Энергосберегающие микроэлектронные устройства формирования и приёма сверхширокополосных сигналов для систем мониторинга работы двигателей.

Актуальность темы Системы мониторинга энергетических установок, в частности, беспроводные сенсорные сети работы автомобильных, тепловозных и авиационных двигателей, как правило, характеризуются сверхмалым энергопотреблением аппаратуры, минимальными габаритами и стоимостью. Однако на современном этапе развития технологий появляются новые ограничения для систем мониторинга двигателей. Требуется обеспечить возможность построения микроэлектронных интегральных передающих сенсоров, которые можно устанавливать в труднодоступных местах двигателя. Такие сенсоры не должны иметь индуктивных элементов, что существенно ограничивает выбор сигналов для передачи информации. Из-за невозможности (труднодоступные места двигателя) использования сменных элементов питания требуется переход к использованию термоэлектрических генераторов, которые могут обеспечить лишь сверхмалую мощность питания передающих сенсоров. Наконец, особенностью использования системы мониторинга двигателей является то, что имеется большое число как узкополосных помех (цифровое телевидение, Wi-Fi и пр.), изменяющихся по диапазону частот, так и преднамеренных узкополосных помех, которые могут заблокировать работу всей системы мониторинга. Учитывая эти обстоятельства, были выбраны для системы мониторинга сверхширокополосные сигналы наносекундной длительности без несущего колебания. При разработке генераторов сверхширокополосных импульсных сигналов в основном применяется технология интегральных схем на основе оксидных полупроводников (КМОП). Это связано с развитием импульсных систем беспроводной связи малого радиуса действия, с простотой управления формами импульсов и взаимосвязью с другими микросхемами на кристалле. Современные методы проектирования микроэлектронных устройств формирования и приема сверхширокополосных сигналов позволяют получить дальнейшее снижение показателей энергопотребления и упрощение схемотехнических решений при разработке генераторов и приемников сверхширокополосных импульсных сигналов на основе МОП-транзисторов. Одной из проблем при приеме сверхширокополосных сигналов является то, что в рассматриваемый частотный диапазон до 3 ГГц и более попадают сигналы от других систем передачи информации (сотовая связь, WiFi и т.д.), которые могут создавать помехи при приеме пакетов сообщений системы мониторинга энергетических установок. Большинство методов противодействия таким помехам основано на применении цифровых режекторных фильтров, однако это требует соответствующего увеличения энергопотребления устройств приема. В этой связи режекции узкополосной помехи целесообразно использование аналоговых фильтров. В работе будет предложена методика расчета и практическая реализация квадратичного нелинейного устройства на основе аналогового перемножителя ADL5391. Применение такой схемы режектирования узкополосной помехи позволило получить высокие уровни подавления сигналов различных систем: Wi-Fi; цифрового телевидения и мобильной связи.
Объектом исследования в работе являются генераторы сверхширокополосных сигналов, имеющих наносекундную длительность и не имеющих несущего колебания, а также квадратурные микроэлектронные фильтры для борьбы с узкополосными помехами.
Предметом исследования являются методика построения, моделирование и экспериментальное исследование работы генератора наносекундных импульсов и квадратурного фильтра, обеспечивающего режекцию узкополосных помех от цифрового телевидения, радиовещания мобильной связи и сетей Wi-Fi.
Целью диссертационных исследований является разработка методики расчета и реализация микроэлектронных устройств формирования и приема сверхширокополосных сигналов на основе наносекундных импульсов для передачи сообщений в системах мониторинга работы двигателей в условиях узкополосных помех Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих основных задач.  Разработать методику построения генератора наносекундных импульсов, не зависящего от формы и длительности импульсов возбуждения, с минимальным энергопотреблением.  Выполнить моделирование схемы генерирования наносекундных импульсов и определить параметры этой схемы, обеспечивающие заданные характеристики импульсов и минимальное энергопотребление.  Разработать и провести экспериментальные исследования устройства генерирования наносекундных импульсов с удвоением амплитуды и определить их характеристики в зависимости от времени нарастания и спада импульсов возбуждения.  Развить методику, провести анализ и выполнить моделирование схем режекции узкополосных помех, расположенных в произвольных участках спектра полезного сигнала с учетом минимизации энергопотребления микроэлектронных устройств.  Выполнить экспериментальные исследования передачи сообщений с помощью сверхширокополосных сигналов при наличии узкополосной помехи от локальной сети Wi-Fi.
Методы исследований При решении поставленных задач использовался математический аппарат решения обыкновенных дифференциальных уравнений, применялись методы анализа теории электрических цепей. Анализ работы схемы генерирования наносекундных импульсов осуществлялся в среде ADS (Advanced Design System).
Научная новизна диссертации  Предложена методика построения энергосберегающего генератора наносекундных импульсов на основе ступенчатого диода, позволяющая путем изменения параметров схемы адаптироваться к произвольному типу импульсов возбуждения, и обеспечивающая независимость длительности формируемого импульса от переменной длительности импульса возбуждения.  Разработана модель схемы генерирования наносекундных импульсов, реализованная в среде ADS (Advanced Design System), и с ее помощью определены параметры схемы на основе МОП-транзистора, обеспечивающие минимальные показатели энергопотребления при заданной скважности импульсов возбуждения, напряжения смещения диода и индуктивности возбуждения.  В результате моделирования и экспериментальных исследований показано, что устройство генерирования целесообразно реализовать на МОП транзисторе по дифференциальной симметричной схеме генерации узких импульсов наносекундных импульсов с удвоением амплитуды.  Развита методика построения устройств режекции узкополосных помех, с учетом условий обеспечения минимального энергопотребления, позволившая определить схему реализации квадратичного фильтра в системах беспроводного мониторинга энергетических установок. Рассмотрены четыре случая постановки узкополосной помехи: на частоте цифрового телевидения; на частотах мобильной связи i f = 960 МГц и i f = 1800 МГц; частоте беспроводной локальной сети Wi-Fi.  Экспериментально показано, что при наличии узкополосной помехи от беспроводной локальной сети Wi-Fi со средней частотой i f = 2,4 ГГц, уровень которой превосходит почти в 2 раза передаваемый полезный сигнал, применение квадратичного фильтра обеспечивает подавление узкополосной помехи почти на порядок.
Положения, выносимые на защиту  Модуль радиопередатчика последовательностей сверхширокополосных наносекундных импульсов на основе МОП-транзисторов и диода со ступенчатым восстановлением позволяет получить импульсы амплитудой 9,0 В и длительностью 1,5 нс при КПД схемы 12% для импульсов возбуждения, следующих с частотой 1 МГц и имеющих время нарастания и спада импульса возбуждения 2 нс.  Применение квадратичного фильтра позволяет снизить влияние узкополосной помехи и увеличить отношение амплитуды полезного сигнала к амплитуде узкополосной помехи от 6 дБ до 50…60 дБ в зависимости от вида помехи: цифрового телевидения; мобильной связи на частотах fi = 960 МГц и fi = 1800 МГц; беспроводной локальной сети WiFi.  Применение квадратичного фильтра при наличии на входе приемного устройства группы узкополосных помех (цифрового телевидения; мобильной связи на частотах fi = 960 МГц и fi = 1800 МГц; беспроводной локальной сети Wi-Fi) позволяет увеличить отношение амплитуды полезного сигнала к амплитуде узкополосной помехи в 1,7 раза.  При пакетной передаче данных сверхширокополосными сигналами при наличии узкополосной помехи от беспроводной локальной сети Wi-Fi со средней частотой i f =2,4 ГГц, уровень которой превосходит почти в 2 раза передаваемый полезный сигнал, применение квадратичного фильтра обеспечивает вероятность ошибок 10–4 при отношении сигнал/шум 6 дБ, что обеспечивает выигрыш более 3 дБ по отношению к случаю отсутствия квадратичного фильтра.
Практическая ценность новых научных результатов Практическая значимость исследования заключается в разработке макетного образца генератора сверхширокополосных сигналов на основе термоэлектрических генераторов, обеспечивающих амплитуду 9,9 В, длительность 1,5 нс и малое энергопотребление, что сокращает затраты времени и средств при внедрении теоретических результатов работы в производство. Кроме того, предложенные в диссертации разработки использованы в аппаратуре высокоскоростной передачи видеоинформации по беспроводным широкополосным сетям. В частности, использованы результаты, касающиеся внедрения устройства формирования сверхкоротких импульсов с амплитудной модуляцией On-Off Keying при использовании схемы с удвоением напряжения и квадратичного фильтра для борьбы с узкополосными помехами, вызванными сигналами сетей Wi-Fi.
Внедрение результатов диссертации Результаты внедрены в процессе выполнения работы по повышению помехозащищенности выпускаемых предприятием сетевых автономных камер наружного наблюдения, выполненной в ООО «ЭВС» в 2021. Акт внедрения приложен к диссертационной работе (Приложение 2).
Апробация работы Результаты диссертационного исследования апробированы на следующих конференциях и симпозиумах:  Международный симпозиум “Design of Experimental Setup for Imitation Modeling of the Radar System for Personnel Screening in Motion, PhotonIcs & Electromagnetics Research Symposium”, p 96, December 17–20, 2019, Xiamen.  Международная конференция “IEEE ICMMT”, 2016, Beijing.  Международная конференция “IEEE International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech)”, 2019, Saint-Petersburg.  Всероссийская научно=техническая конференция с международным участием “XLVII Неделя Науки СПбПУ”, 2019, Санкт-Петербург.
Публикации и личный вклад автора По теме представленных в диссертации исследований опубликовано 11 работ, из них 2 статьи в ведущих рецензируемых отечественных журналах, входящих в перечень ВАК РФ, 3 – в сборниках материалов международных конференций, индексируемых в Scopus; 2 – в сборниках материалов всероссийских конференций, входящих в список РИНЦ; 4 – в международных научных журналах. В работах, опубликованных в соавторстве, личный вклад автора диссертации Ху Босюна заключается в следующем: 1. В статье “Ху Босюн, Гэ Дун, Овсянникова А.С., Макаров С.Б., Коротков А.С., Волвенко С.В., Завьялов С.В., Груздев А.С. Энергоэффективный генератор наносекундных импульсов // Радиотехника. 2021. Т. 85. № 11. С. 117−137 (список ВАК)” личный вклад: проведение расчетов и выполнение имитационного моделирования для исследования влияния параметров устройства на форму коротких импульсов; получение характеристик генератора с удвоением амплитуды импульса. 2. В статье “Ху Босюн, Гэ Дун, Смирнова Е.Н., Макаров С.Б., Коротков А.С. Экспериментальные исследования эффективности режекции узкополосных помех с помощью квадратичного фильтра в системах беспроводного мониторинга двигателей // Радиотехника. 2021. Т. 85. № 12. С. 116−128 (список ВАК)” личный вклад: разработка имитационной модели и экспериментального макета квадратичного фильтра и выполнение исследований его работы при четырех группах узкополосных помех (цифровое телевидение, цифровое радиовещание, сотовая связь, Wi-Fi); обработка результатов экспериментальных исследований. 3. В докладе “Andrey V. Zhuravlev, G. Dong, V. Razevig, Margarita A. Chizh, B. Hu. Design of Experimental Setup for Imitation Modeling of the Radar System for Personnel Screening in Motion, PhotonIcs & Electromagnetics Research Symposium, p96, December 17– 20, 2019, Xiamen, China (список Scopus)” личный вклад: проектирование и изготовление экспериментального макета приема свехширокополосных сигналов и проведение исследований с обработкой их результатов. 4. В докладе “Andrey V. Zhuravlev, G. Dong, V. Razevig, Margarita A. Chizh, B. Hu. Using Captured Data by RGB-D Video Sensor in Numerical Simulation Environment for the Development of New Microwave Personnel Screening System. PhotonIcs & Electromagnetics Research Symposium, p96, December 17–20, 2019, Xiamen China” (список Scopus)” личный вклад: программное проектирование устройств формирования сверхкоротких сигналов и изготовление макета. 5. В статье “Yu Chongzhi, Hu Boxiong, Tang Kangsong, Wang Gang. Microstrip predistortion circuit for millimeter-wave travelling wave tube. Journal of Electronics & Information Technology, Vol. 39, No. 2, Feb. 2017 (список Scopus)” личный вклад: моделирование электронных схем передачи и приема сигналов и расчеты элементов устройств. 6. В докладе “Boxiong Hu, Ge Dong. Analysis and simulation of a higher amplitude expansion millimeter wave predistortion linearizer, IEEE ICMMT, 2016, Beijing (список Scopus)” личный вклад: анализ и моделирование работы устройства формирования сигналов с увеличенной амплитудой, изготовление и тестирование устройства. 7. В статье “Yu Chongzhi, Shang Xinwen, Hu Boxiong, Novel type of Ultra-wideband Linearizer based on schottky diodes and phase shift, Chinese Journal of Vacuum Science and technology, Vol. 37, No. 4, April 2017 (список Scopus)” личный вклад: применение диодов Шоттки для формирования сверхкоротких импульсов. 8. В статье “Dong Ge, Hu Boxiong, Xi Aoxi. Study on influence of electric power conductor circuits on travelling wave tube amplifier phase stability. Journal of Electronics & Information Technology, Vol. 39, No. 2, Feb 2017” (список Scopus) личный вклад: тестирование устройства. 9. В докладе “A. Tropkina, S. V. Zavjalov, H. Boxiong, and D. Ge, "Multiple Access for UWB Wireless Sensor Network System," in 2019 IEEE International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), 2019, pp. 86–89” (список Scopus) личный вклад: конструирование экспериментальной схемы исследований передачи сверхкоротких импульсов по радиоканалу 10. В статье “V. Zavjalov, A. Tropkina, H. Boxiong, and G. Dong, Avoidance of narrowband interference in UWB wireless sensor device using square low technology, Journal of Physics: Conference Series, vol. 1326, 2019/10 2019, Art. no. 012042” (список Scopus) личный вклад: теоретическое моделирование многолучевого распространения сигналов и обработка результатов измерений. 11. В докладе “Б. Ху, Ю. Тропкина, А. Удодов, С. Макаров. Избегание узкополосных помех в СШП беспроводное сенсорное устройство, использующее квадратичную технологию. Материалы XLVII Недели Науки СПбПУ, Санкт-Петербург, 2019 (список РИНЦ)” личный вклад: теоретические расчеты работы квадратичного фильтра, построение тестовой схемы.
Структура диссертации Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы. Общий объём диссертационной работы вместе с приложениями составляет 120 страниц, в том числе, 105 страниц основного текста, 60 рисунков, 20 таблиц, списка использованной литературы из 97 наименований и 2 приложений.