За последние 5 лет коллективом кафедры подготовлено и опубликовано более 100 научных статей в изданиях, которые индексируются в международных наукометрических базах данных (Scopus, Web of Science, РИНЦ, Index Copernicus, ADS, CAS, Ulrich, Springer и др.), более 150 тезисов докладов в материалах республиканских и международных научных конференций. К исследованиям активно привлекаются аспиранты кафедры, обучающиеся по специальностям «Радиофизика» и «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами», а также магистранты и студенты. Так, в соавторстве со студентами и аспирантами опубликовано около 50 научных статей и 25 тезисов докладов в материалах конференций. Кроме того, получен первый за долгие годы результат интеллектуальной деятельности – Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.

Акустооптические устройства ввода радиосигналов в оптические вычислительные средства обработки информации (2000-2014)

АКУСТООПТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА ВВОДА РАДИОСИГНАЛОВ В ОПТИЧЕСКИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

     Идея создания оптоэлектронной вычислительной техники, в частности запоминающих устройств и средств обработки информации принадлежит академику НАН Украины, Петрову Вячеславу Васильевичу, директору Института проблем регистрации информации НАН Украины, которая впервые прозвучала в его докладе на Всемирном электротехническом конгрессе в Москве в 1977 году. В дальнейшем им и его учениками (Крючин А.А., Богданова А.В., Шанойло С.М., Данилов В.В. и др.) была образована школа, в которой занимались от решений системной организации оптоэлектронных средств вычислительной техники (элементы устройств, узлы и блоки), до материаловедческих задач. Так, при создании оптических дисковых запоминающих устройств, в частности при исследовании кинетики реакции фотоактивных слоев на воздействие лазерного излучения, возникла потребность в амплитудно-импульсных модуляторах лазерного излучения (оптических затворах). Требования по массогабаритным и энергозатратным характеристикам ограничили круг использования известных физических эффектов: электрооптический, акустооптический и магнитооптический. По доступности реализации подошел акустооптический (упруго-оптический) эффект. Для этого Богдановой А.В. был впервые проведен анализ кристаллических соединений, потенциально пригодных для создания светозвукопроводов акустооптических модуляторов.
     Проведенные впервые Даниловым В.В. исследования кристаллических светозвукопроводов (1980-1981 гг.) показали возможность реализации на их основе акустооптических модуляторов, в частности, акустооптических затворов. С переходом Данилова В.В. в Донецкий национальный университет идея Петрова В.В. получила развитие в создании оптических вычислительных средств, в частности, акустооптических вычислительных средств обработки радиосигналов. Созданная на кафедре радиофизики Даниловым В.В. группа аспирантов (Иванов С.В., Морозов Е.А.) и сотрудников (Белик Т.В., Рудякова А.Н., Липинский А.Ю. и др.) разработала теоретические основы акустооптических устройств ввода радиосигналов, методы их проектирования, а также методы выходной метрологической аттестации таких устройств (2000-2014 гг.).
     Было показано, что все известные сегодня акустооптические устройства по функциональному назначению являются модуляторами лазерного пучка. Среди таковых было предложено различать: амплитудно-импульсные модуляторы (акустооптические затворы), модуляторы, осуществляющие отклонение лазерного пучка в пространстве (акустооптические дефлекторы), управляемые радиосигналами фильтры оптического излучения (акустооптические фильтры). Установлено, что основой любого акустооптического модулятора является акустооптическая ячейка (рис. 1), основными элементами которой являются светозвукопровод 4, в объеме которого происходит взаимодействие упругой (возбуждаемой электроакустическим преобразователем 2) и световой волн (акустооптическое взаимодействие). На рис. 2 изображен макет акустооптической ячейки АОЯ-1. В результате акустооптического взаимодействия (АОВ) в светозвукопроводе (СЗП) акустооптической ячейки (АОЯ) возможны следующие режимы дифракции: Рамана-Ната (рис. 3а), Брэгга (рис. 3б) и промежуточный режим (рис. 3в), отличающиеся дифракционными распределениями лазерного пучка. Критерием различимости режимов предложено считать выражение Кляйна-Кука .

Рисунок 1

Рисунок 2

Рисунок 3

     Результаты исследований и разработок акустооптических устройств совместно с Донецким НИИ комплексной автоматизации показаны ниже. На рис. 4а показан электроакустический преобразователь на основе ниобата лития. Модулятор излучения в волоконном световоде представлен на рис. 4б, мощность управляющего радиосигнала – 1 мВт, диапазон радиосигналов управления 100 – 300 МГц, длина волны лазерного излучения 1.25 мкм, глубина модуляции 20 - 63%, материал СЗП – кристалл фосфида галлия.  Акустооптический дефлектор представлен на рис. 4в, материал СЗП – молибдат свинца, длина волны лазерного излучения  0,63 мкм, частота управляющих радиосигналов 300 ±80  МГц, число разрешимых точек – 256, угол отклонения от продольной оси – 0,6 рад, мощность радиосигнала управления, менее 0,3 Вт, эффективность – 60%. На рис. 4г -  амплитудно-импульсный модулятор лазерного пучка (акустооптический затвор): материал СЗП – молибдат свинца, длина волны лазерного излучения  0,44 - 0,63 мкм,  глубина модуляции лазерного пучка, не менее 85%, мощность радиосигнала управления – 0,5 Вт. Для волоконно-оптических линий передачи информации, разработан спектральный уплотнитель-разуплотнитель(рис 4.д), использован СЗП на основе кристалла парателлурита, быстродействие устройства 5 мкс, развязка каналов 38 дБ, количество коммутируемых каналов 20, общие потери – 4 дБ. На рис. 5 изображен акустооптический анализатор спектра.

Рисунок 4

Рисунок 5

Разработка и исследование высокоэффективных транзисторных усилителей мощности (2001-2018)

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ТРАНЗИСТОРНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ

     В период с 2001 по 2018 гг. на кафедре радиофизики велись работы по разработке и исследованию высокоэффективных высокочастотных (ВЧ) и сверхвысокочастотных (СВЧ) транзисторных усилителей мощности классов E и F. 
Основоположником данного научного направления на кафедре радиофизики является проф., д. т. н. Крыжановский В.Г., работавший в ДонНУ (г. Донецк) до начала гражданской войны в Донбассе. В состав научной группы входили: к. т. н. Чернов Д.В., Макаров Д.Г., к. ф.-м. н. Рассохина Ю.В.. За время своей успешной и плодотворной работы (в довоенный период) научная группа воспитала среди студентов и аспирантов кафедры радиофизики специалистов, обладающих высокими теоретическими знаниями в области высокоэффективных транзисторных усилителей и навыками работы с современной измерительной аппаратурой. Это позволило сохранить накопленные на протяжении ряда лет знания и не прервать в военное время научные исследования, проводимые в данной области на кафедре радиофизики.
     С 2014 по 2018 гг. научные исследования на кафедре радиофизики и инфокоммуникационных технологий в области высокоэффективных транзисторных усилителей мощности (УМ) проводились под руководством одного из учеников Крыжановского В.Г.  -  Ефимовича А.П.
В этот период научно-исследовательская работа кафедры была направлена на решение ряда научно-технических задач, возникающих перед разработчиками высокоэффективных УМ классов Е и F, среди которых: разработка методик расчета и построения УМ, развитие методов и средств манипуляции гармониками тока и напряжения на транзисторе в усилителях, установление физических закономерностей и рекомендаций по оптимизации энергетических характеристик УМ с учетом свойств реального транзистора и нагрузочных цепей. К работе активно привлекались студенты старших курсов при выполнении курсовых и дипломных работ. 
На практике в УМ классов Е и F удается получать КПД выше 80%, что в среднем на 20%-30% выше, чем в усилителях, выполненных по традиционным схемам (классы А, АВ, В). Положительной особенностью данных усилителей является сочетание максимального КПД с максимальным коэффициентом использования транзистора или максимальной выходной мощностью усилителя, что не является характерным для классического высокоэффективного усилителя класса С, используемого в традиционных схемах радиотехнических устройств.
     Экспериментальные макеты разработанных УМ класов Е и F приведены на рисунках 1- 6.

Рис. 1. УМ класса F₃₅ на нитрид-галиевом (GaN) транзисторе CGH6008D на рабочую частоту 1,6 ГГц 
 

Рис. 2. УМ класса F₃ на арсенид-галиевом (GaAs) транзисторе CLY15 на рабочую частоту 0,4 ГГц 
 

Рис. 3. УМ класса F₃ на полевом транзисторе 2N7000 на рабочую частоту 13,56 МГц 
 

Рис. 4. УМ класса E на арсенид-галиевом (GaAs) транзисторе CLY5 на рабочую частоту 0,8 ГГц
 

Рис. 5. УМ класса E на арсенид-галиевом (GaAs) транзисторе CLY5 на рабочую частоту 1,035 ГГц
 

Рис. 6. УМ класса E на арсенид-галиевом (GaAs) транзисторе CLY5 с рабочим диапазоном частот 0,6-1,0 ГГц

     Основной целью использования УМ классов Е и F в радиотехнических устройствах является  обеспечение высокоэффективного преобразования энергии постоянного тока потребляемого от источника питания в энергию электромагнитных колебаний. Эффективность такого преобразования энергии в УМ зависит от его КПД. Высокий КПД позволяет снизить потребление энергии усилителем от источника питания, уменьшить рассеиваемую мощность на транзисторе (решить проблему охлаждения активного элемента), уменьшить массогабаритные параметры всего усилителя, что в целом существенно улучшает характеристики устройств, где используются данные усилители.
     Полученные теоретические и экспериментальные результаты на кафедре радиофизики и инфокоммуникационных технологий являются весомым вкладом в развитие теории данных усилителей, позволяющим улучшить энергетические характеристики УМ и существенно упростить их проектирование. Это в значительной степени расширяет область практического применения УМ классов Е и F в современных радиотехнических устройствах.

     В период 2018-2021 гг. на кафедре проводились научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в области моделирования защищенных инфокоммуникационных систем, диагностики и контроля свойств структуры конструкционных материалов по данным анализа их параметров методами акустической спектроскопии, изучения взаимодействия упругих волн с нарушениями среды распространения и определения параметров акустического отклика от нарушений.

Исследование природы каналов побочных электромагнитных излучений и наводок элементов и устройств офисной вычислительной техники (2022-2025)

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИРОДЫ КАНАЛОВ ПОБОЧНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ И НАВОДОК ЭЛЕМЕНТОВ И УСТРОЙСТВ ОФИСНОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

     В период с 2022 по 2025 гг. на кафедре радиофизики и инфокоммуникационных технологий велись научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по комплексному исследованию каналов побочных электромагнитных излучений и наводок элементов и устройств офисной вычислительной техники. В состав научной группы входили: д-р техн. наук, проф. Данилов В.В., канд. техн. наук, доц. Третьяков И.А., Рушечников Я.И., Яновский А.В., канд. физ.-мат. наук, доц. Тимченко В.И., канд. техн. наук Бабичева М.В., Ступак В.А., Куликова А.С., Долбещенкова Н.В., Зеленченко Д.Р., Подлесный В.Ю.
     Научно-исследовательская работа предусматривает проведение теоретических и экспериментальных исследований в части контроля, прогнозирования возникновения и подавления каналов побочных электромагнитных излучений и наводок (ПЭМИН) элементов и устройств офисной вычислительной техники посредством автоматизированных систем научных исследований радиообстановки свободного пространства.
     Объект исследования – радиоэлектронная обстановка свободного пространства, предмет исследования – программно-определяемая радиосистема общего назначения. Цель работы – контроль и прогнозирование радиоэлектронной обстановки на основе автоматизированных систем научных исследований мониторинга свободного пространства путем использования программно-определяемых радиосистем общего назначения, за счёт проектирования специальных алгоритмов обработки, накопления и классификации информации, а также обеспечение конфиденциальности и целостности информационных составляющих устройств вычислительной техники от утечки через каналы побочных электромагнитных излучений и наводок путем снижения объема информационной составляющей формирующих их сигналов.
     По результатам выполнения этапа «Формализация задач радиомониторинга в рамках не специфичных систем программно-определяемого радио» получены следующие научные результаты:
- Впервые предложена процедура автоматизированного сканирования радиообстановки, позволяющая визуально строить разностную картину между сканированием в зоне действия ПЭМИН и за пределами (рис. 1, 2).
- Впервые предложен механизм поиска радиозакладных устройств по корреляции радиообстановки в контролируемом помещении и вне его (рис. 3, 4).

Рисунок 1

Рисунок 2

Рисунок 3

Рисунок 4

     По результатам выполнения этапа «Описание и реализация программных алгоритмов многофункциональной расширяемой системы радиомониторинга на основе программно-определяемого радио» получены следующие научные результаты:
- Впервые разработаны и апробированы способ получения линейного расстояния от вещающего устройства до приемника и алгоритмы машинного обучения, позволяющие описывать закон преобразования мощности передатчика в расстояние, что позволило построить подсистему локализации оператора с радиокомплексом в границах контролируемого помещения, что в свою очередь позволяет осуществлять локализацию источника радиоизлучения и построение тепловой карты контролируемого помещения (рис. 5, 6).
- Впервые разработан и апробирован механизм локализации источника радиоизлучения, с использованием программно-определяемой радиосистемы (SDR), что позволило установить последовательность операций локализации сигналов в широком диапазоне частот, сократить время измерения и значительно повысить точность тепловой карты распределения радиоизлучений (рис. 5, 6).
- Впервые разработан и апробирован способ автоматизированной интеллектуальной классификации сигналов по типу модуляции по неявным характеристикам посредством свёрточной нейронной сети, что позволяет при поиске и классификации сигналов дополнительно применять функции, характерные для конкретного вида модуляции (рис. 7).

Рисунок 5

Рисунок 6

Рисунок 7

     По результатам выполнения этапа «Оценивание объема побочных электромагнитных излучений и наводок в электромагнитных каналах, электрических сетях или сетях электроснабжения» получены следующие научные результаты:
- Впервые разработан и апробирован комплекс из согласующего устройства и полосового фильтра, позволяющий исследовать ПЭМИН непосредственно в высоковольтных электрических сетях посредством программно-определяемых радиосистем, а также защитить вход SDR приемника от высоковольтных и широкополосных помех, а также снизить влияние сторонних излучений (рис. 8, 9).
- Впервые разработана и формализована методика автоматизированной оценки объёма побочных электромагнитных излучений в электромагнитных и электрических каналах, позволяющая определять принадлежность исследуемого сигнала к классу ПЭМИН при помощи оценки количественных характеристик в виде локальных максимумов, а также их плотности на оси частот (рис. 10, 11).
- Впервые проведен корреляционный анализ результатов измерений ПЭМИН и осуществлена оценка количественных характеристик ПЭМИН посредством спектрального анализа, что позволило выявить закономерности, указывающие на то, что слабые сигналы исследуемых побочных ЭМ излучений, транслируемые в эфир, являются потенциально менее энерговооруженной угрозой ИБ, нежели электромагнитные излучения, попадающие в электрические сети, а сигнал, промодулированный в электрическую сеть, имеет намного более широкие границы распространения, нежели аналогичные сигналы в эфире, что размывает периметр контролируемого объекта (рис. 12).

Рисунок 8

Рисунок 9

Рисунок 10

Рисунок 11

Рисунок 12

     По результатам выполнения этапа «Снижение объема информационной составляющей сигналов, формирующих ПЭМИН, посредством механизмов обфускации» получены следующие научные результаты:
- Впервые разработана и апробирована процедура для определения качественных характеристик побочных электромагнитных излучений и наводок элементов и устройств офисной вычислительной техники на базе программно-определяемых радиосистем общего назначения, которая в отличие от аналогов в качестве средств фиксации и измерений позволяет использует распространённые и широкодоступные SDR-платформы (рис. 13).
- Получили дальнейшее развитие и апробированы функциональные блоки автоматизированной системы научных исследований радиоканалов ПЭМИН для обнаружения несанкционированной передачи информации по радиоканалу, обладающие характеристиками, сопоставимыми с профессиональными устройствами, но отличающиеся низкой стоимостью и простотой конструкции (рис. 14).
- Впервые разработана и апробирована адаптивная автоматизированная система подавления побочных электромагнитных излучений и наводок вычислительной техники посредством применения высокочастотных ШИМ-сигналов, описана комплексная методика поиска и подавления обнаруженных сигналов ПЭМИН, позволяющая применять самые доступные программно-определяемые платформы для сканирования радиообстановки, что существенно снижает ее конечную стоимость (рис. 15).

Рисунок 13

Рисунок 14

Рисунок 15

     Полученные результаты могут быть использованы как функциональные блоки многофункциональной автоматизированной системы научных исследований радиообстановки и оценки побочных электромагнитных излучений и наводок. По результатам НИР опубликовано 42 научные работы (16 – в ведущих научных изданиях, включенных в перечень ВАК РФ (К1/К2, БС), 26 – в материалах и сборниках по итогам научных конференций); получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Программа для определения качественных характеристик побочных электромагнитных излучений и наводок элементов и устройств офисной вычислительной техники»; получено 10 актов о внедрении (в производственный процесс ООО «ПО «Победа» (г. Москва), в учебный процесс факультета вычислительной математики и кибернетики ФГБОУ ВО «Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова», в учебный процесс кафедры радиофизики и инфокоммуникационных технологий ФГБОУ ВО «Донецкий государственный университет»); представлено 2 экспоната на выставках международного уровня.