Электроника, фотоника и киберфизические системы

КОЛОНКА РЕДАКТОРА

Олег Геннадьевич Морозов — Пт, 03 июл 2026 11:06:48 +0300

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТРЁХ ТИПОВ РЕЗОНАТОРНЫХ СВЧ-ДАТЧИКОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКИХ СРЕД

Ср, 17 июн 2026 00:00:00 +0300

Представлен сравнительный анализ трёх типов резонаторных СВЧ-датчиков для измерения диэлектрических свойств жидких сред: комплементарного кругового спирального резонатора (CCSR, Complementary Circular Spiral Resonator), комплементарного прямоугольного двойного кольцевого резонатора (CDSRR, Complementary Dual Split Ring Resonator) в составе микрополосковой патч-антенны при полном покрытии пробой, а также двухкольцевого щелевого планарного резонатора (DSRR) с интегрированным микрофлюидным каналом в вертикальной конфигурации над щелевыми зазорами – RGV). Для каждого датчика приведены конструкция, геометрические параметры, эквивалентная электрическая схема и аналитический расчёт индуктивности, ёмкости и резонансной частоты. Сравнение проведено в единых условиях: методом полноволнового электромагнитного моделирования в среде CST Studio Suite (решение в частотной области, диапазон 1–6 ГГц) рассчитаны характеристики рассеяния при загрузке датчиков пробами с относительной диэлектрической проницаемостью 1, 10, 25, 50 и 78 при двух уровнях тангенса угла диэлектрических потерь (0,01 и 0,10) — всего 30 расчётов. Для каждой точки определены резонансная частота, нагруженная добротность по уровню −3 дБ
и чувствительность. Показано, что наибольшую чувствительность обеспечивает CDSRR, наибольшую и наиболее стабильную добротность – DSRR на подложке при низких потерях,
а наилучшую повторяемость отклика к диэлектрическим потерям во всём диапазоне – CCSR. Полосовой отклик DSRR уменьшается при пробах с большими потерями, тогда как режекторные отклики CCSR и CDSRR сохраняются. Сформулированы рекомендации по применению каждого типа датчика.

МАССИВ МИКРОВОЛНОВЫХ РЕЗОНАТОРОВ ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ВОДЫ И ПРИНЦИПЫ ЕГО ТЕРМОКОМПЕНСАЦИИ НА ОСНОВЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

Ср, 24 июн 2026 00:00:00 +0300

Планарные микроволновые резонаторы и их массивы являются одним из наиболее перспективных решений для создания компактных и недорогих систем мониторинга качества воды. Однако применение одиночных сенсоров сопряжено с проблемами неоднозначности интерпретации данных и высокой температурной зависимостью диэлектрической проницаемости воды, что вносит погрешность до 5–12% при изменении температуры на 10–15 °C. Целью данной работы является анализ современных подходов к формированию многочастотных массивов микроволновых датчиков и разработка оригинального метода термокомпенсации на базе линейно-чирпированных волоконных брэгговских решеток (ЛЧВБР).

В исследовании рассмотрены и оптимизированы три типа резонансных структур: симметричный кольцевой резонатор, массив комплементарных квадратно-щелевых резонаторов на диэлектрической подложке и компактный дифференциальный компаратор, использующий резонанс Фано. Моделирование показало, что оптимизированный кольцевой резонатор обеспечивает глубину резонанса −23,5 дБ на частоте 2,449 ГГц, а массив из пяти комплементарных резонаторов формирует широкополосный отклик в диапазоне 1,4–9,4 ГГц. Это позволяет получать многомерный «диэлектрический отпечаток» воды, повышая селективность к различным примесям и компенсируя взаимное влияние элементов. Компараторная структура на основе резонанса Фано дополнительно обеспечивает высокую чувствительность и встроенную самокалибровку с выбором анализа различных примесей для каждого резонатора. Для устранения температурного дрейфа предложена схема оптической термокомпенсации с использованием трех ЛЧВБР: опорной (стабильная температура), температурно-чувствительной и чувствительной к показателю преломления жидкости. Экспериментальная оценка продемонстрировала температурную зависимость сдвига резонансной частоты на уровне −1 МГц/°C и −2 МГц/°C, что позволяет динамически корректировать данные с относительным разрешением 1×10⁻⁴. Сочетание компараторного микроволнового резонатора и прецизионной оптической термокомпенсации формирует надежную, высокоточную и компактную платформу для непрерывного контроля состава и качества воды в реальных условиях эксплуатации.

ТЕРМОКОМПЕНСИРОВАННЫЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО-ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ ДВУХКАНАЛЬНЫЙ ДАТЧИК ФРЕНЕЛЕВСКО-БРЭГГОВСКОГО ТИПА ДЛЯ МОНИТОРИНГА ОТВЕРЖДЕНИЯ ПЛОСКИХ ЛИСТОВЫХ ТЕРМОРЕАКТИВНЫХ КОМПОЗИТОВ

Чт, 07 май 2026 00:00:00 +0300

Предлагается термокомпенсированный последовательно-параллельный двухканальный датчик френелевско-брэгговского типа для мониторинга отверждения плоских листовых термореактивных полимерных композитных материалов (ТРПКМ). Мониторинг в первом канале основан на измерении коэффициента отражения Френеля на границе раздела оптическое волокно/эпоксидная смола при его зондировании двухчастотном лазерным излучением, сформированным в фазовой двухкомпонентной адресной волоконной брэгговской структуре (АВБС). Показатель преломления эпоксидной смолы изменяется на разных стадиях отверждения, что выражается в изменении коэффициента отражения Френеля. Состояние отверждения определяется путем мониторинга изменения отраженной интенсивности на частоте биений компонент АВБС. При этом фазовая АВБС дополнительно служит термометром для реализации термокомпенсации первого канала. Использование двух волновых АВБС во втором канале помогает отделить температурно-индуцированные перекрестные эффекты от деформационных, вызванных отверждением смолы. Это достигается помещением одной волновой АВБС в эпоксидную смолу, а вторую вне ее в непосредственной близости, позволяющей учитывать температуру обрабатываемого ТРПКМ для реализации термокомпенсации второго канала. Для обработки информации в обоих каналах используется радиофотонный интеррогатор для опроса АВБС с высокой точностью. В ходе экспериментов, проведенных в резонаторно-рупорном микроволновым технологическом комплексе, доказана самодостаточность любого из каналов. При этом поставлена задача комплексного их использования при условии выполнения каналов на волокнах различного типа, что позволит более эффективно отделять температурно-индуцированные перекрестные эффекты от деформационных, что особенно важно при мониторинге отверждения плоских листовых ТРПКМ с сохранением его формы.

МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ДАТЧИК НА АДРЕСНЫХ ВОЛОКОННЫХ БРЭГГОВСКИХ СТРУКТУРАХ С РАДИОФОТОННЫМ ОПРОСОМ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕРМОРЕАКТИВНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ В МИКРОВОЛНОВОМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ КОМПЛЕКСЕ

Пт, 08 май 2026 00:00:00 +0300

Данная статья ставит своей целью постановку задач для создания многофункционального датчика на адресных волоконных брэгговских структурах с радиофотонным опросом для мониторинга процесса изготовления термореактивных полимерных композитов в микроволновом технологическом комплексе. В первой части она носит обзорный характер с анализом приведенных данных по типам датчиков, используемых для мониторинга заливки связующего и отверждения композита с заключением о перспективности применения для решения этих задач волоконно-оптических датчиков. Полученные выводы служат дорожной картой для второй части, который включает в себя обзоры волоконно-оптических технологий, применяемых в производстве композитов и подбор прототипа, позволяющего одновременно контролировать процессы заливки и отверждения. Основным элементов прототипа является волоконная брэгговская решетка (ВБР). Известные преимущества ВБР нивелируются необходимостью применения для их опроса дорогостоящих оптико-электронных интеррогаторов с ограниченной точностью измерений. Предложен трехкомпонентный многофункциональный датчик для устранения этого недостатка, а также быстрого и точного опроса чувствительных элементов на основе адресных волоконных брэгговских структур (АВБС) с радиофотонным опросом. Пример применения датчика на АВБС в области мониторинга заполнения и отверждения ТРПКМ в микроволновом технологическом комплексе обсуждается в третьей части статьи. Оригинальность решения заключается в том, что разработанный датчик позволяет получать множество характеристик, критичных для мониторинга процесса изготовления ТРПКМ: заполнение смолой, измерение показателя преломления смолы, совместное измерение тепловых и механических деформаций на датчиках типа «сердцевина-оболочка-смола» и «сердцевина-смола как оболочка», а также получать их раздельное значение при использовании двух волоконного его компонента. Все компоненты представляют собой АВБС волнового типа.

ПРИНЦИПЫ ОПРОСА БРЭГГОВСКИХ СТРУКТУР, ВСТРОЕННЫХ В ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ СТЕЛЬКИ, В ИНТЕРРОГАТОРЕ НА ОСНОВЕ УПОРЯДОЧЕННОЙ ВОЛНОВОДНОЙ РЕШЕТКИ

Ср, 20 май 2026 00:00:00 +0300

В данной статье представлена система интеллектуальных стелек, со встроенными в них датчиками давления на основе волоконных брэгговских структур, предназначенная для мониторинга походки. Система состоит из трех взаимосвязанных модулей: датчиков стельки, интеррогатора для их опроса на основе волноводной упорядоченной решетки и блока обработки сигнала, сочетающих высокоточное определение брэгговской длины волны в упорядоченной волноводной решетке (УВР) со специальным программным обеспечением для неинвазивного отслеживания характеристик походки в реальном времени. Восемь датчиков стратегически размещены в области первого плюснефалангового сустава и пяточного бугорка обеих ног для определения зон высокого давления и проведена модельная оценка точности определения давления в каждом из них. Предложено использование как классических волоконных брэгговских решеток (ВБР), так и переход от них к новому инновационному типу датчика на адресной волоконной брэгговской структуре (АВБС) с двумя волновыми компонентами и записанными в каждой из них двумя фазовыми p-сдвигами (2l/2p). В сочетании датчиков на АВБС и обработкой полученных с них данных радиофотонными методами система достигает точности 99,98% измерения давления, превосходя традиционные датчики по линейности, стабильности и помехоустойчивости в задачах мониторинга походки и обнаружения аномального давления.

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ АДРЕСНЫХ ВОЛОКОННЫХ БРЭГГОВСКИХ СТРУКТУР КАК СЕНСОРОВ ДЛЯ НОСИМЫХ И СТАЦИОНАРНЫХ ДАТЧИКОВ СИСТЕМ СПОРТИВНОЙ ИНЖЕНЕРИИ

Вт, 23 июн 2026 00:00:00 +0300

Системы спортивной инженерии представляют собой сложный симбиоз человека (спортсмена), спортивных сооружений и киберфизических систем. В основе этого взаимодействия лежит концепция эргономики и биомеханики, направленная на максимизацию результатов при минимизации риска травм. Спортсмен, чьи физиологические и биомеханические данные лежат в основе всей системы, сооружения, проектируемые с учетом аэродинамики, амортизации и климат-контроля, и, наконец, киберфизические системы, включая «умный» инвентарь, носимые устройства и системы видеоанализа, которые собирают данные, обрабатывают их в реальном времени и корректируют тренировочный процесс лежат в основе систем спортивной инженерии. Объединяясь, эти элементы создают замкнутый цикл управления спортивной подготовкой. Применение универсальных (многофункциональных) датчиков в спортивной инженерии — это ключевой тренд, продиктованный необходимостью комплексного анализа. В отличие от узкоспециализированных сенсоров, универсальные датчики одновременно фиксируют разнородные параметры и объединяют их в единый поток данных. Задача данной статьи состоит в том, чтобы показать процесс создания нового типа чувствительного элемента брэгговского типа – адресной волоконной брэгговской структуры и определить возможные варианты его применения для различных носимых и стационарных датчиков систем спортивной инженерии. Статья носит чисто математический характер и показывает принципы синтеза отдельных элементов АВБС. Для примера выбрана 3π-АВБС, представляющая собой ВБР с тремя фазовыми сдвигами. Конкретное применение таких АВБС в системах спортивной инженерии будет описано в других работах с четким акцентом на их преимуществах перед ВБР.

ИМИТАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ ДИНАМИКИ ТОЛЧКА ПАЛКИ ЛЫЖНИКОМ ПО СПЕКТРАЛЬНОМУ ОТКЛИКУ ВСТРОЕННОЙ В НЕЕ ВОЛОКОННОЙ БРЭГГОВСКОЙ РЕШЕТКИ

Дарья Александровна Кротова, Ильдарис Мударрисович Габдулхаков — Ср, 10 июн 2026 00:00:00 +0300

В статье рассматривается задача контроля техники толчка палкой в лыжных гонках с использованием волоконно-оптических датчиков на основе решёток Брэгга (ВБР). Проведён теоретический расчёт параметров ВБР-датчика для характерных нагрузок, возникающих при толчке. На основе уравнения Брэгга и гауссовой аппроксимации спектра отражения выполнено аналитическое моделирование в среде Matlab. Получено семейство спектральных кривых для деформаций в диапазоне 0–400 με, демонстрирующее линейный сдвиг брэгговской длины волны. Установлена расчётная чувствительность датчика kₑ ≈ 1.21 пм/με. Показано, что при максимальной нагрузке 400 με сдвиг длины волны составляет ~0.5 нм, что надёжно регистрируется стандартным оптическим анализатором спектра. Полученные результаты формируют теоретическую базу для проектирования системы волоконной сенсорики
в структуре стенда подготовки лыжников-гонщиков.

ОБЗОРНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОВРЕМЕННЫХ НАУЧНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ В ОБЛАСТИ НАНООПТИКИ

Анастасия Сергеевна Воробьева, Каролина Михайловна Ильенкова — Чт, 14 май 2026 00:00:00 +0300

Данная статья представляет собой анализ научных публикаций в сфере нанооптики. Исследование проводилось на базе тридцати шести научных публикаций. Авторами были выделены восемь критериев, положенных в основу анализа исследуемых научных публикаций по нанооптике. Основная цель исследования - выявление базовых закономерностей и тенденций в развитии данного направления физики, выявление потенциала и ограничений в его изучении. В результате анализа авторы выявили, что преобладает резонансно-локализованная парадигма. Ряд ученых делает акцент на дискретных структурах и ближнепольных режимах. При этом выявлено отсутствие универсального подхода, что ограничивает возможности по масштабированию эффектов. В то же время непрерывные и градиентные среды, а также поляризационно-инвариантные режимы по-прежнему недостаточно изучены. В исследовании используются количественные методы анализа. Авторы проверяют выдвинутые ими гипотезы и предлагают направления дальнейших исследований в данном направлении.

ПРИНЦИПЫ ОПРОСА ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ НА ОСНОВЕ ИНТЕГРАЛЬНОЙ И ВОЛОКОННОЙ ОПТИКИ

Андрей Сергеевич Луценко — Ср, 01 июл 2026 00:00:00 +0300

Представлен обзор подходов к построению устройств опроса оптических интерферометрических датчиков физических величин. Рассмотрены три основные группы устройств опроса: классические спектрометрические, на основе сканирующих спектральных элементов и радиофотонные. Продемонстрированы основные алгоритмы, использующиеся для обработки формируемых сигналов. Проанализированы достоинства, и ограничения каждой из групп устройств.

ВЛИЯНИЕ МОРФОЛОГИИ ТОНКИХ ПЛЕНОК ПАЛЛАДИЯ НА КИНЕТИКУ ИЗМЕНЕНИЯ ИХ ОПТИЧЕСКОЙ ПРОЗРАЧНОСТИ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С ВОДОРОДОМ

Пн, 29 июн 2026 00:00:00 +0300

В статье представлены результаты сравнительных исследований кинетики изменения коэффициента оптического пропускания тонких пленок палладия различной морфологии при их экспозиции в атмосфере, содержащей водород. Работа направлена на определение перспектив использования таких пленок в качестве чувствительных элементов в сенсорах водорода. Изготовленные в работе пленки представляли собой слои палладия номинальной толщины 10 нм, условия осаждения которых обеспечивали формирование сплошной монокристаллической эпитаксиальной пленки на подложке MgO (001), поликристаллической пленки с зернистой структурой и пленки с островковой морфологией на подложках Al₂O₃ (0001). Установлена связь характера кинетики, амплитуды и скорости изменения коэффициента пропускания образцов при заданном содержании водорода в газовой смеси с морфологией пленок и температурой. Обсуждается природа наблюдаемых различий.

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ АРХИТЕКТУР ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ТРАКТА ДЛЯ МОНИТОРИНГА ТЕМПЕРАТУРЫ И ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ ТРАНСФОРМАТОРНОГО МАСЛА

Максим Радиславович Марков; Олег Геннадьевич Морозов — Чт, 25 июн 2026 00:00:00 +0300

В статье представлен комплексный сопоставительный анализ физико-технологических конфигураций оптоэлектронного тракта для задач непрерывного измерения температуры и влагосодержания трансформаторного масла. С использованием разработанного цифрового датчика на базе метода матриц передач исследованы ограничения стандартных волоконных брэгговских решеток. Математически доказана проблема матричной сингулярности в системах с перекрестной чувствительностью при использовании идентичных гигроскопичных полимеров. Обоснована эффективность внедрения радиофотонных сенсорных систем на базе адресных волоконных брэгговских структур (АВБС) с фазовым π-сдвигом, позволяющих перевести анализ в радиочастотный диапазон и повысить разрешающую способность. Выявлен эффект деградации спектра из-за многолучевой интерференции Фабри – Перо в гетерогенных оптических линиях, что обосновывает необходимость применения гомогенных трактов на базе фоточувствительного волокна PS-1500.