють (на серединному рівні за амплітудою) 133 пс і 143 пс відповідно. Частота генерації може змінюватися в межах від 5 МГц до 15 МГц. У розроблених трансмітерів такі параметри, як відстань між імпульсами, їх ширину та амплітуду можна регулювати під конкретні задачі за допомогою цифрових та аналогових пристроїв. Кожний із розроблених трансмітерів не потребує ніяких додаткових підключень, окрім напруги живлення. Обидва трансмітери побудовані на високочастотній тонкій діелектричній підкладці ROGERS AD 450. Перша плата має розміри 100 х 50 мм; на другій платі для компактності радіодеталі розміщувались на обох сторонах підкладки з розмірами 110 х 45 мм, а сама плата розміщена в екрануючий корпус з розмірами 65 х 125 х 30 мм. Загальна вага трансмітера становить 220 г. Окрім наведених результатів вимірювань характеристик розроблених генераторів, також надано інформацію по основних компонентах, матеріалах, схемах, які використані для забезпечення оптимальної роботи генераторів. Четвертий розділ розкриває тему застосування передавального модуля пікосекундних імпульсів у радарі для виявлення прихованоїзброї на тілі людини. Розглянуто загальні принципи побудови систем виявлення зброї, прихованої на тілі людини. Відзначено, що на сьогоднішній день існує декілька основних систем для виявлення зброї на тілі людини: сканер всього тіла, прохідний детектор, ручний металодетектор та радар виявлення прихованої зброї CWD (Concealed Weapon Detection). Розглянуто їх переваги та недоліки. Показано, що CWD радар потенційно дозволяє виявляти специфічні об'єкти, уникнувши виявлення звичайних предметів, які може мати людина. Це робить його менш схильним до помилкових спрацювань порівняно з іншими системами. Представлено результати експериментальних досліджень трьох варіантів розроблених антен для CWD радара. Показано, що вони добре працюють у потрібному робочому діапазоні частот 0,5–5 ГГц і здатні ефективно випромінювати ультракороткі імпульси тривалістю 120–150 пс, які створюються розробленим трансмітером. Ширина променя антени повинна бути широкою і водночас мати мінімальні бокові пелюстки. Через те, що в системі використовується передача та прийом відбитого сигналу на різних поляризаціях, то для більш точного виявлення зброї необхідно мати високий рівень розв’язки між ортогональними поляризаціями. Мінімально в CWD радарах використовується 2 антени, по одній на передачу та прийом. В наведеній схемі одночасно йде робота з двома ортогональними лінійними поляризаціями, тому використовується 4 антени, дві для передачі сигналу, та дві для прийому. Радар виконує повне поляриметричне вимірювання, де реєструються чотири типи сигналів: V-V, V-H, H-H і H-V. Тут перша літера позначає поляризацію переданої хвилі, що освітлює ціль (V для вертикальної та H для горизонтальної), а друга літера позначає поляризацію прийнятої хвилі, розсіяної ціллю. Таким чином, передаються та приймаються всі можливі комбінації поляризацій. CWD радар потенційно має певні переваги порівняно з іншими пристроями виявлення заборонених предметів, таких як зброя, вибухівка, заборонена електронна техніка, та може стати доповненням до вже існуючих систем. Передавальний модуль CWD радара здійснює швидкі сканування, що дозволяє швидко виявляти наявність зброї або інших небезпечних предметів та приймати рішення щодо відповідних дій. Хвиля, яку випромінює радар, проходить через тканину та шкіру, тому може виявляти заборонений предмет, який прихований під одягом, в речах, або навіть в тілі людини, що може бути важко зробити іншими методами. У CWD радарах передбачається використання принципу машинного навчання, тобто за допомогою адаптивного алгоритму він постійно вивчає своє середовище та адаптує обробку сигналів для оптимального виявлення загроз в цьому середовищі.