Радиоосвещение на основе сверхширокополосных...

РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2016, том 61, № 11, с. 1073–1083

1073

РАДИООСВЕЩЕНИЕ НА ОСНОВЕ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ДИНАМИЧЕСКОГО ХАОСА

© 2016 г. А. С. Дмитриев1, 2, *, Е. В. Ефремова1, 2, *, М. Ю. Герасимов1, *, В. В. Ицков1, 2, *1Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН

Российская Федерация, 125009, Москва, ул. Моховая, 11, стр. 72Московский физико-технический институт

Российская Федерация, 141700, Московская обл., Долгопрудный, Институтский пер., 9*E-mail: [email protected]

Поступила в редакцию 14.10.2015 г.

Рассмотрена задача освещения предметов и поверхностей искусственными некогерентными источ-никами микроволнового излучения с целью их последующего наблюдения при помощи радиомет-рической аппаратуры. В качестве приборов некогерентного широкополосного микроволнового из-лучения использованы передатчики на основе генераторов динамического хаоса. Описан экспери-ментальный образец такого прибора – радиоосветительная лампа на базе микрогенератора хаоса иего характеристики.

DOI: 10.7868/S0033849416110024

ВВЕДЕНИЕПод радиоосвещением будем понимать ло-

кальное искусственно созданное шумовое (шу-моподобное) поле широкополосного (сверхши-рокополосного) некогерентного в пространстве иво времени излучения в радио- или микроволно-вом диапазоне длин волн. Радиоосвещение реа-лизуется при помощи одного или несколькихустройств некогерентного излучения. Попадая наблизлежащие поверхности и предметы, микро-волновое излучение частично поглощается и про-ходит через них, а также частично отражается.Распространяясь далее, оно несет информацию осреде, с которой взаимодействует. В этом случаеситуация аналогична ситуации с обычным (види-мым) светом, различие лишь в том, что это другойчастотный диапазон и другие законы взаимодей-ствия со средой, в которой происходит процесс.Кроме того, для обычного света имеется такой за-мечательный инструмент наблюдения, как глаз.Для извлечения информации об объектах, нахо-дящихся в зоне радиоосвещения (радиосвета),нужны специальные датчики или системы такихдатчиков.

Можно провести аналогию между радиосве-том и обычным видимым светом [1]. В обоих слу-чаях излучение некогерентное с широким спек-тром, что исключает эффекты интерференции исводит вопросы наблюдения к оценке мощност-ных (и, возможно, спектральных, как в случаецветового зрения) характеристик принимаемогосигнала. Принципиальной особенностью радио-

света по отношению к обычному свету являетсягромадная разница в характерной области частот(примерно на пять порядков) для света и радиосве-та. Последнее означает существенно более низкуюпотенциальную разрешающую способность прииспользовании радиосвета по сравнению с види-мым светом. Однако, существует достаточно многоситуаций, когда такая разрешающая способностьлибо приемлема, либо не имеет принципиально-го значения.

В данной работе рассматривается задача созда-ния эффективных источников радиоосвещения.Прием радиосвета рассматривается кратко толь-ко для оценки потенциальной дальности дей-ствия радиоосветительных устройств.

1. ИСТОЧНИКИ РАДИООСВЕЩЕНИЯНаблюдение объектов при помощи некоге-

рентного микроволнового излучения и других не-когерентных сигналов в диапазонах частот, от-личных от частот видимого света, давно и плодо-творно осуществляется в радиоастрономии, принаблюдении Земли из космоса [2–4] и в медицин-ской диагностике [5, 6]. При этом используетсянекогерентное микроволновое излучение, по-рождаемое естественными процессами, такимикак собственное тепловое излучение физическихтел в микроволновом диапазоне или рассеяниемикроволнового излучения, создаваемого мощ-ными естественными источниками (например,Солнцем). Таким образом, имеется большой объ-

УДК 537.86,621.373

ДИНАМИЧЕСКИЙ ХАОСВ РАДИОФИЗИКЕ И ЭЛЕКТРОНИКЕ

1074

РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА том 61 № 11 2016

ДМИТРИЕВ и др.

ем информации, который поможет ответить наряд исходных вопросов, связанных с радиоосве-щением и присущими ему свойствами. Однакоидея радиоосвещения при помощи локальныхискусственных источников, подобных освети-тельным приборам в видимом диапазоне элек-тромагнитного спектра, отмечена в литературекак некая экзотика (см., например, [1]).

Одна из причин такого положения – отсутствиеэффективных искусственных источников некоге-рентного микроволнового излучения, которые мог-ли бы быть использованы для радиоосвещения.Действительно, источниками должны быть устрой-ства, которые излучают достаточно мощные посравнению с тепловым излучением шумовые илишумоподобные широкополосные некогерентныесигналы. Устройства должны быть простыми вэксплуатации, как и источники обычного светатипа ламп накаливания, люминесцентных ламп,светодиодных ламп. В противном случае можнорассматривать радиоосветительные приборытолько применительно к специальной исследова-тельской аппаратуре.

В микроволновой технике используются дватипа источников шума: газоразрядные трубки иполупроводниковые pn-диоды в режиме лавин-ного пробоя. Их основным параметром являетсякоэффициент избыточности шума (excess noiseratio – ENR), который определяется как отно-шение сгенерированной мощности шума к мощ-ности шума резистора, согласованного с кон-кретной линией передачи, при температуреокружающей среды и измеряется в децибелах. Газо-разрядные трубки имеют типичный ENR ~ 15 дБ,что примерно в 30 раз больше мощности теплово-го шума, создаваемого согласованным резисто-ром при температуре окружающей среды 290 К.Таким образом, трубка генерирует шум, соответ-ствующий температуре примерно 9 × 103 K. Зна-чение ENR для диодных источников шума дости-гает ~30 дБ (см., например, [7]), и их шумоваятемпература составляет около 3 × 105 К, что соот-ветствует спектральной плотности мощности р ≈≈ 4 × 10–9 мВт/МГц (–84 дБм/МГц). Интегральнаямощность устройства в полосе 1000 МГц составляет4 × 10–6 мВт. Дальнейшее повышение ENR можетбыть достигнуто за счет применения усилителей.Однако при существенном повышении выходноймощности требуется достаточно сложная и неде-шевая конструкция [8].

В последующих разделах будет показано, чтоприемлемая мощность для отдельного искус-ственного источника радиоизлучения лежит вдиапазоне 0.1–1.0 мВт. Таким образом, ни одиниз упомянутых типов источников шума не можетбыть рассмотрен как подходящее решение дляприборов радиоосвещения.

2. ПЕРЕДАТЧИК МИКРОВОЛНОВОГО ДИНАМИЧЕСКОГО ХАОСА

КАК ИСКУССТВЕННЫЙ ИСТОЧНИК РАДИОСВЕЩЕНИЯ

В качестве источников для радиоосвещенияпредлагается использовать генераторы динами-ческого хаоса, которые можно рассматривать какисточники шумоподобных аналоговых сигналовв соответствующем диапазоне частот.

Эти устройства развивались на протяжениимногих лет: от вакуумных приборов, в которыхиспользуется естественное запаздывание в распре-деленных системах [9–11], полупроводниковыхустройств с распределенными колебательнымисистемами на основе микрополосков до полупро-водниковых устройств с колебательными система-ми на элементах с сосредоточенными параметра-ми [12]. При этом рассматриваются устройства,генерирующие хаотические сигналы в заданномдиапазоне радио- или микроволновых частот.

Основные этапы исследований и разработокпо созданию миниатюрных генераторов хаосамикроволнового диапазона, проведенных в ИРЭим. В.А. Котельникова РАН с начала 2000-х го-дов, представлены на рис. 1. До начала этих ис-следований микроволновые генераторы хаоса наоснове полупроводниковых активных элементовсуществовали только в виде микрополосковыхприборов. К 2008-му году удалось добиться зна-чительного прогресса в создании устройств в видегенераторов хаоса на сосредоточенных парамет-рах. Это привело к упрощению конструкции,уменьшению размеров, повышению технологич-ности и снижению стоимости. Кроме того, по-явилась возможность тиражирования такихустройств партий в сотни и тысячи штук.

Типичный генератор хаоса микроволновогодиапазона с сосредоточенными элементами реа-лизуется на основе автоколебательной системы с2.5 степенями свободы, активным элементом ко-торой является биполярный транзистор (рис. 2).

Математическая модель генератора представ-ляет собой систему из пяти обыкновенных нели-нейных дифференциальных уравнений первогопорядка:

(1)

где VКЭ, VБЭ – напряжения коллектор-эмиттер ибаза-эмиттер, V1 – напряжение на емкости C1; I1,I2, IК, IБ – токи через индуктивность L1, индук-тивность L2, коллектор К и базу Б транзистора.Структура этой автоколебательной системы тако-

0 КЭ 1 К

1 1 1 КЭ 1 1

1 1 2 1

2 2 БЭ 1 2 2

2 БЭ Э БЭ Э 2 Б

,,

,,

( )/ ,

C V I IL I V V R I

C V I IL I V V R I

C V V V R I I

= −= − −

= −= − −

= − − −

�

�

�

�

�


РАДИООСВЕЩЕНИЕ НА ОСНОВЕ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ 1075

ва, что генерируются колебания в некоторой по-лосе частот. При этом генерация в требуемой по-лосе частот и хаотический характер колебанийобеспечиваются при соответствующем выборепараметров автоколебательной системы [12]. Наоснове разработанных генераторов микроволно-вого хаоса созданы сверхширокополосные прие-мопередатчики для беспроводной связи и бес-проводных сенсорных систем [13].

Следующим этапом миниатюризации и повы-шения технологичности генераторов хаоса являетсясоздание генераторов хаоса на основе автоколеба-тельных систем типа (1) в виде интегральных мик-росхем. Работы в этом направлении начали прово-дить несколько лет назад [14, 15]. При разработкемикросхем за основу взята автоколебательная си-стема (1), в которую введены дополнительные эле-менты (рис. 3). Типичная топология интеграль-ной микросхемы источника хаоса с одним актив-ным элементом показана на рис. 4. К настоящемувремени в ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН сов-местно с ООО “Нанохаос” получены экспери-ментальные образцы микрогенераторов хаоса синтегральной мощностью излучения в полосе ча-стот 3…7 ГГц около 300 мкВт (рис. 5а). В приборахиспользуется кремний-германиевая технология снормой 0.25 мкм. Площадь кристалла – 1.6 мм2.

Источники с такой выходной мощностью до-статочно эффективно могут быть использованы врадиоосветительных приборах.

Создание генераторов динамического хаоса ввиде микросхем принципиально меняет ситуа-цию в области производства: теперь достаточномощные источники некогерентных сверхширо-кополосных шумоподобных сигналов микровол-нового диапазона можно изготавливать дешевлеи большими партиями. В результате появляетсявозможность применять их для решения новыхзадач, например радиоосвещение – одна из такихзадач.

Ближайшими аналогами источников микро-волнового некогерентного сверхширокополос-ного излучения в видимом глазом диапазоне ча-стот являются светодиоды с белым свечением.Для получения белого свечения применяется си-ний светодиод, излучение которого направляется

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

1

4 3

2

Рис. 2. Автоколебательная система с 2.5 степенямисвободы.

R1 R2L1 L2

I2 IБIКК

ЭБ

I1

C0 C1 C2VЭ

RЭ

1076



на люминофор из желтого фосфора (рис. 6а).Свет белого спектра получается путем смешениясинего света от самого светодиода и более длин-новолнового света, излучаемого от люминофора(рис. 6б). В результате светодиод излучает некоге-рентный шумовой сигнал в полосе длин волнΔλ = 450…650 нм. При этом полоса частот белогосвета с радиофизической точки зрения являетсясверхширокой, поскольку Δf/f = Δλ/λ > 0.25, гдеΔf – разность между верхней и нижней частотамив спектре излучения, f и λ – средняя частота исредняя длина волны в спектре соответственно.

Аналогия микрогенераторов хаоса как источ-ников радиоосвещения со светодиодами белогосвечения становится очевидной при сравненииспектра излучения светодиода (рис. 6б) и спектрамощности сигнала микрогенератора (рис. 5б – экс-перимент и рис. 7а – моделирование). Такие харак-

теристики, как реализация процесса (рис. 7б),быстро спадающая автокорреляционная функ-ция (рис. 7в) и близкое к гауссовскому статисти-ческое распределение мгновенных значений сиг-нала (рис. 7г), подтверждают, что хаотическийсигнал имеет свойства, обеспечивающие созда-ние некогерентного освещения в микроволновомдиапазоне частот.

Важное общее свойство микрогенераторов ди-намического хаоса и светодиодов – некогерент-ность генерируемого сигнала. Это свойство необ-ходимо для применения микрогенераторов хаосав качестве источников освещения, посколькуобеспечивает равномерную (без интерференции)засветку окружающей среды при использованиикак одиночного, так и множественных источни-ков. Другой важной общей чертой светодиодов имикросхем генераторов хаоса (chaos emitted chip –CEC), является сходство электрических характе-ристик: оба устройства низковольтные и могутбыть применены как поодиночке, так и в виде по-следовательных и параллельных сборок, в томчисле в целях увеличения мощности или распре-деления излучения по пространству.

Из сказанного следует, что микрогенераторыдинамического хаоса являются эффективнымиисточниками широкополосного некогерентногоизлучения в микроволновом диапазоне частот, каксветодиоды с белым свечением являются эффек-тивными источниками широкополосного некоге-рентного излучения в видимом диапазоне частот.

3. МОДЕЛИ ОСВЕЩЕНИЯВ РАДИОДИАПАЗОНЕ

Локальные компактные источники радио-освещения на основе сверхширокополосных ге-нераторов динамического хаоса дают возмож-

Рис. 3. Принципиальная электрическая схема интегрального генератора хаоса.

С3

С0

С2

С1

С4 С5 R6

Vвых

Rнагр

L6

L5L4

R5

R3R2

RЭ

VЭЭ

КБ

R1 L3L2L1

R4

Рис. 4. Топология микросхемы.



ность целенаправленно рассмотреть вопрос опринципах их использования. Ситуация здесь су-щественно отличается от ситуации при освеще-нии в видимом диапазоне частот, что связано какс физическими характеристиками излучения, таки с масштабными вопросами.

Рассмотрим типичные геометрические конфи-гурации расположения источников, объектов осве-щения или участка окружающей среды и наблюда-тельного (измерительного) прибора (системы). Нарис. 8а показан пример “сцены” с расположеннымина ней источниками радиоосвещения 1, 2, 3, объек-

том, рассеивающим и пропускающим радиоизлу-чение 4, и наблюдательным прибором 5. В этомпримере в наблюдательный прибор поступаютизлучение непосредственно от источников 1 и 2,их же излучение, рассеянное на объекте 4, и излу-чение от источника 3, прошедшее через объект.

В зависимости от взаимного расположения ис-точников радиоосвещения, объекта, наблюдатель-ного прибора, средней длины волны излучения λ иэлектрических размеров антенн источников радио-освещения и наблюдательного прибора можновыделить ряд типичных случаев “сцен”.

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

–100

–80

–60

–40

–20

0 2 4 6 8

S, дБ

f, ГГц

(а)

(б)

1078



Рис. 6. Светодиод с белым свечением, а – структура:1 – линза, 2 – рефлектор, 3 – светодиодная матрица ифосфор, 4 – основа; б – спектр излучения: 1 – спек-тральная линия синего светодиода, 2 – линия переиз-лучения желтого фосфора.

0

1000

2000

3000

300 400 500 600 700

1

2

3

4

1

2

I, отн. ед.

λ, нм

(а)

(б)

Введем следующие предположения, не влияю-щие на общность постановки задачи, но суще-ственно сужающие круг рассматриваемых моде-лей. А именно, будем рассматривать источникирадиоосвещения только с изотропным излучени-ем в пространстве (одинаковым по всем направ-лениям) и считать задачу скалярной, не прини-мая во внимание поляризацию излучения.

Весь интервал расстояний R от антенны на-блюдательного прибора до “сцены” (фрагментанаблюдаемой среды) разделим на две зоны, мера-ми разделения которых являются средняя длинаволны излучения λ и характерный линейный раз-мер антенны L [16]:

ближняя зона и промежуточная зона (зонаФренеля)

(2)22 ;LR ≤

λ

дальняя или волновая зона (зона Фраунгофера)

(3)

Заметим, что для изотропного излучателясвязь между коэффициентом направленного дей-ствия D = 1 и эффективной излучающей площа-дью S определяется согласно соотношениям

(4)

В дальнейших оценках принимается, что рас-крыв антенны наблюдательного прибора имеет

22 .LR >λ

2

24 1 .

4SD S λπ= = ⇒ =

πλ

Рис. 7. Расчетные характеристики сигнала на выходемикрогенератора хаоса, а – фрагмент временной реа-лизации; б – спектр мощности; в – автокорреляци-онная функция; г – распределение p мгновенных зна-чений амплитуды А сигнала на выходе антенны(сплошная линия – моделирование, штриховая ли-ния – гауссовское распределение).

–100

–80

–60

–40

–20

0 2 4 6 8 f, ГГц

S, дБ(а)

–700

–420

–140

140

420

100 103 106 109 112 t, нс

V, мВ(б)



круглую форму. В этом случае и из (4)

следует .

Для наблюдательного прибора имеющего ан-тенну с изотропной диаграммой направленностипрактический интерес представляет только даль-няя зона – зона Фраунгофера

(5)

При использовании ненаправленных антенн визмерительном приборе всегда наблюдаем суммупрямого излучения от источников радиоосвеще-ния, поля, прошедшего через объект и поля рас-сеянного объектами “сцены” (рис. 8а). В типич-ных случаях все эти источники находятся в даль-ней зоне (5) антенны наблюдательного прибора, аих излучение, поступающее на антенну наблюда-тельного прибора, складывается в нем по мощно-

2

4LS π=

L λ=π

22 .

5R λ λ> ≈

π

сти. Фактически ситуацию можно рассматриватькак передачу по схеме “точка–точка” при приемеизлучения наблюдательным прибором от некото-рого усредненного источника. При этом за оцен-ку излучаемой мощности усредненного источни-ка можно принять суммарную мощность источ-ников (считая их точечными и находящимисяпримерно на одинаковом расстоянии от измери-

Рис. 7. Окончание.

–1.0

–0.5

0

0.5

1.0

–10 –5 0 5 t, нс

(в)c(t)

0

0.004

0.008

0.040.020–0.02–0.04–0.06 A, В

(г)p

Рис. 8. Типичные геометрические конфигурации рас-положения источников, объектов освещения илиучастка окружающей среды и наблюдательного при-бора. 1, 2, 3, 6, 7 – источники радиоосвещения, 4 –объект, рассеивающий и пропускающий излучение,5 – наблюдательный прибор; а – освещаемая “сцена”с расположенными на ней источниками радиоосве-щения; б – вторая базовая модель освещения; в – тре-тья базовая модель освещения; θ – ширина диаграм-мы направленности антенны измерительного прибо-ра; ϕ – угол, под которым видна радиоосвещаемая“сцена” из точки измерения.

3

4

2

5

1

3

4

2

51

3

4

6

75 ϕ

θ2

1

(а)

(б)

(в)

1080



тельного прибора). Если же расстояния до источ-ников излучения существенно различаются,мощности поступающего в измерительный при-бор излучения от разных источников должныбыть учтены в зависимости от расстояния. В лю-бом из этих случаев существенно, что поступаю-щее от всех источников излучение некогерентноеи складывается по мощности.

За базовую модель освещения в рассмотрен-ном случае (первую базовую модель) можно при-нять модель с одним источником радиоосвеще-ния (без рассеивающего или преломляющегообъекта), излучение от которого непосредствен-но поступает на антенну измерительного прибо-ра. Если мощность источника известна, то по еедоле, поступающей в наблюдательный прибор,можно оценивать расстояние до источника.

Пусть теперь антенна наблюдательного при-бора имеет характерный размер L. Тогда ширинаее диаграммы направленности в дальней зоне со-ставит θ ~ λ/L, а размер разрешаемого элемента

. Из условия (3) следует, что расстояние

до объекта, при котором реализуется условиедальней зоны, быстро растет с увеличением раз-мера антенны. Например, при L = 5λ имеем R >> 50λ. Если λ = 7.5 см, то R > 3.75 м. Если же L == 10λ, то расстояние до дальней зоны увеличива-ется до 200λ или 15 м. Линейный размер антенны37.5 см в первом случае и 75 см во втором. При та-ких разумных размерах антенн может быть обеспе-чено наблюдение в зоне Френеля для небольших исредних размеров помещений: до 40 м2 в первомслучае и до 160 м2 во втором. Угловые разрешенияантенны равны 12° и 6° в первом и втором случаях,что обеспечивает на границе с зоной Фраунгоферапространственное разрешение см и

см соответственно для размеровантенн 5λ и 10λ. Внутри зоны Френеля разреше-ние будет улучшаться с уменьшением расстоя-ния, вплоть до ближней зоны, достигая на рассто-янии порядка размера антенны предельного зна-чения ~λ. Таким образом, при освещениипространств, имеющих площади от десятков досотен квадратных метров и рассмотренные харак-теристики системы, площадь наблюдаемой “сце-ны” значительно превышает размер элементаразрешения, а это означает, что попадающая вэлемент разрешения мощность не будет зависетьот расстояния (при одинаковой засветке).

Рассмотренная ситуация соответствует второйбазовой модели радиоосвещения, согласно кото-рой освещенная “сцена” состоит из поверхностей(отражающих, пропускающих) с размерами, зна-чительно превышающими элемент разрешенияантенны наблюдательного прибора. Кроме того,на “сцене” могут располагаться источники ра-

~ RLλΔ

1 1 75Rδ = θ =2 2 37.5Rδ = θ =

диоосвещения, излучение которых попадает наантенну наблюдательного прибора (рис. 8б).

Третья модель освещения отвечает промежу-точному случаю между первой и второй моделя-ми. В этом случае вся освещенная “сцена” вместес источниками радиоосвещения имеет угловыеразмеры относительно точки измерения, не пре-вышающие ширину диаграммы направленности.Эта ситуация проиллюстрирована на рис. 8в, где θ –ширина диаграммы направленности антенны из-мерительного прибора; ϕ – угол, под которымвидна радиоосвещаемая “сцена” из точки изме-рения. Заметим, что источники радиоосвещенияв этой конфигурации могут находиться как в пре-делах сектора, соответствующего диаграмме на-правленности антенны наблюдательного прибо-ра, так и вне его. Это важно, поскольку если излу-чение источников радиоосвещения попадаетнапрямую на антенну наблюдательного прибора,то его мощность превалирует.

4. ОЦЕНКА ДАЛЬНОСТИ ОБНАРУЖЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ РАДИООСВЕЩЕНИЯ

Точечный источник радиоосвещения характе-ризуется излучаемой мощностью P и спектраль-ной плотностью мощности S(f) в полосе излуче-ния Δf.

Мощность излучения, рассеиваемую освещен-ными объектами, будем оценивать при помощиуравнения радиолокации в варианте разнесенныхпередатчика и приемника. При этом в качествепередатчика используем источник радиоосвеще-ния с изотропной диаграммой направленности, вкачестве приемника – наблюдательный прибор.За эффективную поверхность рассеяния будемпринимать площадь проекции объекта на плос-кость, перпендикулярную оси диаграммы на-правленности наблюдательного прибора. При на-личии нескольких осветительных устройств пада-ющая от них на объект мощность суммируется(излучение некогерентное).

Если источник радиоосвещения мощностьюPист освещает объект с эффективной площадьюSоб рассеяния (ЭПР), удаленный от него на рас-стояние R1, то при отсутствии потерь в среде рас-пространения, мощность радиоволны Pоб, отра-женная объектом, определяется согласно соотно-шению

(6)

Поскольку площадь Sоб характеризует изо-тропно рассеивающий объект, мощность излуче-ния, поступающая на вход приемника (наблюда-

ист обоб 2

1

.4

P SPR

=π



тельного прибора) Pнп, удаленного от рассеиваю-щего объекта на расстояние R2, будет равна

(7)

где Gнп – коэффициент усиления антенны наблю-дательного прибора.

Максимальная дальность, при которой можнонаблюдать радиоосвещенный объект (при фик-сированном расстоянии источника света от объ-екта), определяется согласно уравнению

(8)

где (Pнп)мин – мощность, характеризующая порогчувствительности наблюдательного прибора.

Интересно сравнить мощность, принимаемуюнаблюдательным прибором непосредственно отисточника радиоосвещения и мощность, отра-женную от объекта. Мощность, рассеиваемаяобъектом, связана с мощностью источника ра-диоосвещения в соответствии с формулой (6), т.е.

эти мощности различаются в раз. Напри-

мер, если расстояние между источником радио-освещения и объектом равно 5 м, а ЭПР равна1 м2, то отраженная мощность более чем в 300 разменьше мощности источника. Если же источникравномерно освещает поверхность площадью100 м2 на том же расстоянии, то мощность переот-ражаемого сигнала составляет уже ~0.3 от Pист. Та-ким образом, суммарная переотражаемая мощ-ность может меняться в широких пределах.

В связи с этим для оценки максимальной воз-можной дальности наблюдения “сцены” целесо-образно использовать максимальную дальностьвидения источника радиоосвещения, которуюможно будет рассматривать как верхнюю границувозможной дальности наблюдения и для другихмоделей освещения.

5. ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ НАБЛЮДАТЕЛЬНОГО ПРИБОРА

Под порогом чувствительности приборов дляизмерения интенсивности флуктуационногоэлектромагнитного излучения понимается шумо-вой сигнал на входе приемной системы, равныйпо своей амплитуде на выходе среднеквадратич-ному отклонению флуктуационного сигнала,обусловленного собственными шумами усили-тельного тракта.

Оптимальным устройством для приема шумо-подобных сигналов различной физической при-роды, в том числе и электромагнитных излучений,является устройство (рис. 9), состоящее из идеаль-

λ= =π π

2об ист нп об

нп нп2 3 2 22 1 2

,4 (4 )P P G SP S

R R R

2ист нп об

макс 3 2нп мин 1

,(4 ) ( )

P G SRP R

λ=π

об2

14S

Rπ

ного (не шумящего) усилителя, квадратичного де-тектора и интегратора (фильтра нижних частот),осуществляющего накопление сигнала [4].

Чувствительность такого радиометрическогоприемника равна

(9)

Оценим дальность, при которой можно на-блюдать источник радиоосвещения при помощирассматриваемого приемника. Для этого вос-пользуемся стандартной процедурой расчетабюджета радиоканала M [17]:

(10)

где Gист [дБ] – коэффициент усиления антенныисточника; [дБ] – требуемое отноше-ние энергии бита на спектральную плотность вдецибелах; S [дБ/c] – скорость передачи данныхвыраженных в децибелах в секунду; kT [дБм] –спектральная мощность теплового шума при тем-пературе T, k – постоянная Больцмана; L0 [дБ] –потери мощности сигнала при распространениимежду источником радиоосвещения и наблюдатель-ным прибором при расстоянии между ними 1 м;LR [дБ] – дополнительное затухание принимаемо-го сигнала при увеличении расстояния между ис-точником и приемником радиосвета от 1 м до R, м.

В рассматриваемом случае отношение можно получить, исходя из соотно-

шения принимаемой мощности сигнала кмощности шума N:

(11)

Пороговая принимаемая мощность сигналаравна

(12)

Из формулы (11) можно получить отношениеэнергии бита к спектральной плотности шума:

(13)

пр2 .FT Tf

ΔΔ =Δ

бист ист нп

0 треб

0( ) ,R

EM P G GN

S kT L L

⎛ ⎞= + + − −⎜ ⎟⎝ ⎠

− − − −

( )б 0 треб/E N

( )б 0 треб/E N

прP

пр б

0

.P E RN N W

=

пр пр2 .FP k T f k T ff

Δ= Δ Δ = ΔΔ

пр прб

0 0

,P W PE

N NR N R= =

Рис. 9. Схема приемника: ПФ – полосовой фильтр,МШУ – малошумящий усилитель, (•)2 – квадратич-ный детектор, ФНЧ – фильтр нижних частот.

ПФ МШУ ФНЧ(•)2

1082



отсюда имеем

(14)пр

б

0 0

2 22 .

F Fk T f fE f f fN N R R F

Δ ΔΔ ΔΔ Δ Δ= = =

Δ

При полосе входного усилителя приемногоустройства = 1 ГГц и полосе фильтра низкихчастот = 10 Гц отношение энергии бита кспектральной плотности равно 41.5 дБ.

Полагая Gист = Gнп = 0 дБ, требуемое отноше-ние энергии бита на спектральную плотность41.5 дБ, скорость передачи как величину, обратнуювремени накопления, 10 бит/с, kT = –174 дБм, же-лательный запас “прочности” по бюджету каналаМ = 10 дБ и L0 = 44 дБ (при средней длине волны7.5 см), kT из уравнения (10) получаем LR = 68.5 дБ.Это означает, что источник радиоосвещения смощностью излучения 1 мВт потенциально мож-но увидеть при помощи наблюдательного прибо-ра, имеющего ненаправленную антенну с рассто-яния, большего 2.5 км.

6. РАДИООСВЕТИТЕЛЬНАЯ ЛАМПАПо аналогии со светодиодной лампой может

быть создана лампа для радиоосвешения с актив-ным элементом в виде микросхемы. Идея такойлампы заключается в следующем.

Микрогенератор динамического хаоса вместес антенной образуют источник шумоподобногосверхширокополосного излучения микроволно-вого излучения (рис. 10а). Такой источник можнорассматривать как прототип лампы радиоосвеще-ния. Далее этот прототип конструктивно транс-формируется как по форме, так и по режиму экс-плуатации в “лампочку” обычного формата с на-пряжением питания 220 В.

Экспериментальный образец лампы радио-освещения ЛРС-2 был разработан на основе мик-росхемы генератора динамического хаоса, фор-мирующей сигнал в диапазоне частот 3…7 ГГц(разд. 3). Излучаемая мощность лампы примерно300 мкВт. Лампа содержит плату с электроннымикомпонентами и антенной1 (рис. 10б) и источниквторичного питания, обеспечивающий преобра-зование сетевого переменного напряжения 220 Вв напряжение постоянного тока 5 В. Верхняя ме-таллизированная сторона платы вместе с конус-ным элементом образуют диско-конусную излу-чающую антенну [18, 19]. Кроме того, на верхнейстороне платы расположен индикаторный свето-диод, отображающий состояние устройства(включено или выключено). Электронная частьлампы размещена в стандартном корпусе c цоко-лем типа E27 для светодиодных ламп (рис. 10б).Вторичный источник питания размещен в цоколелампы.

Создание радиоосвещения в помещении илина открытой площадке сводится к размещениюлампы в патроне стандартного светильника, под-

1 Диско-конусная антенна лампы радиоосвещения разрабо-тана совместно с В.А. Калошиным и К.З. Нгуеном.

fΔFΔ

Рис. 10. Лампочка радиоосвещения; a – прототиплампочки в виде генератора хаоса с подключеннойантенной; б – конструкция излучающего устройствас антенной (слева) и колба (справа); в – устройство всборе в виде стандартной осветительной лампочки.

(а)

(б)

(в)



ключенного к обычной электросети, и нажатиикнопки выключателя.

Другими вариантами источников радиоосве-щения могут быть приборы, в которых в каче-стве источников питания используются различ-ные низковольтные источники постоянного то-ка, например от 12-вольтовой автомобильнойсети, от 5-вольтовых USB разъемов ноутбуков ипланшетов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработка высокоэффективных миниатюрныхисточников широкополосного некогерентногомикроволнового излучения на основе динамиче-ского хаоса дает возможность создавать искусствен-ное радиоосвещение. При использовании совре-менных методов приема сверхширокополосныхсигналов это позволит создать новый класс аппа-ратуры для инфокоммуникационной инфра-структуры массового применения. Такую аппара-туру можно будет применять в условиях полярнойночи на Крайнем Севере, при швартовке судов втумане, для ориентирования самолетов при по-садке и т.д.

Прототипами приборов наблюдения радио-освещенных объектов являются традиционныерадиометрические приемники [2–6] и датчики наоснове логарифмических детекторов [13]. По-следние даже при комнатной температуре имеютдостаточно высокую чувствительность и большойдинамический диапазон. Так, например, прием-ник с логарифмическим детектором и ненаправ-ленной антенной будет “чувствовать” радиосветот лампы с мощностью излучения 300 мкВт нарасстояниях от десятков сантиметров до несколь-ких сотен метров.

Работа выполнена при финансовой поддержкеМинобрнауки, Федеральная целевая программа“Исследования и разработки по приоритетнымнаправлениям развития научно-технологическо-го комплекса России на 2014–2020 гг.” (соглаше-ние № 14.584.21.0036, уникальный идентифика-тор RFMEFI60414X0036).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1. Polivka J., Fiala P., Machac J. // Progress in Electro-

magnetics Research. 2011. V. 111. P. 311.2. Шутко А.М. СВЧ-радиометрия водной поверхно-

сти и почвогрунтов. М.: Наука, 1986.3. Armand N.A., Polyakov V.M. Radio Propagation and

Remote Sensing of the Environment. N.Y.: CRC Press,2005.

4. Шарков Е.А. Радиотепловое дистанционное зонди-рование Земли: физические основы. Т 1. М: ИКИРАН, 2014.

5. Гуляев Ю.В., Годик Э.Э. // Вестн. АН СССР. 1983.№ 8. С. 118.

6. Гуляев Ю.В. Физические поля и излучения челове-ка. Новые неинвазивные методы медицинской ди-агностики. М.: РБОФ “Знание” им. С.И. Вавило-ва, 2009.

7. Серия шумовых диодов Noisecom. NC100/200/300/400. http://evitek.ru/catalog/noisecom/istoch-niki-shuma/shumovye-diody/seriya-shumovyh-diodov-noisecom-_16294.html.

8. Безруков В.А. // Современная электроника. 2011.№ 7. С. 28.

9. Кислов В.Я., Залогин Н.Н., Мясин Е.А. // РЭ. 1979.Т. 24. № 6. С. 1118.

10. Безручко Б.П., Кузнецов С.П., Трубецков Д.И. //Письма в ЖЭТФ. 1979. Т. 29. № 3. С. 180.

11. Анисимова Ю.В., Дмитриев А.С., Залогин Н.Н. и др. //Письма в ЖЭТФ. 1983. Т. 37. № 8. С. 387.

12. Дмитриев А.С., Ефремова Е.В., Максимов Н.А., Па-нас А.И. Генерация хаоса. М.: Техносфера, 2012.

13. Дмитриев А.С., Клецов А.В., Лактюшкин А.М. и др. //РЭ. 2006. Т. 51. № 10. С. 1193.

14. Дмитриев А.С., Ефремова Е.В., Никишов А.Ю. //Письма в ЖТФ. 2009. Т. 35. № 23. С. 40.

15. Дмитриев А.С., Ефремова Е.В., Никишов А.Ю. //Письма в ЖТФ. 2010. Т. 36. № 9. С. 82.

16. Панченко Б.А. Антенны. М.: Горячая линия – Те-леком, 2015.

17. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы ипрактические применения. М.: Издат. дом “Ви-льямс”, 2003.

18. Калошин В.А., Мартынов Е.С., Скородумова Е.А. //РЭ. 2011. Т. 56. № 9. С. 1094.

19. Калошин В.А., Скородумова Е.А. // Антенны. 2011.№ 10. С. 79.

Радиоосвещение на основе сверхширокополосных...

Science