Радиофотонный передающий тракт для передачи мощных широкополосных сигналов и эффективного возбуждения антенн
RADIO-PHOTONIC TRANSMITTING PATH FOR TRANSMISSION OF POWERFUL BROADBAND SIGNALS AND EFFICIENT EXCITATION OF ANTENNAE

Изобретение относится к радиофотонике, в том числе к технике передачи мощных широкополосных радиосигналов по волоконно-оптическим линиям связи к антеннам и антенным решеткам. Техническим результатом является расширение сферы применения радиофотонного передающего тракта за счет обеспечения возможности применения в РЛС, использующих сигналы различной длительности, повышение КПД путем увеличения излучаемой мощности за счет согласования элементов радиотракта, повышение разрешающей способности РЛС по дальности, повышение надежности при эксплуатации и снижение стоимости при производстве радиофотонных антенн для РЛС. Для этого в радиофотонный тракт передачи мощных широкополосных сигналов введена дифференцирующая цепь, вход которой соединен с выходом фотодетектора, а выход соединен с излучающим элементом антенной решетки. 2 ил.
Изобретение относится к радиофотонике, в том числе к технике передачи мощных широкополосных радиосигналов по волоконно-оптическим линиям связи к антеннам и антенным решеткам.
Радиофотоника представляет собой новое направление совершенствования в том числе радиолокационных систем за счет осуществления большей части операций по формированию зондирующих и обработке принимаемых сигналов РЛС, в цифровом виде. При этом полностью перейти на цифру и оптический диапазон невозможно – в пространство должны излучаться мощные зондирующие аналоговые СВЧ-радиосигналы, и, соответственно, принимаемые РЛС сигналы также представляют собой аналоговые радиосигналы. Применение оптических локаторов на приземных трассах ограничено областью малых дальностей ввиду сильнейшей зависимости от метеоусловий среды распространения оптического излучения.
В этой связи ключевой проблемой создания радиофотонных РЛС является совершенствование узла, отвечающего за преобразование излучения мощного лазера оптического диапазона, промодулированного сигналом, полоса частот которого находится в СВЧ-диапазоне спектра ЭМИ в непосредственно в СВЧ-радиосигнал, предназначенный для излучения в качестве зондирующего радиосигнала РЛС.
Несмотря на обилие источников информации по радиофотонным РЛС, в том числе разрабатываемым в настоящее время в нашей стране, автору не удалось найти описаний технической реализации узлов преобразования («от оптики до СВЧ»), которые можно было бы указать в качестве аналогов.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому (прототипом), по мнению автора, является радиофотонный передающий тракт для передачи мощных широкополосных сигналов и эффективного возбуждения антенн [1]. Целью изобретения являлось повышение КПД, максимально достижимой мощности, широкополосности (расширение мгновенной полосы передаваемых частот), повышение идентичности каналов, улучшение температурной и временной стабильности, получение энергетической независимости антенн, а также повышение эффективности их возбуждения. Для этого в радиофотонный тракт передачи мощных широкополосных сигналов введен оптический разветвитель, оптическая линия задержки и антенны, причем радиочастотный модулирующий сигнал одновременно с током от источника смещения подается на вход лазера, оптический выход которого соединен с входом волоконно-оптической линии, выход которой соединен с симметричным оптическим разветвителем, оптические выходы которого соединены с оптическими входами первого и второго фотодетекторов, включенных по дифференциальной схеме и работающих в фотовольтаическом (фотогальваническом, т.е. без подачи питания на приборы) режиме, причем на оптический вход второго фотодетектора сигнал подается через оптическую линию задержки, обеспечивающую задержку сигнала на длину импульса по основанию на выходе первого фотодетектора, электрические выходы фотодетекторов являются двухтактными выходами широкополосного радиофотонного передающего тракта, работающего в классе АВ, нагрузкой которого являются антенны.
Автор прототипа отдает отчет, что спектр формируемого на выходе фотодетектора однополярного сигнала представлен в большей своей части постоянной составляющей электрического тока, не пропускаемой антенной на излучение и снижающей КПД устройства (чтобы радиосигнал мог быть излучен, интеграл от функции, описывающей этот сигнал, по времени его существования, должен быть равен нулю).
Однако для обеспечения гальванической развязки с антенной автор прототипа пошел длинным путем: использованием второго такого же фотодетектора, причем включив его в противоположной полярности и параллельно первому, не подавая на них напряжения питания (гальванический, он же вольтаический, в терминологии автора прототипа, режим), используя другие также вводимые элементы, при помощи которых оптический сигнал на второй фотодетектор начинает поступать с задержкой, равной длительности формируемого первым фотодетектором на выходе электрического сигнала. В результате первый положительный импульс плавно переходит во второй отрицательный импульс. Биполярные импульсы уже эффективно излучаются в пространство, чем и достигаются заявленные автором прототипа цели изобретения.
Вместе с тем прототипу характерны следующие недостатки:
а) Задержка оптической линией задержки всегда постоянна и определяется длиной оптоволоконной линии от одного выхода оптического разветвителя до входа второго фотодетектора за вычетом длины оптоволоконной линии от другого выхода оптического разветвителя до входа первого фотодетектора. Это обстоятельство накладывает серьезное ограничение вплоть до полной невозможности использования прототипа в РЛС. В современной РЛС длительность зондирующего сигнала меняется в реальном масштабе времени от самой продолжительной при обнаружении удаленных целей до минимальной в интересах получения наибольшей разрешающей способности по дальности. Оперативно поменять длительность зондирующих импульсов не представляется возможным. Да и не в реальном масштабе времени, учитывая, что современные антенные решетки состоят из нескольких тысяч ячеек излучателей, замена всех ячеек излучателей сопряжена с высокой стоимостью и трудоемкостью этой работы.
Более того. Автор, судя по фиг.1 б), полагает, что половина двухполярного импульса будет как раз равна длительности оптического импульса. Но, судя по [2], это далеко не так. При переводе фотодетекторов из фотодиодного режима в фотогальванический (вольтаический) ухудшаются частотные характеристики фотодетекторов, возрастает постоянная времени приборов по сравнению с их использованием в фотодетекторном режиме [1, С.27], что физически объясняется отсутствием ускоряющего потенциала для электронов, выбитых фотонами. В этой связи утверждение автора прототипа о достижении более высокой широкополосности при использовании двух фотодетекторов в вольтаическом режиме не соответствует действительности. Поэтому в фотогальваническом (вольтаическом) режиме длительность формируемых импульсов фактически не будет зависеть от длительности оптического сигнала и будет определяться внутренними процессами, меняющимися от образца к образцу.
Да и это еще не все. Если задержка начала работы второго прибора по каким-то причинам изменится, то при уменьшении задержки какую-то часть времени будут работать оба прибора, при этом устройство-прототип выдаст на антенну вдвое увеличенный и сильно зашумленный сигнал; либо при увеличении задержки произойдет резкое снижение КПД устройства, поскольку двухполярный импульс превратится в совокупность разделенных по времени однополярных импульсов, в отдельности обладающих низкой эффективностью в отношении возбуждения излучающего антенного элемента.
Ну и наконец. Даже если разнополярные импульсы будут формироваться штатно, само положение «нуля» будет нестабильно – складываются сигналы от двух приборов, каждый из которых шумит: пусть матожидание и равно нулю, но дисперсия увеличилась в результате такого вычитания вдвое, что, в итоге, приведет к формированию сильно зашумленного зондирующего сигнала радиофотонной антенной.
б) Судя по описанию прототипа, автор не озаботился согласованием прохождения радиоизлучения от выходов фотодетекторов, через коаксиальные радиочастотные фидеры (судя по фиг. 3 прототипа – они присутствуют) до антенных излучателей. На всем пути прохождения СВЧ-сигнала должно соблюдаться согласование импедансов – равенство выходного сопротивления фотодиодов, волнового сопротивления радиочастотных фидеров и волнового сопротивления антенных излучателей. В противном случае формируются стоячие волны, коэффициент стоячих волн (КСВ) будет превышать коэффициент бегущих волн (КБВ), что приведет к ухудшению условий согласований – формируемые стоячие волны приведут и разогреву фидеров и антенны, а доля излучаемой антенной в пространство мощности будет незначительной. При использовании уникальных или проприетарных конструкций антенных излучателей необходимо использовать компьютерную программу Antenna magus, позволяющую произвести полный расчет антенных элементов произвольной конфигурации, включая расчет согласования импедансов.
в) Вызывает недоумение приведение автором прототипа информации о достигнутом увеличении коэффициента направленного действия антенны в 9,5 раз. Следует отметить, что для правильно спроектированной антенны, работающей в СВЧ-диапазоне длин волн электромагнитного излучения, коэффициент ее направленного действия вообще не зависит от параметров используемого СВЧ-сигнала. Расчет указанной характеристики антенны также целесообразно производить с использованием указанного выше приложения Antenna magus.
г) Формирование коротких зондирующих импульсов СВЧ-диапазона путем преобразования оптического излучения лазера будет прежде всего востребовано в прецизионных РЛС распознавания воздушных целей на основе разрешения совокупности т.н. «блестящих точек» (БТ), составляющих отраженный от летательного аппарата радиосигнал. Взаимное положение в пространстве и индикатриса рассеяния отдельной БТ для каждого типа летательного аппарата характеризуется постоянством, что позволяет с высокой степенью достоверности произвести распознавание типа обнаруженного РЛС летательного аппарата.
При этом необходимо иметь в виду, что увеличение продолжительности зондирующего сигнала в два раза приведет к ухудшению в два раза разрешающей способности по дальности радиофотонной РЛС, использующей прототип и соответствующему ухудшению качества распознавания.
д) Современные РЛС, обладающие возможностью быстрого переброса формируемой диаграммы направленности излучения от одного воздушного объекта к другому, основаны на использовании антенных решеток, в узлах которой находятся антенные излучатели. Общее количество излучателей может составлять несколько тысяч штук. Использование удвоенного количества фотодетекторов в каждом излучателе, в качестве которых предполагается использование импортных мощных фотодиодов типа UTC (Uni-Trevelling-Carrier) с оптимизированной областью поглощения [3], использование других оптических прецизионных элементов в каждом излучателе приведет не только к резкому удорожанию стоимости производства радиофотонной антенны РЛС, но и снижению ее надежности в процессе эксплуатации.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в расширении сферы применения радиофотонного передающего тракта за счет обеспечения возможности применения в РЛС, использующих сигналы различной длительности, повышение КПД путем увеличения излучаемой мощности за счет согласования элементов радиотракта, повышение разрешающей способности РЛС по дальности, повышение надежности при эксплуатации и снижение стоимости при производстве радиофотонных антенн для РЛС.
Для этого предлагается радиофотонная линия для передачи мощных широкополосных сигналов с единственной волоконно-оптической линией связи (ВОЛС) и единственным фотодетектором.
На фиг. 1 показана упрощенная схема радиофотонного передающего тракта.
Цифрами на фиг. 1 обозначены: 1 - лазер; 2 – ВОЛС; 3 – фотодетектор; 4 – дифференцирующая цепь (ДЦ). Входом устройства является электрический вход лазера 1 («Вход РЧ»); выходом устройства является выход ДЦ («К антенне»).
На фиг. 2 показаны эпюры радиосигнала на входе и на выходе ДЦ 4.
Принцип работы радиофотонного передающего тракта заключается в подаче исходного однополярного импульсного радиосигнала наносекундной длительности, предназначенного к передаче по радиофотонному тракту, на электрический вход лазера 1 («Вход РЧ»), модулируя оптическую мощность на его выходе от минимального околопорогового до максимальных значений. На выходе лазера 1 формируется мощный оптический импульс наносекундной длительности. Далее мощный передаваемый импульсный сигнал проходит через ВОЛС 2 и поступает на оптический вход мощного фотодетектора 3, на выходе которого возникает наносекундный однополярный электрический импульс, поступающий на вход ДЦ 4. Пусть, для определенности, полярность включения фотодетектора такова, что обеспечивает формирование положительного импульса, как это показано на фиг. 2. К выходу фотодиода подключен резистор для подачи напряжения смещения при работе в фотодиодном режиме, либо подачи нулевого потенциала для обеспечения работы фотодетектора в фотогальваническом (фотовольтаическом) режиме. ДЦ 4 представляет последовательно соединенные конденсатор и резистор, причем конденсатор подключен к радиосигнальному выходу фотодетектора 3, а не соединенный с конденсатором вывод резистора соединен с шиной нулевого потенциала. Выходом ДЦ 4 является точка соединения конденсатора и резистора, отмеченная на фиг. 1 надписью «К антенне». На выходе ДЦ 4 (фиг. 2), в результате осуществления операции дифференцирования, формируется двухполярный (двухлепестковый) радиоимпульс, причем длительность двухполярного (двухлепесткового) импульса, в отличие от прототипа, соответствует длительности исходного однополярного (однолепесткового) импульса. Если в прототипе начало формирования второго (отрицательного) лепестка – переход через ноль – соответствовало моменту завершения положительного лепестка, формируемого первым фотодетектором, что вдвое увеличивало продолжительность радиосигнала, то в заявляемом изобретении формируется двухполярный (двухлепестковый) сигнал, момент перехода через ноль которого соответствует максимуму (примерно половине по длительности) радиосигнала с выхода единственного фотодетектора 3, а окончание формируемого двухполярного сигнала с выхода ДЦ 4 соответствует окончанию радиосигнала на выходе фотодетектора 3 (фиг. 2).
Единый технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, одновременно выражается в следующем:
а) в расширении сферы применения радиофотонного передающего тракта за счет обеспечения возможности применения в РЛС, использующих сигналы различной длительности. Дифференцирующая цепь (ДЦ) производит обработку сигнала (дифференцирует сигнал) инвариантно по отношению к его длительности, в реальном масштабе времени, без задержки фронта сигнала и расширения его протяженности. Формируемые положительный и последующий отрицательный перепады равны по амплитуде, не содержат новых спектральных составляющих, идеально подходят с точки зрения их последующего излучения антенной. ДЦ, в отличие от фотодиода, не генерирует шумы;
б) в повышении, по сравнению с прототипом, разрешающей способности РЛС по дальности - увеличение продолжительности зондирующего сигнала в два раза в прототипе приведет к ухудшению разрешающей способности по дальности в два раза радиофотонной РЛС, использующей прототип распознавания целей и соответствующему ухудшению качества распознавания. Использование ДЦ в заявляемом изобретении позволяет сформировать двухполярный сигнал без увеличения длительности сигнала на выходе фотодетектора (фиг. 2);
в) в энергетической независимости режимов работы фотодетекторов: использование только одного фотодетектора в каждом излучателе не ограничивает его использование работой только в одном фотогальваническом (фотовольтаическом) режиме. Имеется возможность оперативно управлять положением рабочей точки при работе в фотодиодном режиме или даже режим работы фотодиодов сразу всех излучателей антенны, руководствуясь соображениями обеспечения достижения наилучшей разрешающей способности РЛС по дальности, наилучшего отношения сигнал/шум в принимаемом сигнале за счет минимизации шумов антенны, или, руководствуясь соображением экономии электроэнергии, перейти в фотогальванический (фотовольтаический) режим работы фотодатчиков, отключив общий для всех фотодетекторов источник напряжения смещения;
г) в повышении надежности при эксплуатации и снижение стоимости при изготовлении. Ввиду большого (несколько тысяч) количества излучателей, входящих в состав антенных решеток современных РЛС, снижение вдвое количества мощных фотодиодов и исключения используемых в прототипе прецизионных оптических элементов приведет к повышению надежности радиофотонной антенны РЛС в процессе эксплуатации и снижению стоимости производства радиофотонных антенн. Вводимые в предлагаемом изобретении резистор и конденсатор по сравнению с мощным фотодиодом являются более простыми и надежными элементами; проверка их исправности может быть осуществлена в режиме радиомаскировки – без выхода РЛС на излучение;
д) в повышении КПД путем увеличения излучаемой мощности за счет согласования элементов радиотракта – равенство волнового сопротивления (импеданса) на всем протяжении радиотракта от выхода фотодиода до антенного излучателя обеспечивает минимизацию КСВ и достижение максимально возможного значения КБВ.
Указанный единый технический результат при осуществлении изобретения (фиг. 1) достигается тем, что по сравнению с известным радиофотонным передающим трактом для передачи мощных широкополосных сигналов [1], являющимся, по мнению автора, прототипом к заявляемому, с общими признаками: наличием лазера 1, имеющего радиочастотный вход для амплитудной модуляции оптического излучения в соответствии с поступившим на радиочастотный вход СВЧ-сигналом, ВОЛС 2, фотодетектора 3, причем радиочастотный модулирующий сигнал подается на вход лазера 1, оптический выход которого соединен с входом волоконно-оптической линии 2, выход которой соединен с оптическим входом фотодетектора 3, введена ДЦ 4, представляющая собой последовательно соединенные конденсатор и резистор, причем конденсатор подключен к радиосигнальному выходу фотодетектора 3, не соединенный с конденсатором вывод резистора соединен с шиной нулевого потенциала, а с выхода ДЦ 4, которым является точка соединения конденсатора и резистора, широкополосный радиосигнал через радиочастотный фидер соединен с излучающим элементом антенной решетки.
В качестве мощных фотодетекторов могут быть использованы мощные фотодетекторы типа UTC (Uni-Trevelling-Carrier) с оптимизированной областью поглощения [3].
В качестве лазеров могут быть применены мощные квантоворазмерные гетеролазеры с непосредственной модуляцией [4].
Такие мощные квантоворазмерные гетеролазеры (с мощностью до нескольких десятков Вт) могут непосредственно промодулированы до частот в несколько ГГц [5].
В качестве конденсаторов ДЦ 4 целесообразно использовать керамические конденсаторы, обладающие хорошими частотными свойствами и крайне малыми токами утечки.
Поскольку изобретение обеспечивает полную гальваническую развязку фидера и антенного элемента с выходом фотодетектора, выходное сопротивление передающего тракта равно номиналу резистора ДЦ 4. Пусть волновое сопротивление (импеданс) излучающего антенного элемента равно волновому сопротивлению фидера и составляет 75 Ом. Тогда для обеспечения согласования элементов радиотракта выбираем номинал резистора ДЦ 4 равным также 75 Ом.
RC
сигн
RC
сигн
RC
сигн
Выбор номинала конденсатора осуществляем из следующих соображений. Последовательно соединенные конденсатор и резистор, причем конденсатор подключен к радиосигнальному выходу фотодетектора, не соединенный с конденсатором вывод резистора соединен с шиной нулевого потенциала, а с выхода дифференциальной цепи, которым является точка соединения конденсатора и резистора, мощный широкополосный радиосигнал через радиочастотный фидер поступает на излучающий элемент антенной решетки, будет осуществлять операцию дифференцирования сигнала по времени при выполнении условия: ф  < ф, где ф = RC – постоянная времени дифференцирующей цепочки, состоящей из конденсатора емкостью C и резистора сопротивлением R; ф – длительность однополярного электрического сигнала на выходе фотодетектора, при этом результат операции дифференцирования по времени формируется в точке соединения вторых выводов конденсатора и резистора. На практике вполне достаточно, если ф будет составлять значение, равное 0,3 от величины ф. Поскольку мы уже определились с выбором номинала резистора (75 Ом), найдем величину емкости конденсатора, учитывая, что наиболее жесткие условия с точки зрения выполнения приведенного выше неравенства определяются длительностью самых коротких радиоимпульсов, формируемых данной радиофотонной РЛС. Пусть длительность самых коротких формируемых этой РЛС радиоимпульсов равна 1 нс. Для таких условий номинал конденсатора, обеспечивающего дифференцирующие свойства ДЦ 4, составляет 4 пф (пикофарады).
RC
сигн
Следует иметь в виду, что слишком малое значение фпо сравнению с величиной ф, хотя и обеспечивает, с математической точки зрения, более качественное выполнение операции дифференцирования, тем не менее, снижает энергоэффективность устройства в целом. Дело в том, что ДЦ представляет собой фильтр высоких частот, и существенное занижение номинала конденсатора сверх расчетного приведет к снижению уровня средних частот, поступающих на антенный излучатель. Поэтому в случае, если радиофотонная РЛС предназначена для излучения радиосигналов в широчайшем диапазоне изменения их длительностей (например, от единиц наносекунд до сотен микросекунд), необходимо предусматривать меры адаптивного изменения постоянной времени ДЦ в соответствии с диапазоном длительностей используемых зондирующих сигналов (например, использовать электронные коммутаторы для параллельного подключения дополнительных конденсаторов в ДЦ).
Однако эта неуниверсальность не идет ни в какое сравнение с прототипом, работа которого не просто ограничена единственным возможным вариантом длительности формируемого радиосигнала – более того, необходимо экспериментально подбирать величину задержки поступления отрицательного лепестка радиосигнала; при этом недостаточно точный подбор величины задержки вызовет либо мощный шумовой выброс из-за частичного совмещения по времени работы обоих фотодетекторов, либо снижение КПД устройства, поскольку двухполярный импульс превратится в совокупность разделенных по времени однополярных импульсов, в отдельности обладающих низкой эффективностью в отношении возбуждения излучающего антенного элемента.
При этом, поскольку в составе каждого излучателя находится только один фотодетектор, мы не связаны необходимостью использования только фотогальванического (фотовольтаического) режима; оператор РЛС может оперативно изменять положение рабочей точки или даже режим работы фотодиодов сразу всех излучателей антенны, руководствуясь соображениями обеспечения достижения наилучшей разрешающей способности РЛС по дальности, наилучшего отношения сигнал/шум в принимаемом сигнале за счет минимизации шумов антенны. Или перейти в фотогальванический (фотовольтаический) режим работы фотодатчиков, отключив общий для всех фотодетекторов источник напряжения смещения, руководствуясь соображением экономии электроэнергии.
Таким образом, целесообразность использования предлагаемого в данном изобретении нового технического решения очевидна.
Источники информации:
1. Патент на изобретение RU 2674074 C1 (прототип).
2. Г.Г. Ишанин, В.П. Челибанов. Физические основы работы фотодиодов в фотогальваническом и фотодиодном режимах. – Известия ВУЗов. Приборостроение, 2012, т.55, № 4, с.22-28.
3. Li J., Xiong В., Luo Y., Sun С, Hao H., Wang J., Han Y., Wang L. and Li H. High-power, wide-bandwidth modified uni-travelingcarrier photodiodes with an optimized depletion region // Applied Physics Express. - 2016. - V. 9, No. 5, - http://dx.doi.org/10.7567/APEX.9.052203.
4. Винокуров Д.А., Зорина C.A., Тарасов И.С. и др. Мощные полупроводниковые лазеры на основе асимметричных гетероструктур раздельного ограничения // Физика и техника полупроводников. - 2005. - Т. 39, вып. 3 - с. 388-393.
5. Зайцев Д.Ф. Исследование частотного потенциала мощных квантоворазмерных гетеролазеров // Антенны. - 2013. - Вып. 8. - с. 50-57.