vre-2-2020

РОССИЙСКАЯ 21–24
НЕДЕЛЯ апреля
ВЫСОКИХ 2020
ТЕХНОЛОГИЙ
Россия, Москва,
ЦВК «ЭКСПОЦЕНТР»

5G Big Data Умный город

Геоданные и навигационные технологии
Цифровое правительство ЦОДы
Информационная
Smart Device Show
IoTбезопасность
Телеком
Искусственный интеллект Спутниковая связь
Умная мобильность Российский софт
AR&VR Future TV

Дроны и беспилотные системы Стартапы

СВЯЗЬ НАВИТЕХ

32-я международная выставка 12-я международная выставка
«Информационные «Навигационные системы,
и коммуникационные технологии» технологии и услуги»

www.sviaz-expo.ru www.navitech-expo.ru

www.hi-techweek.ru Реклама 12+

АО «ЦНИИ «Электроника»

ISSN 2218-5453 (Print)
ISSN 2686-7680 (Online)

НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ ТОМ 49, № 2. 2020 Серия «Общетехническая» (ОТ)
ВЫПУСК 2

Журнал зарегистрирован в  Федеральной службе по  надзору за  соблюдением Учредитель
законодательства в  сфере массовых коммуникаций и  охране культурного на‑ АО «ЦНИИ «Электроника»
следия (свидетельство ПИ № ФС77-31114 от 15 февраля 2008 года).
Журнал включен в перечень изданий, рекомендованных Высшей аттестацион‑ Издатель
ной комиссией Министерства образования и науки Российской Федерации для АО «ЦНИИ «Электроника»
опубликования результатов диссертационных исследований (Перечень ВАК). Генеральный директор,
Журнал включен в Российский индекс научного цитирования (РИНЦ).
главный редактор
ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Алена Фомина
А. В. Фомина, д. э.н., доц., чл.-корр. Академии военных наук [email protected]

РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ +7 (495) 940‑65‑00
Г. В. Анцев, к. т. н., доц. (АО «НПП «Радар ммс») Руководитель
В. М. Балашов, д. т. н., проф. (АО «НПП «Радар ммс»)
Я. В. Безель, д. т. н., проф. (АО «Концерн ПВО «Алмаз-Антей») издательского отдела
А. И. Белоус, чл.-корр. НАН Беларуси, д. т. н., проф. (ОАО «ИНТЕГРАЛ») Полина Корсунская
А. Б. Бляхман, д. т. н., проф. (АО «ФНПЦ «ННИИРТ»)
М. М. Бутаев, д. т. н., проф. (АО «НПП «Рубин») [email protected]
Н. Ю. Жибуртович, д. т. н., проф. (АО «Корпорация Фазотрон-НИИР») +7 (495) 940-65-24
Н. Н. Иванов, д. т. н. (ОАО «Авангард»)
А. В. Киселев, д. т. н., проф. (ФГБОУ ВО НГТУ) Выпускающий редактор
В. Е. Красовский, к. т. н., проф. (ПАО «ИНЭУМ им. И. С. Брука») Дмитрий Гудилин
С. Ф. Боев, д. т. н., д. э. н. (ПАО «МАК «Вымпел») [email protected]
В. В. Мартынов, д. т. н., проф. (ФБГНУ «Аналитический центр») +7 (495) 940-65-24
Н. А. Махутов, чл.-корр. РАН, д. т. н., проф. (ИМАШ РАН) Реклама
Н. Л. Прохоров, д. т. н., проф. (ПАО «ИНЭУМ им. И. С. Брука») Полина Корсунская
С. А. Прохоров, д. т. н., проф. (Самарский национальный исследовательский
университет имени академика С. П. Королева) [email protected]
В. И. Сергеев, д. т. н., доц. (ВКБ АФУ (ОАО)) +7 (495) 940‑65‑24
П. И. Смирнов, к. т. н. (АО «НИИ «Масштаб»)
С. А. Сорокин, д. т. н. (АО «НИИВК им. М. А. Карцева») Распространение и подписка
А. Ф. Страхов, д. т. н., проф. (АО «ГПТП «Гранит») Вероника Филиппова
В. Ф. Хватов, д. т. н. (Гостехнадзор Ленинградской области) [email protected]
С. В. Хохлов (ФГУП «ГосНИИАС») +7 (495) 940‑65‑46
В. И. Штейнберг, к. т. н. (АО «НИИ «Аргон») Корректор
Лариса Ильина
Полное или частичное воспроизведение материалов допускается только с пись‑
менного разрешения АО «ЦНИИ «Электроника». Компьютерная верстка
При перепечатке материалов ссылка на журнал «Вопросы радиоэлектроники» Григорий Арифулин
обязательна. Адрес редакции
Ответственность за содержание рекламных материалов несут рекламодатели. 127299, г. Москва,
Ответственность за достоверность приведенных сведений, за наличие данных,
не подлежащих открытой публикации, и точность информации по цитируемой ул. Космонавта Волкова, д. 12
литературе несут авторы. +7 (495) 940‑65‑00
Позиция редакции может не совпадать с мнением автора. www.instel.ru
Все поступившие в редакцию материалы подлежат рецензированию. [email protected]
Редакция не вступает в переписку с авторами статей, получившими мотивиро‑ Подписка
ванный отказ в опубликовании. В редакции
Материалы, переданные в редакцию, не возвращаются. [email protected]
Требования к оформлению статей размещены на сайте vre.instel.ru. +7 (495) 940‑65‑46

Агентство «Роспечать»
Индекс 84529

(каталог «Газеты. Журналы»)
Индекс 59981

(каталог «Научно-технические
издания»)

Агентство «Урал-Пресс»
www.ural-press.ru
+7 (495) 961‑23‑62

Подписано в печать 20.02.2020.
Отпечатано в ООО «Типография

«Миттель Пресс».

© АО «ЦНИИ «Электроника», 2020

CRI Electronics

ISSN 2218-5453 (Print)
ISSN 2686-7680 (Online)

SCIENTIFIC JOURNAL Vol. 49, no. 2. 2020 (Issues of radio
electronics)
The journal is registered at the Federal Service for Compliance with the Law in Mass
Communications and Cultural Heritage Protection (Certificate PI № FS77-31114 of General technical series
February 15th, 2008). VOLUME 2
The journal is included into the List of periodicals recommended by the State commis‑
sion for academic degrees and titles for publishing of dissertation research results. Founder
This journal is included in Russian Science Citation Index (RSCI). Central Research Institute
of Economy, Management Systems
EDITOR-IN-CHIEF and Information «Electronics»
A. V. Fomina, Doctor of Economics, Associate Professor, Corresponding Member
of Russian Academy of Military Sciences Publisher
Central Research Institute
EDITORIAL COUNCIL of Economy, Management Systems
G. V. Antsev, Candidate of Engineering, Associate Professor (Radar mms) and Information «Electronics»
V. M. Balashov, Doctor of Engineering, Professor (Radar mms) General director, Editor-in-Chief
Y. V. Besel, Doctor of Engineering, Professor (Concern PVO Almaz-Antei)
A. I. Belous, Corresponding Member of the National Academy of Sciences Alena Fomina
of Belarus, Doctor of Engineering, Professor (Joint Stock Company INTEGRAL) [email protected]
A. B. Blyakhman, Doctor of Engineering, Professor (NNIIRT) +7 (495) 940‑65‑00
M. M. Butaev, Doctor of Engineering, Professor (NPP Rubin) Head of publish department
N. Y. Zhiburtovich, Doctor of Engineering, Professor (PHAZOTRON-NIIR) Polina Korsunskaya
N. N. Ivanov, Doctor of Engineering (Public Joint Stock Company Avangard) [email protected]
A. V. Kiselev, Doctor of Engineering, Professor (Novosibirsk State Technical University) +7 (495) 940-65-24
V. E. Krasovskiy, Candidate of Engineering, Professor (The Institute of Electronic Managing editor
Control Computers named after I. S. Bruk) Dmitry Gudilin
S. F. Boev, Doctor of Engineering, Doctor of Economics (MAK Vympel) [email protected]
V. P. Martynov, Doctor of Engineering, Professor (Analytical Center at the Ministry +7 (495) 940-65-24
of Education and Science of the Russian Federation)
N. A. Makhutov, Corresponding Member of Russian Academy of Sciences, Advertise
Doctor of Engineering, Professor (Russian Academy of Sciences) Polina Korsunskaya
N. L. Prokhorov, Doctor of Engineering, Professor (The Institute of Electronic [email protected]
Control Computers named after I. S. Bruk) +7 (495) 940‑65‑24
S. А. Prokhorov, Doctor of Engineering, Professor (Samara University) Distribution and subscribe
V. I. Sergeev, Doctor of Engineering, Associate Professor (Voronezh Design Veronika Filippova
Bureau Antenna Feeders) [email protected]
P. I. Smirnov, Candidate of Engineering (Scientific Research Institute Mashtab) +7 (495) 940‑65‑46
S. А. Sorokin, Doctor of Engineering (Scientific Research Institute of Computer
Science named after M. A. Karzev) Proofreader
A. F. Strakhov, Doctor of Engineering, Professor (Head center maintenance Larisa Ilyina
and repair Granite)
V. F. Khvatov, Doctor of Engineering (State Technical Supervision Body Design
of Leningrad Region) Grigoriy Arifulin
S. V. Khokhlov (GosNIIAS) Editorial office
V. I. Shteinberg, Candidate of Engineering (Research Institute «Argon») Kosmonavta Volkova st., 12,
Moscow, Russian Federation,
Full or partial reproduction of materials is allowed only with the written permission of
the Central Research Institute of Economy, Management Systems and Information 127299
«Electronics». +7 (495) 940‑65‑00
At a reprint of materials the link on journal «Issues of radio electronics» is mandatory.
Advertisers are responsible for the content of advertisements. www.instel.ru
Authors are responsible for reliable information, for the availability of data are not [email protected]
subject to open publication, and accuracy of information on the cited literature.
The editorial standpoint may not correspond with authors’ opinions. Subscribe
All incoming manuscripts are subject to review. [email protected]
Editors do not correspond with authors, whose articles are considered unsuitable for +7 (495) 940‑65‑46
the publication. Materials sent to the editor will not be returned. Signed to print 20.02.2020.
Printed in Mittel Press.
© CRI Electronics, 2020

АО «ЦНИИ «Электроника»

СОДЕРЖАНИЕ

5На пути к новой аспирантуре.............................................................. Техника СВЧ

Радиолокация Попов А. А., Билевич Д. В., Сальников А. С., Калентьев А. А..
и радионавигация Исследование влияния параметров техпроцесса
на электрофизические характеристики полевого
Волков В. Ю..
Обнаружение объектов на изображениях с использованием 23транзистора с барьером Шоттки с применением

6селекции по площади.......................................................................... приборно-технологического моделирования................................

Прикладные проблемы Митьков А. С., Рубанович М. Г..
информационных
технологий 31Модульные сверхвысокочастотные аттенюаторы высокого

Шуменков Д. Г., Разумов И. Н., Здех В. Л.. уровня мощности..............................................................................
Применение скриптовых языков
программирования для решения задач Горбачев А. П., Паршин Ю. Н..
автоматизированного тестирования Печатная четырехлучевая фазированная антенная
при проведении испытаний электронных
38решетка с модифицированными дифференциальными
12цифровых устройств........................................................................
фазовращателями. .........................................................................
Радиоэлектроника
в медицине Управление, организация и экономика

Ястребов А. В., Трофимов П. М., Амосова О. В., Тишков А. В., Петрушевская А. А., Алешкин Н. А..
Чиж И. А., Шаповалов В. В., Козырев А. Б..
Распределения биоимпеданса в тканях молочной железы 46Модель оптимизации процесса управления производством

16с новообразованием (моделирование и эксперимент).................. радиоэлектронных изделий............................................................

Управление рисками

Щеников Я. А., Сидоров В. О..

51Риск-менеджмент процессов входного контроля

электронной компонентной базы....................................................

ПРАВИЛА ПРЕДСТАВЛЕНИЯ СТАТЕЙ..............57

© АО «ЦНИИ «Электроника», 2020

CRI Electronics

(Issues of radio
electronics)

CONTENTS

5On the way to a new graduate school................................................... Microwave technology

Radar and radio navigation Popov A. A., Bilevich D. V., Salnikov A. S., Kalentyev A. A..

Volkov V. Yu.. 23A study of technology parameters influence on the electrophysical

6Detection of objects in images using area selection............................. characteristics of a MESFET using TCAD simulations......................

Applied problems 31Mitkov A. S., Rubanovich M. G..
of information
technology High power modular microwave attenuators......................................
Gorbachev A. P., Parshin Yu. N..
Shumenkov D. G., Razumov I. N., Zdeh V. L..
Use of scripting languages to solve problems 38Printed four-beam phased antenna array with modified
of automated testing for testing electronic
differential phase shifters.................................................................
12digital devices....................................................................................
Management, organization
Electronics in medicine and economics
46Petrushevskaya A. A., Aleshkin N. A..
Yastrebov A. V., Trofimov P. M., Amosova O. V., Tishkov A. V.,
Chizh I. A., Shapovalov V. V., Kozyrev A. B.. Model for optimizing production of electronic products.....................
Distributions of bioimpedance in breast tissue with neoplasm
Risk management
16(modeling and experiment).................................................................
Shchenikov Ya. A., Sidorov V. O..

58Risk management of electronic component incoming inspection

processes..........................................................................................

RULES FOR SUBMITTING ARTICLES...................59

© CRI Electronics, 2020

На пути к новой аспирантуре Цель нововведения  – ​переориентировать про‑
граммы аспирантур на  подготовку научно-квали‑
4 февраля 2020 года Государственная Дума Рос‑ фикационных работ. Документ предполагает, что
сийской Федерации поддержала в  первом чтении для прохождения итоговой аттестации аспирант бу‑
проект Федерального закона № 860618–7 «О  вне‑ дет обязан представить готовую к  защите диссер‑
сении изменений в  отдельные законодательные тацию, а не выпускную квалификационную работу,
акты Российской Федерации в части подготовки на‑ как это практикуется в настоящее время. Порядок
учно-педагогических кадров в аспирантуре (адъюн‑ проведения итоговой аттестации также будет уста‑
ктуре)». Стоит отметить, что данный законопроект, навливать Минобрнауки России.
инициатором которого выступило Министерство
науки и  высшего образования России, направлен Законопроект получил положительный отклик
на  обеспечение реализации национального про‑ и поддержку со стороны Ассоциации классических
екта «Наука». университетов России и  Президиума РАН. В  част‑
ности, в  постановлении последнего от  27  ноября
Какие изменения произойдут в работе аспиран‑ 2018  года отмечается, что «аспирантура, как уро‑
тур после одобрения и  подписания этого закона? вень образования, должна основываться на  на‑
Главное новшество заключается в  том, что про‑ учной работе, а  образовательная составляющая
граммы подготовки научно-педагогических кадров программ должна существовать в том объеме и тех
в  аспирантуре будут реализовываться на  основе формах, которые способствуют успешной исследо‑
федеральных государственных требований вместо вательской деятельности аспиранта».
действующих в настоящее время образовательных
стандартов. Сами требования будет утверждать Вместе с тем у нового закона есть и противники.
Минобрнауки России, однако, для ряда вузов, в том Так, в  экспертном заключении Совета при Прези‑
числе Московского государственного университета денте Российской Федерации по кодификации и со‑
имени М. В. Ломоносова, Санкт-Петербургского го‑ вершенствованию гражданского законодательства
сударственного университета, федеральных и  на‑ указано, что, во‑первых, вывод разработки про‑
циональных исследовательских университетов грамм аспирантуры из-под действия образователь‑
сделали исключение  – ​им будет предоставляться ных стандартов и введение категории федеральных
право разрабатывать и утверждать такие требова‑ государственных требований по  существу ничего
ния самостоятельно. не изменят; во‑вторых, институт аспирантуры прин‑
ципиально несовместим с системой высшего обра‑
зования, построенной по  болонской модели, кото‑
рая включает бакалавриат и  магистратуру. Члены
совета видят решение существующих проблем
в  переводе института аспирантуры из  сферы выс‑
шего образования в  сферу науки и  научной поли‑
тики.

Признавая существование некоторых недостат‑
ков законопроекта, хотелось бы поддержать усилия
его разработчиков в  части повышения эффектив‑
ности работы аспирантур. Сегодняшний уровень
числа защит аспирантов по  итогам обучения со‑
ставляет всего лишь 18%, что явно свидетель‑
ствует о необходимости внесения изменений в су‑
ществующую модель функционирования института
аспирантуры. В  противном случае существует до‑
статочно высокий риск того, что достижение одного
из  важных целевых показателей национального
проекта «Наука», а  именно увеличение числа ис‑
следователей до  2024  года на  35  тысяч человек,
окажется под вопросом.

А. В. Фомина,
доктор экономических наук,
главный редактор журнала «Вопросы

радиоэлектроники»

vre.instel.ru 5

Радиолокация и радионавигация

Для цитирования: Волков В. Ю. Обнаружение объектов на изображениях с использованием селекции по площади //
Вопросы радиоэлектроники. 2020. № 2. С. 6–11.
DOI 10.21778/2218-5453-2020-2-6-11
УДК 004.932.2: 621.396.96

В. Ю. Волков1, 2

1 АО «Научно-производственное предприятие «Радар ммс», 2 Санкт-Петербургский государственный
электротехнический университет «ЛЭТИ»

ОБНАРУЖЕНИЕ ОБЪЕКТОВ
НА ИЗОБРАЖЕНИЯХ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СЕЛЕКЦИИ
ПО ПЛОЩАДИ

Целью работы является исследование эффективности алгоритмов обнаружения объектов интереса на изобра-
жениях, получаемых системами дистанционного наблюдения. Основными свойствами объектов по отношению
к фону являются их компактность и изолированность. Рассматриваемые алгоритмы используют многопороговую
обработку, дающую набор бинарных срезов. Это дает возможность проводить морфологическую обработку объ-
ектов на каждом срезе в целях анализа их геометрических характеристик и последующей селекции. В результа-
те удается установить адаптивный порог обнаружения объектов. Использование селекции по площади позволяет
существенно уменьшить число ложных тревог при обнаружении и использовать пороги более низкого уровня, что
обеспечивает увеличение вероятности правильного обнаружения объектов интереса. Представлены результаты
обработки тестовых моделей изображений, а также результаты обнаружения объектов на реальном изображе-
нии, показывающие эффективность рассматриваемого алгоритма.

Ключевые слова: обнаружение и селекция объектов, многопороговая обработка, сегментация изображений

Введение Трудности описания статистических свойств как
Задачи обнаружения, выделения и локализации объектов интереса, так и  фона препятствуют эф‑
объектов интереса на изображениях различной при‑ фективному применению параметрических алго‑
роды весьма актуальны и интенсивно исследуются. ритмов и вызывают интерес к непараметрическим
Они решаются телевизионными, инфракрасными, методам формирования решающих статистик.
лазерными и  радиолокационными системами на‑ В  частности, при отсутствии каких-либо сведений
блюдения с  синтезированными апертурами. Не‑ о  форме объекта решающая статистика выделяет
смотря на  специфику, присущую изображениям кластер с  наибольшим числом связанных пиксе‑
в различных системах наблюдения, существуют об‑ лов (maximum cluster test) при пороговой обработке
щие методы обработки изображений, которые ус‑ [2,  4]. Фактически обнаруживается объект с  наи‑
ловно делятся на три группы [1], основанные, соот‑ большей площадью на срезе при данном пороговом
ветственно, на  сопоставлении шаблонов, знаниях уровне.
об  объекте интереса и  машинном обучении. В  на‑
стоящей статье будет рассмотрен второй подход Площадь объекта является весьма эффектив‑
как наиболее отвечающий задачам дистанционного ным признаком для селекции при многопороговой
наблюдения в реальном времени. обработке [5]. Однако трудности при реализации
Методы, использующие информацию об  объ‑ алгоритмов связаны с  необходимостью указания
екте, существенно различаются тем, в какой форме абсолютных значений площади в пикселях. Обычно
и  насколько полно эта информация может быть можно исключить из  рассмотрения мелкие объ‑
представлена. В  общей постановке задачи объект екты, которые возникают из-за фона либо являются
интереса представляется кластером, т. е. сово‑ фрагментами более крупных объектов, претерпев‑
купностью связанных пикселов с  интенсивностью, ших разрушение при данном значении порога.
большей, чем интенсивность в  окружающих его
областях [2]. Для обнаружения таких объектов при‑ Использование селекции объектов позволяет
меняются сканирующие статистики (scan statistic) устанавливать адаптивный порог обнаружения. При
на  основе, например, расширяющихся круговых селекции по площади адаптация возможна по мак‑
сканирующих окон [3]. симальному числу объектов. В  этом случае уста‑
навливается адаптивный глобальный порог, что
эффективно при обнаружении группы однотипных

6 Вопросы радиоэлектроники, 2/2020

Радиолокация и радионавигация

объектов. Это позволяет существенно уменьшить для формирования адаптивного порога [5]. Эти ме‑
число ложных тревог при обнаружении и использо‑ тоды требуют априорного знания размеров объекта
вать пороги более низкого уровня, что увеличивает интереса. Кроме того, использование фонового
вероятность правильного обнаружения объектов окна приводит к потере разрешающей способности
интереса. по  близким объектам и  к  подавлению одного объ‑
екта соседними, которые попадают в область окна.
Важной задачей является исследование эф‑
фективности использования указанной селекции Рассмотрим тестовое изображение, содержа‑
при обнаружении компактных объектов интереса щее квадратный объект, искаженный аддитивным
на шумовом фоне. гауссовским шумом (рис. 1а).

Постановка задачи и метод решения Модель содержит гауссово шумовое поле
В настоящей статье рассматривается метод вы‑ со стандартным нормальным распределением с ну‑
деления изолированных связанных объектов, осно‑ левым средним и  единичной дисперсией. Пиксели
ванный на  многопороговой обработке, результаты в поле сигнала содержат в значениях положитель‑
которой используются для выбора наилучшего по‑ ный сдвиг Δ. Тестовое изображение получается
рога бинаризации. Считается, что главным свой‑ путем преобразования диапазона значений. Ре‑
ством, отличающим интересующий объект от фоно‑ зультирующее изображение имеет 8-битный цело‑
вого шума, является связность соседних пикселей численный тип данных с  нулевым минимальным
объекта в двоичном изображении. Этим свойством значением и максимумом, равным 255. Отношение
определяется формирование изолированных объ‑ сигнал-шум равно половине. Результат бинариза‑
ектов на  каждом двоичном слое. Рассмотрим по‑ ции Otsu показан на рис. 1б.
роговую обработку с  использованием глобального
порога. Очевидно, что изображение после бинаризации
Пусть монохромное изображение I(x, y), где I –​ содержит слишком много ложных тревог, которые
интенсивность, а x, y – к​ оординаты пикселей, бина‑ можно устранить, удалив мелкие объекты. Это про‑
ризовано фиксированным глобальным порогом T. иллюстрировано на  рис.  1в, где были удалены не‑
Результатом является двоичный слой BT: {BT = 1, большие объекты с площадью менее Smin = 50 пик‑
если I(x, y) ≥ T; BT = 0, если I(x, y) < T}, в  котором селей.
подмножество единиц представляет объекты инте‑
реса (foreground), например, здания, сооружения, Попытки подавить фоновые выбросы и  умень‑
транспортные средства, береговую линию, а  под‑ шить ложные тревоги с помощью повышения поро‑
множество нулей относится к  фону (background), гового уровня неэффективны, поскольку можно по‑
который определяется ландшафтом области на‑ терять объект интереса, как показано на рис. 1г, где
блюдения. бинаризация была выполнена с  высоким порогом
Если интенсивности пикселов объектов инте‑ без селекции. Можно видеть два типа искажений
реса в  основном выше интенсивностей фоновых и  помех: пропадание точек и  разрушение (фраг‑
пикселов, то  для выбора глобального порога при‑ ментацию) объекта для порога высокого уровня
нято использовать метод Отсу, работающий в  до‑ (рис. 1в, д); появление на низком пороговом уровне
вольно общих условиях. Он основан на  анализе фрактальных шумовых разрастаний на  границе
гистограммы исходного изображения и  дает ми‑ объекта и вне его (рис. 1е).
нимальную сумму внутригрупповых дисперсий
для подмножеств {I(x, y) > T} и {I(x, y) ≤ T} соответ‑ Рассмотрим случай, когда изображение содер‑
ственно. Ясно, что в  практических сценариях объ‑ жит ряд однотипных объектов, которые необходимо
екты интереса размыты, а  фон неоднороден и  за‑ выделить. На  каждом бинарном слое выбираются
шумлен, что в случае глобального порога приводит объекты, удовлетворяющие заданным свойствам,
к перекрытию участков распределений для указан‑ а порог бинаризации для них задается таким обра‑
ных подмножеств и неизбежным ошибкам. зом, чтобы получить максимальное количество объ‑
В идеале для каждого объекта интереса требу‑ ектов данной категории (или их пикселов) с учетом
ется устанавливать свое значение порога. Такие требуемого сохранения их формы. Этот процесс
локальные пороги возможно сформировать при ис‑ может быть автоматизирован, что приводит к адап‑
пользовании локальных (скользящих) окон, в  пре‑ тивным пороговым методам. Структура алгоритма
делах которых фон считается однородным. При выбора объекта по площади показана на рис. 2.
этом необходимо задать контролируемую или базо‑
вую (связанную с размерами ожидаемого объекта) Фильтр F выполняет предварительную фильтра‑
и опорную (фоновую) области. Опорная область рас‑ цию для сглаживания и  подавления шума. Далее
полагается вблизи контролируемой и используется изображение подвергается многопороговой об‑
работке. Каждый канал имеет свой собственный
диапазон областей изолированных объектов. При
изменении порога с низкого на высокий общее ко‑
личество выделенных объектов сначала увеличива‑
ется, достигает максимума, а  затем уменьшается.

vre.instel.ru 7

Радиолокация и радионавигация

50 50 50
100 100 100
150 150 150
200 200 200
250 250 250

50 100 150 200 250 50 100 150 200 250 50 100 150 200 250
а) б) в)

50 50 50

100 100 100

150 150 150

200 200 200

250 250 250
50 100 150 200 250 50 100 150 200 250 50 100 150 200 250

г) д) е)

Рисунок 1. Тестовое изображение (а) и результаты бинаризации и селекции объекта: б – с​  порогом

Oпсеоtsлсuлекеthцсrиеи=л;е1дк2 ц–0и;с​ив в с–ы Sссm опкinоир=мо5гпо0омроТго=м1Т40=п1о5с0лепосселлеексцеилиексц Sиmиinс =Sm5i0n;=г 5–0с​; веы –сс​о книимзкпиомрпоогормогТо=м 180 без
Т= 135

TZ TM Биноминальные срезы
y
Фильтр F Z Счетчик числа Выбор среза, Выход
Регистрация Квантователи Cелектор Sk пикселов соответству-
ющего макси-
Вход M Счетчик числа
Cелектор Sk пикселов мальному
числу

пикселов

Канал Sk для k-го диапазона площадей

Рисунок 2. Структура селекции объектов по площади

При выборе объектов в узком диапазоне областей в  соответствии с  положением максимума числа
их максимальное количество появляется при опре‑ объектов, оставшихся после селекции. Количество
деленном пороговом значении [5]. Это позволяет изолированных объектов на  срезе изображения
выбирать объекты, подсчитывая их количество шума зависит от  порогового уровня, как показано
либо число пикселов в  них и  устанавливая поро‑ на рис. 4а верхней линией 1.
говые значения на соответствующих уровнях. Про‑
цесс установки порога может быть автоматизиро‑ Максимум изолированных объектов Nmax = 4866
ван, что приводит к адаптивным методам. появляется при пороге T = 166. Зависимости числа
отселектированных объектов после удаления не‑
Характеристики обнаружения при селекции больших объектов с Smin = 1, 5, 10 показаны на рис. 4а
объектов по площади соответствующими линиями 2–4. После удаления
изолированных точек с  Smin = 1 максимальное ко‑
Рассмотрим бинаризацию чистого шумового личество оставшихся объектов Nmax  =  2522 при
поля, показанную на рис. 3а. T = 163. Для Smin = 5 имеем: Nmax = 863 при T = 157;
для Smin = 10 получено Nmax = 483 при T = 154. Таким
Результаты селекции объектов в  шуме пред‑ образом, количество выделенных объектов умень‑
ставлены на рис. 3б и 3в для Smin = 10 и 150 пиксе‑ шается с увеличением параметра Smin, а положение
лей соответственно. При этом пороги выбирались

8 Вопросы радиоэлектроники, 2/2020

Радиолокация и радионавигация

500

50 50 50 400

100 100 100 300

150 150 150 200

200 200 200 100

250 250 250 50 100 150 200 250 0
50 100 150 200 250 50 100 150 200 250

а) б) в)

Рисунок 3. Селекция шумовых объектов: а – ​чистое шумовое поле; б – S​ min = 10; в – S​ min = 150

5000 1 –0,5 1
4000
Степень вероятности –1 1 0,8
ложной тревоги –1,5

N 3000 –2 0,6
2000 2 D1
2 –2,5 0,4

–3 3 2

1000 3 –3,5 54 0,2
0130 4
150 170 190 210 –4 3
0 5 10 15 20 25 30 0 123456
T
Smin d

а) б) в)

Рисунок 4. Анализ задачи обнаружения на фоне гауссовского шума: а – з​ ависимости числа
объектов от порога Т для набора значений Smin; б – з​ ависимости степени вероятности ложной
тревоги от Smin для набора значений порога T; в – характеристики обнаружения объекта интереса:
зависимость вероятности правильного обнаружения D от отношения сигнал/шум d

максимума несколько смещается в  сторону более удовлетворяющего критерию Неймана  – ​Пирсона
низких пороговых значений. Следствием выделе‑ для каждого пикселя.
ния и удаления мелких объектов является возмож‑
ность снижения порогового уровня с  сохранением Рассмотрим задачу обнаружения без учета
низкой вероятности ложной тревоги при обнаруже‑ формы объекта, которая обычно неизвестна. Пусть
нии полезных объектов. Чем больше площадь шу‑ мы имеем сдвиг в математическом ожидании в об‑
мовых объектов, подлежащих удалению, тем более ласти сигнала для гауссовского шумового поля (на‑
низкий порог обнаружения может быть установлен пример, рис. 1). При отсутствии селекции объектов
при одинаковой вероятности ложной тревоги. вероятность обнаружения для каждого пикселя
в сигнальном поле вычисляется по формуле
Вероятность ложной тревоги зависит от  мини‑
мальной площади обнаруженных объектов Smin D = 1 – ​Φ(tNP – d​ ),
(ось x), как показано на рис. 4б в логарифмическом
масштабе. Кривые получены путем моделирования. где d  – о​ тношение сигнал/шум (дефлекция ре‑
Для заданного порога и  для каждой области Smin шающей статистики), Φ  – ​интеграл вероятности
(которая указывается в  пикселях вдоль горизон‑ Лапласа, tNP  – ​нормированный порог для получе‑
тальной оси) подсчитано и нормировано к размеру ния заданной вероятности ложной тревоги F. Эта
поля количество превышений шума. Ось ординат характеристика обнаружения показана кривой 3
представляет собой десятичный логарифм этого на  рис.  4в для F = 0,01 и  нормированного порога
нормированного значения, который соответствует tNP  = 2,326. Ось x показывает отношение сигнал/
расчетной степени вероятности ложной тревоги. шум d (дефлекцию). Пороговая дефлекция для обе‑
Кривые 1–5 соответствуют возрастающим порого‑ спечения вероятности правильного обнаружения
вым уровням T = 150, 155, 160, 165, 170. D = 0,5 равна d(0,5) = 2,326.

Рассмотренный метод анализа используется для В случае селекции объектов предполагается,
решения задачи обнаружения, в которой объект об‑ что область сигнала больше, чем параметр Smin, ко‑
наруживается путем задания порогового уровня tNP, торый используется в алгоритме. Удаление неболь‑
ших шумовых объектов из двоичного изображения
vre.instel.ru
9

Радиолокация и радионавигация

снижает количество ложных тревог и уменьшает по‑ установки наилучшего порога. Из  общего коли‑
рог обнаружения для заданного значения вероятно‑ чества – ​460 объектов можно выделить 24 изоли‑
сти ложной тревоги. Для Smin = 150 в этой задаче он рованных. Результат селекции объектов показан
дает нормированный порог tNP = 0,47 вместо 2,326. на рис. 5г.
Понятно, что без селекции более низкий порог даст
значительно большую вероятность ложной тревоги Недостатком селекции по площади является не‑
(0,32), что показывает кривая 1 на рис. 4в. В то же обходимость задания параметра площади в  абсо‑
время селекция позволяет сохранить низкое зна‑ лютных величинах (пикселах), что затруднительно
чение порога обнаружения без роста вероятности в случаях изменения масштаба изображения. Этот
ложной тревоги, что в результате дает увеличение метод плохо работает в случае неоднородного фона,
вероятности правильного обнаружения (кривая 2 который может давать ложные объекты, сравнимые
на рис. 4в). по площади с объектами интереса (рис. 5в).

Селекция объектов на  реальном изображе- Заключение
нии Использование селекции объектов интереса
на изображении является эффективным средством
Изображение на  рис.  5а получено с  помощью улучшения характеристик обнаружения за счет сни‑
системы дистанционного наблюдения. Задача со‑ жения порогового уровня. Для вероятности ложной
стоит в  том, чтобы выделить все интересующие тревоги 0,01 при гауссовской статистике обеспе‑
объекты. Детектор Отсу не  справляется из-за чивается почти двукратный выигрыш в  пороговом
низкого порога, в  результате чего все объекты отношении сигнал/шум. Селекция объектов по пло‑
сливаются (рис.  5б). Зависимость числа изолиро‑ щади позволяет установить адаптивный пороговый
ванных объектов от  порогового уровня показана уровень по максимальному числу объектов выбран‑
на рис. 5в. Верхняя кривая 1 показывает все изо‑ ной категории.
лированные объекты, кривая 2 представляет объ‑ Стоит отметить, что адаптация порогового
екты после селекции по  площади в  интервале уровня по  максимуму отселектированных объек‑
S = (100, 300). Эта зависимость используется для тов данной категории имеет смысл в тех ситуациях,

50 150 250 350 450 50 150 250 350 450
100 а) 100
150 150
200 200
250 250
300 300

50 50

б)

500

400 50
100
300 1 150
T 200
2 250
200 50 100 150 200 250 300 300

100 D 50
в)
0

150 250 350 450

г)

Рисунок 5. Селекция реальных объектов: а – и​ зображение получено с помощью системы
дистанционного наблюдения; б – ​изображения объектов, выделенных детектором Отсу;
в – з​ ависимости числа изолированных объектов от порогового уровня T; г – р​ езультат селекции
объектов

10 Вопросы радиоэлектроники, 2/2020

Радиолокация и радионавигация

когда сцена содержит достаточное их количество. дает несколько более низкое значение порогового
Также алгоритм использует априорную информа‑ уровня с точки зрения сохранения формы объектов.
цию о  типичной минимальной площади объектов Эти недостатки могут быть устранены применением
интереса. Кроме того, обеспечивая наибольшую более совершенных методов адаптации, например
вероятность правильного обнаружения, метод геометрических инвариантов [5].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Cheng G., Han J. A survey on object detection in optical remote sensing images // ISPRS Journal of Photogrammetry and
Remote Sensing. 2016. No. 117. P. 11–28.

2. Arias-Castro E., Grimmett G. R. Cluster detection in networks using percolation // Bernoulli. 2013. Vol. 19. No. 2. P. 676–719.
3. Patil G. P., Taillie C. Upper level set scan statistic for detecting arbitrarily shaped hotspots // Environmental and Ecological

Statistics. 2004. Vol. 11. P. 183–197.
4. Langovoy M., Wittich O. Randomized algorithms for statistical image analysis and site percolation on square lattices //

Statistica Neerlandica. 2013. Vol. 67. Iss. 3. P. 337–353.
5. Волков В. Ю., Богачев М. И., Маркелов О. А. Многопороговая селекция объектов на изображениях в системах дис‑

танционного наблюдения // Радиопромышленность. 2019. Т. 29. № 2. С. 76–88.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ

Волков Владимир Юрьевич, д. т. н., профессор, АО «Научно-производственное предприятие «Радар ммс», Российская
Федерация, 197375, Санкт-Петербург, ул. Новосельковская, д. 37, лит. А; ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государ‑
ственный электротехнический университет «ЛЭТИ», Российская Федерация, 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. По‑
пова, д. 5, тел.: 8 (905) 280‑87‑81, e-mail: [email protected].

For citation: Volkov V. Yu. Detection of objects in images using area selection. Issues of radio electronics, 2020, no. 2, pp. 6–11.
DOI 10.21778/2218-5453-2020-2-6-11

V. Yu. Volkov

DETECTION OF OBJECTS IN IMAGES USING AREA SELECTION

The aim of the work is to study the effectiveness of algorithms for detecting objects of interest in images obtained by remote
surveillance systems. The main properties of objects in relation to the background are their compactness and isolation. The
algorithms in question use multithresholding, which yields a set of binary slices. It allows to carry out morphological processing
of objects on each slice for the purpose of the analysis of their geometrical characteristics and the subsequent selection. As a
result, an adaptive object detection threshold can be set. The use of area selection can significantly reduce the number of false
alarms during detection and use lower-level thresholds, which increases the probability of correct detection of objects of interest.
Results of processing of test models of images, and also results of detection of objects on the real image showing efficiency of
the considered algorithm are presented.

Keywords: detection and selection of objects, multi-threshold processing, image segmentation

REFERENCES

1. Cheng G., Han J. A survey on object detection in optical remote sensing images. ISPRS Journal of Photogrammetry and
Remote Sensing, 2016, no. 117, pp. 11–28.

2. Arias-Castro E., Grimmett G. R. Cluster detection in networks using percolation. Bernoulli, 2013, vol. 19, no. 2, pp. 676–719.
3. Patil G. P., Taillie C. Upper level set scan statistic for detecting arbitrarily shaped hotspots. Environmental and Ecological

Statistics, 2004, vol. 11, pp. 183–197.
4. Langovoy M., Wittich O. Randomized algorithms for statistical image analysis and site percolation on square lattices. Statistica

Neerlandica, 2013, vol. 67, iss. 3, pp. 337–353.
5. Volkov V. Yu., Bogachev M. I., Markelov O. A. Multi-threshold object selection in images in remote sensing systems. Radio

industry (Russia), 2019, vol. 29, no. 2, pp. 76–88. (In Russian).

AUTHOR

Volkov Vladimir, D. Sc., professor, chief of the department, «NPP «Radar mms» JSC, 37A, Novoselkovskaya St., Saint-Petersburg,
197375, Russian Federation; professor of the radioengineering dept., Saint Petersburg Electrotechnical University «LETI», 5, Prof.
Popov St., Saint-Petersburg, 197376, Russian Federation, tel.: +7 (905) 2808781, e-mail: [email protected].

vre.instel.ru 11

Прикладные проблемы информационных технологий

Для цитирования: Шуменков Д. Г., Разумов И. Н., Здех В. Л. Применение скриптовых языков программирования для решения
задач автоматизированного тестирования при проведении испытаний электронных цифровых устройств //
Вопросы радиоэлектроники. 2020. № 2. С. 12–15.
DOI 10.21778/2218-5453-2020-2-12-15
УДК 004.42

Д. Г. Шуменков1, И. Н. Разумов1, В. Л. Здех1

1 АО «Научно-производственное предприятие «Радар ммс»

применение скриптовых языков
программирования для решения
задач автоматизированного
тестирования при ПРОВЕДЕНИИ
испытаниЙ электронных
цифровых устройств

В статье рассмотрен один из способов автоматизации тестирования с использованием стендового оборудова-
ния, при котором применяются скриптовые языки программирования. Обоснована необходимость автоматизиро-
ванного тестирования электронных цифровых устройств. Приведены достоинства и недостатки скриптовых язы-
ков программирования. Объяснен механизм работы программного обеспечения, установленного на персональном
компьютере в составе стендового оборудования, при проведении тестирования с использованием скриптов. Опи-
сан способ автоматизированного тестирования, при котором скрипты и результаты проведенных испытаний со-
держатся в  базе данных. Рассмотрен способ реализации тестирования с  использованием скриптовых языков
программирования, используя библиотеку программирования Qt на языке высокого уровня С++. Указаны досто-
инства и  недостатки применения библиотеки программирования Qt. Приведены примеры реализации запуска
скриптов из ПО тестирования, созданного в среде разработки Qt.

Ключевые слова: программное обеспечение, стендовое оборудование, библиотека программирования Qt

Введение оборудования, выставление нужных параметров
Современные электронные цифровые устрой‑ на  устройстве, подготовку тестирования и  снятие
ства имеют сложные алгоритмы работы, множество результатов с измерительных приборов. Также при‑
функций и режимов, что ведет к увеличению сроков сутствует фактор человеческой ошибки.
разработки изделий и  трудоемкости проводимых
испытаний. Одним из способов уменьшения трудо‑ Для автоматизации тестирования в состав стен‑
затрат на  разработку и  проведение испытаний яв‑ дового оборудования включается управляющий
ляется автоматизация тестирования. персональный компьютер, разрабатывается про‑
Тестирование современных устройств осущест‑ граммное обеспечение (ПО), в  котором каждый
вляется с  использованием стендового оборудо‑ тест реализован в  виде отдельного программного
вания, в  состав которого входит набор устройств, модуля [1]. При этом возможно повторное исполь‑
используемых для проведения испытаний и  изме‑ зование ПО и достигается снижение трудоемкости.
рений. Тестирование устройства может быть вы‑ Недостатком данного подхода является необходи‑
полнено в ручном режиме в соответствии с состав‑ мость реализации новых программных модулей при
ленной методикой, в  которую записываются все изменении методики тестирования или конфигура‑
необходимые действия. Специалист, проводящий ции оборудования. Это не позволяет обеспечить до‑
тестирование, выполняет описанные в  методике статочной универсальности и гибкости разрабаты‑
инструкции вручную, например, подает напряже‑ ваемых тестов.
ние на  устройство, выставляет нужный режим,
снимает показания с  датчиков. После завершения Применение скриптов для решения задач ав-
тестирования все результаты заносятся в  прото‑ томатизированного тестирования
кол. При данном подходе много времени уходит
на  разработку и  изучение методики, настройку Для обеспечения гибкости и  универсально‑
сти разрабатываемых тестов может быть исполь‑
зован подход с  применением языков сценариев

12 Вопросы радиоэлектроники, 2/2020

Прикладные проблемы информационных технологий

(скриптовых языков программирования). ПО тести‑ библиотеки  Qt, написанной на  языке программи‑
рования в этом случае состоит из основного модуля, рования С++. Qt обладает следующими преимуще‑
запускающего скрипты, и нескольких программных ствами перед другими библиотеками, используе‑
модулей, обеспечивающих связь с  устройствами мыми на отечественных предприятиях:
стенда. Скрипты управляют работой программ‑
ных модулей, проводят инициализацию устройств, • кросс-платформенность;
опрашивают их и  на  основе полученных результа‑ • открытый исходный код;
тов делают вывод о  прохождении теста. При дан‑ • подробная документация по использованию би‑
ном подходе в  случае изменения конфигурации
оборудования или входных данных и  методики те‑ блиотеки.
стирования нет необходимости изменять программ‑
ный модуль, написанный на языке высокого уровня. Кросс-платформенность позволяет осуществить
переход с одной платформы на другую, например,
Использование скриптов [2] при разработке с Windows на Astra Linux, без доработки исходного
стендового оборудования характеризуется следую‑ кода. Так как использование лицензируемого ПО
щими достоинствами по сравнению с применением от  зарубежных поставщиков сопряжено с  санкци‑
языков высокого уровня: онными рисками, приоритетным решением следует
признать применение библиотек с открытым исход‑
• скрипты не  требуют компиляции, поэтому при ным кодом.
внесении изменений в сценарий теста не требу‑
ется перекомпилировать программный комплекс Библиотека Qt имеет встроенные инструменты
полностью; для запуска и  работы со  скриптами  – м​ одули
QtScript [3] и QJSEngine [4]. QtScript появился в Qt,
• при изменении состава стенда не требуется пе‑ начиная с версии 4.3. QJSEngine появился в Qt 4.7
реписывать программу, управляющую тестиро‑ и активно развивается в нынешнее время.
ванием;
Пример реализации ПО тестирования
• можно управлять цифровыми устройствами Для применения скриптовых языков программи‑
стенда, используя библиотеки, написанные рования при проведении тестирования цифрового
на языке низкого уровня; электронного устройства было реализовано ПО,
интерфейс которого представлен на рисунке.
• облегчается реализация набора сценариев те‑ В интерфейсе ПО тестирования предусмотрен
стирования; список тестов, составленный в  соответствии с  до‑
кументом методики проведения тестирования.
• можно выполнить отладку сценария в  интерак‑ В  каждый подпункт проверки записан скрипт, ко‑
тивном режиме; торый хранится в  базе данных. Для выполнения
проверки пользователь должен нажать на  кнопку
• возможно сформировать набор сценариев «Старт» у  соответствующего пункта. После этого
на пользовательском уровне, не переходя на бо‑ скрипты будут выполнены в порядке их расположе‑
лее сложные уровни программирования. ния в списке тестов, и напротив каждого выполнен‑
ного пункта будут отображены результат проверки
Для формирования набора тестов, их хранения и  решение о  прохождении теста. После прохожде‑
и  запуска может быть использована база данных ния всех пунктов тестирования пользователь мо‑
скриптов. В  рамках подготовки к  тестированию жет распечатать протокол с  автоматически зане‑
предполагается создание наборов скриптов для сенными в него результатами тестирования, нажав
каждого вида испытаний и сохранение их в базе дан‑ на кнопку «Печать протокол».
ных. При проведении тестирования пользователь
выбирает необходимый набор тестов и  запускает Заключение
их выполнение. Далее ПО тестирования выгружает Использование скриптов позволяет уменьшить
из базы данных скрипты, соответствующие выбран‑ количество действий, необходимых пользователю
ному набору тестов, и запускает последовательное для проведения тестирования, а  также дает воз‑
их выполнение. В  ходе работы скрипт проверяет можность отказаться от повторяющихся операций.
соответствие полученных результатов заявленным Благодаря этому существенно снижаются трудо‑
требованиям и делает выводы об успешности про‑ затраты на  тестирование цифровых электронных
хождения теста. По завершении выполнения скрипт устройств. Применение базы данных при автома‑
формирует результаты тестирования, которые со‑ тизации тестирования позволяет упростить много‑
храняются в базу данных. кратное использование ранее разработанных сце‑
нариев.
Реализация программы тестирования, ис-
пользуя C++ и библиотеку Qt

Одним из  вариантов реализации ПО про‑
ведения тестирования является использование

vre.instel.ru 13

Прикладные проблемы информационных технологий

Рисунок. Интерфейс программного обеспечения тестирования

При конфигурации ПО для нового состава Разработка ПО для проведения автоматизиро‑
стендового оборудования могут быть использо‑ ванного тестирования с  использованием скрипто‑
ваны части скриптов, составленных ранее, что вых языков программирования может быть легко
позволяет повысить гибкость при изменении про‑ реализована с помощью широко распространенной
цесса тестирования и/или конфигурации оборудо‑ кросс-платформенной библиотеки Qt, имеющей под‑
вания. робную документацию с открытым исходным кодом.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Винниченко И. Автоматизация процессов тестирования. СПб.: Питер, 2005. 203 с.
2. Гребенюк В. М. Оценка целесообразности внедрения автоматизированного тестирования // Вестник евразийской

науки. 2013. № 1 (14). С. 13.
3. Qt Script  – ​Qt Documentation [Электронный ресурс]. URL: https://doc.qt.io/qt‑5/qtscript-index.html (дата обращения:

25.10.2019).
4. The QML Reference [Электронный ресурс]. URL: https://doc.qt.io/qt‑5/qmlreference.html (дата обращения: 25.10.2019).

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Шуменков Денис Геннадьевич, магистр, АО «Научно-производственное предприятие «Радар ммс», Российская Фе‑
дерация, 197375, Санкт-Петербург, ул. Новосельковская, д. 37, лит. А, тел.: 8 (909) 593‑44‑85, e-mail: shumenkov_dg@
radar-mms.com.
Разумов Игорь Николаевич, ведущий инженер, АО «Научно-производственное предприятие «Радар ммс», Российская
Федерация, 197375, Санкт-Петербург, ул. Новосельковская, д. 37, лит. А, e-mail: [email protected].
Здех Вячеслав Леонидович, ведущий инженер, АО «Научно-производственное предприятие «Радар ммс», Российская
Федерация, 197375, Санкт-Петербург, ул. Новосельковская, д. 37, лит. А, e-mail: [email protected].

14 Вопросы радиоэлектроники, 2/2020

Прикладные проблемы информационных технологий

For citation: Shumenkov D. G., Razumov I. N., Zdeh V. L. Use of scripting languages to solve problems of automated testing for testing
electronic digital devices. Issues of radio electronics, 2020, no. 2, pp. 12–15.
DOI 10.21778/2218-5453-2020-2-12-15

D. G. Shumenkov, I. N. Razumov, V. L. Zdeh

USE OF scripting languages to solve problems of automated testing
FOR TESTING ELECTRONIC DIGITAL DEVICES

The article presents the reasons for the need for automated testing of electronic digital devices. One of the ways to automate
testing using bench equipment, which uses scripting programming languages, is considered. Advantages and disadvantages of
scripting programming languages are given. The mechanism of operation of the software installed on a personal computer as part
of the bench equipment during testing using scripts is explained. A method of automated testing is described, in which scripts and
the results of the tests are contained in a database. A method for implementing testing using scripting programming languages,
using the Qt programming library in a high-level C++language, is considered. Advantages and disadvantages of using the Qt
programming library are given. Examples of the implementation of running scripts from testing software in the Qt development
environment are given.

Keywords: software, bench equipment, Qt programming library

REFERENCES

1. Vinnichenko I. Avtomatizatsiya protsessov testirovaniya [Automation of testing processes]. Saint-Petersburg, Piter Publ.,
2005, 203 p. (In Russian).

2. Grebenyuk V. M. Assessment of the feasibility of introducing automated testing. Vestnik evraziiskoi nauki, 2013, no. 1 (14),
p. 8. (In Russian).

3. Qt Script – Q​ t Documentation. Available at: https://doc.qt.io/qt‑5/qtscript-index.html (accessed 25.10.2019).
4. The QML Reference. Available at: https://doc.qt.io/qt‑5/qmlreference.html (accessed 25.10.2019).

AUTHORS

Shumenkov Denis, master, «NPP «Radar mms» JSC, 37A, Novoselkovskaya St., Saint-Petersburg, 197375, Russian
Federation, tel.: +7 (909) 593‑44‑85, e-mail: [email protected].
Razumov Igor, principal engineer, «NPP «Radar mms» JSC, 37A, Novoselkovskaya St., Saint-Petersburg, 197375, Russian
Federation, e-mail: [email protected].
Zdeh Vyacheslav, principal engineer, «NPP «Radar mms» JSC, 37A, Novoselkovskaya St., Saint-Petersburg, 197375, Russian
Federation, e-mail: [email protected].

vre.instel.ru 15

Радиоэлектроника в медицине

Для цитирования: Распределения биоимпеданса в тканях молочной железы с новообразованием (моделирование
и эксперимент) / А. В. Ястребов, П. М. Трофимов, О. В. Амосова, А. В. Тишков, И. А. Чиж, В. В. Шаповалов, А. Б. Козырев //

Вопросы радиоэлектроники. 2020. № 2. С. 16–22.
DOI 10.21778/2218-5453-2020-2-16-22
УДК 615.47

А. В. Ястребов1, П. М. Трофимов1, О. В. Амосова2, А. В. Тишков2,
И. А. Чиж2, В. В. Шаповалов1, А. Б. Козырев1

1 Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ», 2 Первый Санкт-
Петербургский государственный медицинский университет им. акад. И. П. Павлова

РАСПРЕДЕЛЕНИЯ БИОИМПЕДАНСА
В ТКАНЯХ МОЛОЧНОЙ ЖЕЛЕЗЫ
С НОВООБРАЗОВАНИЕМ
(МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТ)

В статье приведены результаты моделирования распределения биоимпеданса в ткани молочной железы с целью
изучения возможностей экспрессного маммографического обследования для обнаружения злокачественных но-
вообразований и решения актуальных задач персонифицированной медицины. Рассмотрена трехмерная элек-
тродинамическая модель ткани молочной железы с кожным покровом и новообразованием. Модель позволяет
определить пространственное расположение новообразований в зависимости от их размеров и глубины залега-
ния при различных толщинах кожного покрова при заданных значениях детектирующей чувствительности мам-
мографа. Результаты проведенного моделирования пространственного расположения новообразований под-
тверждены экспериментальными данными, а  также данными биоимпедансных исследований пациентов.
Эксперимент проводился на симуляторе ткани молочной железы на основе агар-агара с имитацией новообразо-
вания за счет введения шприцевой инъекции солевого раствора.

Ключевые слова: маммографическое обследование, биоимпедансные измерения, симулятор ткани молочной
железы

Введение на  рынке представлены только биоимпедансным
Биоимпедансные измерения являются одним маммографом «МЭИК» [4]. Эти системы являются
из  перспективных неинвазивных методов для раз‑ клиническими приборами, и их использование для
работки систем обнаружения новообразований обнаружения злокачественных новообразований
в  биологических тканях человеческого организма, в  тканях молочной железы возможно только в  ме‑
в частности в ткани молочной железы. С целью сни‑ дицинских учреждениях с привлечением специали‑
жения количества больных раком молочной железы стов.
необходимы методы ранней диагностики. Регуляр‑
ный скрининг среди населения требует привлечения Известно, что раковые образования имеют бо‑
большого количества специалистов, оборудования лее высокую удельную проводимость, чем здо‑
и  организации контроля посещения медицинских ровые ткани, что позволяет использовать биоим‑
учреждений. Таким образом, очевидна критическая педансные методы измерения для обнаружения
потребность в  безопасных, безболезненных и  эко‑ новообразований. Моделирование распределения
номически эффективных вспомогательных инстру‑ импеданса в ткани молочной железы с новообразо‑
ментах обследования молочной железы в условиях ваниями позволяет оценить масштаб измеряемыx
персонифицированной медицины. значений, их локализацию и  предельные возмож‑
В области биоимпедансной томографии активно ности биоимпедансного метода.
ведутся исследования и разрабатываются системы
для диагностики рака молочной железы. В частно‑ Существует большое количество работ по элек‑
сти, особое внимание уделяется скринингу и  ран‑ тродинамическому моделированию ткани молоч‑
нему выявлению злокачественных новообразова‑ ной железы с  новообразованиями для биоимпе‑
ний [1–3]. Среди зарубежных разработок можно дансной маммографии. Значительная часть этих
выделить приборы серии TransScan и диагностиче‑ работ посвящена электроимпедансной томографии
скую систему Biofield [2]. Отечественные приборы (ЭИТ)  – м​ етоду объемной визуализации проводи‑
мости ткани с помощью решения обратной задачи
для уравнений, описывающих электрическое поле

16 Вопросы радиоэлектроники, 2/2020

Радиоэлектроника в медицине

внутри неоднородной проводящей среды. Указан‑ Моделирование
ная задача имеет решение при наличии данных Трехмерная модель, состоящая из ткани молоч‑
о потенциалах, регистрируемых в каждой точке по‑ ной железы, кожного покрова, злокачественного
верхности объекта при всех возможных приложе‑ новообразования и  электродов, рассчитывалась
ниях зондирующих сигналов [5–15]. методом конечных элементов для различных поло‑
жений и размеров новообразования в виде сферы
Несмотря на  несомненную актуальность био‑ диаметром dt и  различных толщин кожного по‑
импедансной томографии, она требует создания крова  hs. Схематичное изображение исследуемой
устройств, которые обеспечивают возможность модели представлено на рис. 1а. Расстояние между
измерения потенциалов при приложении зондиру‑ электродами а = 14  мм соответствует расстоянию
ющего сигнала к практически любой паре электро‑ в разработанном приборе [16]. Значения удельной
дов электродной матрицы, расположенных на раз‑ проводимости и  диэлектрической проницаемости
личных расстояниях друг от друга, и, как правило, кожи (σs, εs), ткани молочной железы (σb,  εb) и  но‑
с  использованием опорного электрода. Наряду вообразования (σt, εt) приведены на  рис.  1а и  вы‑
с достаточно высокой сложностью системы управ‑ браны на  основе усредненных параметров из  ра‑
ления в  таких устройствах, время восстановления бот  [17–19] для частоты зондирующего сигнала
изображения с  дальнейшей его обработкой зани‑ f = 50 кГц.
мает, как правило, несколько минут и более. Очевидно, такая упрощенная модель (отсутствие
жирового слоя, кровеносных сосудов и  др.) позво‑
В настоящее время ведется разработка более ляет судить только о  тенденциях влияния разме‑
простых устройств, построенных на  принципе из‑ ров и  глубины расположения новообразований  D,
мерения величины импеданса только между сосед‑ поэтому полученные результаты следует рассма‑
ними парами электродов при отсутствии опорного тривать как идеализированный предел возможной
электрода [16], что не  позволяет проводить объ‑ точности измерений. На рис. 1б в качестве примера
емную (томографическую) реконструкцию изобра‑ моделирования приведена картина распределения
жения, однако значительно упрощает конструкцию плотности тока в области новообразования разме‑
устройства, снижает его стоимость и позволяет ис‑ ром 7 мм в соответствии с рис. 1а.
пользовать его в  системах предварительного экс‑ Для определения минимально детектируемого
пресс-скрининга молочной железы, в  том числе новообразования была построена зависимость им‑
в домашних условиях. педанса участка ткани между электродами от раз‑
мера злокачественного новообразования (рис.  2).
В настоящей работе на  основе электродинами‑ Приведенные в качестве примера зависимости из‑
ческого моделирования распределения биоимпе‑ менения реальной и  мнимой составляющих импе‑
данса в ткани молочной железы методом конечных данса от диаметра новообразования нормированы
элементов продемонстрирована оценка предель‑ на аналогичные значения составляющих импеданса
ных возможностей портативного маммографа в за‑ ткани в  отсутствии новообразования. Очевидно,
висимости от размеров новообразования, глубины реальная составляющая импеданса значительно
его залегания и  толщины кожного покрова. Ре‑ более чувствительна к  наличию новообразования,
зультаты моделирования пространственного рас‑ и поэтому в дальнейшем все результаты будут рас‑
положения новообразований подтверждены экс‑ сматриваться именно в этих терминах.
периментальными данными на  симуляторах ткани
молочной железы на основе агар-агара и данными
биоимпедансных обследований больных.

a J, А/м2

σs = 0,0005 См/м εs = 1000 hs 140
D 120
100
50 мм dt 80
60
40
20

σt = 0,2 См/м εt = 1000
σb = 0,02 См/м εb = 300

∅100 мм

а) б)

Рисунок 1. Схематичное изображение исследуемой модели (а) и пример влияния новообразования
размером dt = 7 мм на распределение плотности тока между электродами (а = 14 мм) (б)

vre.instel.ru 17

Радиоэлектроника в медицине

1,02 1,00
0,98
1,00 0,96 0,5%
0,5% 0,94 D
0,92
0,98 0,90

0,96 Re(Z)/Re(Zn) 0
7 мм
Z/Zn 0,94
3 мм
0,92 14 мм

0,90

0,88 Re(Z)/Re(Zn)
0,86 Im(Z)/Im(Zn)

0,84 2 46 8 10
0 D, мм
35 10 15 20
dt, мм
а)

Рисунок 2. Зависимости относительного 1,00 Электроды
изменения реальной и мнимой составляющих 0,5%
импеданса от размера новообразования
в приповерхностной области 0,95

На графике отложен уровень в  0,5%, что соот‑ Re(Z)/Re(Zn) 0,90
ветствует заявленной погрешности измеритель‑
ного оборудования [20]. Значение диаметра, при 0,85
котором этот уровень пересекает кривую зависи‑
мости, можно считать минимальным диаметром но‑ Вид сверху
вообразования dt min ≈ 3 мм, детектируемого при за‑ 0,80
данном расстоянии между электродами a = 14 мм.
0 2 4 6 8 10
Для определения максимальной глубины обна‑ D, мм
ружения (Dmax) была построена зависимость импе‑
данса участка ткани от  глубины расположения но‑ б)
вообразования (рис. 3а).
Re(Z)/Re(Zn) 1,00 hs = 0 мм
Увеличение отношения Re(Z)/Re(Zn) связано 0,5% hs = 0,5 мм
с отдалением включения с большей проводимостью 2 46 hs = 1,0 мм 10
от приповерхностной области под электродами, где 0,98 D, мм hs = 2,0 мм
сосредоточена максимальная напряженность поля
(рис. 1б). Значение глубины D, при которой уровень 0,96 в) 8
в 0,5% пересекает кривую зависимости, можно счи‑
тать максимальной глубиной обнаружения новооб‑ 0,94
разования Dmax.
0,92
На рис.  3а представлена зависимость импе‑
данса от  глубины расположения новообразования 0,90
при толщине кожного покрова hs = 1 мм для различ‑
ных размеров новообразования dt. Значения макси‑ 0,88
мальной глубины обнаружения удобнее приводить
до  центра новообразования (Lmax = Dmax  +  dt/2). 0,86
Тогда, например, dt = 14  мм соответствует Lmax = 0
= 15 мм, dt = 7 мм – L​ max = 8,5 мм, dt = 3 мм – ​Lmax =
= 2,5 мм. Обобщения расчетных данных по обнару‑ Рисунок 3. Семейство зависимостей
жению новообразования с размерами dt = 3–15 мм
с учетом кожного покрова различной толщины при‑ относительного изменения импеданса
водят к значениям масштаба глубины, соответству‑
ющим Lmax ~ dt. от глубины расположения новообразования:

На рис.  3б представлена зависимость импе‑ а – д​ ля различных размеров новообразования
данса от  глубины расположения новообразования
диаметром 14  мм для его различного положения нdоt =во3о,б7раиз 1о4в амнми;ябд –иад​ мляетрраозмли1ч4н мымх; положений
относительно электродов. Отличия в расположении в – для
практически не  влияют на  результаты моделирова‑
ния, соответствующие рис.  3а. Величина Lmax при различных толщин кожного покрова hs
с новообразованием диаметром 14 мм

различных положениях новообразования неразли‑
чима в пределах погрешности. Отличия проявляются
только в  приповерхностной области. Увеличение
чувствительности на  10–15% непосредственно под
электродами связано с повышенным значением на‑
пряженности поля именно в этой области (рис. 1б).

18 Вопросы радиоэлектроники, 2/2020

Радиоэлектроника в медицине

8 мм

а) б) в)

Рисунок 4. Распределение проводимости в элементе электродной матрицы 4×4: a – р​ аспределение
на симуляторе; б – ​схематичное изображение матрицы и расположение новообразования;
в – р​ аспределение на модели

На рис.  3в представлена зависимость импе‑ 1
данса от  глубины расположения новообразования
диаметром 14  мм для различных толщин кожного 0,95
покрова hs. Для нулевой толщины кожного покрова
Lmax = 17 мм, для hs = 0,5 и 1 мм Lmax = 15 мм, для 0,9
hs = 2 мм Lmax = 13 мм. Очевидно, что при меньшей
толщине кожи увеличивается эффективная глу‑ 0,85
бина проникновения поля и, как следствие, макси‑
мальная глубина обнаружения новообразования. 0,8
Обобщение расчетных данных при других разме‑
рах новообразования и толщинах кожи до 2 мм под‑ 0,75
тверждают верность соотношения Lmax ~ dt.
Рисунок 5. Распределение проводимости
Эксперимент правой молочной железы пациентки с раковой
Было проведено сравнение результатов моде‑ опухолью в верхневнутреннем квадранте
лирования с  экспериментальными данными изме‑
рений, полученных с  использованием симулятора сравнивалась с экспериментальной картиной, полу‑
на  основе агар-агара. Порошкообразный агар-агар ченной на симуляторе на основе агар-агара.
растворялся в воде с температурой 90 °C в пластмас‑
совой кювете в концентрации 10 г/л. Удельная про‑ На рис.  4а и  4в красным цветом выделена об‑
водимость симулятора составляла около 0,06 См/м. ласть с наиболее высокой проводимостью, что со‑
Симулятор имел высоту 5 см и площадь основания ответствует месту расположения новообразова‑
100  см2, что соответствовало размерам модели ния. Рассогласование с моделью в распределении
с  новообразованием (рис.  1а). Имитация новооб‑ цвета связано с  растеканием солевого раствора
разования в  симуляторе осуществлялась за  счет по  объему симулятора и  расположением электро‑
введения шприцевой инъекции солевого раствора дной матрицы прибора на поверхности симулятора,
с концентрацией 3 г/л, обладающего проводимостью которое неточно соответствует рис. 4б.
примерно в 10 раз большей, чем проводимость агар-
агара (около 0,6 См/м). При этом размер имитатора Работоспособность прибора по  обнаружению
новообразования, расположенного на  различных новообразований в молочной железе [16] была про‑
глубинах, можно грубо оценить как близкий к 8 мм. верена на  ряде пациенток, в  частности, на  паци‑
Измерения на  симуляторе проводились прибо‑ ентке с раковой опухолью в верхневнутреннем ква‑
ром [16] с  электродной матрицей 8×8. На  рис.  4а дранте (ВВК) правой молочной железы размером
приведено распределение проводимости симуля‑ 10×7  мм. Распределение нормированной проводи‑
тора с  новообразованием на  глубине около 4  мм мости железы пациентки представлено на  рис.  5,
в  области элемента матрицы 4×4. Была рассчи‑ что соответствует результатам моделирования для
тана модель участка ткани без кожного покрова новообразований с  dt = 10  мм на  глубинах их рас‑
c  новообразованием диаметром 8  мм на  глубине положения вплоть до 10 мм.
L = 4 мм с использованием 16 электродов, как по‑
казано на рис. 4б (матрица 4×4). Промоделирован‑ Заключение
ная картина распределения проводимости (рис. 4в) В работе методом конечных элементов рассчи‑
тана трехмерная электродинамическая модель,
состоящая из  ткани молочной железы, злокаче‑
ственного новообразования, кожного покрова

vre.instel.ru 19

Радиоэлектроника в медицине

и  электродов. Моделирование проводилось для с учетом кожного покрова различной толщины по‑
различных пространственных расположений но‑ зволяет оценить значение масштаба глубины, со‑
вообразований, их размеров и  различных толщин ответствующее Lmax ~ dt. Результаты проведенного
кожного покрова. По  результатам моделирования моделирования пространственного расположения
были определены размеры минимально детектиру‑ новообразований в  ткани молочной железы под‑
емого новообразования, максимальная глубина его тверждены экспериментальными данными на  си‑
обнаружения и предельные возможности прибора. муляторах ткани молочной железы на основе агар-
агара и  данными биоимпедансных исследований
Обобщение расчетных данных по  обнаруже‑ пациенток.
нию новообразования с  размерами dt = 3–15  мм

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Карпов А. Ю., Короткова М. Е. и др. Семинар по электроимпедансной маммографии. Ярославль: СИМ-техника, 2011.
138 с.

2. Ng E. Y. K., Vinitha Sree S., et al. The use of tissue electrical characteristics for breast cancer detection: a perspective
review // Technology in cancer research and treatment. 2008. Vol. 7. No. 4. P. 295–308.

3. Рассказова Е. А., Рожкова Н. И. Скрининг для ранней диагностики рака молочной железы // Исследования и прак‑
тика в медицине. 2014. Т. 1. № 1. С. 45–51.

4. Пак Д. Д., Рожкова Н. И. и др. Диагностика рака молочной железы с помощью электроимпедансной томографии //
Медицинская техника. 2012. № 4 (274). С. 25–28.

5. Hong S., Lee K., et al. A 4.9 mΩ-sensitivity mobile electrical impedance tomography IC for early breast-cancer detection
system // IEEE journal of solid-state circuits. 2015. Vol. 50. P. 13.

6. Семченков А. А., Калиниченко А. Н. Использование модели на основе резисторной матрицы для исследования рас‑
пределения электрического потенциала при электроимпедансной маммографии // Биомедицинская радиоэлектро‑
ника. 2010. № 11. С. 59–63.

7. Sree G., Velvizhi V. K., Sundararajan R. Electric field distribution of malignant breast tissue under needle electrode
configuration. 2012 Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, Montreal, QC. P. 267–270.

8. Soleimani M. Electric network method in direct and inverse electromagnetic computation in electrical impedance tomography.
The Fourth International Conference on Computation in Electromagnetics, 2002 (CEM 2002), Bournemouth, UK. P. 2.

9. Ain K., Wibowo R., Soelistiono S. Modeling of electrical impedance tomography to detect breast cancer by finite volume
methods // Journal of Physics: Conference Series. 2017. Vol. 853. P. 012001.

10. F erreira H. R., Bustos H. I. A., Figuerola W. B. Simulation inverse problems of reconstruction of image data using patterned
electrical impedance tomography female breast. IEEE16th International Conference on e-Health Networking, Applications and
Services (Healthcom), Natal, 2014. P. 1–6.

11. Z hang X. Investigation of 3D electrical impedance mammography systems for breast cancer detection. Doctoral thesis
(Ph. D.), University of Sussex, 2015.

12. Z hao M., Wi H., et al. High density trans-admittance mammography development and preliminary phantom tests // Biomedical
engineering online. 2012. Vol. 11. No. 75.

13. H esabgar S. M. Low frequency bio-electrical impedance mammography and dielectric measurement. Electronic Thesis and
Dissertation Repository, 2016. 4208.

14. S cholz B., Anderson R. On electrical impedance scanning-principles and simulations // Electromedica. 2000. No. 68. P. 35–
44.

15. К обрисев П. А., Туйкин Т. С., Корженевский А. В. Разработка бесконтактного монитора жизненных показателей
человека [Электронный ресурс] // Журнал радиоэлектроники. 2017. № 4. URL: http://jre.cplire.ru/jre/apr17/10/text.pdf
(дата обращения: 20.12.2019).

16. Y astrebov A. V., Trofimov P. M., et al. Portable home use mammograph for detection breast tumors. AIP Conference
Proceedings. 2019. Vol. 2140. Iss. 1. P. 020079.

17. G abriel C. Compilation of the dielectric properties of body tissues at the RF and microwave frequencies. Physics department,
King’s college London, 1996. 271 p.

18. Z ou Y., Guo Z. A review of electrical impedance techniques for breast cancer detection // Medical Engineering & Physics.
2003. Vol. 25 (2). P. 79–90.

19. S urowiec A. J., Stuchly S. S., et al. Dielectric properties of breast carcinoma and the surrounding tissues // IEEE Trans.
Biomed. Eng. 1988. Vol. 35 (4) P. 257–263.

20. E valuating the AD5933 1 MSPS, 12-bit impedance converter network analyzer. Evaluating board user guide. Analog Devices,
2017. 28 p.

Информация об авторах

Ястребов Александр Владимирович, аспирант, ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный электро‑
технический университет «ЛЭТИ», Российская Федерация, 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, д. 5,
тел.: 8 (903) 096‑16‑42, e-mail: [email protected].
Трофимов Павел Максимович, аспирант, инженер, ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный элек‑
тротехнический университет «ЛЭТИ», Российская Федерация, 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, д. 5,
тел.: 8 (965) 034‑76‑15, e-mail: [email protected].

20 Вопросы радиоэлектроники, 2/2020

Радиоэлектроника в медицине

Амосова Ольга Викторовна, студент, ФГБОУ ВО «Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский
университет им.  акад. И. П. Павлова», Российская Федерация, 197022, Санкт-Петербург, ул. Льва Толстого, д. 6–8,
тел.: 8 (921) 300‑82‑45, e-mail: [email protected].
Тишков Артем Валерьевич, к. ф.‑ м. н., заведующий кафедрой физики, математики и информатики, ФГБОУ ВО «Пер‑
вый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им.  акад. И. П. Павлова», Российская Федера‑
ция, 197022, Санкт-Петербург, ул. Льва Толстого, д. 6–8, тел.: 8 (921) 952‑91‑85, e-mail: [email protected].
Чиж Игорь Александрович, к. м. н., заведующий 5-м онкологическим отделением (маммологии), НИИ Хирургии и не‑
отложной медицины, ФГБОУ ВО «Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. акад.
И. П. Павлова», Российская Федерация, 197022, Санкт-Петербург, ул. Льва Толстого, д. 17, тел.: 8 (911) 920‑22‑26,
e-mail: [email protected].
Шаповалов Валентин Викторович, д. т. н., профессор, ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный элек‑
тротехнический университет «ЛЭТИ», Российская Федерация, 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, д. 5,
тел.: 8 (911) 255‑64‑52, e-mail: [email protected].
Козырев Андрей Борисович, д. т. н., профессор, ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный электро‑
технический университет «ЛЭТИ», Российская Федерация, 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, д. 5,
тел.: 8 (921) 931‑49‑57, e-mail: [email protected].

For citation: Yastrebov A. V., Trofimov P. M., Amosova O. V., Tishkov A. V., Chizh I. A., Shapovalov V. V., Kozyrev A. B. Distributions of
bioimpedance in breast tissue with neoplasm (modeling and experiment). Issues of radio electronics, 2020, no. 2, pp. 16–22.
DOI 10.21778/2218-5453-2020-2-16-22

A. V. Yastrebov, P. M. Trofimov, O. V. Amosova, A. V. Tishkov, I. A. Chizh, V. V. Shapovalov, A. B. Kozyrev

DISTRIBUTIONS OF BIOIMPEDANCE IN BREAST TISSUE WITH NEOPLASM
(MODELING AND EXPERIMENT)

The paper presents the results of modeling the distribution of bioimpedance in breast tissue with the aim of exploring the
possibilities of mammographic examination to detect neoplasms and to solve the problems of personalized medicine. A three-
dimensional electrodynamic model of breast tissue with skin and neoplasm is considered. The model allows you to determine the
spatial location of neoplasms depending on their size, depth at different thicknesses of the skin at given values of the detecting
sensitivity of the mammograph. The results of modeling the spatial location of neoplasms are confirmed by experimental data and
bioimpedance studies of patients. The experiment was carried out on a breast tissue simulator based on agar-agar with imitation
of neoplasm due to the introduction of a syringe injection of saline.

Keywords: mammographic examination, bioimpedance measurements, breast tissue simulator

REFERENCES

1. Karpov A. Yu., Korotkova M. E., et al. Seminar po elektroimpedansnoi mammografii [Seminar on electrical impedance
mammography]. Yaroslavl, SIM-tekhnika Publ., 2011, 138 p. (In Russian).

2. Ng E. Y. K., Vinitha Sree S., et al. The use of tissue electrical characteristics for breast cancer detection: a perspective review.
Technology in cancer research and treatment, 2008, vol. 7, no. 4, pp. 295–308.

3. Rasskazova E. A., Rozhkova N. I. Screening for early diagnosis of breast cancer. Issledovaniya i praktika v meditsine, 2014,
vol. 1, no. 1, pp. 45–51. (In Russian).

4. Pak D. D., Rozhkova N. I., et al. Diagnosis of breast cancer using electrical impedance tomography. Biomedical Engineering,
2012, vol. 46, no. 4, pp. 154–157. (In Russian).

5. Hong S., Lee K., et al. A 4.9 mΩ-sensitivity mobile electrical impedance tomography IC for early breast-cancer detection
system. IEEE journal of solid-state circuits, 2015, vol. 50, p. 13.

6. Semchenkov A. A., Kalinichenko A. N. Using a model based on a resistor matrix to study the distribution of electric potential
in electrical impedance mammography. Biomeditsinskaya radioelektronika, 2010, no. 11, pp. 59–63. (In Russian).

7. Sree G., Velvizhi V. K., Sundararajan R. Electric field distribution of malignant breast tissue under needle electrode configuration.
2012 Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, Montreal, QC, pp. 267–270.

8. Soleimani M. Electric network method in direct and inverse electromagnetic computation in electrical impedance tomography.
The Fourth International Conference on Computation in Electromagnetics, 2002 (CEM 2002), Bournemouth, UK, p. 2.

9. Ain K., Wibowo R., Soelistiono S. Modeling of electrical impedance tomography to detect breast cancer by finite volume
methods. Journal of Physics: Conference Series, 2017, vol. 853, p. 012001.

10. F erreira H. R., Bustos H. I. A., Figuerola W. B. Simulation inverse problems of reconstruction of image data using patterned
electrical impedance tomography female breast. IEEE16th International Conference on e-Health Networking, Applications and
Services (Healthcom), Natal, 2014, pp. 1–6.

11. Z hang X. Investigation of 3D electrical impedance mammography systems for breast cancer detection. Doctoral thesis
(Ph. D.), University of Sussex, 2015.

12. Z hao M., Wi H., et al. High density trans-admittance mammography development and preliminary phantom tests. Biomedical
engineering online, 2012, vol. 11, no. 75.

13. H esabgar S. M. Low frequency bio-electrical impedance mammography and dielectric measurement. Electronic Thesis and
Dissertation Repository, 2016, 4208.

14. S cholz B., Anderson R. On electrical impedance scanning-principles and simulations. Electromedica, 2000, no. 68, pp. 35–
44.

vre.instel.ru 21

Радиоэлектроника в медицине

15. K obrisev P. A., Tuikin T. S., Korzhenevsky A. V. Development of a non-contact monitor of human vital indicators. Zhurnal
radioelektroniki, 2017, no 4. Available at: http://jre.cplire.ru/jre/apr17/10/text.pdf (accessed 20.12.2019).

16. Y astrebov A. V., Trofimov P. M., et al. Portable home use mammograph for detection breast tumors. AIP Conference
Proceedings, 2019, vol. 2140, iss. 1, p. 020079.

17. G abriel C. Compilation of the dielectric properties of body tissues at the RF and microwave frequencies. Physics department,
King’s college London, 1996, 271 p.

18. Z ou Y., Guo Z. A review of electrical impedance techniques for breast cancer detection. Medical Engineering & Physics, 2003,
vol. 25 (2), pp. 79–90.

19. S urowiec A. J., Stuchly S. S., et al. Dielectric properties of breast carcinoma and the surrounding tissues. IEEE Trans. Biomed.
Eng., 1988, vol. 35 (4), pp. 257–263.

20. E valuating the AD5933 1 MSPS, 12-bit impedance converter network analyzer. Evaluating board user guide. Analog Devices,
2017, 28 p.

Authors

Yastrebov Alexandr, graduate student, Saint Petersburg Electrotechnical University «LETI», 5, Prof. Popov St., Saint-Petersburg,
197376, Russian Federation, tel.: +7 (903) 096‑16‑42, e-mail: [email protected].
Trofimov Pavel, graduate student, engineer, Saint Petersburg Electrotechnical University «LETI», 5, Prof. Popov St., Saint-
Petersburg, 197376, Russian Federation, tel.: +7 (965) 034‑76‑15, e-mail: [email protected].
Amosova Olga, student, Pavlov First Saint Petersburg State Medical University, 6–8, Lva Tolstogo St., Saint-Petersburg,
197022, Russian Federation, tel.: +7 (921) 300‑82‑45, e-mail: [email protected].
Tishkov Artem, Ph. D., head of physics, mathematics and informatics department, Pavlov First Saint Petersburg State Medical
University, 6–8, Lva Tolstogo St., Saint-Petersburg, 197022, Russian Federation, tel.: +7 (921) 952‑91‑85, e-mail: artem.tishkov@
gmail.com.
Chizh Igor, Ph. D., head of the 5th oncology department (mammology), Research Institute of Surgery and Emergency Medicine,
Pavlov First Saint Petersburg State Medical University, 17, Lva Tolstogo St., Saint-Petersburg, 197022, Russian Federation,
tel.: +7 (911) 920‑22‑26, e-mail: [email protected].
Shapovalov Valentin, D. Sc., professor, Saint Petersburg Electrotechnical University «LETI», 5, Prof. Popov St., Saint-
Petersburg, 197376, Russian Federation, tel.: +7 (911) 255‑64‑52, e-mail: [email protected].
Kozyrev Andrey, D. Sc., professor, Saint Petersburg Electrotechnical University «LETI», 5, Prof. Popov St., Saint-Petersburg,
197376, Russian Federation, tel.: +7 (921) 931‑49‑57, e-mail: [email protected].

22 Вопросы радиоэлектроники, 2/2020

Техника СВЧ

Для цитирования: Исследование влияния параметров техпроцесса на электрофизические характеристики полевого
транзистора с барьером Шоттки с применением приборно-технологического моделирования / А. А. Попов, Д. В. Билевич,

А. С. Сальников, А. А. Калентьев // Вопросы радиоэлектроники. 2020. № 2. С. 23–30.
DOI 10.21778/2218-5453-2020-2-23-30
УДК 621.382.323

А. А. Попов1, Д. В. Билевич1, А. С. Сальников1, А. А. Калентьев1

1 Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ
ТЕХПРОЦЕССА НА ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛЕВОГО
ТРАНЗИСТОРА С БАРЬЕРОМ ШОТТКИ
С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРИБОРНО-
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ*

В статье представлены результаты исследования физико-технологической модели типового полевого транзисто-
ра с барьером Шоттки (ПТШ). Проведено моделирование пробивных характеристик ПТШ при различных параме-
трах подзатворного углубления. Представлено сравнение диаграмм скорости генерации горячих носителей для
плоской структуры ПТШ и структуры с подзатворным углублением. Получена зависимость напряжения пробоя
стока от глубины подзатворного углубления. Также в работе предложен новый подход, позволяющий установить
взаимосвязь между параметрами ионной имплантации контактных областей и канала ПТШ и внутренними емко-
стями малосигнальной эквивалентной схемы транзистора. Данный подход основан на перспективном направле-
нии контроля, называемом виртуальной метрологией, где параметры технологического процесса используются
для предсказывания критических параметров, характеризующих его результат. Для реализации данного подхода
построены предиктивные модели на  основе четырех популярных методов машинного обучения: линейной ре-
грессии, машины опорных векторов, искусственной нейронной сети и композиции решающих деревьев.

Ключевые слова: физико-технологическая модель, эффект пробоя, виртуальная метрология, машинное обучение

Введение предварительной оценки параметров технологиче‑
Полевые транзисторы с барьером Шоттки (ПТШ) ских процессов и  поиска оптимальных конструкци‑
на  основе арсенида галлия широко используются онных решений для отдельных элементов приборов.
в  монолитных интегральных схемах быстродей‑
ствующих переключателей и  усилителей мощ‑ Например, при конструировании мощных ПТШ
ности, предназначенных для создания устройств необходимо обеспечить высокие значения напря‑
беспроводной передачи данных, сотовой связи, жения пробоя стока и  тока насыщения [1]. В  свою
радиолокации и  радионавигации. Особенное зна‑ очередь, пробивное напряжение сток-исток в  зна‑
чение имеют мощные ПТШ, так как на  их основе чительной степени зависит от  базовой структуры
можно конструировать как аналоговые, так и циф‑ ПТШ. Большинство серийных малошумящих ПТШ
ровые системы радиосвязи. имеют структуру плоского типа [2], но при попытке
Технология производства ПТШ складывается реализовать мощные ПТШ данного типа было уста‑
из  множества технологических операций, для ка‑ новлено, что приборы с такой структурой обладают
чественного проведения которых требуется совре‑ низкими напряжениями пробоя стока и  не  обеспе‑
менное оборудование. Однако, ввиду дороговизны чивают стабильную работу [3]. Впоследствии были
проведения экспериментов по  отладке технологии предложены различные варианты структур и  тех‑
изготовления полупроводниковых приборов, в  со‑ нологии их получения, позволяющие значительно
временной практике используются методы фи‑ улучшить мощностные характеристики транзи‑
зико-технологического моделирования с  целью сторов  [4–7]. Однако предложенные ранее конфи‑
гурации структур мощных ПТШ были получены

* Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18‑37‑00293. 23
vre.instel.ru

Техника СВЧ

c  помощью эвристических и  опытных подходов, между затрачиваемым временем, количеством кон‑
в  которых физическое обоснование улучшения тролируемых пластин и стоимостью операций кон‑
мощностных параметров практически не представ‑ троля была предложена виртуальная метрология.
лено. В данной работе для исследования эффекта
пробоя стока в  распространенной структуре мощ‑ Виртуальная метрология использует математи‑
ного ПТШ с  подзатворным углублением использо‑ ческие модели и доступные данные о техпроцессе
валось физико-технологическое моделирование, для оценки и  контроля критических параметров.
что позволило детально рассмотреть процессы За  последние десять лет было предложено мно‑
генерации горячих носителей в  области затвора жество подходов и  сфер применения виртуальной
со стороны стока. метрологии в  полупроводниковом производстве.
Наибольшее применение данный подход нашел
Наряду с  особенностями конструкций полупро‑ в  технологии CVD-осаждения, где для построения
водниковых приборов особое внимание уделяется предсказательной модели использовались следую‑
контролю технологических процессов их изготовле‑ щие методы: нейронные сети на основе радиальной
ния. На протяжении всего производственного цикла базисной функции [14]; множественная линейная
измеряются наиболее критичные параметры, на‑ регрессия [13]; рекуррентные нейронные сети [15];
пример, толщина пленки после CVD-осаждения [8] композиция решающих деревьев [16]. Тем не  ме‑
или ошибка совмещения фотошаблона и подложки нее впоследствии виртуальная метрология стала
при проведении литографии [9]. От  качества кон‑ применяться и  в  других технологических процес‑
троля критичных параметров зависят такие важ‑ сах, включая химико-механическую полировку [17],
ные показатели производительности, как объем травление [18] и литографию [19].
производства и процент выхода годной продукции,
а также пропускная способность производственной В данном исследовании подход виртуальной
линии. метрологии был распространен на  параметры
малосигнальной модели ПТШ. Традиционно та‑
Согласно [10], существуют две основные стра‑ кие модели ПТШ используются для проектирова‑
тегии измерения ключевых параметров процесса. ния интегральных схем, а также для исследования
Первая стратегия реализуется в  виде интегриро‑ и  корректирования параметров технологического
ванного метрологического модуля (ИММ), когда процесса. Параметры моделей рассчитываются
прецизионное измерительное оборудование уста‑ из  результатов измерений электрофизических ха‑
навливается непосредственно в  технологическую рактеристик транзистора и  далее используются
установку. Вторая стратегия предполагает, что в качестве индикаторов при настройке параметров
полупроводниковые пластины после проведения процесса. Основываясь на  предложенных ранее
определенного технологического процесса отправ‑ принципах виртуальной метрологии, в  данной ра‑
ляются на отдельный метрологический участок. боте исследовалась взаимосвязь между параме‑
трами имплантации канала и контактных областей
При использовании ИММ условия и  параме‑ ПТШ и  параметрами его малосигнальной модели.
тры техпроцесса непрерывно корректируются, по‑ Для этого с  помощью физико-технологического
скольку контролю подвергаются все обрабатыва‑ и  приборного моделирования были реализованы
емые подложки. Несмотря на  высокую стоимость процесс формирования канала и  контактных об‑
и  продолжительность производственного цикла, ластей ПТШ, а также расчет параметров рассеяния
данный подход обеспечивает качественный кон‑ транзистора.
троль техпроцесса и  используется на  наиболее
критичных этапах всего технологического марш‑ Физико-технологическая модель ПТШ
рута [11]. В случае измерения параметров процесса Для проведения численных экспериментов с по‑
на  отдельном метрологическом участке использу‑ мощью приборного моделирования была реализо‑
ются лишь некоторые пластины из партии, так как вана типовая структура ПТШ на  подложке GaAs.
на измерение критичных параметров за пределами Для проведения экспериментов по  построению
технологического оборудования требуется больше предиктивных моделей также было реализовано
времени. В  зависимости от  технологического обо‑ физико-технологическое моделирование формиро‑
рудования, требований к  продукту и  важности вания канала и контактных областей ПТШ. На пер‑
процесса специалист по  контролю устанавли‑ вом этапе проводилось моделирование процесса
вает определенную частоту выборки контрольных имплантации ионов бериллия для обеспечения не‑
пластин  [12]. Однако при использовании такой обходимой исходной концентрации акцепторной
схемы контроля параметры процесса обновляются примеси в подложке. Канал n-типа был сформиро‑
не сразу после измерения критического параметра, ван путем имплантации ионов кремния. Далее был
что затрудняет своевременное обнаружение нару‑ сформирован затвор из титана длиной 1 мкм. Силь‑
шений в  техпроцессе и  сказывается на  качестве нолегированные контактные области стока и истока
итогового продукта [13]. Для обеспечения баланса

24 Вопросы радиоэлектроники, 2/2020

Техника СВЧ

были реализованы с помощью ионной имплантации Для моделирования пробивных характеристик
кремния. В качестве материала электродов истока было выбрано напряжение UЗИ = –3 В, обеспечива‑
и стока использовался алюминий. Итоговая струк‑ ющее полное обеднение канала транзистора. На‑
тура ПТШ с  характерными геометрическими раз‑ пряжение UСИ изменялось в диапазоне от 0 до 20 В.
мерами, а  также результаты моделирования се‑ Явление пробоя стока регистрировалось при зна‑
мейства выходных вольт-амперных характеристик чениях тока стока ICИ, превышающих 0,1  мА. Ре‑
представлены на рис. 1. зультаты моделирования пробивных характеристик
структур ПТШ с различной глубиной рецесса пред‑
Моделирование пробивных характеристик ставлены на рис. 3.
ПТШ
Из рис.  3 видно, что напряжение пробоя стока
Реализованная физико-технологическая модель для плоской структуры ПТШ составляет 6,1  В,
использовалась для исследования влияния пара‑ в то время как для структур ПТШ с рецессом явле‑
метров подзатворного углубления на  пробивные ние пробоя стока возникает при больших значениях
характеристики ПТШ. Для этого в ходе эксперимен‑ напряжения UСИ. Поскольку явление пробоя стока
тов в исходной структуре ПТШ формировалось под‑ связано с  механизмом ударной ионизации, были
затворное углубление (рецесс) и  рассчитывалось проанализированы диаграммы, отображающие
напряжение пробоя стока. Структура ПТШ с рецес‑ скорость генерации носителей заряда G для двух
сом глубиной 0,27 мкм представлена на рис. 2. типов структур ПТШ при напряжении UСИ  =  6,1  В.

1,3 мкм 4 мкм 1,3 мкм 25
1 мкм 20
Исток Сток Ток стока, мА 15
n+ Затвор n+
n

10

Материалы 5

Al 0
GaAs 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0
Ti Напряжение сток-исток, В

а) б)

Рисунок 1. Структура поперечного сечения полевого транзистора с затвором Шоттки (а)
и0, 1се Вм е(бй)с: тnв+о –в​сыихлоьднноылхегвиорлоьвта-анмныпееркноынхтахкатрнаыкетеорбилсатситкипирситоUкЗаИ/сотто –к1а,;2n В –до​об л0,а4с тВьск шанааглоам n-типа

Глубина рецесса:

1,3 мкм 1,3 мкм 0,10 0,00
Исток Сток
0,05

0,08 0,10
0,15
Затвор
0,20
0,27 мкм
0,06 0,25
Ток стока, мА
0,04

Материалы 0,02
Al
GaAs 0,00 2 4 6 8 10 12
Ti 0 Напряжение сток-исток, В

Рисунок 2. Структура моделируемого Рисунок 3. Пробивные характеристики стока
полевого транзистора с затвором Шоттки для структур полевого транзистора с затвором
с рецессом Шоттки с различной глубиной рецесса

vre.instel.ru 25

Техника СВЧ

Для  каждой из  структур был построен график При указанном напряжении максимальное зна‑
скорости генерации носителей в  результате удар‑ чение G для плоской структуры ПТШ составляет
ной ионизации в  сечении, как показано на  рис.  4. 3,6 ⋅ 1019 см–3/с, в то время как для структуры с ре‑
цессом глубиной 0,27 мкм скорость генерации носи‑
Исток Затвор Сечение Сток телей при UСИ = 6,1 В не превышает 3,3 ⋅ 1015 см–3/с.
0,0
Полученные значения скорости генерации носи‑
Высота структуры, мкм 0,4 G, 1/(см3•с) телей вблизи области пространственного заряда
барьера Шоттки также свидетельствуют о  том,
20,1 что при UСИ = 6,1  В в  структуре ПТШ с  рецессом
18,2 явление пробоя стока не  наблюдается в  отличие
0,8 16,7 от  плоской структуры ПТШ. Повышение пробив‑
15,8 ного напряжения с  увеличением глубины рецесса
14,0 может быть связано с уменьшением концентрации
1,2 11,4 носителей в активном слое транзистора, поскольку
9,78 в  результате ионной имплантации концентрация
6,98 примеси в канале распределяется неравномерно.
5,59
1,6 2,79 При исследовании влияния подзатворного углу‑
бления на  пробивные характеристики ПТШ также
0,00 была получена зависимость, представленная
на  рис.  5. Характер полученной зависимости про‑
-3 -2 -1 0 1 2 3 бивного напряжения стока от  глубины рецесса со‑
Ширина структуры, мкм ответствует представленным ранее практическим
результатам [7]. С  увеличением глубины рецесса
а) пробивное напряжение стока возрастает и выходит
в  насыщение, поскольку глубина рецесса стано‑
0,0 Исток Сечение Сток вится соизмеримой или большей толщины актив‑
Затвор ного слоя транзистора, где концентрация носителей
изменяется незначительно.
Высота структуры, мкм 0,4 G, 1/(см3•с)
Построение предиктивных моделей
20,1 Для построения предиктивных моделей, позво‑
0,8 18,2 ляющих выявить взаимосвязь между параметрами
16,7 ионной имплантации и  характеристиками мало‑
15,8 сигнальной эквивалентной схемы ПТШ, также ис‑
14,0 пользовалась реализованная физико-технологи‑
1,2 11,4 ческая модель ПТШ. В  частности, был проведен
малосигнальный анализ модели ПТШ в диапазоне
9,78 частот от  0,01 до  12 ГГц. Экстракция параметров
6,98 эквивалентной схемы [20], изображенной на рис. 6,
1,6 5,59 проводилась с  использованием результатов моде‑
лирования параметров рассеяния в  рабочей точке
2,79 UСИ  = 3  В, UЗИ = 0,2  В. Представленная эквива‑
0,00 лентная схема соответствует внутренней схеме
транзистора, где внешние паразитные элементы
-3 -2 -1 0 1 2 3 исключены, так как в процессе приборного модели‑
Ширина структуры, мкм рования не  учитывается влияние контактных пло‑
щадок и подводящих линий.
б) Для установления взаимосвязи между параме‑
трами эквивалентной схемы и техпроцесса изготов‑
Рисунок 4. Диаграммы скорости генерации ления транзистора была проведена серия экспери‑
носителей заряда в результате ударной ментов с  различными значениями дозы и  энергии
ионизации при UСИ = 6,1 В в плоской всех этапов ионной имплантации. Параметры эк‑
структуре (а) полевого транзистора с затвором вивалентной схемы транзистора рассчитывались
Шоттки и в структуре с рецессом глубиной из  смоделированных параметров рассеяния. Да‑
0,27 мкм (б): G – ​скорость генерации горячих лее в  целях демонстрации все формулы и  резуль‑
носителей в результате ударной ионизации таты построения предиктивных моделей будут

Напряжение пробоя стока, В14

12

10

8

6
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35
Глубина рецесса, мкм

Рисунок 5. Зависимость пробивного
напряжения стока от глубины рецесса

26 Вопросы радиоэлектроники, 2/2020

Техника СВЧ

представлены только для емкостей эквивалент‑ Затвор СЗС RЗС Сток
ной схемы. Однако подобные эксперименты могут
быть проведены с использованием всех внутренних СЗИ UСИ
параметров. Емкости эквивалентной схемы мо‑
гут быть рассчитаны из  матрицы малосигнальных SUСИ
Y-параметров, используя следующие выражения:

1 S = S0exp(-jωτ) R CИ СCИ
Y11
Cáà = ⎛ 1 ⎞ , (1)
⎜⎝ + Y12 ⎟⎠
ω Im R ЗИ

Cáë = 1 , (2)

⎛ 1 ⎞ Исток Исток
⎜⎝ Y12 ⎟⎠
ω Im

Cëà = Im (Y12 +Y22 ), (3) Рисунок 6. Малосигнальная эквивалентная
схема: S – к​ рутизна транзистора; S0 – к​ рутизна
ω транзистора на постоянном токе;
ω – ​циклическая частота; τ – в​ ремя задержки

где ω – ц​ иклическая частота. Например, в случае линейной регрессии наиболее
Используемые для расчета Y-параметры могут распространенным алгоритмом обучения является
метод наименьших квадратов, в  то  время как для
быть получены путем пересчета параметров рас‑ искусственной нейронной сети используют алго‑
сеяния с помощью известных соотношений. Приве‑ ритм обратного распространения ошибки.
денные выражения позволяют рассчитать значения
емкостей в каждой частотной точке. Для получения Для того чтобы порядки входных величин не вли‑
окончательного значения емкости в данной работе яли на  результат обучения, было применено авто­
использовалось обыкновенное усреднение всех шкалирование данных. В  ходе исследования было
рассчитанных значений по частоте. установлено, что для обучения адекватных регрес‑
сионных моделей также необходимо применять
Входными данными для обучения моделей вы‑ шкалирование выходных данных, если они имеют
ступали параметры ионной имплантации, которые малый порядок величин. На  рис.  7 представлено
изменялись в ходе физико-технологического моде‑ сравнение результатов обучения регрессионной
лирования. Полученные в  результате экстракции модели на  основе искусственной нейронной сети.
значения емкостей CЗИ, CЗС и  CСИ использовались В  первом случае (рис.  7а), когда обучение прово‑
в качестве ответов (выходных параметров). Преди‑ дилось без предварительного шкалирования отве‑
ктивная модель связывает между собой значения тов, модель не  способна предсказывать значения
входных параметров и ответов, используя для этого емкостей, рассчитанные из смоделированных пара‑
популярные в области виртуальной метрологии ре‑ метров рассеяния. Во втором случае (рис. 7б) коэф‑
грессионные методы: линейную регрессию, машину фициент детерминации обученной модели R2 = 0,78,
опорных векторов, искусственную нейронную сеть что подтверждает, что полученная модель способна
и  композицию решающих деревьев. Таким обра‑ описывать взаимосвязь между параметрами ионной
зом, каждый из указанных методов является мате‑ имплантации и значениями емкостей малосигналь‑
матической основой работы для своей предиктив‑ ной модели. Для повышения точности моделей был
ной модели. проведен сеточный поиск оптимальных параметров,
при которых достигается наибольшее значение ко‑
В случае построения предиктивных моделей эффициента детерминации. В процессе поиска ис‑
каждый из перечисленных методов машинного об‑ пользовалась трехкратная кросс-валидация во  из‑
учения представляет собой модель в виде черного бежание переобучения модели.
ящика, имеющую входные и выходные параметры.
Задача обучения сводится к  определению таких После определения оптимальных параметров вся
внутренних параметров модели, при использова‑ исходная выборка данных была разделена на  обу‑
нии которых черный ящик преобразует входные чающую и  контрольную. Обучение моделей с  опти‑
данные в  выходные с  минимально допустимым мальными параметрами проводилось с использова‑
значением ошибки. Таким образом, для обучения нием обучающей выборки. Оценка качества моделей
модели требуется некоторая обучающая выборка, осуществлялась с  помощью данных контрольной
в  которой содержатся входные данные (признаки) выборки по  значению коэффициента детермина‑
и соответствующие им выходные данные (ответы). ции R2. В таблице представлены значения R2 для всех
Следует отметить, что для каждого из  методов
машинного обучения используется определенный
алгоритм расчета внутренних параметров модели.

vre.instel.ru 27

Техника СВЧ

Предсказанное значение емкости сток-исток, пФ0,01 0,16
Предсказанное значение емкости сток-исток, пФ 0,14
0,00 0,12
0,10
–0,01 0,08
0,06
–0,02 0,04
0,02
–0,03
0,03
–0,04 0,05 0,07 0,09 0,11 0,15 0,17 0,19 0,05 0,07 0,09 0,11 0,15 0,17
0,03 Измеренное значение емкости сток-исток, пФ Измеренное значение емкости сток-исток, пФ

а) б)

Рисунок 7. Результат обучения регрессионной модели на основе нейронной сети без
предварительного шкалирования ответов (а) и с предварительным шкалированием ответов (б)

регрессионных моделей с  оптимальными параме‑ использовалась для исследования пробивных ха‑
трами, полученными в результате сеточного поиска. рактеристик транзистора, а  также для установле‑
ния взаимосвязи между параметрами процесса
Анализ полученных значений коэффициента де‑ ионной имплантации и параметрами малосигналь‑
терминации показывает, что нелинейные методы ной эквивалентной схемы. В ходе численных экспе‑
регрессии способны установить взаимосвязь между риментов была определена максимальная глубина
параметрами ионной имплантации и емкостью CСИ, рецесса, влияющая на  повышение пробивного на‑
поскольку каждая из  нелинейных предиктивных пряжения стока. Также было установлено, что мак‑
моделей обладает коэффициентом детерминации симальная скорость генерации горячих носителей
более 0,75. В то же время наиболее точным среди в области пространственного заряда барьера Шот‑
всех использованных методов является искусствен‑ тки для плоской структуры ПТШ значительно выше
ная нейронная сеть, обученная с  помощью алго‑ по сравнению со скоростью генерации в структуре
ритма обратного распространения ошибки. Кроме с рецессом. Используя данные, полученные в ходе
того, полученные результаты свидетельствуют, что моделирования процесса ионной имплантации
данных о  техпроцессе ионной имплантации недо‑ и  малосигнального анализа физико-технологиче‑
статочно для установления взаимосвязи между ской модели, были обучены регрессионные методы
параметрами процесса и значениями емкостей CЗС на  основе четырех наиболее популярных методов
и CЗИ. В дальнейшем предложенный подход может машинного обучения. Установлено, что нелиней‑
быть исследован с  применением данных о  других ные регрессионные модели способны выявлять
техпроцессах, применяющихся при изготовлении взаимосвязь между параметрами ионной имплан‑
ПТШ на  основе GaAs, а  также с  помощью генера‑ тации и значениями емкости CСИ, полученной в ре‑
ции новых признаков для обучения предиктивной зультате экстракции параметров малосигнальной
модели на основе уже имеющихся данных. эквивалентной схемы транзистора. Дальнейшие
исследования будут направлены на выявление вза‑
Заключение имосвязей между данными о  других технологиче‑
В работе представлены результаты физико- ских процессах и  остальными параметрами мало‑
технологического и  приборного моделирова‑ сигнальной эквивалентной схемы.
ния типового GaAs ПТШ. Полученная модель

Таблица. Коэффициент детерминации полученных регрессионных моделей для различных емкостей

Тип емкости Значения коэффициента детерминации R2
малосигнальной
Линейная Машина опорных Искусственная Композиция
модели регрессия векторов нейронная сеть решающих деревьев

CСИ 0,56 0,76 0,86 0,79
0,21
CЗС 0,03 0,006 0,51 0,49

CЗИ 0,004 0,17 0,83

28 Вопросы радиоэлектроники, 2/2020

Техника СВЧ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Drukier I., Wade P. C., Thompson J. W. A high power 15GHz GaAs FET. 9th European Microwave Conference, 1979. Brighton,
UK. P. 282–286.

2. Ogawa M., et al. Submicron single-gate and dual-gate GaAs MESFET’s with improved low noise and high gain performance //
IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 1976. Vol. 24. No. 6. P. 300–305.

3. Fukuta M., et al. Mesh source type microwave power FET. IEEE International Solid-State Circuits Conference. Digest of
Technical Papers. Philadelphia, PA, USA, 1973. P. 84–85.

4. Fukuta M., et al. X-band GaAs Schottky barrier power FET with a high drain source breakdown voltage. IEEE International
Solid-State Circuits Conference. Digest of technical papers. Philadelphia, PA, USA, 1976. P. 166–167.

5. Stoneham E., Tan T. S., Gladstone J. Fully ion implanted GaAs power FETs. International Electron Devices Meeting.
Washington, DC, USA, 1977. P. 330–333.

6. Hasegawa F., et al. GaAs power MEWFETs with a simplified recess structure. IEEE International Solid-State Circuits
Conference. Digest of technical papers. San Francisco, CA, USA, 1978. P. 118–119.

7. Furutsuka T., et al. GaAs power m. e. s.f. e. t.s. with a graded recess structure // Electron. Lett. 1979. Vol. 15. No. 14. P. 417–418.
8. Kim S. J., et al. Thickness control of chemical vapor deposition-grown graphene film by oxygen plasma etching with recycled

use of Ni catalyst // J. Nanosci. Nanotechnol. 2017. Vol. 17. No. 7. P. 4907–4913.
9. Maas J., et al. YieldStar: a new metrology platform for advanced lithography control. Proc. SPIE7985, 27th European Mask

and Lithography Conference, 2011. 79850H.
10. J ebri M. A., et al. The Impact of the virtual metrology on a run-to-run control for a chemical mechanical planarization

process // IFAC-PapersOnLine. 2017. Vol. 50. No. 1. P. 6154–6159.
11. H o W. K., et al. Integrated metrology and processes for semiconductor manufacturing. 31st Annual Conference of IEEE

Industrial Electronics Society, 2005 (IECON2005). 6 p.
12. E lliott R. C., et al. Critical dimension sample planning for sub‑0.25 micron processes. 10th Annual IEEE/SEMI. Advanced

Semiconductor Manufacturing Conference and Workshop, 1999. P. 139–142.
13. P an J. C.-H., Tai D. H. Implementing virtual metrology for in-line quality control in semiconductor manufacturing // Int. J. Syst.

Sci. 2009. Vol. 40. No. 5. P. 461–470.
14. L in T.-H., et al. A virtual metrology scheme for predicting CVD thickness in semiconductor manufacturing. Proceedings 2006

IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2006 (ICRA 2006). P. 1054–1059.
15. S u Y.-C., et al. Accuracy and real-time considerations for implementing various virtual metrology algorithms // IEEE Trans.

Semicond. Manuf. 2008. Vol. 21. No. 3. P. 426–434.
16. Besnard J., et al. Virtual metrology modeling for CVD film thickness // Int. J. Control Sci. Eng. 2012. Vol. 2. No. 3. P. 26–33.
17. J ebri M.A ., et al. Virtual metrology applied in run-to-run control for a chemical mechanical planarization process // J. Phys.

Conf. Ser. 2017. Vol. 783. P. 012042.
18. L ynn S. A., MacGearailt N., Ringwood J. V. Real-time virtual metrology and control for plasma etch // J. Process Control.

2012. Vol. 22. No. 4. P. 666–676.
19. K ang P., et al. Virtual metrology for run-to-run control in semiconductor manufacturing // Expert Syst. Appl. 2011. Vol. 38.

No. 3. P. 2508–2522.
20. R orsman N., et al. Accurate small-signal modeling of HFET’s for millimeter-wave applications // IEEE Trans. Microw. Theory

Tech. 1996. Vol. 44. No. 3. P. 432–437.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Попов Артем Александрович, младший научный сотрудник, ФГБОУ ВО «Томский государственный университет си‑
стем управления и радиоэлектроники», Российская Федерация, 634050, Томск, пр. Ленина, 40, тел.: 8 (913) 880‑78‑12,
e-mail: [email protected].
Билевич Дмитрий Вячеславович, младший научный сотрудник, ФГБОУ ВО «Томский государственный университет
систем управления и радиоэлектроники», Российская Федерация, 634050, Томск, пр. Ленина, 40, тел.: 8 (983) 053‑03‑63,
e-mail: [email protected].
Сальников Андрей Сергеевич, к. т. н., доцент, ФГБОУ ВО «Томский государственный университет систем управле‑
ния и радиоэлектроники», Российская Федерация, 634050, Томск, пр. Ленина, 40, тел.: 8 (913) 866‑44‑65, e-mail: andrei.
[email protected].
Калентьев Алексей Анатольевич, к. т. н., старший научный сотрудник, ФГБОУ ВО «Томский государственный
университет систем управления и  радиоэлектроники», Российская Федерация, 634050, Томск, пр. Ленина, 40,
тел.: 8 (923) 408‑04‑08, e-mail: [email protected].

For citation: Popov A. A., Bilevich D. V., Salnikov A. S., Kalentyev A. A. A study of technology parameters influence on the
electrophysical characteristics of a MESFET using TCAD simulations. Issues of radio electronics, 2020, no. 2, pp. 23–30.

DOI 10.21778/2218-5453-2020-2-23-30

A. A. Popov, D. V. Bilevich, A. S. Salnikov, A. A. Kalentyev

A STUDY OF TECHNOLOGY PARAMETERS INFLUENCE ON THE ELECTROPHYSICAL
CHARACTERISTICS OF A MESFET USING TCAD SIMULATIONS

The research results of the TCAD model of a typical MESFET are considered. Modeling of breakdown IV-curves with various
parameters of a gate recess was carried out and corresponding diagrams for impact ionization rate of hot carriers both in flat and

vre.instel.ru 29

Техника СВЧ

recessed MESFET structures were derived. As a result, a curve of breakdown drain voltage versus recess depth was obtained.
Also, a new approach to determine an interrelationship between ion implantation parameters of the MESFET channel and contact
regions and the intrinsic capacitances of a transistor small-signal model is demonstrated. The approach is based on the promising
process control direction called virtual metrology, where critical process variables are predicted using input process parameters
such as sensor data. In order to implement a new approach, the four predictive models were built using the following popular
machine learning algorithms: linear regression, support vector regression, artificial neural network and decision tree ensembles.

Keywords: MESFET, TCAD model, breakdown, virtual metrology, machine learning

REFERENCES

1. Drukier I., Wade P. C., Thompson J. W. A high power 15GHz GaAs FET. 9th European Microwave Conference, 1979, Brighton,
UK, pp. 282–286.

2. Ogawa M., et al. Submicron single-gate and dual-gate GaAs MESFET’s with improved low noise and high gain performance.
IEEE Trans. Microw. Theory Tech, 1976, vol. 24, no. 6, pp. 300–305.

3. Fukuta M., et al. Mesh source type microwave power FET. IEEE International Solid-State Circuits Conference. Digest of
Technical Papers. Philadelphia, PA, USA, 1973, pp. 84–85.

4. Fukuta M., et al. X-band GaAs Schottky barrier power FET with a high drain source breakdown voltage. IEEE International
Solid-State Circuits Conference. Digest of technical papers. Philadelphia, PA, USA, 1976, pp. 166–167.

5. Stoneham E., Tan T. S., Gladstone J. Fully ion implanted GaAs power FETs. International Electron Devices Meeting,
Washington, DC, USA, 1977, pp. 330–333.

6. Hasegawa F., et al. GaAs power MEWFETs with a simplified recess structure. IEEE International Solid-State Circuits
Conference. Digest of technical papers. San Francisco, CA, USA, 1978, pp. 118–119.

7. Furutsuka T., et al. GaAs power m. e. s.f. e. t.s. with a graded recess structure. Electron. Lett., 1979, vol. 15, no. 14, pp. 417–418.
8. Kim S. J., et al. Thickness control of chemical vapor deposition-grown graphene film by oxygen plasma etching with recycled

use of Ni catalyst. J. Nanosci. Nanotechnol., 2017, vol. 17, no. 7, pp. 4907–4913.
9. Maas J., et al. YieldStar: a new metrology platform for advanced lithography control. Proc. SPIE7985, 27th European Mask

and Lithography Conference, 2011, 79850H.
10. J ebri M. A., et al. The Impact of the virtual metrology on a run-to-run control for a chemical mechanical planarization process.

IFAC-PapersOnLine, 2017, vol. 50, no. 1, pp. 6154–6159.
11. H o W. K., et al. Integrated metrology and processes for semiconductor manufacturing. 31st Annual Conference of IEEE

Industrial Electronics Society, 2005 (IECON2005), 6 p.
12. E lliott R. C., et al. Critical dimension sample planning for sub‑0.25 micron processes. 10th Annual IEEE/SEMI, Advanced

Semiconductor Manufacturing Conference and Workshop, 1999, pp. 139–142.
13. P an J. C.-H., Tai D. H. Implementing virtual metrology for in-line quality control in semiconductor manufacturing. Int. J. Syst.

Sci., 2009, vol. 40, no. 5, pp. 461–470.
14. L in T.-H., et al. A virtual metrology scheme for predicting CVD thickness in semiconductor manufacturing. Proceedings 2006

IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2006 (ICRA 2006), pp. 1054–1059.
15. S u Y.-C., et al. Accuracy and real-time considerations for implementing various virtual metrology algorithms. IEEE Trans.

Semicond. Manuf., 2008, vol. 21, no. 3, pp. 426–434.
16. Besnard J., et al. Virtual metrology modeling for CVD film thickness. Int. J. Control Sci. Eng., 2012, vol. 2, no. 3, pp. 26–33.
17. J ebri M. A ., et al. Virtual metrology applied in run-to-run control for a chemical mechanical planarization process. J. Phys.

Conf. Ser., 2017, vol. 783, p. 012042.
18. L ynn S. A., MacGearailt N., Ringwood J. V. Real-time virtual metrology and control for plasma etch. J. Process Control, 2012,

vol. 22, no. 4, pp. 666–676.
19. K ang P., et al. Virtual metrology for run-to-run control in semiconductor manufacturing. Expert Syst. Appl., 2011, vol. 38, no. 3,

pp. 2508–2522.
20. R orsman N., et al. Accurate small-signal modeling of HFET’s for millimeter-wave applications. IEEE Trans. Microw. Theory

Tech., 1996, vol. 44, no. 3, pp. 432–437.

AUTHORS

Popov Artem, junior researcher, Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics, 40, Lenina Ave., Tomsk,
634050, Russian Federation, tel.: +7 (913) 880‑78‑12, e-mail: [email protected].
Bilevich Dmitry, junior researcher, Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics, 40, Lenina Ave., Tomsk,
634050, Russian Federation, tel.: +7 (983) 053‑03‑63, e-mail: [email protected].
Salnikov Andrei, Ph. D., associate professor, Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics, 40, Lenina Ave.,
Tomsk, 634050, Russian Federation, tel.: +7 (913) 866‑44‑65, e-mail: [email protected].
Kalentyev Alexey, Ph. D., senior researcher, Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics, 40, Lenina Ave.,
Tomsk, 634050, Russian Federation, tel.: +7 (923) 408‑04‑08, e-mail: [email protected].

30 Вопросы радиоэлектроники, 2/2020

Техника СВЧ

Для цитирования: Митьков А. С., Рубанович М. Г. Модульные сверхвысокочастотные аттенюаторы высокого уровня
мощности // Вопросы радиоэлектроники. 2020. № 2. С. 31–37.
DOI 10.21778/2218-5453-2020-2-31-37
УДК 621.375.54

А. С. Митьков1, М. Г. Рубанович1

1 Новосибирский государственный технический университет

МОДУЛЬНЫЕ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ
АТТЕНЮАТОРЫ ВЫСОКОГО УРОВНЯ
МОЩНОСТИ

Одним из перспективных направлений в области построения модульных многоэлементных аттенюаторов или на-
грузок для современной передающей аппаратуры цифрового телевещания является использование планарных
резисторов с  диэлектрической подложкой из  бериллиевой керамики. В  настоящей статье предложен принцип
построения и  расчета модульных сверхвысокочастотных (СВЧ) аттенюаторов и  нагрузок на  большие уровни
мощности рассеивания с параллельным и последовательным соединением пленочных планарных резистивных
элементов. Данный метод позволяет разрабатывать устройства с  входной мощностью СВЧ-сигнала до  10 кВт
и полосой рабочих частот 0–1 ГГц на основе унифицированных модулей. Рассмотрен конкретный вариант по-
строения модульного СВЧ-аттенюатора на уровень мощности 5 кВт, выполненного на основе микрополосковой
пленочной технологии с использованием диэлектрической подложки из бериллиевой керамики.

Ключевые слова: делитель мощности, пленочный резистор, планарный резистор

Введение высокая ремонтопригодность, малые габаритные
В современной передающей аппаратуре цифро‑ размеры и  масса, конструктивная и  технологиче‑
вого телевещания существует необходимость изме‑ ская простота. Использование в аттенюаторе иден‑
рения энергетических и  информационных параме‑ тичных модулей упрощает его изготовление и экс‑
тров выходных сигналов. Основными особенностями плуатацию. В  таких аттенюаторах для рассеяния
при этом являются большой динамический диапазон тепла обычно применяется воздушное охлаждение,
измеряемых мощностей и широкая полоса рабочих которое технологически и  конструктивно значи‑
частот. Так, по  уровню выходной мощности блоки тельно проще жидкостного.
и узлы радиопередающей аппаратуры различаются
на  несколько порядков  – ​от  десятков милливатт Таким образом, в  настоящее время наиболее
до тысяч ватт. В то же время допустимый диапазон перспективным направлением в создании мощных
входных мощностей существующей измерительной аттенюаторов является использование унифици‑
аппаратуры ограничивается несколькими милливат‑ рованных модульных структур с  диссипативными
тами. Это приводит к  необходимости использовать элементами в виде планарных пленочных резисто‑
мощные аттенюаторы с  фиксированными значени‑ ров. Пленочные резисторы изготавливаются по со‑
ями вносимого ослабления либо применять встроен‑ временным методам микрополосковой технологии
ные в  передающую аппаратуру устройства для от‑ на  подложке из  материала с  высокой теплопрово‑
ветвления части мощности выходного сигнала [1–4]. дностью и  низким значением относительной ди­
В общем случае широкополосные нагрузочные электрической проницаемости [6, 7].
устройства дециметрового диапазона могут быть
реализованы на основе коаксиальной или полоско‑ Анализ характеристик существующих на  се‑
вой элементной базы. Сопоставление технических годня СВЧ-диэлектриков позволяет сделать вывод
параметров поглощающих элементов различного о  целесообразности применения подложек из  ок‑
типа показало, что планарные пленочные рези‑ сида бериллия (BeO), обладающего высокой те‑
сторы обладают технологическими и  конструктив‑ плопроводностью, что обеспечивает значительные
ными преимуществами по  сравнению с  другими уровни рассеиваемой мощности. Малое значение
видами поглощающих элементов [5]. относительной диэлектрической проницаемости ок‑
Многоэлементные аттенюаторы большой мощ‑ сида бериллия позволяет, особенно в  области вы‑
ности, построенные в  виде модульной структуры соких частот, минимизировать влияние паразитной
с  использованием пленочных резисторов, имеют емкости планарных пленочных резисторов на каче‑
ряд существенных преимуществ, среди которых ство согласования [8].

Учитывая вышеизложенное, одним из  пер‑
спективных направлений в  области построения

vre.instel.ru 31

Техника СВЧ

модульных многоэлементных аттенюаторов или на‑ В конструкции прибора используется входной
грузок является использование планарных резисто‑ модуль в виде резистивного блока 12,5 Ом, двухка‑
ров с диэлектрической подложкой из бериллиевой нальный делитель мощности и два универсальных
керамики. Полоса рабочих частот таких устройств модуля на уровень мощности 2000 Вт, представля‑
находится в пределах от 0 до 1 ГГц при уровне вход‑ ющие собой аттенюаторы с  входным сопротивле‑
ной мощности до нескольких кВт. нием 75 Ом.

Модульный аттенюатор В данном модульном аттенюаторе к  делителю
Основой модульного СВЧ-аттенюатора (на‑ мощности с входным сопротивлением 37,5 Ом под‑
грузки) на  планарных резисторах большой мощ‑ ключен входной модуль с сопротивлением 12,5 Ом
ности является использование параллельно-после‑ (рис. 1). Поскольку 12,5 Ом равняется четвертой ча‑
довательного соединения диссипативных модулей сти от  50 Ом, на  резистивном блоке рассеивается
значительно меньшей мощности, чем общая мощ‑ четвертая часть всей входной мощности, то  есть
ность входного СВЧ-сигнала. Объединение боль‑ 1250 Вт.
шого числа универсальных модулей, расположен‑
ных на  значительном расстоянии друг от  друга, Входной модуль
обеспечивает распределение рассеиваемой тепло‑ На каждом пленочном резисторе, выполненном
вой мощности в аттенюаторе на большую площадь. на  бериллиевой керамике размером 20×20×4  мм,
Это дает возможность отказаться от  жидкостного допустимая рассеиваемая мощность не превышает
охлаждения и перейти на воздушное конвективное 200 Вт. Поэтому входной модуль на 1250 Вт реали‑
охлаждение. зован из  шести последовательно соединенных че‑
Рассмотрим принцип модульного построения рез короткие отрезки линии передачи одинаковых
на  примере аттенюатора с  уровнем рассеиваемой резисторов, имеющих сопротивление 2,0 Ом, как
мощности 5 кВт. Аттенюатор имеет входное и  вы‑ показано на рис. 2.
ходное сопротивление 50 Ом, полоса рабочих ча‑ Для расчета отрезков линии передачи, соединя‑
стот составляет 0–1 ГГц. Структурная схема такого ющих планарные пленочные резисторы, составим
модульного аттенюатора приведена на рис. 1. в  сосредоточенном элементном базисе эквива‑
лентную схему входного модуля (рис. 3). Заменим

Вход
(50 Ом, 5000 Вт)

Входной
модуль
(12,5 Ом, 1250 Вт)

Делитель Универсальный Выход
мощности модуль (50 Ом)
(37,5 Ом)
(75 Ом, 2000 Вт)
Универсальный
модуль

(75 Ом, 2000 Вт)

Рисунок 1. Структурная схема модульного аттенюатора на 5 кВт

R1 R1 Входной модуль (12,5 Ом, 1250 Вт) R1 Выход
Вход 2 Ом L1 2 Ом L5 2 Ом L6 XS2
XS1 R1 R1 R1
L2 2 Ом L3 2 Ом L4 2 Ом

Рисунок 2. Схема входного модуля на 1250 Вт

32 Вопросы радиоэлектроники, 2/2020

Техника СВЧ

Вход L0 R1 L6 R1 L5 R1 L4
XS1 C1 2 Ом C/2 2 Ом C/2 2 Ом C/2

C/2 C/2 C/2

R1 L3 R1 L2 R1 L1 Выход
2 Ом C/2 2 Ом C/2 2 Ом C/2 XS2

C/2 C/2 C/2 C/2

Рисунок 3. Эквивалентная схема входного модуля на 1250 Вт

пленочный резистор сопротивлением R1 и  двумя z Резистивная пленка
емкостями С/2, а  отрезок линии передачи  – ​ин‑ Диэлектрическая подложка
дуктивностью Li. В данном случае на эквивалент‑ δ b
ной схеме (рис. 3) емкость С является паразитной a
емкостью планарного пленочного резистора. По‑ y l
скольку планарный пленочный резистор большой 0 Металлизированное основание
мощности имеет большую ширину и малую длину, x
его собственной паразитной индуктивностью
можно пренебречь. Индуктивности, показанные Рисунок 4. Планарный пленочный резистор
на  рис.  3, являются согласующими элементами. на диэлектрической подложке: а – ​длина
Они образуют вместе с  паразитными емкостями резистивной пленки; b – ш​ ирина резистивной
фильтр нижних частот (ФНЧ), который в  данном пленки; δ – т​ олщина резистивной пленки;
случае и  является оптимальной согласующей це‑ l – ​расстояние от резистивной пленки
пью [9]. до металлизированного основания

Отметим, что характеристическое сопротивле‑ где Zв – в​ олновое сопротивление планарного пле‑
ние согласующих ФНЧ увеличивается на величину ночного резистора при соответствующих разме‑
R1 = 2 Ом, начиная от 37,5 Ом. Характеристическое рах резистивной пленки [4, 9]. Наибольшая часть
сопротивление последнего согласующего ФНЧ, краевой емкости соответствует краю блока рези‑
являющегося входом модульного аттенюатора, со‑ стивной пленки, и при отступлении от края пленки
ставляет 50 Ом. на  расстояние, равное толщине диэлектрика, зна‑
чение краевой емкости практически стремится
Для определения паразитной емкости С рассмо‑ к нулю.
трим более подробно конструкцию планарного пле‑
ночного резистора, показанную на рис. 4. Расчетные соотношения для граничной частоты
fсi и индуктивности Li ФНЧ третьего порядка с дис‑
Емкость между резистивной пленкой и  метал‑ сипативными потерями при известной величине
лизированным основанием, разделенными диэлек‑ емкости C, равной паразитной емкости пленочных
трической подложкой, представим в  виде суммы резисторов, имеют следующий вид [9]:
двух емкостей:

С = С0 + Сk, (1)

где С0  – ​емкость плоского конденсатора, образо‑ g1
ванного резистивной пленкой и металлической по‑ πC(0,5RM +
верхностью в пределах проекции пленки на нее,

εoεab fci = R1(i − 1)) , (4)
l
C0 = . (2)

Краевая емкость Сk представляет собой емкость Li = g2(0,5RM + R1(i −1)), (5)
между пленкой и металлической поверхностью, вне 2πfci
проекции пленки на нее [6, 9]: 1 1
где g1 = , g2 =  –​
⎡ ⎛ LAr ⎞ ⎤ ⎡ ⎛ LAr ⎞ ⎤
l ⎡⎣⎢120πZ 2 b ⎤⎦⎥, (3) ⎢ ln ⎜⎝ cth 17,37 ⎠⎟ ⎥ ⎢ ln cth ⎜⎝ 17,37 ⎟⎠ ⎥
2 ‚ l ⎢ ⎥ ⎢ 6 ⎥
Ck = (εoεr ) ‚ (b,l ,1) / Z (b,l, εr )− εr sh2 ⎣ 6 ⎦ sh2 ⎣ ⎦ + 0,75

vre.instel.ru 33

Техника СВЧ

первый и  второй элементы нормированного прото‑ Для планарных пленочных резисторов (2 Ом),
показанных на эквивалентной схеме (рис. 3), была
типа чебышевского ФНЧ третьего порядка; LAr – п​ уль‑ разработана микрополосковая топология, ориен‑
сации амплитудно-частотной характеристики  (АЧХ) тированная на  использование диэлектрической
подложки из BeO размером 20×20×4 мм. Для улуч‑
в  полосе пропускания (дБ), RM – ​входное сопротив‑ шения согласования в области высоких частот все
ление универсального модуля, равное 75 Ом, i – ​те‑ планарные пленочные резисторы (2 Ом) выполнены
кущий индекс, изменяющийся от 1 до N (количество в виде двух последовательно включенных резисто‑
пленочных резисторов во входном модуле). ров прямоугольной формы размером 16×3 мм, как
показано на рис. 5.
Подставим значение граничной частоты (4) и ем‑
В соответствии с эквивалентной схемой (рис. 2)
кости резистивной пленки (1) в формулу (5) и полу‑ в  компьютерной САПР было проведено моде‑
лирование частотных свойств входного модуля
чим универсальную формулу для расчета индуктив‑ на  мощность 1250  Вт, состоящего из  пленочных
резисторов, соединенных короткими отрезками
ности Li: микрополосковых линий. Длина последних опреде‑
ляется значениями индуктивностей, рассчитанных
Li = 0,5 g2 (C0 + Ck )(0,5RM + R1(i − 1))2 , (6) по формуле (6). В начале расчета проводилось чис‑
g1 ленное электромагнитное моделирование каждого
резистора в  соответствии с  топологией (рис.  5),
где С0 и Сk – п​ аразитные емкости пленочного рези‑ а  затем определялись частотные характеристики
стора. входного блока по схеме на рис. 6.

Эквивалентная схема входного модуля (рис.  3)

и  значения параметров ее элементов являются
первоначальным приближением для разработки
микрополосковой топологии и  последующего про‑
ведения численного электродинамического моде‑
лирования в компьютерной САПР.

а) б)
Рисунок 5. Модель пленочного резистора сопротивлением 2 Ом: а – т​ опология; б – 3​ D-модель

Рисунок 6. Схема для моделирования входного модуля на 1250 Вт

34 Вопросы радиоэлектроники, 2/2020

Техника СВЧ

Результаты компьютерного моделирования КСВН 200 400 600 800 1000
частотной зависимости коэффициента стоячей 1,5 Частота, МГц
волны по напряжению (КСВН) для входного модуля 1,4
(12,5 Ом) приведены на рис. 7. 1,3
1,2
Двухканальный делитель мощности 1,1
Основной задачей при разработке двухканаль‑
ного делителя мощности было обеспечение при‑ 1
емлемого коэффициента стоячей волны по  входу 0
в  заданной полосе частот 0–1000 МГц. Так как
структура рассматриваемого модульного аттенюа‑ Рисунок 7. Частотная зависимость
тора симметрична, был выбран двухканальный де‑ коэффициента стоячей волны по напряжению
литель мощности на основе Y-образного тройника, входного модуля на мощность 1250 Вт
топология которого показана на  рис.  8. Расчеты
и  экспериментальные измерения показали, что Вход Делитель
КСВН по входу двухканального делителя мощности XS2 мощности
не превышает 1,2 в полосе частот 0–1500 МГц. (37,5 Ом)

Универсальный модуль L7 Выход
Универсальный модуль, представляющий со‑ XS3
бой аттенюатор на мощность рассеивания 2000 Вт
с  входным сопротивлением 75 Ом, реализован L7 Выход
по аналогичной структуре, как и рассматриваемый XS3
аттенюатор на 5 кВт. Электрические схемы основ‑
ных модулей аттенюатора на  2000  Вт показаны а)
на  рис.  9. Общая мощность 2000  Вт равномерно
распределена на три внутренних модуля. Таким об‑ Выход
разом, в конструкции аттенюатора на 5 кВт модуль‑ XS3
ный принцип использован дважды.
Из принципиальной схемы (рис.  9) видно, что Вход
аттенюатор на  2000  Вт выполнен в  виде последо‑ XS2
вательно-параллельного соединения резистивных
элементов. Выход
Как показали экспериментальные измерения ча‑ XS3
стотных характеристик опытного образца универ‑
сального модуля на уровень мощности 2000 Вт с вход‑ б)
ным сопротивлением 75 Ом, показанного на рис. 10, Рисунок 8. Двухканальный делитель мощности:
значение КСВН в полосе рабочих частот 0–1000 МГц а – с​ хема; б – т​ опология
не превышает 1,2. Аттенюатор на 2000 Вт имеет два
выхода с вносимым ослаблением 23 и 46 дБ. что разработанный аттенюатор с  входной мощно‑
стью 5000  Вт имеет коэффициент стоячей волны
Заключение не более 1,2 в полосе частот от 0 до 1000 МГц, что
Предложенный принцип построения многоэле‑ отвечает общим требованиям для передающей ап‑
ментных аттенюаторов и  нагрузок большой мощ‑ паратуры цифрового телевидения.
ности на  основе типовых универсальных модулей
с параллельным и последовательным соединением
пленочных планарных резистивных элементов по‑
зволяет разрабатывать согласованные диссипатив‑
ные устройства с входной мощностью СВЧ-сигнала
до 10 кВт и полосой рабочих частот 0–1 ГГц.
Экспериментальное исследование и компьютер‑
ное моделирование основных модулей показало,

vre.instel.ru 35

Техника СВЧ

Универсальный модуль (75 Ом, 2000 Вт)

R2 R2 R2 R2 R2 R2 Выход
Вход 6,5 Ом L8 6,5 Ом L9 6,5 Ом L10 6,5 Ом L11 6,5 Ом L12 6,5 Ом L13 XS4
XS3

R3 R3 R4
Вход 18,7 Ом L14 18,7 Ом L15 75 Ом
XS4
R4
L15 75 Ом

R5R7 R6
L15 68 Ом 32 Ом 25 Ом

R3 R3 R7 Выход
Вход 18,7 Ом L14 18,7 Ом 32 Ом XS5
XS4
–23 дБ
R8
L15 72 Ом R10 R9
3 Ом 45 Ом

R10 Выход
3 Ом XS6

–46 дБ

Рисунок 9. Схема универсального модуля на 2000 Вт

а) б)

Рисунок 10. Опытный образец универсального модуля на 2000 Вт: а – в​ нешний вид; б – в​ нутренняя
конструкция

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Akishin G. P., Turnaev S. K., et al. Composition of beryllium oxide ceramics // Refractories and Industrial Ceramics.
2011. Vol. 51. No. 5. P. 377–381.

2. Tang C.-W. A Design of 3-dB wideband microstrip power divider with an ultra-wide isolated frequency band // IEEE Trans.
Microw. Theory Tech. 2016. Vol. 64. No. 6. P. 1806–1811.

3. Cano J. L. Ultra-wideband chip attenuator for precise noise measurements at cryogenic temperatures // IEEE Trans. Microw.
Theory Tech. 2010. Vol. 58. No. 9. P. 2504–2509.

4. Столяренко А. А. и  др. Мощные СВЧ аттенюаторы для радиопередающей и  телевизионной аппаратуры // Обмен
опытом в области создания сверхширокополосных радиоэлектронных систем: матер. 6-й Общерос. науч.-техн. конф.
Омск: ОмГТУ, 2016. С. 337–344.

5. Савенков Г. Г., Разинкин В. П., Мехтиев А. Д. Многоступенчатая микрополосковая СВЧ нагрузка // Вопросы радио‑
электроники. 2018. № 4. С. 53–57.

36 Вопросы радиоэлектроники, 2/2020

Техника СВЧ

6. Митьков А. С., Столяренко А. А., Рубанович М. Г. Пленочные сверхвысокочастотные аттенюаторы на  основе филь‑
тровых структур с диссипативными потерями // Вопросы радиоэлектроники. 2019. № 4. С. 84–89.

7. Митьков А. С., Столяренко А. А., Азарный А. А. Новые структуры резистивных аттенюаторов в  тонкопленочном ис‑
полнении. Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП‑2018). Новосибирск, 2018. Т. 4. С. 147–150.

8. Bird RF Technologies [Электронный ресурс] URL: http://www.birdrf.com/Products/Test%20and%20Measurement/
Attenuators/1kW.aspx (дата обращения: 03.09.2019).

9. Маттей Д. Л., Янг Л., Джонс Е. М. Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. Москва: Связь, 1971. Т. 1. 439 с.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Митьков Александр Сергеевич, аспирант, Новосибирский государственный технический университет, Российская Фе‑
дерация, 630073, Новосибирск, пр-т Карла Маркса, д. 20, тел.: 8 (923) 256‑25‑77, e-mail: [email protected].
Рубанович Михаил Григорьевич, д. т. н., профессор, Новосибирский государственный технический университет, Рос‑
сийская Федерация, 630073, Новосибирск, пр-т Карла Маркса, д. 20, тел.: 8 (903) 998‑03‑89, e-mail: [email protected].

For citation: Mitkov A. S., Rubanovich M. G. High power modular microwave attenuators. Issues of radio electronics, 
2020, no. 2, pp. 31–37.

DOI 10.21778/2218-5453-2020-2-31-37

A. S. Mitkov, M. G. Rubanovich

HIGH POWER MODULAR MICROWAVE ATTENUATORS

One of the promising areas in the design of modular multi-element attenuators or loads for modern digital television broadcasting
equipment is the use of planar resistors with a dielectric substrate made of beryllium ceramic. The article proposes the principle
of constructing and calculating modular microwave attenuators and loads on large levels of dissipation power with parallel and
serial connection of planar film resistive elements. This method allows to develop devices based on unified modules with an
input microwave power up to 10 kW and a working frequency band of 0–1 GHz. In this article the specific embodiment of the
construction of a modular microwave attenuator at a power level of 5 kW, made on the basis of microstrip film technology using
a beryllium ceramic dielectric is considered.

Keywords: power divider, film resistor, planar resistor

REFERENCES

1. Akishin G. P., Turnaev S. K., et al. Composition of beryllium oxide ceramics. Refractories and Industrial Ceramics, 2011,
vol. 51, no. 5, pp. 377–381.

2. Tang C.-W. A Design of 3-dB wideband microstrip power divider with an ultra-wide isolated frequency band. IEEE Trans.
Microw. Theory Tech., 2016, vol. 64, no. 6, pp. 1806–1811.

3. Cano J. L. Ultra-wideband chip attenuator for precise noise measurements at cryogenic temperatures. IEEE Trans. Microw.
Theory Tech., 2010, vol. 58, no. 9, pp. 2504–2509.

4. Stolyarenko A. A., et al. Powerful microwave attenuators for radio and television equipment. (Conference proceedings) Obmen
opytom v oblasti sozdaniya sverkhshirokopolosnykh radioelektronnykh system. Omsk, OmSTU Publ., 2016, pp. 337–344.
(In Russian).

5. Savenkov G. G., Razinkin V. P., Mekhtiev A. D. Multistage microstrip UHF load. Voprosy radioelektroniki, 2018, no. 4, pp. 53–
57. (In Russian).

6. Mitkov A. S., Stolyarenko A. A., Rubanovich M. G. Film attenuators based on filter structures with dissipative losses. Voprosy
radioelektroniki, 2019, no. 4, pp. 84–89. (In Russian).

7. Mitkov A. S., Stolyarenko A. A., Azarnyi A. A. The new structures of thin-film attenuators. (Conference proceedings) Aktualnye
problemy elektronnogo priborostroeniya, Novosibirsk, 2018. Vol. 4, pp. 147–150. (In Russian).

8. Bird RF Technologies. Available at: http://www.birdrf.com/Products/Test%20and%20Measurement/Attenuators/1kW.aspx
(accessed 03.09.2019).

9. Matthaei G., Young L., Jones E. M. T. Microwave filters, impedance-matching networks, and coupling structures. Artech
House, 1980, 1096 p.

AUTHORS

Mitkov Alexander, graduate student, Novosibirsk State Technical University, 20, Karl Marx Ave., Novosibirsk, 630073, Russian
Federation, tel.: +7 (923) 256‑25‑77, e-mail: [email protected].
Rubanovich Mikhail, D. Sc., professor, Novosibirsk State Technical University, 20, Karl Marx Ave., Novosibirsk, 630073, Russian
Federation, tel.: +7 (903) 998‑03‑89, e -mail: [email protected].

vre.instel.ru 37

Техника СВЧ

Для цитирования: Горбачев А. П., Паршин Ю. Н. Печатная четырехлучевая фазированная антенная решетка
с модифицированными дифференциальными фазовращателями // Вопросы радиоэлектроники. 2020. № 2. С. 38–45.

DOI 10.21778/2218-5453-2020-2-38-45
УДК 621.396.677

А. П. Горбачев1, Ю. Н. Паршин1

1 Новосибирский государственный технический университет

ПЕЧАТНАЯ ЧЕТЫРЕХЛУЧЕВАЯ
ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА
С МОДИФИЦИРОВАННЫМИ
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМИ
ФАЗОВРАЩАТЕЛЯМИ

В работе представлены результаты проектирования четырехлучевой фазированной антенной решетки с приме-
нением диаграммообразующей матрицы Батлера. Сама матрица выполнена на основе трехдецибельных направ-
ленных ответвителей и модифицированных фазовращателей. Новизна предлагаемой разработки обусловлена
большей широкополосностью запатентованных полосковых фазовращателей, которая, в свою очередь, опреде-
ляется более стабильным в диапазоне частот характером электромагнитного взаимодействия двух проводников,
связанных с каждой половиной печатного кольцевого резонатора. Использование в ответвителях и фазовраща-
телях симметричных полосковых линий с волной Т-типа снимает ограничения, связанные с влиянием дисперсии
на  уравновешенность электрической и  магнитной связей в  областях электромагнитного взаимодействия двух
параллельных связанных передающих линий. Выбранные в качестве элементной базы проектируемой матрицы
Батлера трехдецибельный направленный ответвитель и  модифицированный фазовращатель обеспечили при-
емлемую полосу пропускания при центральной частоте 2,2 ГГц. Исходя из системного подхода к проектированию
антенных решеток, выбраны следующие ключевые этапы разработки: трехдецибельный направленный ответви-
тель, модифицированный фазовращатель, печатный дипольный излучатель, матрица Батлера 4х4, четырехлуче-
вая фазированная антенная решетка. Для создания топологий на отечественном материале ФАФ‑4Д использо-
валась среда NanoCAD5.1, а для моделирования – ​среда WIPL-D.

Ключевые слова: матрица Батлера, диаграммообразующее устройство, направленный ответвитель

Введение реализовать с одной конструктивно-компоновочной
Многолучевые фазированные антенные решет‑ единицы четыре разнонаправленных в  окружаю‑
ки (ФАР) широко применяются в радиотехнических щем пространстве диаграммы направленности. Их
и  инфокоммуникационных системах различного направление зависит от номера входа диаграммо‑
назначения [1, 2]. При их проектировании, а также образующей матрицы Батлера, а ширина в плоско‑
в  процессе доработок и  модернизации уже суще‑ сти электрического вектора Е примерно одинакова.
ствующих антенн приходится решать взаимосвя‑ Такие ФАР востребованы при построении инфо‑
занные конструктивно-технологические вопросы коммуникационных систем с повышенной степенью
компоновки и реализации печатных направленных защищенности от  электромагнитных излучений
ответвителей, дифференциальных фазовраща‑ с нежелательных направлений [5–9].
телей и  пересечений печатных полосковых линий
в двух уровнях [3]. Цель работы – ​в рамках эскизного проектирова‑
В настоящей работе исследуется модернизиро‑ ния доказать возможность улучшения показателей
ванная 4-лучевая решетка, в  конструкции которой широкополосности 4-лучевой антенной решетки
требуется реализовать наряду с  ответвителями за  счет использования модифицированных в  [4]
и  пересечениями модифицированные дифферен‑ дифференциальных фазовращателей при сохране‑
циальные фазовращатели с  улучшенными пока‑ нии формы и уровня боковых лепестков всех четы‑
зателями по  широкополосности [4]. Поэтому ниже рех диаграмм направленности в плоскости электри‑
на  основе системного подхода описываются клю‑ ческого вектора Е.
чевые этапы построения такой решетки в  печат‑
ном исполнении на  отечественном диэлектрике Системный анализ ключевых этапов проек-
ФАФ‑4Д. При этом проектируемая ФАР позволяет тирования

38 Вопросы радиоэлектроники, 2/2020

Техника СВЧ

Описанный в [1] системный подход в компоновке справочника [11] и проектирования была получена
и  конструировании многолучевых антенн рекомен‑ симметричная конструкция НО со смещением свя‑
дует придерживаться ряда ключевых этапов при занных полосковых линий, которая представлена
проектировании. Эти этапы описаны в [3], и в ходе на рис. 1.
их выполнения предстоит заново реализовать сле‑
дующие устройства: Результаты проектирования для затухания и фа‑
зовой задержки между выходами представлены
• трехдецибельный направленный ответвитель на рис. 2. Компьютерное моделирование показало,
(мостовой восьмиполюсник); что этот НО обеспечивает в полосе частот 2–2,4 ГГц
затухания –3,15 ± 0,02 дБ и набег фазы на третьем
• модифицированный дифференциальный фазо­ порту относительно второго 90 ± 0,5°, что является
вращатель; приемлемым результатом.

• матрица Батлера [10] с четырьмя входами и вы‑ Модифицированный фазовращатель
ходами. Для того чтобы устройство работало в  полосе
частот, а не только на определенной частоте, было
При этом из  соображений унификации печат‑ принято решение использовать модифицирован‑
ный дипольный излучатель остается неизменным ный фазовращатель.
по структуре (то есть аналогичен работе [3]), и лишь Модифицированный полосковый фазовраща‑
некоторые его установочные и присоединительные тель [4] представляет собой два отрезка связанных
геометрические размеры слегка изменены для ка‑ линий, смежные концы которых соединены, а  два
чественной состыковки с выходами вновь реализо‑ других конца являются соответственно входом
ванной матрицы Батлера. и выходом фазовращателя. Главное отличие пред‑
ложенного фазовращателя состоит в том, что с це‑
Направленный ответвитель лью уменьшения искажений временных интервалов
Направленный ответвитель (НО) является в  импульсном режиме за  счет увеличения его ши‑
ключевым элементом диаграммообразующего рокополосности дополнительно введен кольцевой
устройства, так как он отвечает за  деление по‑ проводник, электромагнитно связанный по  всему
ровну (в  отношении 1:1) сигнала между его вы‑ периметру с отрезками связанных линий (рис. 3).
ходами. В  результате расчетов по  материалам

1l 4

Затухание, дБ bw
w sd
αα
w

2 w0 3 Dmin

Рисунок 1. Четвертьволновый трехдецибельный направленный ответвитель. Светло-серым цветом
обозначена металлизация лицевой стороны пленки, темно-серым – м​ еталлизация обратной стороны
пленки, белым – ​фольгированная с двух сторон пленка из материала ФАФ‑4Д толщиной 0,3 мм

0 Сдвиг фаз, град. –85
–1 –86
–2 1,8 2,2 2,6 3 –87 1,8 2,2 2,6 3
–3 Частота, ГГц –88 Частота, ГГц
–4 –89
–5 –90
–6 –91
–92
1,4 –93
–94
–95

1,4

Рисунок 2. Графики неравномерности затухания и фазовой задержки

vre.instel.ru 39

Техника СВЧ

l 24
d2

l2

13

Рисунок 3. Модифицированный фазовращатель: линия 1–2 – ​модифицированный фазовращатель;
линия 3–4 – ​компенсационная линия для обеспечения дифференциального фазового сдвига

Результаты электродинамического модели‑ материала (рис. 5). Буквой А на схеме обозначена
рования (затухания в  обеих линиях и  фазовый точка пайки центрального штырька коаксиально-
сдвиг в  линии 3–4 относительно 1–2) изображены полоскового разъема типа Э2–116/2, а металлиза‑
на рис. 4. Согласно полученным результатам, фазо­ ция обратной стороны подложки под точкой А галь‑
вращатель в полосе частот 1,4–3 ГГц имеет вполне ванически соединена с  металлическим корпусом
приемлемые параметры: затухание –0,1  ±  0,1 дБ; несущей конструкции по  всей поверхности приле‑
разность фаз 45 ± 1°. гания. Топология обеспечивает вполне приемлемое
согласование с  подводящей линией волнового со‑
Печатный дипольный излучатель противления 50 Ом (рис. 6).
В качестве излучателя использовалась топо‑
логия из  работы [3], доработанная в  связи с  дру‑ Матрица Батлера 4×4
гими стандартными толщинами диэлектрического

0Затухание, дБ 40
–0,05 Сдвиг фаз, град. –41
S2,1 –42
–0,1 S4,3 –43
–0,15 –44
1,8 2,2 2,6 3 –45 1,8 2,2 2,6 3
–2 Частота, ГГц –46 Частота, ГГц
–25 –47
–0,31,4 –48
–49
–501,4

Рисунок 4. Графики затухания и фазового сдвига

A

Рисунок 5. Дипольный излучатель на 2,2 ГГц. Светло-серым цветом обозначена металлизация
лицевой стороны диэлектрика, темно-серым – м​ еталлизация обратной стороны диэлектрика,
белым – ​сам диэлектрик из материала ФАФ‑4Д толщиной 1,5 мм

40 Вопросы радиоэлектроники, 2/2020

Техника СВЧ

В проектировании [11, 12] диаграммообразую‑ Коэффициент отражения, дБ 0
щего устройства (рис. 7) по аналогии с работой [3] –5
использовались упомянутые выше элементы  – н​ а‑ –10 2,1 2,2 2,3 2,4
правленный ответвитель и модифицированный фа‑ –15 Частота, ГГц
зовращатель. Для электрического контакта между –20
слоями диэлектрической пленки использовались –25
сквозные металлизированные отверстия размером –30 2
0,3×2,6 мм.
Рисунок 6. Частотная характеристика
После анализа данной топологии посредством согласования дипольного излучателя
трехмерного полноволнового моделирования [13]
получили результаты, представленные на  рис.  8. выводы были размещены на расстоянии 68 мм друг
Величины затухания составили –6,2 ± 0,6 дБ, от  друга. Топология разведенной платы представ‑
а максимальное отклонение от номинальных раз‑ лена на рис. 9.
ностей фаз не  превысило 8°. При этом попереч‑
ные геометрические размеры полосковых линий После трехмерного полноволнового электро‑
составили 2,6×0,035  мм, что удовлетворяет кон‑ динамического моделирования топологии в  си‑
структорско-технологическим ограничениям при стеме автоматизированного проектирования
печатной реализации проводников на  тонком WIPL-D оказалось, что антенная решетка обе‑
(0,3  мм) двухстороннем фольгированном диэлек‑ спечивает достаточно хорошее согласование
трике [14, 15]. с  50-омными коаксиальными кабелями, что под‑
тверждается характеристикой, представленной
Четырехлучевая фазированная антенная ре- на  рис.  10. Также получились вполне приемлемые
шетка эдлиеакгртраимчмеыскноагопраE!влеин  нмоасгтниитвн опглооскH!остпяохлевйе,кткоортоов‑
рые представлены на рис. 11. Они свидетельствуют
Заключительным этапом являлось сочленение
матрицы Батлера 4×4 и антенного полотна, состоя‑
щего из четырех дипольных излучателей. Для этого
необходимо было доработать участок соединения,
добавив еще один узел пересечения линий с проти‑
воположных сторон пленки. Кроме того, выходные

5 678

1 23 4
Рисунок 7. Топология матрицы Батлера 4×4: 1–4 – ​входы; 5–8 – в​ ыходы

–2 180

135 2
–4 90
Затухание, дБ
Сдвиг фаз, град.
45
–6 0 4

–45
–8 –90 1

–135 3
1,8
–101,4 1,8 2,2 2,6 3 –1801,4 2,2 2,6 3

Частота, ГГц Частота, ГГц

Рисунок 8. Графики затухания и фазового сдвига в каналах матрицы Батлера

vre.instel.ru 41

Техника СВЧ

MO спроектированной на  ФАФ‑4Д антенны тем зна‑
чениям, которые обусловлены классической тео‑
4 рией диаграммоо­ бразования в  многолучевых ФАР
MO [1,  9]. Среднее значение коэффициента усиления
составило 6,8  дБ, что также соответствует теории
3 линейных эквидистантных ФАР с  числом элемен‑
2 тов, равным 4 [1, 2]. Поскольку в спроектированной
1 антенне амплитудное распределение возбуждения
вдоль дипольных излучателей равномерное, то, со‑
MO гласно [1, 2], уровень боковых лепестков в плоскости
вектора Е убывает по мере роста их номера (глав‑
z ный лепесток диаграммы имеет нулевой номер).
При этом уровень первого бокового лепестка всех
y диаграмм направленности не  превышает –12  дБ
по отношению к их максимуму, что также находится
Рисунок 9. Топология четырехлучевой в приемлемом соответствии с теорией, согласно ко‑
фазированной антенной решетки торой при четырех излучателях максимум первого
бокового лепестка интерференционного множителя
–10 S4,4 решетки должен быть равен –13,46 дБ [1, 2]. Кроме
–15 того, ширина по уровню половинной мощности всех
Коэффициент отражения, дБ –20 S3,3 S2,2 четырех диаграмм направленности в  Е-плоскости,
–25 S1,1 значения которых определяются согласно теореме
–30 перемножения как произведение диаграммы на‑
–40 2,1 2,2 2,3 2,4 правленности классического диполя и  интерфе‑
–50 Частота, ГГц ренционного множителя эквидистантной решетки
–602 из  четырех элементов [1, 2], составляет в  среднем
34°, что также вполне соответствует классическим
Рисунок 10. Частотная характеристика положениям теории ФАР.
согласования входов четырехлучевой
фазированной антенной решетки Согласно этой теории, в  антенных решетках
из  линейно поляризованных в  Е-плоскости ди‑
о  соответствии углов отклонения максимумов польных излучателей диаграммы направленности
диаграмм направленности в  плоскости вектора Е в  плоскости магнитного вектора Н для всех четы‑
рех лучей должны быть всенаправлены. Однако это
справедливо лишь при обособленных излучателях,
эквидистантно расположенных в  свободном без‑
граничном пространстве. В  рассматриваемом  же
проекте дипольные излучатели ФАР возвышаются
над кромкой (по  другой терминологии: выступают
за  границу кромки) заземленной металлизации
обратной стороны печатных заготовок толщиной
1,5  мм приблизительно на  четверть длины волны,
соответствующей центральной частоте 2,2 ГГц
(рис. 9). В заземленной металлизации были реали‑
зованы три узкие, достаточно протяженные щели,
перпендикулярные кромке (рис. 9), для уменьшения
влияния излучения вторичных токов проводимости,
наведенных на этой кромке первичным электромаг‑
нитным излучением диполей. Тем не менее влияние
вторичного излучения наведенных как в  кромке
фольги, так и в узкой кромке соответствующей ча‑
сти несущей конструкции корпуса ФАР токов про‑
водимости заметно сказалось на форме диаграмм
направленности спроектированной антенны в «зад‑
ней» полусфере (рис. 9, y < 0). В то же время вторич‑
ные токи проводимости не оказали существенного

42 Вопросы радиоэлектроники, 2/2020

Техника СВЧ

15 0 y –30 30 0y 30 0y 30 0y
30 E 60 –30 60 –30
60 H –30 H
–60 –45E
–60 –60
–60 60

90 –20 –5 –90 90 –20 –5 –90 90 –20 –5 10–9z0 90 –20 –5 10–9x0
10 z 10 x

120 –120 120 –120 120 –120 120 –120
150 150
–150 150 –150 –150 150 –150
180 180 180 180
б)
а)

3430 0y 30 0y 30 0 y –12 30 0y
60 –30 –30 60 –30 60 –30
H E H
E
–60 –60 –60
–60 60

90 –20 –5 10–9z0 90 –20 –5 10–9x0 90 –20 –5 10–9z0 90 0 5 10–9x0

120 –120 120 –120 120 –120 120 –120

150 –150 150 –150 150 –150 150 –150
180 180 180 180

в) г)

Рисунок 11. Диаграммы направленности фазированной антенной решетки в E- и Н-плоскостях
на входах со следующими номерами: а – ​один; б – д​ ва; в – три; г – ч​ етыре

влияния на форму диаграмм в «верхней» – ​рабочей от  использования модифицированных дифферен‑
(рис. 9, y > 0) полусфере. циальных фазовращателей в  проектировании че‑
тырехлучевой ФАР. Наихудшее значение входного
Сопоставление полученных результатов с  дан‑ коэффициента отражения в рабочей полосе частот
ными других авторов свидетельствует о  том, что 2–2,4 ГГц составило –11 дБ по первому входу. Не‑
углы отклонения лучей ФАР, их коэффициенты равномерность затухания сигналов на  входах ан‑
усиления и уровни боковых лепестков не хуже опу‑ тенного полотна составила –6,2 ± 0,6 дБ, а расфа‑
бликованных в работах [5–9]. В то же время относи‑ зировка не превысила 8° от номинальных значений.
тельная полоса рабочих частот лучей спроектиро‑ В итоге можно заключить, что модифицированные
ванной ФАР на 13–16% больше (значение зависит печатные фазовращатели вполне результативно
от номера луча), чем у матриц Батлера и антенных применены в  конструкции четырехлучевого диа‑
решеток, описанных в работах [5–9]. граммообразующего устройства, что позволяет
считать перспективным их использование при про‑
Заключение ектировании ФАР с  большим числом лучей (диа‑
Полученные в  работе результаты свидетель‑ грамм направленности).
ствуют о  достижении положительного эффекта

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток / под ред. Д. И. Воскресенского. 4-е
изд. М.: Радиотехника, 2012. 744 с.

2. Balanis C. A. Antenna theory: analysis and design. 4th ed. New Jersey, Wiley & Sons, 2016. 1072 p.
3. Горбачев А. П., Паршин Ю. Н. Печатная дипольная 8-лучевая антенная решетка с диаграммообразующей матрицей

Батлера на связанных полосковых линиях // Вопросы радиоэлектроники. 2019. № 4. C. 65–70.
4. Патент СССР на изобретение № 1334221 / 30.08.1987. Бюл. № 32. Горбачев А. П. Полосковый фазовращатель.
5. Gandini E., Ettorre M., et al. A lumped-element unit cell for beam-forming networks and its application to a miniaturized Butler

matrix // IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 2013. Vol. 61. No. 4. P. 1477–1487.
6. Lin T.-H., Hsu S.-K., Wu T.-L. Bandwidth enhancement of 4×4 Butler matrix using broadband forward-wave directional

coupler and phase difference compensation // IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 2013. Vol. 61. No. 12.
P. 4099–4109.

vre.instel.ru 43

Техника СВЧ

7. Wincza K., Gruszczynski S. Broadband integrated 8х8 Butler matrix utilizing quadrature couplers and Schiffman phase
shifters for multibeam antennas with broadside beam // IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 2016. Vol. 64.
No. 8. P. 2596–2604.

8. Chu H. N., and Ma T.-G. An extended 4×4 Butler matrix with enhanced beam controllability and widened spatial coverage //
IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 2018. Vol. 66. No. 3. P. 1301–1311.

9. Bantavis P. I., Kolitsidas C. I., et al. A cost-effective wideband switched beam antenna system for a small cell base station //
IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2018. Vol. 66. No. 12. P. 6851–6861.

10. B utler J. L., Lowe R. Beam-forming matrix simplifies design of electronically scanned antennas // Electronic Design. 1961.
Vol. 9. No. 4. P. 170–173.

11. Справочник по элементам полосковой техники / под ред. А. Л. Фельдштейна. М.: Связь, 1979. 336 с.
12. Б ахарев С. И., Вольман В. И. и др. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств. М.: Радио

и связь, 1982. 328 с.
13. K olundzija B. M., et al. WIPL-D: Microwave circuit and 3D EM simulation for RF and microwave applications. Norwood, MA,

Artech House, 2005. 414 p.
14. Алексеев В. Г., Гриднев В. Н. и др. Технология ЭВА, оборудование и автоматизация. М.: Высшая школа, 1984. 528 с.
15. Балакирев М. В., Вохмяков Ю. С. и др. Радиопередающие устройства. M.: Радио и связь, 1982. 257 с.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Горбачев Анатолий Петрович, д. т. н., профессор, Новосибирский государственный технический университет, Россий‑
ская Федерация, 630073, Новосибирск, пр-т Карла Маркса, д. 20, тел.: 8 (913) 761‑91‑08, e-mail: [email protected].
Паршин Юрий Николаевич, аспирант, Новосибирский государственный технический университет, Российская Фе‑
дерация, 630073, Новосибирск, пр-т Карла Маркса, д. 20; инженер-электроник, АО «НПО «Научно-исследовательский
институт измерительных приборов – Н​ овосибирский завод имени Коминтерна», Российская Федерация, 630015, Ново‑
сибирск, ул. Планетная, д. 32, тел.: 8 (965) 829‑12‑41, e-mail: [email protected].

For citation: Gorbachev A. P., Parshin Yu. N. Printed four-beam phased antenna array with modified differential phase shifters. 
Issues of radio electronics, 2020, no. 2, pp. 38–45.
DOI 10.21778/2218-5453-2020-2-38-45

A. P. Gorbachev, Yu. N. Parshin

PRINTED FOUR-BEAM PHASED ANTENNA ARRAY WITH MODIFIED DIFFERENTIAL
PHASE SHIFTERS

The paper presents the results of designing a four-beam phased antenna array using a Butler matrix. The matrix itself is made
on the basis of three-decibel directional couplers and modified phase shifters. The novelty of the proposed development is due
to the greater broadband of the patented strip phase shifters, which, in turn, is determined by the more stable in the frequency
range nature of the electromagnetic interaction of the two conductors associated with each half of the printed ring resonator.
The use of symmetrical strip lines with a T-wave in taps and phase shifters removes the restrictions associated with the effect
of dispersion on the balance of electric and magnetic bonds in the areas of electromagnetic interaction of two parallel coupled
transmission lines. The basis for the construction of the device was a three-decibel directional coupler and a modified phase
shifter, which provide an acceptable bandwidth at a center frequency of 2.2 GHz. Based on a systematic approach to the design
of antenna arrays, the following key development stages were selected: a three-decibel directional coupler; a modified phase
shifter; a printed dipole radiator; matrix Butler 4×4; 4-beam phased antenna array. As a dielectric, two-sided foil-coated material
FAF‑4D with a dielectric constant of 2.5 with thicknesses of 0.3 mm and 1.5 mm was selected. NanoCAD5.1 was used to create
the topologies, and WIPL-D was used for modeling.

Keywords: Butler matrix, diagram-forming device, directional coupler

REFERENCES

1. Voskresensky D. I., editor. Proektirovanie fazirovannykh antennykh reshetok [Microwave devices and antennas. Designing
phased antenna arrays]. 4th ed. Moscow, Radiotekhnika Publ., 2012, 744 p. (In Russian).

2. Balanis C. A. Antenna theory: analysis and design. 4th ed. New Jersey, Wiley & Sons, 2016, 1072 p.
3. Gorbachev A. P., Parshin Yu. N. Printed dipole 8-beam antenna array with chart-forming matrix Butler on connected strip lines.

Voprosy radioelektroniki, 2019, no. 4, pp. 65–70. (In Russian).
4. Patent RUS No. 1334221 / 30.08.1987. Byul. № 32. Gorbachev A. P. Stripe phase shifter.
5. Gandini E., Ettorre M., et al. A lumped-element unit cell for beam-forming networks and its application to a miniaturized Butler

matrix. IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, 2013, vol. 61, no. 4, pp. 1477–1487.
6. Lin T.-H., Hsu S.-K., Wu T.-L. Bandwidth enhancement of 4×4 Butler matrix using broadband forward-wave directional coupler

and phase difference compensation. IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, 2013, vol. 61, no. 12, pp. 4099–
4109.
7. Wincza K., Gruszczynski S. Broadband integrated 8х8 Butler matrix utilizing quadrature couplers and Schiffman phase
shifters for multibeam antennas with broadside beam. IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, 2016, vol. 64,
no. 8, pp. 2596–2604.

44 Вопросы радиоэлектроники, 2/2020

Техника СВЧ

8. Chu H. N., and Ma T.-G. An extended 4×4 Butler matrix with enhanced beam controllability and widened spatial coverage.
IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, 2018, vol. 66, no. 3, pp. 1301–1311.

9. Bantavis P. I., Kolitsidas C. I., et al. A cost-effective wideband switched beam antenna system for a small cell base station.
IEEE Trans. on Antennas and Propagation, 2018, vol. 66, no. 12, pp. 6851–6861.

10. B utler J. L., Lowe R. Beam-forming matrix simplifies design of electronically scanned antennas. Electronic Design, 1961,
vol. 9, no. 4, pp. 170–173.

11. F eldstein A. L., editor. Spravochnik po elementam poloskovoi tekhniki [Reference on the elements of strip technology].
Moscow, Svyaz Publ., 1979, 336 p. (In Russian).

12. B akharev S. I., Volman V. I., et al. Spravochnik po raschetu i konstruirovaniyu SVCh poloskovykh ustroistv [Handbook for the
calculation and design of microwave strip devices]. Moscow, Radio i svyaz Publ., 1982, 328 p. (In Russian).

13. K olundzija B. M., et al. WIPL-D: Microwave circuit and 3D EM simulation for RF and microwave applications. Norwood, MA,
Artech House, 2005, 414 p.

14. A lekseev V. G., Gridnev V. N., et al. Tekhnologiya EVA, oborudovanie i  avtomatizatsiya [Computer technology, equipment
and automation]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1984, 528 p. (In Russian).

15. B alakirev M. V., Vokhmyakov Yu. S., et al. Radioperedayushchie ustroistva [Radio transmitting devices]. Moscow, Radio
i svyaz Publ., 1982, 257 p. (In Russian).

AUTHORS

Gorbachev Anatoliy, D. Sc., professor, Novosibirsk State Technical University, 20, Karl Marx Ave., Novosibirsk, 630073,
Russian Federation, tel.: +7 (913) 761‑91‑08, e-mail: [email protected].
Parshin Yuriy, postgraduate student, Novosibirsk State Technical University, 20, Karl Marx Ave., Novosibirsk, 630073, Russian
Federation; engineer, JSC NPO Scientific and Research Institute of Measurement Instrumentation – ​Novosibirsk Plant named after
the Komintern, 32, Planetnaya St., Novosibirsk, 630015, Russian Federation, tel.: +7 (965) 829‑12‑41, e-mail: [email protected].

vre.instel.ru 45

Управление, организация и экономика

Для цитирования: Петрушевская А. А., Алешкин Н. А. Модель оптимизации процесса управления производством
радиоэлектронных изделий // Вопросы радиоэлектроники. 2020. № 2. С. 46–50.
DOI 10.21778/2218-5453-2020-2-46-50
УДК. 658.5

А. А. Петрушевская1, Н. А. Алешкин1

1 Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения

МОДЕЛЬ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА
УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВОМ
РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗДЕЛИЙ

В статье представлена модель оптимизации процесса управления производством радиоэлектронных изделий,
которая обеспечивает сокращение доли бракованной продукции благодаря применению интернета вещей
и средств межмашинного интеллектуального взаимодействия компонентов оборудования. Внедрение технологи-
ческих инноваций в производство электроники обусловлено необходимостью снижения затрат на предотвраще-
ние и  устранение брака готовой продукции, а  также достижения большей надежности продукции. Устранение
дефектов на ранних этапах (при нанесении паяльной пасты и т. д.), которые в дальнейшем могут привести к по-
явлению брака конечной продукции, является менее затратным процессом, чем устранение неисправности ко-
нечной сборки. Реализация модели способствует повышению результативности производственного процесса
за счет создания комплекса открытой архитектуры с внедрением элементов концепции киберфизических систем
в технологическую линию автоматического монтажа печатных плат.

Ключевые слова: цифровое производство, автоматический монтаж радиоэлектроники, технологические инно-
вации, межмашинное взаимодействие, процессная модель

Введение Актуальность темы исследования подтверждается
Актуальность совершенствования существую‑ разработкой серии предварительных националь‑
щих и создания перспективных средств управления ных стандартов в  области «Умного производства»
процессами изготовления радиоэлектроники под‑ техническим комитетом «Киберфизические си‑
тверждена включением направления систем авто‑ стемы» совместно со  Всероссийским институтом
матизированного и интеллектуального управления сертификации при поддержке Министерства про‑
в  стратегию развития электронной промышленно‑ мышленности и торговли РФ.
сти Российской Федерации на  период до  2030 г.,
утвержденную распоряжением правительства Реализация интернета вещей при осущест-
от 17 января 2020 г. № 20-р. Базовой задачей стра‑ влении автоматического монтажа печатных плат
тегии является создание конкурентоспособной от‑
расли на  основе развития научно-технического Состав производственного оборудования, как
и  кадрового потенциала, оптимизации и  техниче‑ правило, остается соответствующим базовой
ского перевооружения производственных мощно‑ структуре, и повышение результативности процес‑
стей, создания и  освоения новых промышленных сов достигается за  счет совершенствования тех‑
технологий, а  также совершенствования норма‑ нологии и  процессов управления автоматическим
тивно-правовой базы для удовлетворения потреб‑ монтажом печатных плат. Совершенствование
ностей в современной электронной продукции [1]. и  миниатюризация радиоэлектронной компонент‑
Действительно, большинство предприятий ной базы предъявляют новые требования к произ‑
на рынке активно инвестируют в создание «умного водственному оборудованию, а  также к  программ‑
производства». Изменения касаются практически ным комплексам, обеспечивающим оптимальное
всех аспектов работы: увеличиваются производ‑ функционирование производственных процессов.
ственные мощности, устанавливается современ‑ Человеческий фактор, а  также отсутствие учета
ное оборудование, автоматизируются процессы взаимного влияния частей технологической линии
управления производством и качеством продукции. являются в  условиях решения указанной задачи
В  целом развитие и  интеллектуализация промыш‑ непрогнозируемыми негативными факторами не‑
ленного производства поддерживаются на государ‑ определенности производственного процесса (ПП)
ственном уровне, поскольку потребность в  совре‑ ввиду большой вероятности наступления брака.
менной электронике будет только увеличиваться. Реализация направления интернета вещей, в  том
числе прогнозного моделирования, установки

46 Вопросы радиоэлектроники, 2/2020

Управление, организация и экономика

современных датчиков, которые отслеживают про‑ Оптимизация ТП изготовления радиоэлек-
изводительность линии и  идентифицируют этапы, троники в  условиях применения интернета ве-
когда требуется вмешательство, способствует оп‑ щей и межмашинного взаимодействия
тимизации времени и  повышению результативно‑
сти ПП. Оптимизация работы системы управления мо‑
жет достигаться за счет введения средств межма‑
Особую роль в  развитии концепции интернета шинного интеллектуального взаимодействия (МИВ)
вещей играют интеллектуальные решения и  тех‑ компонентов оборудования. Интеллектуальная са‑
нологические инновации (ТИ) с  использованием мообучающаяся система внедряется на следующих
межмашинного взаимодействия. Новые возмож‑ этапах:
ности для обеспечения качества радиоэлектрон‑
ной продукции открываются как на основе все бо‑ • после нанесения паяльной пасты (applying solder
лее полной цифровизации производства, так и при paste) – ​SPI SP;
переходе к полному цифровому жизненному циклу
продукции. • после установки компонентов (component
installation) – S​ PI CP;
Базовая структура цифровой линии производ‑
ства радиоэлектроники представлена следующими • после печи оплавления и  нанесения лазерной
этапами [2]: маркировки (automatic optical inspection) – A​ OI;

• загрузка печатных плат; • рентгеновский контроль монтажа (x-ray inspection
• трафаретная печать; of installation) – A​ XI.
• проверка паяльной пасты;
• загрузка и установка компонентов; Критериями оценивания качества продукции
• оплавление; на этапах до и после проверки паяльной пасты и ав‑
• лазерная маркировка; томатической оптической инспекции могут быть
• автоматическая оптическая инспекция. покрытие площадки паяльной пастой, наполнение
объема трафарета, соблюдение формы отверстия
Поэтапное внедрение ТИ в ПП планируется при и наличие перемычек.
внедрении базы данных всех возникающих несо‑
ответствий во  время автоматического монтажа Одним из  обязательных условий применения
(рис. 1). такого метода является одновременный учет и от‑
слеживание дискретной и  непрерывной частей.
Для поэтапного внедрения ТИ в  линию автома‑ В большинстве задач управления процессами ряд
тического монтажа радиоэлектроники необходима переменных принимает дискретные значения по та‑
реализация комплекса мероприятий по  организа‑ ким причинам, как нестационарность, предельная
ции производства путем установки программных стоимость и  объемы номенклатуры, применение
средств и баз данных, осуществляющих прогноз со‑ аналогов [3]. Задачи смешанного целочисленного
стояния ПП и выявляющих возможные отклонения или дискретного линейного программирования
для их дальнейшей корректировки. имеют особый класс, моделирующий ситуацию
выбора подходящего варианта с  помощью логи‑
ческих операций. Одновременная оптимизация

Вход Этап 1 Этап 3 Group Этап 7 Выход
Загрузка Нанесение Автоматическая
печатных плат Этап 2 паяльной Этап 4 Этап 5 Этап 6
и компонентов Трафаретная Установка Оплавление Лазерная оптическая
пасты компонентов маркировка инспекция
печать

Fail Data store 47

База данных всех возникающих
дефектов во время ПП

Рисунок 1. Внедрение базы данных возникающих несоответствий при реализации
производственного процесса

vre.instel.ru

Управление, организация и экономика

дискретной и  непрерывной частей системы явля‑ где M – ​количество изделий; w – о​ бъем производ‑
ется первостепенной целью при решении задач ственных ресурсов; Giw – у​ становленное время выпу‑
этого класса. При работе с  подобными задачами ска изделия i; ziw – с​ корость производства изделия;
необходимо выполнить эквивалентные преобразо‑ cik – ​потребность в продукции (спрос); Jij – к​ оличе‑
вания, что приводит к значительному сокращению ство единиц изделий i, требующихся при производ‑
степени сложности и  упрощению их дальнейшего стве единиц изделий j; Ei  – в​ ременные интервалы
решения. при изготовлении изделий i (простои).

Смешанная задача оптимизации при нелинейно‑ Использование одновременного учета и  отсле‑
сти системы будет выглядеть следующим образом: живания дискретной и  непрерывной частей техно‑
логической линии позволит решить смешанную за‑
⎧Q( x, y) => min, дачу оптимизации при линейности и нелинейности
⎪⎨⎪⎪Jx системы управления, обеспечивая сквозное цифро‑
(x, y) ≤ 0, (1) вое проектирование ПП (рис. 2) [4–7].

∈X , Имитационная модель линии технологического
монтажа содержит библиотеки, представляющие
⎪⎩ y ∈Y , y ⊂ Z , собой основные этапы ПП изготовления электро‑
ники, которые посредством применения интернета
где Q(x, y)  – в​ ыпуклая функция максимально до‑ вещей и межмашинного взаимодействия позво‑
пустимых ресурсов y для производства изделий x; ляют осуществлять передачу данных о  состоянии
J(x, y) – ​выпуклая функция потребления ресурсов y процесса изготовления.
для производства x; X  – ​множественные значения
ресурсов; Y – ​множественные значения изделий. Заключение
Внедрение рассмотренных SPI/AOI/AXI, баз дан‑
Для корректного использования функции вве‑ ных (знаний), интернета вещей в процессную струк‑
дены следующие дополнительные условия: туру автоматического монтажа существенно (ориен‑
тировочно – ​с 2 до 0,5%) снижает долю бракованной
∑⎧ Jij x jk Iik , продукции. Реализация модели способствует по‑
вышению результативности ПП за  счет создания
⎪ j <i комплекса открытой архитектуры с  внедрением
I ik −1 + xik − Ei−cik − = элементов концепции киберфизических систем
в  технологическую линию. Модель предназначена
∑( )⎪ ≤ Cwk,
⎪ Gik yik + ziw xik
⎪
⎨ Z w (2)

⎪xik ≤ Hyik ; i = 1,…,M ; k = 1,…,K ,
⎪
⎪ xik I ik ≥ 0; i = 1,…,M ; k = 1,…,K ,

⎩⎪xik {0;1}; i = 1,…,M ; k = 1,…,K ,

Интегрируются: промышленный ID ID Интегрируются: промышленный
интернет вещей, большие интернет вещей, большие
данные, межмашинное Data store Data Data store Data данные, межмашинное
взаимодействие, object База данных object взаимодействие,
распределенные реестры распределенные реестры
Программа для ЭВМ
База данных Программа для ЭВМ

Вход Этап 1 Этап 3 Group Этап 7 Выход
Загрузка Нанесение Автоматическая
печатных плат Этап 2 паяльной Этап 4 Этап 5 Этап 6
и компонентов Трафаретная Установка Оплавление Лазерная оптическая
пасты компонентов маркировка инспекция
печать

Fail Data store База данных Программа для ЭВМ 3D X-Ray inspection Интегрируются: промышленный
Data store Дополнительный интернет вещей, большие
База данных всех возникающих Data контроль монтажа данные, межмашинное
дефектов во время ПП object взаимодействие,
(AXI) распределенные реестры
ID

Интегрируются: промышленный База данных Программа для ЭВМ
интернет вещей, большие Data store
данные, межмашинное Data
взаимодействие, object
распределенные реестры

ID

Рисунок 2. Программная реализация методики планирования и управления производственным
процессом изготовления радиоэлектроники

48 Вопросы радиоэлектроники, 2/2020