Главная Случайная страница


Полезное:

Как сделать разговор полезным и приятным Как сделать объемную звезду своими руками Как сделать то, что делать не хочется? Как сделать погремушку Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами Как сделать идею коммерческой Как сделать хорошую растяжку ног? Как сделать наш разум здоровым? Как сделать, чтобы люди обманывали меньше Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили? Как сделать лучше себе и другим людям Как сделать свидание интересным?


Категории:

АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника






Основные требования к приемнику радиосвета





МОДЕЛ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ДЛЯ РАДИОСВЕТА

Выпускная квалификационная работа

(магистерская диссертация)

Направление подготовки: 03.03.01 Прикладные математика и физика

Выполнил:

студент 015 группы Петросян Манвел

Мгерович

Научный руководитель:

д.ф.-м.н., профессор Дмитриев Александр

Сергеевич

 

 

Москва 2016

 

 

Содержание

Введение………………..………………………………………………………….3

Радиоосвещение ……………………………………………………………3

Постановка задачи.…….……………………………...……………………3

Основные требования к приемнику радиосвета……..……..………….…9

1. Прототипы ячейки для приемника радиосвета………………………..…….11

2. Математические модели и компьютерное моделирование..………..……...19

3. Структура ячейки приемника радиосвета………………..……………….…26

4. Анализ свойств ячейки приемника радиосвета и вариантов ее

реализации……………………………………………………………………..…29

Заключение…………………..……………………..……………………….……32

Литература…………...………………………….……………………………….32

 

Введение

Радиоосвещение

Под радиоосвещением будем понимать локальное, искусственно созданное, шумовое (шумоподобное) поле широкополосного (сверхширокополосного) некогерентного в пространстве и во времени излучения в радио или микроволновом диапазоне длин волн.

Радиоосвещение реализуется при помощи одного или нескольких устройств некогерентного излучения. Попадая на близлежащие поверхности и предметы микроволновое излучение частично поглощается в них, частично проходит через них и частично отражается. Тем самым распространяясь далее оно несет в себе информацию о среде с которой взаимодействует. В этом отношении ситуация аналогична ситуации с обычным (видимым) светом. Разница в том, что это другой частотный диапазон и другие законы взаимодействия со средой, в которой происходит процесс. Кроме того, для обычного света имеется такой замечательный инструмент наблюдения как глаз. Для извлечения информации об объектах, находящихся в зоне радиоосвещения(радиосвета) нужны специальные датчики или системы таких датчиков.

Постановка задачи

Рассматривается задача приема радиосвета. В качестве элементарной ячейки приемника вводится чувствительный элемент – аналог зрительной колбочки глаза человека и животных. Показывается, что такое устройство может быть реализовано на принципах близких к применяемым в радиометрах микроволнового диапазона и энергетических приемниках, используемых в сверхширокополосной беспроводной прямохаотической связи. На основе компьютерного моделирования производится оценка характеристик предлагаемого устройства.

 

Сходство между радиосветом и обычным светом достаточно глубокое[1]. В обоих случаях речь идет о некогерентном излучении с широким спектром, что исключает эффекты интерференции и сводит вопросы наблюдения к оценке мощностных (и возможно спектральных, как в случае цветового зрения) характеристик принимаемого сигнала.

Принципиальной особенностью радиосвета по отношению к обычному свету является громадная разница в характерной области частот (примерно на пять порядков) для света и радиосвета. Последнее означает существенно более низкую потенциальную разрешающую способность при использовании радиосвета по сравнению с видимым светом. Однако, очевидно, существует достаточно много ситуаций, когда это, либо приемлемо, либо не имеет принципиального значения.

Наблюдение объектов с помощью некогерентного микроволнового излучения и других некогерентных сигналов в диапазонах частот, отличных от частот видимого света, давно и плодотворно применяется, в радиоастрономии, при наблюдении Земли из космоса[2-4], и в медицинской диагностике [5, 6]. При этом используется некогерентное микроволновое излучение, порождаемое естественными процессами, такими как собственное тепловое излучение физических тел в микроволновом диапазоне, или рассеяние микроволнового излучения, создаваемого мощными естественными источниками (например, Солнцем). Таким образом, имеется большой массив информации, который может дать ответы, как минимум на ряд исходных вопросов, связанных с радиоосвещением и присущими ему свойствами. Однако сама, достаточно очевидная, идея радиоосвещения с помощью локальных искусственных источников, подобных осветительным приборам в видимом диапазоне электромагнитного спектра упоминается в литературе, как некая экзотика (см., например, [1]). Одной из причин такого положения является отсутствие эффективных искусственных источников некогерентного микроволнового излучения, которые могли бы быть использованы для радиоосвещения. Действительно, это должны быть устройства, которые излучают достаточно мощные по сравнению с тепловым излучением шумовые или шумоподобные широкополосные некогерентные сигналы. Устройства должны быть простыми в эксплуатации похожими в этом отношении на источники обычного света типа ламп накаливания, люминесцентных ламп, светодиодных ламп и т.п. В противном случае речь о радио осветительных приборах может идти только применительно к специальной исследовательской аппаратуре. В микроволновой технике используются два типа источников шума: газоразрядные трубки и полупроводниковые pn -диоды в режиме лавинного пробоя. Их основным параметром является коэффициент избыточности шума (excess noise ratio - ENR), который определяется как отношение сгенерированной мощности шума к мощности шума резистора, согласованного с конкретной линией передачи, при температуре окружающей среды, и измеряется в дБ. Газоразрядные трубки имеют типичный ENR ~ 15 дБ, что примерно в 30 раз больше мощности теплового шума, создаваемого согласованным резистором при температуре окружающей среды 290 К. Таким образом, трубка генерирует шум, соответствующий температуре примерно 9∙103 K. Значение ENR для диодных источников шума достигает ~ 30 дБ (см., например, [7]), и их шумовая температура имеет величину около 3∙105 К. Интегральная мощность устройства в полосе 1000 МГц составляет 4∙10-6 мВт. Дальнейшее повышение ENR может быть достигнуто за счет применения усилителей. Однако при существенном повышения выходной мощности требуется достаточно сложная и не дешевая конструкция [8].

Приемлемая мощность для отдельного искусственного источника радиоизлучения лежит в диапазоне 0,1 – 1,0 мВт. Таким образом, ни один из упомянутых типов источников шума не может рассматриваться как подходящее решение для приборов радиоосвещения.

Ранее было предложено использовать в качестве источников для радиоосвещения генераторы динамического хаоса, которые можно рассматривать как источники шумоподобных аналоговых сигналов в соответствующем диапазоне частот [9]. Эти устройства прошли долгий путь эволюции от вакуумных приборов, использующих естественное запаздывание в распределенных системах [10-12], к полупроводниковым устройствам с распределенными колебательными системами на основе микрополосков, и, далее, к полупроводниковым устройствам с колебательными системами на элементах с сосредоточенными параметрами [13]. При этом речь идет об устройствах, генерирующих хаотические сигналы в заданном диапазоне радио или микроволновых частот. Основные этапы исследований и разработок по созданию миниатюрных генераторов хаоса микроволнового диапазона, проводившихся в ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН с начала 2000 годов, представлены на рис. 1.

Рис. 1. Эволюция генераторов микроволнового хаоса: 1 – генератор на
микрополосковой технологии 2003 г.; 2 – генератор на трех
усилительных микросборках с элементами микрополосков 2005 г.; 3
– генератор с сосредоточенными элементами на трех усилительных
микросборках; 4 – генератор с сосредоточенными элементами на
одном биполярном транзисторе.

 

До начала этих исследований микроволновые генераторы хаоса на основе полупроводниковых активных элементов существовали только в виде микрополосковых приборов. К 2008 г. удалось добиться значительного прогресса в создании устройств в виде генераторов хаоса на сосредоточенных параметрах. Это привело к упрощению конструкции, уменьшению размеров, повышению технологичности и снижению стоимости. Типичный генератор хаоса микроволнового диапазона с сосредоточенными элементами реализуется на основе автоколебательной системы с 2,5 степенями свободы, активным элементом которой является биполярный транзистор (рис. 2).

Рис. 2. Автоколебательная системы с 2.5 степенями свободы.

Математическая модель генератора представляет собой систему из пяти обыкновенных нелинейных дифференциальных уравнений первого порядка:

(1)

где V КЭ, V БЭ – напряжения коллектор-эмиттер и база-эмиттер, V 1

напряжение на емкости C 1; I 1, I 2, I К, I Б – токи через индуктивность L 1,

индуктивность L 2, коллектор К и базу Б транзистора. Структура этой автоколебательной системы такова, что генерируются колебания в некоторой полосе частот. При этом генерация в требуемой полосе частот и хаотический характер колебаний обеспечиваются соответствующим выбором параметров автоколебательной системы [13]. На основе разработанных генераторов микроволнового хаоса создавались сверхширокополосные приемопередатчики для беспроводной связи и беспроводных сенсорных систем [14].

Следующим шагом в миниатюризации и повышении технологичности генераторов хаоса является создание генераторов хаоса на основе автоколебательных систем типа (1) в виде интегральных микросхем. Работы в этом направлении начались несколько лет назад [15, 16]. При разработке микросхем за основу была взята автоколебательная система (1), в которую были введены дополнительные элементы (рис. 3). Рис. 3 Принципиальная электрическая схема интегрального генератора хаоса.

Типичная топология интегральной микросхемы источника хаоса с одним активным элементом показана на рис. 4.

Рис. 4. Топология микросхемы.

К настоящему времени, в ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН совместно с ООО «Нанохаос» получены экспериментальные образцы микрогенераторов хаоса с интегральной мощностью излучения в полосе частот 3…7 ГГц около 300 мкВт (рис. 5а). В приборах используется кремний-германиевая технология 0,25 мкм. Площадь кристалла – 1,6 мм2.

Рис 5 а Рис 5 б

Рис. 5. Микрогенератор cверхширокополосных хаотических колебаний: а –
кремний-германиевый кристалл в корпусе; б – спектр мощности
генерируемого сигнала.

 

 

Источники с такой выходной мощностью достаточно эффективно могут быть использованы в радио осветительных приборах. Создание генераторов динамического хаоса в виде микросхем принципиально меняет ситуацию в области производства: теперь достаточно мощные источники некогерентных сверхширокополосных шумоподобных сигналов микроволнового диапазона можно изготавливать массово и дешево. Поэтому появляется возможность расширить области их применения на новые задачи, и радиосвещение одна из таких задач. Ближайшими аналогами источников микроволнового некогерентного сверхширокополосного излучения в видимом глазом диапазоне частот являются светодиоды с белым свечением. Для получения белого свечения применяется синий светодиод, излучение которого направляется на люминофор из желтого фосфора (рис. 6а). Свет белого спектра получается путем смешения синего света от самого светодиода и более длинноволнового излучаемого от люминофора (рис. 6б).

рис.6а

рис.6б

Рис. 6. Светодиод с белым свечением: а – структура, б – спектр излучения;
1 – линза, 2 – рефлектор, 3 – светодиодная матрица и фосфор, 4 –
основа; 5 – спектральная линия синего светодиода, 6 – линия
переизлучения желтого фосфора.

В результате светодиод излучает некогерентный шумовой сигнал в полосе длин волн Δλ точки зрения является сверхширокой, поскольку f/f = Δλ/λ > 0.25,где f – разница между верхней и нижней частотами в спектре излучения, а f и λ -средняя частота и средняя длина волны в спектре, соответственно.

Аналогия микрогенераторов хаоса, как источников радиосвета, со светодиодами белого свечения становится очевидной при сравнении спектра излучения светодиода (рис. 6б) и спектра мощности сигнала микрогенератора (рис. 5б – эксперимент и рис. 7а – моделирование). Такие характеристики как реализация процесса (рис. 7б), быстро спадающая автокорреляционная функция (рис. 7в) и близкое к гауссовскому статистическое распределение мгновенных значений сигнала (рис. 7г) также показывают, что хаотический сигнал обладает характеристиками, обеспечивающими создание некогерентного освещения в микроволновом диапазоне частот.

 

(а) (в)

 

 

(б) (г)

 

Рис. 7. Расчетные характеристики сигнала на выходе микрогенератора
хаоса: а – фрагмент временной реализации; б – спектр мощности; в
– автокорреляционная функция; г – распределение p мгновенных
значений амплитуды А

Важным общим свойством микрогенераторов динамического хаоса и светодиодов является некогерентность генерируемого сигнала. Это свойство – принципиально для применения микрогенераторов хаоса в качестве источников освещения, поскольку обеспечивает равномерную, без интерференции, засветку окружающей среды, при использовании как одиночного, так и множественных источников. Еще одной важной общей чертой светодиодов и микросхем генераторов хаоса (chaos emitted chip –CEC), является сходство в электрических характеристиках: оба устройства являются низковольтными и могут применяться как поодиночке, так и виде последовательных и параллельных сборок, в том числе, в целях увеличения мощности, или распределения излучения по пространству.

Из сказанного следует, что подобно тому, как светодиоды с белым свечением являются эффективными источниками широкополосного некогерентного излучения в видимом диапазоне частот, микрогенераторы динамического хаоса являются эффективными источниками широкополосного некогерентного излучения в микроволновом диапазоне частот.

Основные требования к приемнику радиосвета

В видимом диапазоне электромагнитного спектра в качестве принимаемого устройства такой замечательный прибор как глаз. Он состоит из множества элементарных ячеек – колбочек, принимающих свет и производящих первичную обработку принимаемого сигнала. После этого происходит сложная совместная обработка сигналов от множества колбочек. А как может быть устроен прибор для наблюдения за радиоосвещенной средой?

Подобно глазу человека и животных это может быть устройство, состоящее из одного или нескольких чувствительных элементов, представляющих собой аналоги чувствительных (зрительных) колбочек. Во всяком случае они также предназначены для приема некогерентного широкополосного излучения.

В радиотехнике существуют по меньше мере два типа устройств, которые могут рассматривается в качестве прототипа элементарной приемной ячейки для радиосвета.

Первый из них – чувствительные элементы классических радиометров [2-5, 16]. Они используются для приема сигнала с относительно медленно меняющимся характеристиками (интенсивность, спектральный состав). Характерное значение постоянной времени для типичных рассматриваемых устройств составляет ~ 0,1 – 1 сек. Такое значительное время накопления позволяет получить очень высокую чувствительность устройства. В терминах температур, она может достигать 0,1о К.

Второй – приемник хаотических радиоимпульсов в прямохаотических системах связи [13,17,18]. Он предназначен для приема шумоподобных сигналов с высокой скоростью модуляцией, когда число принимаемых в секунду хаотических импульсов может достигать нескольких миллионов и более. Для таких устройств время накопления шумоподобного сигнала составляет от десятков до сотен наносекунд. Таким образом, эти приёмники реагируют на очень быстрые изменения в принимаемом сигнале, однако чувствительность таких приемников значительно ниже, чем у радиометров и составляет - (50 – 60) дБм, или 10о-100о при пересчете на градусы.

Другим принципиальным отличием радиометрических чувствительных ячеек и приемников хаотических радиоимпульсов является динамический диапазон. В радиометрических приемниках температура источников меняется как правило в динамическом диапазоне 300-1000 К, т.е. изменение интенсивности принимаемого сигнала может происходить примерно в 3 раза или в пределах 5 дБ, в энергетических приемниках прямохаотических средств связи приходящая мощность, фиксируемая приемником может меняться на несколько порядков. Это обстоятельство также должно быть учтено при разработке ячеек для приемников радиосвета.

Сформулируем основные требования для ячеек приемников радиосвета:

- полоса частот принимаемого сигнала, не менее 500 МГц. Это требование соответствует определению СШП сигнала;

- время накопления сигнала 0,001 - 0,1 сек.

- динамический диапазон должен обеспечивать работу приемника как для максимально слабых сигналов, так и для сигналов с достаточно большой интенсивностью, ~ 0 дБм или, в пересчете на температуру, (2,5 108)o K.

То есть речь идет об использовании источников радиосвета с эффективной температурой десятки и сотни миллионов градусов. Если считать, что в ячейку поступает только 0,1% мощности излучаемого сигнала, то на входе приемника будут десятки и сотни тысяч градусов, что намного больше, чем типичная мощность, поступающая на вход радиометров СВЧ диапазона.

В следующих разделах будут проанализированы приемные устройства, которые мы рассматриваем как возможные прототипы для чувствительных элементов приемников радиосвета, предложена структура ячейки приемника радиосвета и произведена оценка ее характеристик.

 

Date: 2016-07-22; view: 393; Нарушение авторских прав; Помощь в написании работы --> СЮДА...



mydocx.ru - 2015-2024 year. (0.007 sec.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав - Пожаловаться на публикацию