• Генерация электромагнитных колебаний и их применение в радиоэлектронике

  Руководитель направления Черепенин Владимир Алексеевич гл. науч. сотр., академик РАН эл. почта: [email protected]

  
  

• Спин-инжекционный излучатель терагерцового диапазона

  Спин-инжекционный механизм генерирования электромагнитных колебаний основан на инжекции спинов токов в магнитном переходе, образованном, как минимум, двумя магнитными слоями, один из которых выступает в качестве инжектора, другой в качестве рабочей области. Процесс формирования излучения электромагнитных колебаний представлен на рис.1 для случая с противоположно направленными намагниченностями слоев.

  Рис.1. Спин-инжекционный механизм излучения

  Разработан и создан опытный макет спин-инжекционного излучателя ТГц диапазона. Проведены экспериментальные исследования его работоспособности. Излучение наблюдалось в диапазоне частот 16-18 ТГц на центральной частоте 15,5 ТГц с полосой менее 20% и уровнем сигнала до сотни мкВт. Исследована система, состоящая из спин-инжекционных излучателей, использующих магнитные переходы на основе массива параллельных наноразмерных проволок, размещенных в полимерной трековой мембране. Развита технология изготовления и рассмотрены возможные варианты структуры нанопроволок и условия формирования на их основе спин-инжекционных излучателей терагерцового диапазона нового типа. Продемонстрирована возможность генерации сигнала в диапазоне частот 16-18 THz при пропускании тока высокой плотности (105-107 A/cm2) через указанный массив (рис.2).

  Рисунок 2. Изменение амплитуды сигнала при включении и выключении тока для разных его значений

  Впервые исследовано взаимодействие ТГц излучения с массивом гетерогенных нанопроволок, образованных магнитными слоями (Рис.3).

  Рисунок 3 - Изображение нанопроволок из разных материалов с помощью сканирующей электронной микроскопии

  В диапазоне частот 16÷50 ТГц исследованы спектры пропускания, отражения и поглощения массивов гетерогенных нанопроволок из магнитных металлов Ni/Co, FeNi/Co и Ni/Fe, выращенных в трековых полимерных мембранах гальваническим методом. Спектры поглощения показали, что доля мощности излучения, поглощаемая нанопроволоками, и его спектр зависят от материалов нанопроволок. Для нанопроволок из FeNi/Co обнаружено отрицательное поглощение, который можно использовать для создания источника ТГц излучения, работающего при комнатной температуре.

  Публикации:
  
  • Гуляев Ю.В., Чигарев С.Г., Панас А.И., Вилков Е.А., Максимов Н.А., Загорский Д.Л., Шаталов А.С. Генерация терагерцевого излучения в магнитных переходах на основе нанопроволок // Письма в журнал технической физики, 2019, выпуск 6, стр. 27.
  • Е.А. Вилков, Ю.В. Гуляев, П.Е. Зильберман, А.И. Панас, С.Г. Чигарев, Г.М. Михайлов, И.В. Маликов, А.В. Черных // Патент № 2688096 Бюл. № 14, 20.05.2019
  • Е.А. Вилков, С.Г. Чигарев, И.В. Маликов, Л.А. Фомин, THz-излучение в магнитном переходе Fe/Mo. // ФТТ, 2021, т. 63, №. 9. с.1193-1197.
  • Е. А. Вилков, С. Г. Чигарев. Влияние скачка потенциала в магнитном переходе при спиновой инжекции током на эффективность излучения электромагнитных колебаний. Известия РАН. Серия физическая, 2020, том 84, № 1, с. 77–81
  • Л. А. Фомин, Д. Л. Загорский, C. Г. Чигарев, Е. А. Вилков, В. Г. Криштоп, И. М. Долуденко, С. С. Жуков. Исследование спектров отражения и пропускания массивов гетерогенных ферромагнитных нанопроволок в ТГц и дальнем ИК диапазоне // Журнал технической физики, 2022, т. 92, №. 8. с.1142-1150
  • D. L. Zagorskiy, I.M. Doludenko, S.G. Chigarev, E. A.Vilkov, V.M. Kanevskii, A.I. Panas. Ensembles of layered Nanowires, obtained by matrix synthesis technique, for generation of THz irradiation //IEEE Transactions on Magnetics, Volume: 58, Issue: 2, February 2022

• Радиоголография высокого разрешения

  Предложена система радиоголографии на основе MIMO антенных решеток с переизлучением и рециркуляцией ортогональных сигналов в замкнутом кольце пространственной обратной связи, содержащем отражающий объект. Построена обобщенная функция неопределенности (ОФН) по пространственным координатам для ансамбля ортогональных сигналов с учетом парциальных коэффициентов передачи колец обратной связи. Исследованы характеристики разрешения по дальности и угловым координатам в системе радиоголографии с MIMO антенными решетками в CВЧ-диапазоне радиоволн. Приводятся результаты расчета и сравнения двумерных сечений ОФН при наличии и отсутствии рециркуляции зондирующих сигналов. Разрешающая способность обнаружения точечных отражателей на основе пространственной рециркуляции сигналов может в несколько раз превосходить аналогичную характеристику, полученную методом классической радиоголографии (рис.1а,б).

  а)	б)

  Рисунок 1а,б. Двумерные сечения ОФН «азимут-угол места» для традиционной MIMO системы (а), с рециркуляцией (б) при дальности 100м

  Поставлена и теоретически решена задача наблюдения точечного объекта на фоне отражения от металлической поверхности на основе радиоголографии высокого разрешения. Рассмотрен случай антенной системы, состоящей из одиночного передающего элемента и эквидистантной приемной антенной решетки. Построение радиоизображения в виде квадрата модуля корреляционного интеграла при методе рециркуляции сигналов показало возможность получения высокого разрешения по координате объекта, достигающего единиц миллиметров, а также наличие заметного подавления зеркального максимума для радиоизображения (рис.б). Результаты проведенных исследований по обнаружению точечных неоднородностей над металлической поверхностью методом радиоголографии с рециркуляцией сигналов могут быть использованы применительно к задачам дефектоскопии диэлектрических покрытий металлических объектов

  Публикации:
  
  • V. V. Chapurskii, V. I. Kalinin, A. S. Bugaev, V. V. Razevig, Method for Recirculation of Signals in the Problem of Observation of a Point Object above a Metal Surface // Technical Physics, August 2019, Volume 64,  Issue 8, pp 1189–1193.
  • V. I. Kalinin, V. V. Chapursky, and V. A. Cherepenin, Super-Resolution of Radar and Radio Holography Systems Based on a MIMO Retrodirective Antenna Array // Journal of Communications Technology and Electronics, 2021, Vol. 66, No. 6, pp. 727–736.
  • Kalinin V.I., Chapursky V.V., Cherepenin V.A., High Resolution Radio Holographic System Based on Retrodirective Antenna Arrays // VII All- Russian Microwave Conference, 2020, 25-27 December, Moscow, IEEE Conference #50626

• Шумовая система передачи информации с расширением спектра

  Предложен способ скрытной передачи информации с расширением спектра на основе спектральной интерференции между опорным шумом и информационным шумовым сигналом с задержкой на различное время согласно потоку двоичных битов. При передаче сообщений на основе широкополосных шумовых сигналов возникает проблема корреляционных оценок с изменяющимися во времени характеристиками. Обнаружено возникновение внутрисистемных помех со смещением оценки корреляционного эффекта. Флуктуации мощности несущих шумовых сигналов в потоке передаваемой информации, совместно с воздействием внешних и внутрисистемных помех приводят к случайным отклонениям и к нестационарному смещению корреляционного эффекта на выходе приемника. Показана возможность повышения помехоустойчивости за счет определенного выбора информационных задержек, которые должны быть некратными между собой и отличаться на величину, превышающую время когерентности.
  В процессе формирования сверхширокополосных шумовых хаотических сигналов применяются цифровые полосно-пропускающие фильтры с конечной импульсной характеристикой. Использование СШП несущих шумовых сигналов с временными окнами позволяет существенно уменьшить интенсивность флуктуаций для корреляционного эффекта при большой базе несущих сигналов, превышающей сто единиц (рис.1). Результаты проведенных исследований по передаче информации могут быть использованы при разработке скрытных систем шумовой радиосвязи с расширением спектра в микроволновом и терагерцовом диапазонах частот.

  Рисунок 1 – Девиация флуктуаций корреляционного эффекта при различной базе для шумовых сигналов с прямоугольным спектром (верхние кривые - треугольники); с временным окном (нижние кривые - кружки)

  Публикации:
  
  • Калинин В.И., Передача информации на основе спектральной интерференции сверхширокополосных шумовых хаотических сигналов, Письма в ЖТФ, 2018, том 44, вып. 24, С. 45-51.
  • В. И. Калинин. Статистический анализ шумовой системы радиосвязи с двухканальным корреляционным приемником. Журнал радиоэлектроники. 2018. № 9.
  • В. И. Калинин. Корреляционная оценка при передаче информации относительным методом на основе широкополосных шумовых сигналов // Журнал радиоэлектроники, 2019. № 4
  • Калинин В.И., Бышевский-Конопко О.А. Корреляционная оценка при передаче дискретной информации на основе шумовых хаотических сигналов с временными окнами. Журнал радиоэлектроники, 2021. №8.

• Технология цифровой радиочастотной памяти

  Технология цифровой радиочастотной памяти DRFM (Digital Radio-Frequency Memory) для запоминания радиочастот не требует большой разрядности и совместима с требованием учёта ресурсных ограничений. Значительные трудности обработки сигналов возникают в многосигнальных ситуациях при большом динамическом диапазоне: появляются паразитные комбинационные составляющие, затрудняется эффективное разделение сигналов. Для развития технологии DRFM при многосигнальной обработке предложено построение устройства радиочастотной памяти на основе цифровой многоканальной фильтрации сигналов. С целью уменьшения влияния эффектов квантования и дискретизации сигналов применяется нетрадиционный подход, основанный на хаотизации обработки - рандомизации грубых отсчетов сигнала в АЦП. Установлено, что для снижения требований к разрядности DRFM целесообразно применять процедуру цифрового вычитания доминирующего сигнала из входной смеси, на который приходится значительная часть диапазона разрядности.
  Разработана технология тестирования радиолокаторов с синтезированной апертурой антенны (РСА) на основе цифровой радиочастотной памяти DRFM. Описан макет РСА, построенный на основе модульного оборудования компании Keysight Technologies, работающего под управлением программного пакета MATLAB. Описано устройство DRFM, изготовленное на основе VPX-модуля с ПЛИС и создающее на радиолокационном изображении (РЛИ) несколько произвольно расположенных точечных имитационных отметок. В результате работы получено тестовое РЛИ, сформированное макетом РСА в результате обработки синтезированной в DRFM цифровой радиоголограммы.

  Публикации:
  
  • Горбунов Ю. Н., Акопян Г. Л. Обработка и генерация хаотических сигналов в технологии DRFM: учёт ресурсных ограничений. РЭНСИТ, 2020, 12(2):219-226
  • Горбунов Ю.Н, Акопян Г.Л. Пространственно-временная обработка сигналов в радиолокации и радиоэлектронном подавлении: ограничение возможностей. // Журнал радиоэлектроники, 2019, №6.
  • Горбунов Ю.Н., Сонин А.П., Хромцев А.В., Свирин Д.М. Тестирование радиолокаторов с синтезированной апертурой антенны при помощи DRFM. Журнал радиоэлектроники. [электронный журнал] 2022. № 1.
  • Горбунов Ю.Н., Лобанов Б.С., Куликов Г.В., Введение в стохастическую радиолокацию // Научно-техническое издательство «Горячая линия – Телеком», 2022 г., 376 стр.

Информация о лаборатории доступна также на сайте Фрязинского филиала ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН