Перспективные оптические и электронные межсоединения элементов интегральных микросхем

The recent results of the investigations performed in the research units of the Department of Micro- and Nanoelectronics of Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics in the field of the development of perspective optical and electronic intra-chip and inter-chip interconnections of silicon integrated circuits are summarized. Examples of the use of nanostructured materials for the proposed light sources and detectors (Si) as well as light guides (Al2O3/TiO2) integrated with monocrystalline silicon are presented. The strategy of an application of inter-chip interposers for optical and electronic connections in bulk (2.5D and 3D) packages of integrated circuits was promoted and tested. Novel materials and structures promising for light sources, optically transparent electrical conductors and protectors against microwave electromagnetic radiation are demonstrated.Обобщены результаты научных исследований, выполненных в научных подразделениях кафедры микро- и наноэлектроники Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники в области разработки перспективных оптических и электронных внутричиповых и межчиповых соединений элементов кремниевых интегральных микросхем. Представлены примеры использования наноструктурированных материалов для предложенных, интегрированных с монокристаллическим кремнием, источников и детекторов света (Si), а также волноводов (Al2O3/TiO2). Развита и опробована стратегия применения межчиповых вставок – интерпозеров – для обеспечения оптических и электронных соединений в объемных (2,5D и 3D) сборках кристаллов интегральных микросхем. Приведены результаты поиска новых материалов и структур для источников света, волноводов, оптически прозрачных проводников и защиты от СВЧ-излучения

Экспериментальные исследования характеристик и разработка моделей нелинейности усилителей радиочастоты диапазона FR1

Experimental studies of nonlinear properties of low-power radio-frequency amplifiers similar to those used in 4G/5G mobile communication equipment of the FR1 frequency range are carried out. The measurements of the characteristics of the amplifiers are performed by using the double-frequency testing technique at frequencies of the n7 band (2500–2570 / 2620–2690 MHz), which is allocated in Belarus for 4G mobile communication systems, and the n78 band (3300–3800 MHz), which is planned to be used in Belarus for 5G mobile communications. Based on the results of the measurements of double-frequency characteristics of the amplifiers, their single-tone amplitude characteristics, as well as two-tone characteristics and values of the dynamic range of 3-, 5-, 7-, and 9th order intermodulation in the first harmonic zone, high-order polynomial models of transfer characteristics of the investigated amplifiers are synthesized. The synthesized models are suitable for use in a wide dynamic range of input signals in case of simultaneous modeling of nonlinear effects of all kinds that pose a danger to radio reception in a complex electromagnetic environment created in the frequency bands of mobile (cellular) communications: both “subtle” effects (intermodulation) and “rough” effects (desensitization, cross-modulation). When using the technology of discrete nonlinear analysis of the behavior of radio equipment in a complex electromagnetic environment, the obtained models provide high efficiency of simulation and quantitative analysis of nonlinear processes and radio interference occurring in 4G/5G/6G radio equipment and networks in a complex electromagnetic environment.Выполнены экспериментальные исследования нелинейных свойств маломощных усилителей радиочастоты, аналогичных используемым в оборудовании мобильной связи 4G/5G диапазона FR1. Измерения характеристик усилителей проведены с применением технологии двухчастотного зондирования на частотах полосы n7 (2500–2570 / 2620–2690 МГц), выделенной в республике для систем мобильной связи 4G, и полосы n78 (3300–3800 МГц), которую планируется использовать в республике для систем мобильной связи 5G. На основе результатов измерений двухчастотных характеристик усилителей, их односигнальных амплитудных характеристик, а также двухсигнальных амплитудных характеристик и значений динамического диапазона по интермодуляции 3-, 5-, 7- и 9-го порядков в первой гармонической зоне синтезированы полиномиальные модели высоких порядков, описывающие передаточные характеристики исследуемых усилителей. Синтезированные модели пригодны для применения в широком динамическом диапазоне входных воздействий при одновременном анализе нелинейных эффектов всех видов, представляющих опасность для радиоприема в сложной электромагнитной обстановке в полосах частот мобильной (сотовой) связи, – как «тонких» (интермодуляция), так и «грубых» (блокирование, перекрестные искажения) эффектов. При использовании технологии дискретного нелинейного анализа поведения радиооборудования в сложной электромагнитной обстановке полученные модели обеспечивают высокую эффективность количественного анализа нелинейных процессов и радиопомех, возникающих в оборудовании и радиосетях 4G/5G/6G в сложной электромагнитной обстановке

Волоконно-оптический датчик идентификации жидкостей и определения концентрации растворов

Fiber-optic sensors for identifying liquids and determining the concentration of solutions have been studied with the possibility of using various types of single-mode optical fibers produced by industry and widely used in optical cables and telecommunications to create sensors for identifying liquids and determining the concentration of solutions. To identify liquids with different refractive indices and determine the concentration of substances dissolved in water, the peak value of the reflectograms of the optical fiber located at the interface between the optical fiber core and the environment can be used as an information parameter. The value of the information parameter depends on the refractive index of the liquid in which one end of the optical fiber is located. The parameters of fiber-optic sensors for identifying liquids and determining the concentration of solutions were studied by optical reflectometry in different wavelength ranges of optical radiation with a duration of reflectometer probe pulses from 25 to 300 ns. It has been established that the fiber-optic sensor can operate at any wavelength of optical radiation corresponding to the transparency windows of the optical loss spectrum of the optical fiber. The influence of the length of the optical fiber between the recording device and the place where the concentration of a liquid solution is determined using a fiber-optic sensor was studied. The possibility of creating a fiber-optic sensor for determining the concentration of the liquid solutions based on optical fibers has been demonstrated.Исследована возможность использования различных типов одномодовых оптических волокон, массово выпускаемых промышленностью и широко применяемых в оптических кабелях и телекоммуникациях, для создания волоконно-оптических датчиков идентификации жидкостей и определения концентрации растворов. Для идентификации жидкостей, имеющих разные показатели преломления, и определения концентрации растворенных в воде веществ в качестве информационного параметра можно использовать величину пика рефлектограмм оптического волокна, находящегося на границе раздела сердцевины оптического волокна и окружающей среды. Значение информационного параметра зависит от показателя преломления жидкости, в которой находится торец оптического волокна. Параметры волоконно-оптических датчиков идентификации жидкос тей и определения концентрации растворов исследованы методом оптической рефлектометрии в разных диапазонах длин волн оптического излучения при длительности зондирующих импульсов рефлектометра от 25 до 300 нс. Установлено, что волоконно-оптический датчик может работать на любой длине волны оптического излучения, соответствующей окнам прозрачности спектра оптических потерь волокна. Исследовано влияние длины оптического волокна между регистрирующим устройством и местом определения концентрации раствора жидкости с помощью волоконно-оптического датчика

Перспективные результаты исследований и разработки в области СВЧ-технологий

A new method for analyzing the high-frequency path of measuring and radio engineering systems based on matrix analysis is proposed. The replacement of the error scattering matrix with a transmission matrix in the form of cellular matrices is proposed and justified, the equations of calibration and restoration of the actual (corrected) values of the measured parameters are obtained in matrix form, and the ways of solving these equations are given in general form. The main parasitic parameters of the useful signal transmission path associated with inhomogeneities, leaks and insufficiency of interchanges are determined. The use of the developed methods made it possible to optimize the structures of devices, calibration and measurement algorithms. A large range of general and special purpose devices has been created in the decimeter, centimeter and millimeter wavelength ranges.Представлен новый метод анализа высокочастотного тракта измерительных и радиотехнических систем на основе матричного анализа. Предложена и обоснована замена матрицы рассеяния погрешностей на матрицу передачи в виде клеточных матриц, в матричном виде получены уравнения калибровки и восстановления действительных (исправленных) значений измеряемых параметров, в общем виде приведены пути решения этих уравнений. Определены основные паразитные параметры тракта передачи полезного сигнала, связанные с неоднородностями, утечками и недостаточностью развязок. Использование разработанных методов позволило оптимизировать структуры приборов, алгоритмы калибровки и измерений. Рассмотрена большая гамма созданных приборов общего и специального назначения в дециметровом, сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн

Анализ методов измерений параметров диаграммы направленности антенных систем

Measuring the parameters of the antenna pattern is an urgent task in the development and operation of radio engineering systems. This problem can be solved by various methods of antenna measurements. In this case, depending on the radiation zone of the antenna, two main groups of measurement methods are distinguished: methods of direct measurements in the far-field and methods of reconstructive measurements in the near-field. Methods of antenna measurements in the far-field, which allow obtaining direct results, are the most developed and simple, since in the case of the far-field, the angular distribution of the field, regardless of distance, is characterized by a radiation pattern. Methods of the near-field are based on measuring the amplitude-phase distribution of the orthogonal components of the electromagnetic field in the near zone with subsequent recalculation of the parameters and restoration of the spatial radiation pattern of the antenna under study. The comparative analysis of the main groups of antenna measurement methods shows that at the present stage of their development, due to a number of advantages, measurement methods in the near-field with subsequent reconstruction of the radiation pattern of the studied antenna in the far-field are most widely used.Измерение параметров диаграммы направленности антенны является актуальной задачей при разработке и эксплуатации радиотехнических систем. Ее решение возможно различными методами антенных измерений. При этом в зависимости от зоны излучения антенны выделяются две основные группы способов измерений: методы прямых измерений в дальней зоне и методы реконструктивных измерений в ближней зоне. Методы антенных измерений в дальней зоне, позволяющие получить прямые результаты, являются наиболее отработанными и простыми, поскольку в случае дальней зоны угловое распределение поля независимо от расстояния характеризуется диаграммой направленности. Методы ближней зоны основаны на измерении амплитудно-фазового распределения ортогональных компонент электромагнитного поля в ближней зоне с последующим пересчетом параметров и восстановлением пространственной диаграммы направленности исследуемой антенны. Сравнительный анализ основных групп методов антенных измерений показал, что на современном этапе их развития ввиду ряда преимуществ наибольшее распространение получили методы измерения в ближней зоне с последующей реконструкцией диаграммы направленности исследуемой антенны в дальней зоне

Перспективные результаты исследований и разработки в области обработки изображений и речевых сигналов

An analysis of the prospects for the development of technologies for processing images and speech signals is presented. The main results in these areas obtained in recent years in the relevant scientific schools of Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics are presented. It is shown that the use of machine learning technologies in combination with methods of digital processing of images and speech signals can significantly increase the efficiency of systems for their recognition and classification.Представлен анализ перспектив развития технологий обработки изображений и речевых сигналов. Приведены основные результаты по данным направлениям, полученные за последние годы в соответствующих научных школах Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники. Показано, что использование технологий машинного обучения в сочетании с методами цифровой обработки изображений и речевых сигналов позволяет существенно повысить эффективность систем их распознавания и классификации

Сжатие динамического диапазона инфракрасных изображений на основе выравнивания гистограммы с инверсией краев

The problem of compression of the dynamic range of infrared images is considered. To improve the quality of tone mapping of infrared images when their dynamic range is compressed and to simplify the control over the reproduction characteristics of infrared images, a dynamic range conversion algorithm based on adaptive histogram equalization with edge inversion is proposed. The essence of the algorithm consists in double reduction of the dynamic range of the infrared image with intermediate stretching, compression and overlapping of edges with inversion. To select the brightness interval and the degree of its stretching, the proposed algorithm uses the asymmetry coefficient. The algorithm makes it possible to improve some global and interval indicators of image reproduction quality by superimposing the edges of the histogram.Рассмотрена задача сжатия динамического диапазона инфракрасных изображений. Для повышения качества тонового отображения инфракрасных изображений при сжатии их динамического диапазона и упрощения управления характеристиками воспроизведения инфракрасных изображений предложеналгоритм преобразования динамического диапазона на основе адаптивного выравнивания гистограммыс инверсией краев. Сущность алгоритма состоит в двойном уменьшении динамического диапазона инфракрасного изображения с промежуточным растяжением, сжатием и наложением краев с инвертированием.Для выбора интервала яркости и степени его растяжения в предложенном алгоритме использовался коэффициент асимметрии. Алгоритм позволяет улучшить некоторые глобальные и интервальные показателикачества воспроизведения изображений за счет наложения краев гистограммы

Адаптированные алгоритмы Dual Contouring и Marching Cubes для 3D-реконструкции поясничного отдела позвоночника человека

The article deals with the problem of three-dimensional reconstruction of the human lumbar spine using the Marching Cubes and Dual Contouring surface triangulation algorithms for subsequent planning of a surgical intervention based on the analysis of digital computed tomography images. 3D reconstructions of the human lumbar spine are presented, as well as the results of a comparative analysis of the developed methods according to the following criteria: mesh generation speed; the number of generated cells; the absence of conflict situations (intersections of the surface). The optimal algorithm for solving the problem is determined on the basis of a comparative analysis.В статье рассматривается задача трехмерной реконструкции поясничного отдела позвоночника человека алгоритмами триангуляции поверхности Marching Cubes и Dual Contouring для последующего планирования хирургического вмешательства на основе анализа цифровых компьютерно-томографических изображений. Представлены 3D-реконструкции поясничного отдела позвоночника человека, а также результаты сравнительного анализа разработанных методов по следующим критериям: скорость генерации сетки, количество сгенерированных ячеек, отсутствие конфликтных ситуаций (пересечений поверхности). Оптимальный алгоритм для решения поставленной задачи определен на основании сравнительного анализа

Композиционные материалы системы эпоксидная смола–W для радиационной защиты от гамма-излучения

Сomposite materials based on the epoxy resin–W system with varying W content (0–80 %) were obtained using the method of chemical curing. Microstructural investigations of the samples showed that with increasing W content there is a more uniform distribution of grains in the epoxy resin matrix could be observed. Agglomeration of W grains is noted for samples with filler content up to 40 %. Statistical analysis of the grain size of the initial W powder revealed that the probable diameter of W grains is 475 nm. The values of effective and relative densities of the experimental samples were obtained using the Archimedes method. The effective density varied from 1.16 to 4.36 g/cm3 with W powder content rising. The relative density values received ranged from 91 to 94 %, indica ting that there were no significant defects in the samples. X-ray diffraction analysis showed the presence of vcc-W and WO2 phases, indicating the oxidation of W in the thin surface layer of the powder. Calculation in Phy-X/PSD software allowed to evaluate the gamma radiation shielding efficiency for the epoxy resin–W system composite materials in 0.8–2.5 MeV energy range. It was observed that samples with filler content of 60 and 80 % were the most suitable for radiation shielding. It was found that the addition of W powder to the epoxy matrix contributed to the reduction of half attenuation layer values by 3.5 times from 9.448 to 2.672 cm for samples with 0 and 80 % W content, respectively, for 1.25 MeV radiation energy. The obtained results demonstrate the high efficiency of the proposed composite materials for shielding gamma radiation, which makes them a perspective candidate for manufacturing radiation shields.С использованием метода химического отверждения получены композиционные материалы на основе системы эпоксидная смола–W с варьированием содержания W от 0 до 80 %. Проведенное исследование микроструктуры образцов показало, что при увеличении содержания W наблюдается более равномерное распределение зерен в матрице эпоксидной смолы. Для образцов с содержанием наполнителя до 40 % отмечена агломерация зерен W. Статистический анализ размеров зерен исходного порошка W выявил, что вероятный их диаметр составляет 475 нм. Получены значения эффективной и относительной плотностей экспериментальных образцов с помощью метода Архимеда. Эффективная плотность изменялась в пределах от 1,16 до 4,36 г/см3 с увеличением содержания порошка W. Значения относительной плотности варьировались от 91 до 94 %, что свидетельствовало об отсутствии существенных дефектов при проведении испытания. Рентгеноструктурный анализ показал наличие фаз ОЦК-W и WO2, что указывает на окисление W в тонком поверхностном слое материала. Моделирование в программном обеспечении Phy-X/PSD позволило оценить эффективность экранирования от гамма-излучения композиционных материалов при энергии излучения в диапазоне 0,8–2,5 МэВ. Образцы с содержанием наполнителя 60 и 80 % оказались наиболее подходящими для создания экранов радиационной защиты. Обнаружено, что добавление порошка W в эпоксидную матрицу способствовало уменьшению значений слоя половинного ослабления в 3,5 раза с 9,448 до 2,672 см для образцов с содержанием W 0 и 80 % соответственно при энергии излучения гамма-квантов 1,25 МэВ. Полученные результаты демонстрируют высокую эффективность предложенных композиционных материалов в экранировании гамма-излучения, что делает их достойным вариантом для создания экранов радиационной защиты