Быстродействующее радиофотонное устройство сканирования антенных решеток
HIGH-SPEED RADIO-PHOTONIC ANTENNA ARRAY SCANNING DEVICE

Изобретение относится к радиолокационной технике и технике радиосвязи на основе радиофотоники, а более конкретно к быстродействующим системам сканирования широкополосных активных фазированных антенных решеток (АФАР) и радиооптических фазированных антенных решеток (РОФАР) для скоростного сканирования их луча (лучей) в широком диапазоне углов [1,2].
Существует большое число устройств сканирования, на основе фотоники и радиофотоники для радиолокации, связи и систем навигации, причем для обеспечения функционирования таких систем в широкой полосе частот применяется временной метод, за счет изменения задержки сигналов [2-5].
1. В устройстве [3] временной метод сканирования реализован по параллельной радиофотонной схеме, в которой видеоимпульсный сигнал с радиочастотным спектром подается параллельно на 4 гетеролазера, осуществляя их непосредственную модуляцию, далее промодулированный видеоимпульсами с радиочастотным спектром оптический сигнал с 4-х гетеролазеров подается одновременно на 4 входа 4-х канальной оптической линии задержки, в каждом из каналов которой приобретает свою индивидуальную задержку. Затем оптические сигналы поступают на входы оптического разветвителя 4×8, с выходов которого сигналы поступают на входы 8-ми канальной оптической линии задержки, где приобретают дополнительные индивидуальные задержки, с выходов которых поступают на линейку из 8-ми быстродействующих фотодиодов, где преобразуются в электрические видеоимпульсные сигналы, причем выбор сигнала с необходимой в данный момент временной задержкой на общем выходе устройства осуществляется подключением соответствующего фотодиода с помощью быстродействующих ключей на полевых транзисторах, включенных в цепь смещения (питания) каждого из фотодиодов. Таким образом осуществляется 5-ти разрядное временное сканирование широкополосной антенной решетки.
Такие схемы сканирования просты и имеют высокую широкополосность и достаточное быстродействие (десятки нс), ограниченное в первую очередь быстродействием ключей, управляющих выбором того или иного фотодиода и, следовательно, временной задержкой сигнала.
Однако, в силу своей параллельности, при которой оптические сигналы одновременно разветвляются в оптическом разветвителе и присутствуют на всех входах линейки фотодиодов, причем в каждый момент времени работает только один фотодиод, энергетическая эффективность таких схем крайне мала. Например, в описываемой схеме сканирования потери сигнала составляют более 45 дБ.
Наличие 4-х гетеролазеров на входе (или 4-х оптических модуляторов), как вынужденная мера для обеспечения приемлемой энергетики и коэффициента шума такого устройства, серьезно снижает технологичность его изготовления из-за необходимости подбора и прецизионной относительной стабилизации их динамических и статических характеристик.
Эти недостатки становится почти неразрешимой проблемой, при необходимости увеличения разрядности сканирования с 4-5 до 7-8 и более, что является типичным требованием для современных антенных решеток, при которой потери сигнала могут превышать 60 дБ.
2. Известна радиофотонная схема сканирования на основе резонаторов на модах шепчущей галереи (МШГ) (фиг. 3 источника [4]), состоящая из лазеров питания, модуляторов Маха-Цендера, оптических разветвителей, устройств оптической связи с МШГ-резонаторами, МШГ-резонаторов, источников СВЧ сигнала (антенн), устройств связи СВЧ сигнала с модуляторами Маха-Цендера, системы управления, фотодетекторов.
Здесь переключение задержек происходит за счет теплового переключения МШГ-резонаторов, играющих роль миниатюрных оптических линий задержки, встроенных в топологию оптических разветвителей.
По сути, эта схема сканирования повторяет предыдущую, но имеет большие возможности по работе с многоэлементными антенными решетками и может быть реализована в интегральном исполнении.
Однако, тепловой способ переключения таких оптических линий задержки сильно ограничивает быстродействие системы сканирования миллисекундным уровнем [5], при высокой потребляемой мощности (до 26 Вт на одну 3-х битовую секцию), что является неприемлемым для большей части радиоэлектронных систем. Причем потери сигналов в схеме сканирования достигают значений более 55 дБ [5].
3. Известна радиофотонная схема сканирования на основе многоспектрального демультиплексирования и полупроводниковых оптических усилителей (в анг. аббревиатуре SOA) в качестве управляемых оптических линий задержки (фиг. 2а и 2б источника [6]), состоящая из источников СВЧ сигнала (антенн), лазеров накачки модуляторов Маха-Цендера, оптических демультиплексоров и мультиплексоров, оптических усилителей, оптических линий задержки, системы управления, фотодетекторов.
Здесь изменение задержек происходит за счет изменения мощности оптических сигналов на входах полупроводниковых оптических усилителей, играющих роль управляемых оптических линий задержки, в которых каждому значению входной мощности соответствует своя задержка, благодаря эффекту изменения дисперсии на резонансах поглощения на соответствующих длинах волн (так называемый «медленный» и «быстрый» свет).
Эта схема сканирования имеет значительно большее быстродействие и позволяет работать с многоэлементными антенными решетками в многолучевом режиме, а также может быть реализована в интегральном исполнении.
Однако, такой способ сканирования на эффекте «медленного» и «быстрого» света в полупроводниковых оптических усилителях имеет малые реальные задержки сигналов (максимально достижимы задержки менее 100 пс [6]), что является неприемлемым для большей части сканирующих антенных решеток метрового и дециметрового диапазонов.
Задача, на решение которой направлено данное изобретение - одновременное достижение высокого уровня комплекса основных характеристик системы сканирования для радиооптических активных фазированных антенных решеток (РОФАР), таких как высокое быстродействие (несколько нс), малые потери сигнала, высокая разрядность, широкий диапазон задержек. Сопутствующие преимущества - малые аппаратурные затраты, габариты и энергопотребление.
Для этого предлагается радиофотонное устройство сканирования широкополосных антенных решеток на основе многоспектрального демультиплексирования и полупроводниковых оптических усилителей в качестве усилителей с программируемым усилением и одновременно быстродействующих переключателей отдельных оптических линий задержки. Антенная решетка включает множество таких радиофотонных устройств сканирования широкополосных антенных решеток, для примера два из них (одно имеет обозначение «Вход» справа от обозначения антенны 1 и «Выход 1», другое обозначение «Вход» справа от обозначения антенны М» и «Выход М») представлены схематично на фиг. 1.
Радиофотонное устройство сканирования состоит из источников СВЧ сигнала (антенн), суперлюминесцентных диодов в качестве широкополосных источников оптического излучения для накачки оптических модуляторов Маха-Цендера, оптических демультиплексоров и мультиплексоров, переключаемых полупроводниковых оптических усилителей, оптических линий задержки, системы управления, фотодетекторов.
Сущность изобретения заключается в радиофотонной реализации быстрого выбора необходимой в данный момент задержки широкополосного сигнала для системы сканирования широкополосных антенных решеток (в том числе и конформных РОФАР).
Принцип работы радиофотонного устройства сканирования широкополосных антенных решеток на основе многоспектрального демультиплексирования и полупроводниковых оптических усилителей в качестве усилителей с программируемым усилением и одновременно быстродействующих переключателей оптических линий задержки проиллюстрирован на его упрощенной схеме (фиг. 1).
i
1
N
i
1
2
3
N
1
2
3
N
Из источника широкого оптического спектра  (здесь N - количество оптических мод, а λ - соответствующие им длины волн), которым является суперлюминесцентный диод (СЛД) 2 с шириной оптического спектра до 100 нм [7], оптическое излучение подается в малошумящий оптический усилитель (МШОУ) 3, а с его выхода через одномодовое оптическое волокно (ОВ) с сохранением поляризации на оптический модулятор Маха-Цендера (ОМ) 4, где модулируется широкополосным радиочастотным сигналом (U мод), приходящем с антенны 1, затем промодулированный радиочастотой оптический сигнал с широким оптическим спектром подается на демультиплексор (ДЕМ) 5, посредством которого весь спектр промодулированного оптического излучения одновременно проходит поканальную селекцию (фиг. 2 источника [8]) и направляется по соответствующим выходам (ветвям) λ - λ демультиплексора, каждой λ соответствует определенная выходная ветвь, к которой подключен свой полупроводниковый оптический усилитель (ОУ) 6, который управляется в режиме включен-выключен, причем включается ОУ каждый раз с необходимым в данный момент усилением за счет программируемого изменения его накачки. К выходу каждого ОУ подключена соответствующая отдельная оптическая линия задержки (ОЛЗ) из массива: ОЛЗ, ОЛЗ, ОЛЗ,…, ОЛЗ 7 с соответствующими временами задержки τ, τ, τ,…, τ, которая может быть реализована на микрорезонаторах на модах шепчущей галереи (ММШГ-резонаторах).
Далее оптический сигнал подается на один из входов обратно включенного оптического разветвителя (ОР) 8 и канализируется на его единый выход с которого подается на фотодиод (ФД) 9 и преобразуется в электрический сигнал. Затем, при необходимости, перед обработкой сигнал может усиливаться широкополосным электронным усилителем (ШП УС) 10.
i
i
Таким образом, каждому антенному элементу радиофотонного устройства сканирования в каждый момент времени соответствует определенная однозначная задержка τ и амплитуда A сигнала на его выходе.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, одновременно выражается в следующем:
1. в повышении быстродействия за счет реализации быстрого включения-выключения ОУ управляющим электрическим сигналом (на фиг. 1 обозначен как U упр);
2. в возможности реализации не только временного, но и амплитудного распределения по антенной решетке при временном сканировании;
3. в уменьшении зависимости потерь сигнала от разрядности для временного сканирования широкополосных приемных и передающих трактов АФАР и РОФАР за счет реализации параллельно - последовательной схемы;
4. в повышении динамического диапазона за счет уменьшения усиления либо исключения электронных усилителей в трактах устройства;
5. в снижении аппаратурных затрат, особенно при реализации высокой разрядности сканирования.
Например, возможно реализовать 6 - 12 разрядное сканирование антенных решеток (см. фиг. 2, где показаны практически идентичные характеристики 64-х канального демультиплексора - это Figure 3 в источнике [8]).
Указанный технический результат при осуществлении изобретения (фиг. 1) достигается тем, что по сравнению с известным устройством (рисунки 2а и 2б источника [6]), являющимся наиболее близким аналогом к заявляемому, с общими признаками: наличие источников СВЧ сигнала (антенн), устройств связи СВЧ сигнала с модуляторами Маха-Цендера, оптических источников излучения для накачки модуляторов Маха-Цендера, оптических демультиплексоров и мультиплексоров, полупроводниковых оптических усилителей, оптических линий задержки, системы управления (на фиг. 1 не показана), фотодиодов, отличающаяся тем, что введены источники широкого оптического спектра - суперлюминисцентные диоды 2, полупроводниковые оптические усилители 3, отдельные оптические линии задержки 7, оптические разветвители 8, причем выходы источников широкого оптического спектра - суперлюминисцентных диодов 2, соединены с оптическими входами малошумящих оптических усилителей 3, выходы которых соединены с входами оптических модуляторов Маха-Цендера, выходы которых соединены с входами демультиплексоров 5, выходы которых соединены с входами соответствующих полупроводниковых оптических усилителей 6, выходы которых соединены с соответствующими оптическими линиями задержки 7, выходы которых соединены с входами обратно включенных оптических разветвителей 8, выходы которых соединены с фотодиодами 9, выходы которых соединены с широкополосными электронными усилителями 10.
Источники информации
1. Приемно-передающий оптоэлектронный модуль АФАР: Патент России RU 2298810 / Д.Ф. Зайцев. - №2005130539; Заявл. 4.10.2005.
2. Д.Ф. Зайцев. Нанофотоника и ее применение - Монография, М.: Изд. «АКТЕОН», 2012 г., 445 с., с илл. ISBN 978-5- 91142-045-1.
3. Lee J.J., Loo R.Y., Livingston S. et all. Photonic Wideband Array Antennas // IEEE Trans. Antennas and Propagation. - 1995. - V. 43, №9, p. 966-982.
4. Electronically-steered KU-band array antenna comprising an integrated photonic beamformer: US 20130194134 A1/W.P. Beeker, C. G.H. Roeloffzen, L. Zhuang, J.W. Eikenbroek, P. Klatser, P. W.L. van Dijk, Int. C1. H0Q 3/2682; US C1, 342/375; 01.08. 2013.
5. Meijerink A., Roeloffzen C. G.H., Meijerink, R. et al. Novel Ring Resonator-Based Integrated Photonic Beamformer for Broadband Phased Array Receive Antennas - Part II: Experimental Prototype // Journal of Lightwave Technology. - 2010. - V. 28, №l, p. 19-31.
6. Multibeam radio frequency photonic beamformer using a multi-signal slow light time delay unit: US 20170063461 A1/ P. Pruchnal, M. Chang, J. Chang, Int. C1. H04B 10/2575; H04B 7/06 US; H04B 10/112; US C1, H04B 10/25752; H04B 10/1123; H04B 7/0617; 02.03. 2017.
7. Temperature - Controlled (Cooled) Single - Mode Fiber - Pigtailed SLD-761-LP-PM / Data Sheet https://www.superlumdiodes.com/products.htm.
8. Arrayed waveguide grating (AWG). Application Note / FHV Research. - 2010.
9. The Enhanced Functionalities of Semiconductor Optical Amplifiers and their Role in Advanced Optical Networking. Application Instruction 001/InPhenix, Inc. - 2008. - https://www.inphenix.com/pdfdoc/Application_Notes_for_SOAs.pdf.