Способ регулирования задержки СВЧ-сигнала и реализующая его линия задержки
METHOD FOR CONTROLLING MICROWAVE SIGNAL DELAY AND DELAY LINE REALIZING IT

Группа изобретений относится к радиотехнике и может быть использована для задержки СВЧ-сигнала в диаграммообразующих устройствах антенных решеток.
Для задержки СВЧ-сигнала используются устройства на основе СВЧ-кабеля и полосковых линий. Однако при обеспечении длительного времени задержки кабельные линии задержки имеют значительные массу и габаритные размеры, а полосковые – значительное затухание.
Также для задержки СВЧ-сигнала используются устройства цифровой радиочастотной памяти (DRFM). В таком устройстве сигнал оцифровывается, в цифровом виде вносится задержка и выполняется цифроаналоговое преобразование сигнала в исходный диапазон частот. Для понижения частоты цифровой обработки на входе и выходе устройства DRFM могут использоваться преобразователи частоты. Однако, устройства DRFM имеют высокое минимально вносимое время задержки, необходимое для обработки сигнала, а также высокое энергопотребление, высокий уровень паразитных шумов и уязвимость к воздействию электромагнитных помех.
Поэтому для задержки СВЧ-сигнала также используются оптические линии задержки, которые по сравнению с кабельными линиями задержки при длительном времени задержки имеют малый вес и габариты. При этом для переноса сигнала из СВЧ-диапазона в оптический диапазон на входе оптической линии задержки используется электрооптический преобразователь, а для обратного переноса на выходе устанавливается оптоэлектронный преобразователь. Преобразователи имеют соответствующие частотные исполнения.
Известна оптическая управляемая линия задержки по патенту РФ на изобретение № 2016129874 от 21.07.2016, выполненная в виде намотанного на катушку световода из оптического волокна, изменением температуры которого осуществляется регулирование времени распространения в нем оптического сигнала. Катушка при этом размещена внутри герметичной тепловой трубы с рабочей жидкостью. Для управления температурой катушки оптического волокна используется электронная система терморегулирования с нагревательными элементами в виде плат Пельтье. Недостатками устройства являются значительные масса и габаритные размеры. Другим недостатком является высокая инерционность регулирования времени задержки, связанная с необходимостью изменения температуры и подвода рабочей жидкости к линии задержки.
Известна линия задержки (международный патент на изобретение WO2013178847 Sampled delay line от 31.05.2012), в которой для уменьшения массы и габаритных размеров используется многосердцевинное оптическое волокно. В нем входной сигнал поступает одновременно во все сердцевины и на выходе оптического волокна в различных сердцевинах приобретает различную задержку. Различные сердцевины имеют различный групповой показатель преломления мод и, соответственно, различную величину групповой задержки. Недостатком являются большие габариты используемых отрезков волокна для возможности регулирования задержки.
Линия задержки, реализуемая в патенте US005109449A Variable Optical Fiber Delay Line от 25.01.1991, содержит оптический передатчик, первичное волокно, оптический разветвитель, N штук вторичных волокон различной длины, N штук фотодиодов, схему управления фотодиодами, СВЧ волновод и СВЧ усилитель. В зависимости от величины требуемой задержки сигнал на выход поступает с соответствующего фотодиода. При этом остальные фотодиоды находятся в неактивном состоянии. Значительными недостатками данной реализации являются габариты (требуется реализовать N штук схем управления фотодиодами), а также ограниченное значение величин вносимых задержек в связи с ограниченным количеством используемых вторичных волокон.
0
0
0
0
0
g
g
0
0
0
0
0
0
Наиболее близким по реализации устройством, которое можно принять за прототип, является линия задержки на многосердцевинном оптическом волокне по патенту РФ на изобретение № 2626045 от 20.06.2016. Устройство в каждый момент времени вносит задержку проходящего через нее сигнала из заданного диапазона дискретных задержек: 0, τ, 2τ…Nτ, где τ – величина дискрета. Оптический сигнал, поступающий на вход, при одном из положений входного оптического переключателя вводится в канал, который представляет собой односердцевинное оптическое волокно малой длины и вносит пренебрежимо малую (нулевую) задержку. В другом положении входного переключателя сигнал вводится в односердцевинное оптическое волокно, после которого сигнал попадает в сердцевину многосердцевинного оптического волокна. Пройдя по сердцевине многосердцевинного оптического волокна, сигнал получает задержку τ= Ln/c, где L – длина многосердцевинного волокна, n – показатель преломления сердцевины многосердцевинного волокна, с – скорость света в вакууме. С помощью трехпортового оптического переключателя сигнал может быть подан либо на выход линии задержки (через короткое односердцевинное оптическое волокно), либо в следующую сердцевину многосердцевинного оптического волокна (также через односердцевинное оптическое волокно). После прохождения второй сердцевины многосердцевинного оптического волокна, сигнал приобретает задержку 2τ, и с помощью трехпортового оптического переключателя может быть подан либо на выход линии задержки, либо в третью сердцевину многосердцевинного оптического волокна. Аналогично могут быть получены задержки сигнала на время 3τ, 4τ, 5τ, 6τ…Nτ. Величина N равняется количеству используемых сердцевин волокна. На выходе линии задержки различные каналы объединяются с помощью оптического коммутатора, так что выходом переключаемой линии задержки является одно односердцевинное оптическое волокно. Все переключатели представляют собой трехпортовые оптические микроэлектромеханические переключатели (далее – MEMS-переключатели).
Недостаток прототипа заключается в необходимости использования оптических переключателей.
Так, при использовании оптических MEMS-переключателей, выбранных в качестве примера для реализации прототипа, время коммутации составляет приблизительно от 0,5 до 1 мс [1]. Соответственно, при регулировании задержки СВЧ-сигнала прототип не сможет обеспечивать дискретность задержки менее времени коммутации. Нижняя граница диапазона изменения задержки также не может быть менее времени коммутации.
Для коммутации оптического сигнала возможно также использование переключателей на основе твердотельных кристаллов, время коммутации которых – приблизительно до 300 нс [2]. Но такие переключатели имеют более высокую стоимость, что не позволяет их использовать при большом количестве переключателей.
Другой недостаток заключается в необходимости использования большого количества переключателей, которое равно количеству сердцевин в многосердцевинном оптическом волокне. При расширении диапазона формируемых задержек количество сердцевин, а, соответственно, и переключателей, возрастает. Это снижает надежность линии задержки.
Целью изобретения является обеспечение возможности регулирования величины задержки СВЧ-сигнала при обеспечении малых массы и габаритных размеров, уменьшении общего количества переключателей и без использования оптических переключателей.
Технический результат заключается в повышении надежности регулируемой линии задержки при уменьшении нижней границы диапазона изменения задержки и дискретности ее изменения.
Указанные цель и технический результат достигаются тем, что в линии задержки, содержащей массив из коммутируемых отрезков оптического волокна некратной длины, дополнительно содержатся последовательно соединенные входной коммутатор, электрооптический преобразователь, оптический разветвитель размерностью 1хN, массив из N отрезков оптического волокна, массив из N оптоэлектронных преобразователей, коммутатор размерностью Nx1 и выходной коммутатор, первый выход которого является выходом линии задержки, а второй выход соединен со вторым входом входного коммутатора, а также содержится устройство управления, выходы которого соединены со входами управления коммутаторов, причем выходы оптического разветвителя соединены с соответствующими входами массива из N отрезков оптического волокна, выходы массива из N отрезков оптического волокна соединены с соответствующими входами массива из N оптоэлектронных преобразователей, а выходы массива из N оптоэлектронных преобразователей соединены с соответствующими входами коммутатора размерностью Nx1.
На фигуре 1 представлена структурная схема линии задержки СВЧ-сигнала с возможностью регулирования времени задержки.
Сущность изобретения поясняется на примере линии задержки, которая содержит: 1 – входной коммутатор; 2 – электрооптический преобразователь; 3 – оптический разветвитель размерностью 1хN; 4 – массив из N отрезков оптического волокна некратной длины; 5 – массив из N оптоэлектронных преобразователей; 6 – коммутатор размерностью Nx1; 7 – выходной коммутатор; 8 – устройство управления.
а
d
с
a
a
b
a
1
N
11
1N
21
2N
11
1N
21
2N
1
N
а
b
a
а
c
b
b
d
d
a
b
c
i
i
g
i
g
i
i
Линия задержки СВЧ-сигнала работает следующим образом. Входной СВЧ-сигнал попадает на вход 1 входного коммутатора 1 (вход устройства), который по команде устройства управления 8, поступающей на вход 1, передаёт сигнал с выхода 1 на вход 2 электрооптического преобразователя 2. Электрооптический преобразователь 2 осуществляет перенос сигнала, поступающего на вход 2, в оптический диапазон и передает его на выход 2, который связан с входом 3 оптического разветвителя 3 размерностью 1xN. C выходов 3…3 оптического разветвителя 3 сигналы попадают на соответствующие входы 4…4 отрезков оптического волокна 4 некратной длины. Благодаря этому каждый отрезок обеспечивает разную задержку. С выходов 4…4 отрезков оптического волокна 4 сигналы попадают на соответствующие входы 5…5 массива оптоэлектронных преобразователей 5, которые переносят сигналы из оптического диапазона обратно в СВЧ-диапазон. Выходы 5…5 оптоэлектронных преобразователей соединены с соответствующими входами 6…6 СВЧ-коммутатора 6 размерностью Nx1, который передает сигнал с одного из входов на выход 6. Выбор входа и управление коммутатором 6 по входу 6 осуществляет управляющее устройство 8. C выхода 6 коммутатора 6 сигнал поступает на вход 7 коммутатора 7, который передает сигнал либо на выход 7, который является выходом устройства, либо на выход 7, с которого сигнал снова поступает на входной коммутатор 1 (на вход 1). Управление коммутатором 7 также осуществляет устройство управления 8 через вход 7. Величина задержки τ, на которую требуется задержать сигнал, поступает на вход 8 устройства управления 8. Для обеспечения этой задержки устройство управления 8 выполняет управление коммутаторами 1, 6, 7 через выходы 8, 8 и 8 соответственно. Таким образом, сигнал проходит через блоки 1-7 то количество раз, которое требуется для обеспечения необходимой задержки τ. Величина задержки t, которую вносит каждый отрезок волокна, определяется по формуле t = n⋅L/c, где n – показатель преломления сердцевины оптического волокна, L – длина i-ого отрезка оптического волокна, с – скорость света в вакууме. Сложение на выходе устройства различных комбинаций t позволяет получать различные итоговые величины задержек.
Для компенсации затухания, вносимого при преобразованиях сигнала из оптического диапазона в СВЧ-диапазон и обратно, используют усилители оптического и/или СВЧ-диапазона, устанавливаемые в соответствующие по частоте части тракта.
Коммутаторы 1, 6, 7 могут быть выполнены в виде монтируемых на плату микросхем электронных коммутаторов со временем коммутации, не превышающим время прохождения сигнала через блоки 1-7. Электрооптический преобразователь 2 может быть выполнен либо в виде диода в коаксиальном корпусе для монтажа на печатную плату, который обеспечивает достаточную полосу прямой модуляции входным сигналом, либо связкой лазерного диода и электрооптического модулятора в случае невозможности применения прямой модуляции оптического излучения СВЧ-сигналом. Управление рабочей точкой модулятора и термостабилизацией лазера может обеспечивать устройство управления 8 или другое устройство управления (на фиг. 1 не показано). Оптический разветвитель 3 может быть выполнен по планарной или сплавной технологии и должен обеспечивать наименьшее вносимое затухание оптического сигнала и равномерное разветвление входного оптического сигнала на все выходы. Количество выходных каналов определяется величиной массива отрезков оптического волокна 4, которые целесообразно выполнить в виде отрезков одномодовых волокон в защитном покрытии. Каждый отрезок оптического волокна может быть зафиксирован клеем, установкой в корпус с отдельной катушкой, намоткой на стойки печатной платы или другим способом. Для обеспечения наименьшей дискретности задержки, необходимо использовать малые длины отрезков волокна. В то же время для снижения количества переключений коммутаторов необходимо использовать хотя бы один длинный отрезок волокна. Итоговые длины отрезков определяются требуемым интервалом задержек и дискретностью переключения величины задержки. Оптоэлектронный преобразователь из состава массива 5 может быть выполнен в виде монтируемого на печатную плату pin-фотодиода или лавинного фотодиода и может содержать последовательно включенный электрический усилитель. Устройство управления 8 может быть выполнено на основе микроконтроллера, способного формировать сигналы управления с частотой, определяемой временем, необходимым для переключения коммутаторов, и диапазоном вносимых задержек. Величина задержки, которую должно обеспечить устройство, может задаваться по внешнему сигналу управления или генерироваться микроконтроллером по заданному алгоритму.
Электрооптический преобразователь 2, оптический разветвитель 3, массив отрезков оптического волокна 4 и массив оптоэлектронных преобразователей 5 должны быть согласованы по рабочим длине волны и мощности. Входящий в состав оптоэлектронного преобразователя усилитель должен компенсировать затухание, вносимое оптическими компонентами 2-5 и коммутаторами 1, 6, 7, а также обладать системой автоматической регулировки усиления (АРУ) для защиты коммутаторов 1, 6, 7 и электрооптического преобразователя 2. При невозможности компенсировать затухание усилителем оптоэлектронного преобразователя 5 необходимо использовать СВЧ-усилители с необходимым коэффициентом усиления и системой АРУ. Либо оптический усилитель с необходимым коэффициентом усиления, достаточным, чтобы компенсировать внесённое затухание и не перегрузить оптоэлектронные преобразователи 5. СВЧ-усилитель может быть расположен между входным коммутатором 1 и электрооптическим преобразователем 2, между оптоэлектронными преобразователями 5 и выходным коммутатором 6 (потребуется N штук СВЧ-усилителей), между выходными коммутаторами 6 и 7 или между выходным коммутатором 7 и входным коммутатором 1. СВЧ-усилители могут представлять собой микросхемы для монтажа на печатную плату. Оптический усилитель может располагаться между электрооптическим преобразователем 2 и оптическим разветвителем 3, между оптическим разветвителем 3 и массивом отрезков оптического волокна 4 (потребуется N штук оптических усилителей) или между массивом отрезков оптического волокна 4 и оптоэлектронными преобразователями 5 (потребуется N штук оптических усилителей). Оптический усилитель также может быть выполнен либо в виде отдельного модуля, либо в виде микросхемы для монтажа на печатную плату.
Таким образом, оптическая управляемая линия задержки СВЧ-сигнала может быть выполнена в виде единой печатной платы с элементами и набором отрезков оптического волокна некратной длины в защитном покрытии.
Список литературы
1. MEMS-переключатели фирмы Thorlabs
(https://www.thorlabs.de/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=1553)
2. Оптические переключатели фирмы Agiltron
(https://agiltron.com/category/fiber-optic-switches/nanospeed-fiber-optical-switches/)
3. Коммутатор фирмы Analog Devices
(https://www.analog.com/en/products/hmc347alp3e.html)