Радиофотонный СВЧ фильтр

Предлагаемая полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в системах телекоммуникаций и СВЧ-измерений в качестве перестраиваемого сверхвысокочастотного фильтра с малой полосой пропускания с возможностью точной перестройки полос пропускания.
Из существующего уровня техники известен СВЧ фильтр (Ezzedine Н., Billonnet L., Jarry В., Guillon P., Optimization of Noise Performance for Various Topologies of Planar Microwave Active Filters Using Noise Wave Techniques // IEEE transactions on microwave theory and technique, Vol. 46, N. 12, pp. 2484-2491, 1998), состоящий из последовательно включенных по кольцевой схеме линии задержки на основе микрополосковой линии передачи, нагруженной варакторами, СВЧ усилителя и двух встречно включенных делителей СВЧ мощности. СВЧ усилитель служит для компенсации потерь, возникающих в кольцевом фильтре. Встречно включенные делители мощности предназначены для ввода и вывода СВЧ мощности в фильтр. Коэффициент усиления усилителя не превышает суммарных потерь, возникающих внутри остальных элементов кольцевого фильтра. Недостатком такого фильтра является малый диапазон перестройки рабочих частот фильтра. Данный недостаток вытекает из выбранного способа перестройки рабочих частот фильтра путем изменения прилагаемым напряжением емкостей нагрузочных варакторов.
Из существующих публикаций известен фильтр СВЧ сигнала (Demidov V.E., Kalinikos В.A., Kovshikov N.G. and Edenhofer P., Active narrowband magnetostatic wave filter // Electronics Letters, Vol. 35, Iss. 21, pp. 1856-1857, 1999), состоящий из последовательно включенных по кольцевой схеме спин-волновой линии задержки, выход которой соединен со входом СВЧ-усилителя, выход которого соединен со входом спин-волновой линии задержки, находящейся в магнитной системе, между спин-волновой линией задержки и СВЧ усилителем располагаются два встречно включенных СВЧ направленных ответвителя. СВЧ усилитель служит для компенсации потерь, возникающих в кольцевом фильтре. Коэффициент усиления усилителя не превышает суммарных потерь, возникающих внутри остальных элементов кольцевого фильтра. Перестройка рабочих частот фильтра осуществляется за счет перестройки рабочей частоты частотозадающего элемента -спин-волновой линии задержки, путем изменения магнитного поля, создаваемого магнитной системой. Достоинствами вышеописанного фильтра являются возможность перестройки рабочих частот фильтра в широком диапазоне частот (более октавы) и высокая добротность - до 40000 (малая ширина полос пропускания). Недостатком данного фильтра является трудность точной перестройки частоты фильтра в диапазоне менее полосы пропускания фильтра. Данный недостаток обусловлен тем фактом, что перестройка полос пропускания такого фильтра возможна лишь за счет путем перестройки поля подмагничивания, создаваемого магнитной системой.
Наиболее близким по технической сущности заявляемому фильтру является активный кольцевой радиофотонный фильтр, описанный в (Vitko V.V., Nikitin А.А., Kondrashov A.V., Martynov M.I. and Ustinov A.B., Magnetically tunable high-Q spin-wave optoelectronic single-loop resonator // Journal of Physics: Conference Series, Vol. 929, p. 012028, 2017). Данный фильтр СВЧ сигнала включает в себя последовательно соединенные в кольцевую схему спин-волновую линию задержки, находящуюся в магнитной системе, выход которой соединен со входом СВЧ-усилителя, выход которого через два встречно включенных СВЧ направленных ответвителя, соединен с оптическим модулятором, модулирующим излучение лазера, к выходу модулятора подключена оптическая линия задержки, соединенная с фотодетектором, который соединен со входом спин-волновой линии задержки.
Оптическая линия задержки используется для того, чтобы увеличить крутизну фазо-частотной характеристики фильтра и тем самым увеличить его добротность (уменьшить ширину полос пропускания). СВЧ усилитель используется для компенсации потерь, возникающих в кольцевом фильтре. Коэффициент усиления усилителя не превышает суммарных потерь, возникающих внутри остальных элементов кольцевого фильтра. Перестройка рабочих частот фильтра в широком диапазоне осуществляется за счет перестройки рабочей частоты частотозадающего элемента - спин-волновой линии задержки, путем изменения магнитного поля, создаваемого магнитной системой. Достоинствами вышеописанного фильтра являются возможность перестройки рабочих частот фильтра в широком диапазоне частот (более октавы) и высокая добротность (до 1000000).
Данная известная конструкция прототипа имеет существенный недостаток, заключающийся в невозможности точной перестройки частот полос пропускания фильтра. Этот факт обусловлен тем, что спин-волновая линия задержки, используемая в данной конструкции, перестраивается путем изменения магнитного поля, создаваемого магнитной системой. Изменение магнитного поля всего на 1 Эрстед (или на 1/2000 от поля подмагничивания, описанного в Vitko V.V., Nikitin А.А., Kondrashov A.V., Martynov M.I. and Ustinov A.B., Magnetically tunable high-Q spin-wave optoelectronic single-loop resonator // Journal of Physics: Conference Series, Vol. 929 p. 012028, 2017) ведет к перестройке частоты фильтра на величину более 3 МГц, что превышает полосу пропускания фильтра, более чем в 2 раза. Кроме того, магнитная перестройка полос пропускания подобных систем носит "ступенчатый" характер, что делает невозможным плавную перестройку частоты (см. Никитин А.А., Калиникос Б.А. Теория перестраиваемого спин-волнового оптоэлектронного сверхвысокочастотного генератора // Журнал технической физики Т. 85, №. 9, С. 141-145, 2015).
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является создание высокодобротного перестраиваемого СВЧ фильтра с возможностью точной плавной перестройки частот полос пропускания.
Для решения поставленной задачи предлагаемая конструкция перестраиваемого СВЧ фильтра, так же как и известная конструкция прототипа, состоит из последовательно соединенных в кольцевую схему спин-волновой линии задержки, находящейся в магнитной системе, выход линии задержки соединен со входом СВЧ-усилителя, выход которого через два встречно включенных СВЧ направленных ответвителя соединен с оптическим модулятором, модулирующим излучение лазера, к выходу модулятора подключена оптическая линия задержки, соединенная с фотодетектором, который соединен со входом спин-волновой линии задержки, но в отличие от известного решения, лазер выполнен перестраиваемым, а в качестве оптической линии задержки используется дисперсионная оптическая линия задержки.
Технический результат заключается в создании возможности точной перестройки полос пропускания перестраиваемого сверхвысокочастотного фильтра с малой полосой пропускания. Данный результат достигается за счет того, что в конструкцию введены перестраиваемый лазер и дисперсионное оптическое волокно. Перестройка рабочей длины волны лазера ведет к изменению электрической длины дисперсионного оптического волокна. Таким образом, за счет изменения рабочей длины волны лазера возможна точная плавная перестройка резонансных частот кольцевого фильтра и, следовательно, его полос пропускания. При этом сохраняется возможность грубой перестройки рабочих полос пропускания фильтра в широком диапазоне частот путем изменения магнитного поля, создаваемого магнитной системой, а так же сохраняется высокая добротность (малая ширина полос пропускания).
Полезная модель иллюстрируется чертежами. На фиг. 1 приведена блок-схема полезной модели СВЧ фильтра. На фиг. 2 приведена магнитная перестройка рабочих частот СВЧ фильтра при различных длинах оптической линии задержки. На фиг. 3 приведены характеристики передачи СВЧ фильтра при изменении длины волны лазера. На фиг. 4 представлена перестройка частот полос пропускания СВЧ фильтра при изменении длины волны лазера.
Перестраиваемый СВЧ фильтр (см. фиг 1), содержит спин-волновую линию задержки, которая может быть выполнена в виде волновода спиновых волн, изготовленного из пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ) 1 с входной антенной спиновых волн 2 и выходной антенной спиновых волн 3. Спин-волновая линия задержки помещена в магнитную систему 4. Выход спин-волновой линии задержки соединен с со входом СВЧ-усилителя 5. Выход СВЧ-усилителя 5 через два встречно включенных СВЧ направленных ответвителя 6 и 7 соединен с оптическим модулятором 9, модулирующим оптическое излучение лазера 8, проходящее в оптоволоконную линию задержки 10, соединенную с фотодетоктором 11. Выход фотодетектора 11 соединен с входной антенной спиновых волн 2.
Принцип действия СВЧ фильтра основан на следующей последовательности процессов: входной СВЧ-сигнал через направленный ответвитель 7 подается на вход оптического модулятора 9 и модулирует оптическое излучение лазера 8. Модулированное СВЧ-сигналом оптическое излучение лазера поступает в оптическую линию задержки 10, соединенную с фото детектором 11. СВЧ-сигнал с выхода фотодетектора подается на входную антенну спин-волновой линии задержки 2. СВЧ сигнал, пройдя спин-волновую линию задержки, поступает на выходную антенну спиновых волн 3. Спин-волновая линия задержки, включающая в себя волновод спиновых волн 1, входную антенну спиновых волн 2, выходную антенну спиновых волн 3 находится внутри магнитной системы 4. СВЧ сигнал с выхода спин-волновой линии задержки поступает на СВЧ усилитель 5, который служит для компенсации суммарных потерь сигнала в схеме СВЧ фильтра. СВЧ-сигнал выводится из фильтра при помощи СВЧ направленного ответвителя 6. Перестройка резонансных частот осуществляется путем изменения величины поля подмагничивания, создаваемого магнитной системой 4, а также путем изменением длины волны излучения лазера 8. Достоинствами схемы фильтра являются возможность планарного исполнения его элементов, возможность реализации сверхвысокой добротности благодаря оптоволоконной линии задержки, а также возможность точной плавной перестройки полос пропускания.
Предлагаемая полезная модель относится к типу СВЧ-фильтров с управляемой линией задержки. Характеристика передачи для данного типа фильтра при условии полного согласования его элементов определяется выражением (Никитин А.А., Калиникос Б.А. Теория перестраиваемого спин-волнового оптоэлектронного сверхвысокочастотного генератора // Журнал технической физики Т. 85, №. 9, С. 141-145, 2015):
opt
opt
sw
sw
opt
opt
sw
sw
+
opt
opt
mw
mw
opt
sw
ω
где ξ(ω)=g-α(ω)l-α(ω)l - суммарные потери на распространение; g - коэффициент усиления усилителя; l - длина оптоволоконной линии задержки, а α(ω) - декремент пространственного затухания в ней; l - длина спин-волновой линии задержки, отсчитываемая от входной антенны до выходной антенны, а α() - декремент пространственного затухания спиновых волн. Ф=k(ω)l+k(ω)l - суммарный фазовый набег СВЧ-волн в оптоволоконной и спин-волновой линиях задержки; k(ω) - волновое число СВЧ-огибающей в оптоволоконном кабеле, а k(ω) - волновое число СВЧ сигнала, определяемое дисперсией спиновых волн.
0
Рассмотрим перестройку резонансных частот (центральных частот полос пропускания) фильтра путем измерения поля подмагничивания. При расчете использовались следующие параметры спин-волновой и оптоволоконной линий задержки: намагниченность насыщения М=139260 А/м (1750 Гс), напряженность внешнего магнитного поля, создаваемого магнитной системой Н=119366 А/м (1500 Э), толщина пленки ЖИГ 20 мкм, длина спин-волновой линии задержки 5 мм, полуширина линии ферромагнитного резонанса считалась равной 0.5 Э. Для наглядности во всех расчетах характеристик оптической линии задержки использовались параметры волоконно-оптического кабеля длиной 100 м. Для вышеперечисленных параметров добротность фильтра составила 54000. Отметим, что добротность фильтра можно увеличить до 1000000 путем увеличения длины оптоволоконной линии задержки.
При увеличении напряженности внешнего магнитного поля резонансные гармоники смещаются в область больших частот. Это происходит из-за сдвига по частоте дисперсионной характеристики спиновых волн. В зависимости от выбранной конфигурации возбуждающих антенн возможно получение различных характеристик передачи управляемого фильтра (Vitko V.V., Nikitin A.A., Kondrashov А.V., Martynov M.I. and Ustinov A.B., Magnetically tunable high-Q spin-wave optoelectronic single-loop resonator // Journal of Physics: Conference Series, Vol. 929 p. 012028, 2017).
На фиг. 2 показано, что перестройка резонансной частоты магнитным полем имеет зависимость в виде «ступенек». Такой характер перестройки проявляется благодаря соединению оптической и спин-волновой линий задержки, в которых распространяются волны различной природы. При увеличении магнитного поля частотный диапазон существования спиновых волн смещается в область больших частот, что приводит к уменьшению потерь на соседней резонансной частоте и возрастанию потерь на выбранной частоте. Как только потери на соседней частоте становятся меньше, чем на выбранной частоте, происходит переключение. Величина «ступенек» по частоте соответствует частотному расстоянию между резонансными гармониками оптоэлектронного кольцевого резонатора. Увеличение длины оптической линии задержки приводит к уменьшению величин «ступенек» и более плавному магнитному управлению частотой фильтра, но не убирает дискретности перестройки рабочих частот фильтра. В случае отсутствия оптической линии задержки перестройка частот полос пропускания СВЧ фильтра осуществляется плавно, как показано на фиг. 2 пунктирной линией.
Рассмотрим перестройку резонансных частот фильтра путем измерения рабочей длины волны лазера. При расчете предполагалось, что в качестве лазера используется твердотельный перестраиваемый лазер, с широким диапазоном перестройки, подобный лазеру производства Pure Photonics, модель PPCL 300 с шагом установки начальной частоты лазера 100 МГц.
В качестве дисперсионного волокна используется стандартное одномодовое оптическое волокно, имеющее дисперсионный коэффициент D=17 пс/(нм⋅км) и показатель преломления n=1,4677 при рабочей длине волны 1540 нм (Poinsot S, Porte Н, Goedgebuer JP, Rhodes WT, Boussert В., Continuous radio-frequency tuning of an optoelectronic oscillator with dispersive feedback // Opt Lett. Aug 1, vol. 27(15) p. 1300-2, 2002).
gr
gr
Полагая, что D=Δ(1/V)/Δλ, где V=C/n - групповая скорость оптического сигнала внутри оптического волновода, С - скорость света (см. Агравал Г. Нелинейная волоконная оптика: Пер. с англ. / Под ред. П.В. Мамышева. М.: Мир, 1996. 324 с.), легко показать, что изменение длины волны лазера на Δλ=2,8 пм (что соответствует изменению рабочей частоты лазера на 125 МГц) ведет к перестройке центральной частоты полосы пропускания СВЧ фильтра на 100 кГц. На фиг. 3 показаны характеристики передачи СВЧ-фильтра при различных рабочих длинах волны лазера. На фиг. 4 показана перестройка резонансной частоты при изменении длины волны лазера. Как видно из представленных графиков, перестройка осуществляется плавно. Таким образом, благодаря включению в данную систему подстройки частоты при помощи лазера с перестройкой рабочей длины волны становится возможных создание высокодобротного перестраиваемого вшироком диапазоне СВЧ фильтра с возможностью точной плавной перестройки полос пропускания.