ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ СВЧ-ГЕНЕРАТОР (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области СВЧ-техники и может быть использована, в частности, при создании генераторов гармонических СВЧ-сигналов для измерительной СВЧ-техники, систем радиосвязи и радиолокации.
Известен СВЧ-генератор с цепью положительной обратной связи с выхода на вход [1], содержащий СВЧ-усилитель, выход которого электрически соединен с входом, полосового СВЧ-фильтра, вход которого электрически соединен с входом СВЧ-делителя, один из выходов которого электрически соединен с входом СВЧ-усилителя, а другой выход СВЧ-делителя является выходом СВЧ-генератора.
При использовании полосового СВЧ-фильтра с высокой добротностью в данном СВЧ-генераторе достигается низкое значение фазового шума. Однако при увеличении частоты генерации фазовый шум данного СВЧ-генератора увеличивается, так как, в общем случае, добротность полосовых СВЧ-фильтров уменьшается с увеличением частоты.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является оптоэлектронный СВЧ-генератор с цепью положительной обратной связи с выхода на вход на основе волоконно-оптической линии задержки [2], содержащий электрооптический преобразователь, выход которого оптически соединен с входом оптоэлектронного преобразователя с помощью отрезка оптического волокна, СВЧ-усилитель, вход которого электрически соединен с выходом оптоэлектронного преобразователя, полосовой СВЧ-фильтр, вход которого электрически соединен с выходом СВЧ-усилителя, СВЧ-делитель, вход которого электрически соединен с выходом полосного СВЧ-фильтра, а один из выходов электрически соединен с входом электрооптического преобразователя, другой же выход СВЧ-делителя является выходом оптоэлектронного СВЧ-генератора.
При использовании достаточно длинного отрезка оптического волокна в данном оптоэлектронном СВЧ-генераторе достигается низкое значение фазового шума, при этом величина фазового шума не увеличивается с ростом частоты генерируемого СВЧ-сигнала, так как добротность волоконно-оптической линии задержки остается постоянной. Однако в спектре СВЧ-сигнала, генерируемого данным оптоэлектронным СВЧ-генератором, присутствуют побочные моды с достаточно большой амплитудой.
Техническая задача полезной модели - уменьшение амплитуды побочных мод в спектре оптоэлектронного СВЧ-генератора при сохранении низкого значения фазового шума.
Вариант 1. Техническая задача решается тем, что в оптоэлектронном СВЧ-генераторе, содержащем электрооптический преобразователь и последовательно электрически соединенные оптоэлектронный преобразователь, СВЧ-усилитель, полосовой СВЧ-фильтр и СВЧ-делитель, один из выходов которого электрически соединен с входом электрооптического преобразователя, а другой выход является выходом оптоэлектронного СВЧ-генератора, введена, как минимум, одна рециркуляционная волоконно-оптическая линия задержки, содержащая волоконно-оптический разветвитель и отрезок оптического волокна, который соединяет один из входов волоконно-оптического разветвителя с одним из его выходов, другой вход и другой выход волоконно-оптического разветвителя являются входом и выходом рециркуляционной волоконно-оптической линии задержки и соединены соответственно с выходом электрооптического преобразователя и входом оптоэлектронного преобразователя, при этом длина отрезка оптического волокна должна быть более 3L, где L - длина когерентности оптического излучения электрооптического преобразователя.
Вариант 2. Техническая задача решается тем, что в оптоэлектронном СВЧ-генераторе, содержащем электрооптический преобразователь и последовательно электрически соединенные оптоэлектронный преобразователь, СВЧ-усилитель, полосовой СВЧ-фильтр и СВЧ-делитель, один из выходов которого электрически соединен с входом электрооптического преобразователя, а другой выход является выходом оптоэлектронного СВЧ-генератора, введена, как минимум, одна рециркуляционная волоконно-оптическая линия задержки, содержащая два волоконно-оптических разветвителя и три отрезка оптического волокна различной длины, причем первый и второй отрезки оптического волокна соединяют выходы первого волоконно-оптического разветвителя с входами второго волоконно-оптических разветвителя, а третий отрезок оптического волокна соединяет один из выходов второго волоконно-оптических разветвителя с одним из входов первого волоконно-оптических разветвителя, другой вход первого волоконно-оптических разветвителя и другой выход второго волоконно-оптических разветвителя являются входом и выходом рециркуляционной волоконно-оптической линии задержки и соединены соответственно с выходом электрооптического преобразователя и входом оптоэлектронного преобразователя, при этом длина каждого отрезка оптического волокна и разницы между длинами любых двух отрезков оптического волокна должны быть более 3L, где L - длина когерентности оптического излучения электрооптического преобразователя.
Совокупность указанных признаков приводит к уменьшению амплитуды побочных мод в спектре оптоэлектронного СВЧ-генератора при сохранении низкого значения фазового шума вследствие того, что рециркуляция модулированного по интенсивности оптического сигнала в волоконно-оптической линии задержки приводит к частотно-избирательной амплитудно-частотной характеристике рециркуляционной волоконно-оптической линии задержки, что приводит к ослаблению амплитуды сигналов на частотах побочных мод в спектре СВЧ-сигнала на выходе оптоэлектронного СВЧ-генератора.
Сущность полезной модели по варианту 1 поясняется Фиг.1, на которой изображена блок-схема оптоэлектронного СВЧ-генератора, где:
1 - электрооптический преобразователь;
2 - рециркуляционная волоконно-оптическая линия задержки;
3 - волоконно-оптический разветвитель;
4 - отрезок оптического волокна;
5 - оптоэлектронный преобразователь;
6 - СВЧ-усилитель;
7 - полосовой СВЧ-фильтр;
8 - СВЧ-делитель.
Сущность полезной модели по варианту 2 поясняется Фиг.2, на которой изображена блок-схема оптоэлектронного СВЧ-генератора, где:
9 - электрооптический преобразователь;
10 - рециркуляционная волоконно-оптическая линия задержки;
11 - первый волоконно-оптический разветвитель;
12 - второй волоконно-оптический разветвитель;
13 - первый отрезок оптического волокна;
14 - второй отрезок оптического волокна;
15 - третий отрезок оптического волокна;
16 - оптоэлектронный преобразователь;
17 - СВЧ-усилитель;
18 - полосовой СВЧ-фильтр;
19 - СВЧ-делитель.
Оптоэлектронный СВЧ-генератор по варианту 1 содержит электрооптический преобразователь 1, рециркуляционную волоконно-оптическую линию задержки 2, содержащую волоконно-оптический разветвитель 3 и отрезок оптического волокна 4, который соединяет один из входов волоконно-оптического разветвителя 3 с одним из его выходов, другой вход и другой выход волоконно-оптического разветвителя 3 являются входом и выходом рециркуляционной волоконно-оптической линии задержки 2 и соединены соответственно с выходом электрооптического преобразователя 1 и входом оптоэлектронного преобразователя 5; СВЧ-усилитель 6, вход которого электрически соединен с выходом оптоэлектронного преобразователя 5, полосовой СВЧ-фильтр 7, вход которого соединен с выходом СВЧ-усилителя 6, и СВЧ-делитель 8, вход которого соединен с выходом полосовой СВЧ-фильтра 7, а один из выходов электрически соединен с входом электрооптического преобразователя 1, другой выход СВЧ-делителя 8 является выходом оптоэлектронного СВЧ-генератора.
Оптоэлектронный СВЧ-генератор по варианту 2 содержит электрооптический преобразователь 9, рециркуляционную волоконно-оптическую линию задержки 10, содержащую два волоконно-оптических разветвителя 11, 12 и три отрезка оптического волокна 13, 14, 15 различной длины, причем первый 13 и второй 14 отрезки оптического волокна соединяют выходы первого волоконно-оптического разветвителя 11 с входами второго волоконно-оптических разветвителя 12, а третий отрезок оптического волокна 15 соединяет один из выходов второго волоконно-оптических разветвителя 12 с одним из входов первого волоконно-оптических разветвителя 11, другой вход первого волоконно-оптических разветвителя 11 и другой выход второго волоконно-оптических разветвителя 12 являются входом и выходом рециркуляционной волоконно-оптической линии задержки 10 и соединены соответственно с выходом электрооптического преобразователя 9 и входом оптоэлектронного преобразователя 16; СВЧ-усилитель 17, вход которого электрически соединен с выходом оптоэлектронного преобразователя 16, полосовой СВЧ-фильтр 18, вход которого соединен с выходом СВЧ-усилителя 17, и СВЧ-делитель 19, вход которого соединен с выходом полосовой СВЧ-фильтра 18, а один из выходов электрически соединен с входом электрооптического преобразователя 9, другой выход СВЧ-делителя 19 является выходом оптоэлектронного СВЧ-генератора.
Оптоэлектронный СВЧ-генератор по варианту 1 работает следующим образом. Источником первоначального СВЧ-сигнала является тепловой и дробовый шум. Электрооптический преобразователь 1 преобразует СВЧ-сигнал в модулированный по интенсивности оптический сигнал, который вводится в рециркуляционную волоконно-оптическую линию задержки 2. Волоконно-оптический разветвитель 3 разделяет оптический сигнал на две составляющие, одна из которых выводится из рециркуляционной волоконно-оптической линии задержки 2 и подается на вход оптоэлектронного преобразователя 5, а другая составляющая модулированного по интенсивности оптического сигнала задерживается в отрезке оптического волокна 4. Оптоэлектронный преобразователь 5 преобразует модулированный по интенсивности оптический сигнал в СВЧ-сигнал, который усиливается СВЧ-усилителем 6 для компенсации потерь в цепи положительной обратной связи с выхода на вход оптоэлектронного СВЧ-генератора. Полосовой СВЧ-фильтр 7 пропускает только одну гармоническую составляющую СВЧ-сигнала, соответствующую частоте генерации оптоэлектронного СВЧ-генератора. СВЧ-делитель 8 направляет часть гармонического СВЧ-сигнала на выход оптоэлектронного СВЧ-генератора, а другую часть направляет на вход электрооптического преобразователя 1. Длина отрезка оптического волокна 4 должна быть больше 3L, где L - длина когерентности оптического излучения электрооптического преобразователя 1, что обеспечивает сложение интенсивностей оптического сигнала (некогерентный режим) в волоконно-оптическом разветвителе 3. В этом случае амплитудно-частотная характеристика рециркуляционной волоконно-оптической линии задержки 2 становится частотно-избирательной, что приводит к ослаблению амплитуды сигналов на частотах побочных мод в спектре СВЧ-сигнала на выходе оптоэлектронного СВЧ-генератора.
Оптоэлектронный СВЧ-генератор по варианту 2 работает следующим образом. Источником первоначального СВЧ-сигнала является тепловой и дробовый шум. Электрооптический преобразователь 9 преобразует СВЧ-сигнал в модулированный по интенсивности оптический сигнал, который вводится в рециркуляционную волоконно-оптическую линию задержки 10. После распространения модулированного по интенсивности оптического сигнала в первом 13 и втором 14 отрезках оптического волокна, при достижении им второго волоконно-оптического разветвителя 12, происходит разделение модулированного по интенсивности оптического сигнала на две составляющие, одна из которых выводится из рециркуляционной волоконно-оптической линии задержки 10 и подается на вход оптоэлектронного преобразователя 16, а другая составляющая модулированного по интенсивности оптического сигнала направляется в третий отрезок оптического волокна 15 и после его прохождения с помощью первого волоконно-оптического разветвителя 11 вводится в первый 13 и второй 14 отрезки оптического волокна. Таким образом, часть модулированного по интенсивности оптического сигнала остается в рециркуляционной волоконно-оптической линии задержки 10. Оптоэлектронный преобразователь 16 преобразует модулированный по интенсивности оптический сигнал в СВЧ-сигнал, который усиливается СВЧ-усилителем 17 для компенсации потерь в цепи положительной обратной связи с выхода на вход оптоэлектронного СВЧ-генератора. Полосовой СВЧ-фильтр 18 пропускает только одну гармоническую составляющую СВЧ-сигнала, соответствующую частоте генерации оптоэлектронного СВЧ-генератора. СВЧ-делитель 19 направляет часть гармонического СВЧ-сигнала на выход оптоэлектронного СВЧ-генератора, а другую часть направляет на вход электрооптического преобразователя 9. Длины первого 13, второго 14 и третьего 15 отрезков оптического волокна должны быть различными, при этом длина каждого отрезка оптического волокна и разницы между длинами любых двух отрезков оптического волокна должны быть более 31, где L - длина когерентности оптического излучения электрооптического преобразователя 9, что обеспечивает сложение интенсивностей оптического сигнала (некогерентный режим) в первом 11 и втором 12 волоконно-оптических разветвителях. В этом случае амплитудно-частотная характеристика рециркуляционной волоконно-оптической линии задержки 10 становится частотно-избирательной, что приводит к ослаблению амплитуды сигналов на частотах побочных мод в спектре СВЧ-сигнала на выходе оптоэлектронного СВЧ-генератора.
3
Пример конкретного выполнения оптоэлектронного СВЧ-генератора по варианту 1 с частотой генерации 60 ГГц, фазовым шумом - 130 дБ/Гц на частоте отстройки от несущей 10 кГц и амплитудой побочных мод - 10 дБн. В качестве электрооптического преобразователя 1 используется лазерный модуль с внешней модуляцией на основе LiNbO электрооптического модулятора Маха-Цендера с полуволновым напряжением 3 В на частоте модуляции 60 ГГц, оптическими потерями 4 дБ и коэффициентом контрастности 30 дБ. В качестве источника излучения используется инжекционный InGaAsP/InP лазерный диод с распределенной обратной связью и оптоволоконным выводом, сохраняющим поляризацию, который генерирует оптическое излучение мощностью 30 мВт на длине волны 1550 нм и относительной интенсивностью шума - 160 дБ/Гц, при этом ширина линии генерации на полувысоте составляет 4 МГц, что приводит к длине когерентности оптического излучения порядка 16 м. В качестве отрезка оптического волокна используется стандартный одномодовый кварцевый волоконно-оптический кабель с оптическими разъемами. Длина отрезка оптического волокна 4 составляет 560 м. Волоконно-оптический разветвитель 3 имеет отношение разветвления на выход, оптически соединенный с оптоэлектронным преобразователем 5, к другому выходу, соединенному с отрезком оптического волокна 4, как 85%/15%. Оптоэлектронный преобразователь 5 представляет собой высокоскоростной InGaAsAnP p-i-n фотодиодный модуль с оптоволоконным вводом, который обладает токовой чувствительностью 0,6 А/Вт, предельной частотой 64 ГГц и сопротивлением нагрузки 50 Ом. В качестве СВЧ-усилителя 6 используется GaAs транзисторный усилительный модуль, обладающий коэффициентом усиления по напряжению 10 и коэффициент шума 2 на частоте 60 ГГц. В качестве полосового СВЧ-фильтра 7 используется фильтр на основе микрополосковых линий передачи, обладающий полосой пропускания 120 МГц и центральной частотой 60 ГГц. СВЧ-делитель 8 имеет коэффициент деления по мощности 50%/50%.
3
Пример конкретного выполнения оптоэлектронного СВЧ-генератора по варианту 2 с частотой генерации 60 ГГц, фазовым шумом - 140 дБ/Гц на частоте отстройки 10 кГц от несущей и амплитудой побочных мод - 135 дБ. Оптоэлектронный преобразователь 9 представляет собой лазерный модуль с внешней модуляцией на основе LiNbO электрооптического модулятора Маха-Цендера с полуволновым напряжением 3 В на частоте модуляции 60 ГГц, оптическими потерями 4 дБ и коэффициентом контрастности 30 дБ. В качестве источника излучения используется инжекционный InGaAsP/InP лазерный диод с распределенной обратной связью и оптоволоконным выводом, сохраняющим поляризацию, который генерирует оптическое излучение на длине волны 1550 нм мощностью 30 мВт и относительной интенсивностью шума - 160 дБ/Гц, при этом ширина линии генерации на полувысоте составляет 4 МГц, что приводит к длине когерентности оптического излучения порядка 16 м. В качестве отрезков оптического волокна используются стандартные одномодовые кварцевые волоконно-оптические кабели с оптическими разъемами. Длина первого отрезка оптического волокна 13 составляет 576 м, длина второго отрезка оптического волокна 14 составляет 256 м, длина третьего отрезка оптического волокна 19 составляет 56 м. Первый волоконно-оптический разветвитель 11 имеет отношение разветвления на выход, оптически соединенный с первым отрезком оптического волокна 13, к другому выходу, оптически соединенному с вторым отрезком оптического волокна 14, как 50%/50%. Второй волоконно-оптический разветвитель 12 имеет отношение разветвления на выход, оптически соединенный с оптоэлектронным преобразователем 16, к другому выходу, оптически соединенному с третьим отрезком оптического волокна 15, как 50%/50%. Оптоэлектронный преобразователь 16 представляет собой высокоскоростной InGaAs/InP p-i-n фотодиодный модуль с оптоволоконным вводом, который обладает токовой чувствительностью 0,8 А/Вт, предельной частотой 64 ГГц и сопротивлением нагрузки 50 Ом. В качестве СВЧ-усилителя 17 используется GaAs транзисторный усилительный модуль, обладающий коэффициентом усиления по напряжению 10 и коэффициент шума 2 на частоте 60 ГГц. В качестве полосового СВЧ-фильтра 18 используется фильтр на основе копланарных линий передачи, обладающий полосой пропускания 120 МГц и центральной частотой 60 ГГц. СВЧ-делитель 19 имеет коэффициент деления по мощности 50%/50%
Источники информации:
[1] Low phase noise oscillator / С.Lewis // United States Patent 6,489,853 - Dec.3, 2002.
[2] Opto-electronic oscillator having a positive feedback with an open loop gain greater than one / X.S.Yao, L.Maleki // United States Patent 5,723,856 - Mar.3, 1995.