Передавальний модуль пікосекундних імпульсів
| dc.contributor.advisor | Найденко, Віктор Іванович | |
| dc.contributor.author | Козачук, Максим Андрійович | |
| dc.date.accessioned | 2024-02-21T10:25:45Z | |
| dc.date.available | 2024-02-21T10:25:45Z | |
| dc.date.issued | 2023 | |
| dc.description.abstract | Козачук 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. | |
| dc.description.abstractother | Kozachuk. M. A. Transmiter of picosecond pulses. - Qualifying scientific work with manuscript copyrights. Thesis for Doctor’s of Philosophy degree in specialty 172 " Telecommunications and radio engineering " (17 - Electronics and telecommunications). National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2023. The dissertation is devoted to solve the urgent scientific and technical problem of design a transmitting module of picosecond pulses for a radar for detecting weapons hidden on human body. The main focus is on the key components such as transmitter module and ultra-wideband antenna. A powerful generator should form oppositepolarity pulses with duration about hundred picoseconds repetition rate up to 15 MHz, and an amplitude up to 10 V. An ultra-wideband antenna should can emit these pulses. The research was carried out under the NATO grant G4992 "Long-range Stand-off Microwave Radar for Personnel Protection" under the NATO "Science for Peace and Security" (SPS) program. The method and design solutions for generating ultrashort Gauss pulses of opposite polarity, which are repeated at a given frequency, are proposed. A new ultra-wideband planar slot antenna is proposed. It differs from the known planar slot antennas (classical, antipodal, and balanced antipodal Vivaldi antennas) by its original topology and double-sided metallization. The simulation and experimental study of such antenna is carried out. It is shown that due to the presence of mirror symmetry planes in the E- and H-planes, the proposed antenna has the lowest crosspolarization level among planar slot antennas. This antenna can radiate signals in the frequency band of 0.5-6.5 GHz, with a VSWR of less than 2. Due to the combination of proposed structural and electrodynamic solutions, the proposed modified slot antenna can become an alternative to Vivaldi antennas in special applications. The thesis consists of an introduction and four chapters. The first chapter contains a literature review on the topic of this work. It discusses the existing types of transmitters for the formation of ultrashort pulses. The basic properties and characteristics of a step recovery diode (SRD) are presented. Transmitter circuits and possibilities for their improvement are analyzed. In the second chapter, the results of electrodynamic (EM) simulation, optimization, and experimental study of ultra-wideband (UWB) antennas are presented. The search for the initial topology of the UWB antenna adapted to this work is carried out. Possible ways to improve its characteristics are investigated. The main changes are the transition from the traditional Vivaldi antenna feeding scheme to the slot line feeding and the addition of metallization on both sides of the substrate, which achieves complete mirror symmetry of the antenna in the E- and H-planes. As a result, the minimum level of cross-polarization radiation was obtained. For the EM simulation and optimization of the proposed antenna, we chose the CST Studio Suite Learning Edition software package. This professional tool allows us to study all characteristics at the electrodynamic level, including the matching and radiation characteristics of antenna. The Rogers AD450 material with low losses and stable characteristics was used in the simulation and prototype manufacturing. Particular attention was paid to the antenna power supply. By changing the width of the slot line, the input impedance of the antenna was achieved equal to 50 Ω. Also, a transition from a symmetrical line to an asymmetrical line was added, which made it possible to feed the antenna with a coaxial cable. The radiation pattern at the fundamental polarization and cross-polarization and voltage standing wave ratio (VSWR) of the antenna are investigated. The different antenna configurations and their influence on the investigated parameters are considered. In particular, the elliptical notches and slots in the metal lobes of the antenna are introduced to improve the matching at low frequencies. The influence of the size of the notches and slots on the VSWR is studied in detail. The third chapter discusses the design and measuring the characteristics of the developed picosecond pulse generator. The main part of the research includes the design, manufacture and experimental study of the monocycle Gaussian pulse generator and generator of bipolar Gaussian pulses, which are time-delayed. One of the components of the transmitter is a clock generator. It sets the pulse repetition rate. It is built on the MAX038 chip, which is powered by a bipolar +/-5 V voltage source. This chip can generate pulses of various shapes, including harmonic, meander, and triangle. The frequency can vary from 1 MHz to 15 MHz. In this study, we used meander pulses with the frequency of 3.5 MHz. The first transmitter circuit provides the same amplitude of the monocycle pulses, which is equal to 4 V from peak to peak. The width of the negative and positive pulses reaches 120 ps and 135 ps, respectively. The generator can operate with frequency from 1 MHz to 10 MHz. The jitter level is negligible. The second developed transmitter generates picosecond sequences of Gaussian pulses with opposite polarity, repeated at a given frequency. The amplitudes of the pulses of opposite polarity are the same and reach +/- 5 V. The widths of the positive and negative pulses are also almost the same, and are equal (at the midpoint of the amplitude) to 133 ps and 143 ps, respectively. The generation frequency can vary from 5 MHz to 15 MHz. In the developed transmitters, the pulse spacing, pulse width, and amplitude can be adjusted for specific tasks using digital and analog devices. Each of the developed transmitters does not require any additional devices other than the supply voltage. Both transmitters are built on ROGERS AD 450 high-frequency thin dielectric substrate. The first board has dimensions of 100 x 50 mm. On the second board, the radio components were placed on both sides of the substrate with dimensions of 110 x 45 mm for compactness. The board is placed in a shielding case with dimensions of 65 x 125 x 30 mm. The total weight of the transmitter is 220 g. In addition to the measurement results of the characteristics of the developed generators, the information on the main components, materials, and circuits used to ensure optimal operation of the generators is also provided. The fourth chapter deals with the use of the transmitting module of picosecond pulses in radar to detect hidden weapons on the body of a person. General design principles of systems for detecting weapons hidden on the human body are considered. It is noted that today there are several main systems for detecting weapons on the human body: a full body scanner, a walk-through detector, a handheld metal detector, and a CWD (Concealed Weapon Detection) radar. Their advantages and disadvantages are considered. It is shown that CWD radar potentially allows detecting specific objects, avoiding the detection of ordinary objects that a person may have. This allows us to get fewer false alarms compared to other systems. The experimental results of three variants of the developed antennas for CWD radar are presented. It is shown that they work well in the required operating frequency range of 0.5-5 GHz and are able to effectively radiate ultrashort pulses with a duration of 120-150 ps, created by the developed transmitter. The beamwidth of the antenna must be wide and have minimal side lobes at the same time. Since the system uses the transmission and reception of the reflected signal at different polarizations, the high crosspolar isolation between orthogonal polarizations is required for more accurate weapon detection. At a minimum, CWD radars use 2 antennas, one for transmission and one for reception. The above scheme simultaneously works with two orthogonal linear polarizations, so 4 antennas are used, two for transmitting and two for receiving. The radar performs a full polarimetric measurement, where four types of signals are received: V-V, V-H, H-H and H-V. Here, the first letter denotes the polarization of the transmitted wave illuminating the target (V for vertical and H for horizontal), and the second letter denotes the polarization of the received wave scattered by the target. Thus, all possible combinations of polarizations are transmitted and received. CWD radar potentially has certain advantages over other devices for detecting prohibited items, such as weapons, explosives, and prohibited electronic equipment, and can be additional option to existing systems. The CWD radar's transmitter module performs rapid scans, which allows us to quickly detect the presence of weapons or other dangerous objects and make decisions about appropriate actions. The wave emitted by the radar passes through the fabric and skin, so it can detect a prohibited item that is hidden under clothing, in things, or even in the human body, which can be difficult to do with other methods. CWD radars are supposed to use the principle of machine learning, i.e., using an adaptive algorithm, it constantly learns its environment and adapts signal processing to optimally detect threats in this environment. | |
| dc.format.extent | 127 с. | |
| dc.identifier.citation | Козачук, М. А. Передавальний модуль пікосекундних імпульсів : дис. … д-ра філософії : 172 Телекомунікації та радіотехніка / Козачук Максим Андрійович. – Київ, 2023. – 127 с. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/64834 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | радар | |
| dc.subject | виявлення об'єктів | |
| dc.subject | радіоелектронні засоби | |
| dc.subject | ширина променя | |
| dc.subject | НВЧ інженерія | |
| dc.subject | передавач | |
| dc.subject | тонка діелектрична підкладка | |
| dc.subject | мікросмужкова лінія | |
| dc.subject | лінія передачі | |
| dc.subject | антена | |
| dc.subject | антенна система | |
| dc.subject | адаптивний алгоритм | |
| dc.subject | моделювання | |
| dc.subject | КСХН | |
| dc.subject | амплітудно-частотна характеристика | |
| dc.subject | radar | |
| dc.subject | object detection | |
| dc.subject | radio-electronic means | |
| dc.subject | beamwidth | |
| dc.subject | microwave engineering | |
| dc.subject | transmitter | |
| dc.subject | thin dielectric substrate | |
| dc.subject | microstrip line | |
| dc.subject | transmission line | |
| dc.subject | antenna | |
| dc.subject | antenna system | |
| dc.subject | adaptive algorithm | |
| dc.subject | modeling | |
| dc.subject | VSWR | |
| dc.subject | amplitude-frequency response | |
| dc.subject.udc | 621.396.962.3(043.3) | |
| dc.title | Передавальний модуль пікосекундних імпульсів | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Kozachuk_dys.pdf
- Розмір:
- 16.12 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: