Сверхширокополосный радиофотонный смеситель

VI. Заключение

В работе предложена новая система управления нелинейной динамикой системы автоматического управления с СШИМ на основе метода направления на цель с редукцией частоты управляющих воздействий. Полученные результаты показывают, что при выбранных параметрах использование МНЦР позволяет существенно расширить область желаемого динамического режима, не прибегая к адаптации параметров метода. Данный алгоритм управления предъявляет меньшие требования к вычислительным ресурсам микроконтроллера, чем МНЦ без редукции частоты управляющих воздействий [6], и может быть применен для управления нелинейной динамикой инверторов с другими видами СШИМ.

Список литературы

1. Ismail B., Mieee S. T., Mohd A. R., Saad M. I., Hadzer C. M. Development of a Single Phase SPWM Microcontroller-Based Inverter // IEEE International Power and Energy Conference PECON 2006, November 28-29. 2006. Р. 437-440.

2. Zhusubaliyev Zh. T., Mosekilde E., Andriyanov A. I., Shein V. V. Phase Synchronized Quasiperiodicity in Power Electronic Inverter Systems // Physica D: Nonlinear Phenomena. 2014, Vol. 268. P. 14-24.

3. Zhusubaliyev Z. T., Mosekilde E., Andriyanov A. I., Mikhalchenko G. Y. High-feedback operation of power electronic converters // Electronics. 2013. №. 2. P. 113-167. DOI: 10.3390/electronics2020113.

4. Jiang Wei, Yuan Fang, Hu Wen-long. Study of Nonlinear Phenomena and Chaos Control in Single-phase SPWM H Bridge Inverter // Applied Mechanics and Materials. 2011. Vol. 39. P. 1-6.

5. Naihong Hu, Yufei Zhou, Junning Chen. Study on Chaotic Control of SPWM Inverter and Its Optimization // Journal of Information & Computational Science. 2012. Vol. 9, № 2. P. 497-504.

6. Andriyanov A. I., Mikhal'tsov D. Yu. Nonlinear dynamics control in single-phase inverter with sinusoidal pulse-width modulation // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2016. № 124. P. 1-7.

7. Andriyanov A. I. Border Collision Bifurcation in Closed Automatic Control Systems with Sinusoidal Pulse Width Modulation // Journal of Computer and Systems Sciences International. 2016. Vol. 55, № 3. P. 425-434.

УДК 621.373

СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЙ РАДИОФОТОННЫЙ СМЕСИТЕЛЬ

А. А. Белоусов1,2, А. В. Гамиловская1,2 1АО «Центральное конструкторское бюро автоматики», г. Омск, Россия 2Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-4-172-177

Аннотация - в данной работе приведены результаты измерения параметров сверхширокополосного радиофотонного смесителя, предназначенного для преобразования радиосигналов дециметрового, сантиметрового и, потенциально, миллиметрового диапазонов длин волн.

Ключевые слова: радиофотонный смеситель, преобразователь частоты, радиофотонный тракт, модулятор Маха-Цандера.

I. Введение

Разработка перспективных систем радиосвязи, радионавигации, радиоэлектронной борьбы, радиоэлектронной разведки (РЭР) и радиоэлектронного противодействия, а также радиолокационных систем (РЛС) практически всегда велась с использованием тех или иных элементов фотонной техники. Большой прорыв произошел после того, как были созданы надежные и серийно воспроизводимые сверхширокополосные электрооптические модуляторы, которые были реализованы в виде герметизируемых гибридных интегральных схем. В настоящий момент верхняя граница диапазона рабочих частот у мелкосерийных электрооптических модуляторов достигает 130 ГГц. Таким образом, появилась новая область науки и техники, объединяющая области фотоники, полупроводниковой техники, техники СВЧ и ещё ряда научных и технических дисциплин. Такая область науки и техники сейчас называется радиофотоникой [1].

В настоящий момент основным объектом приложения методов и средств радиофотоники являются радиофотонные тракты. Опытным путем доказано, что такой радиофотонный тракт может выполнять несколько функций при определенном выборе компонентной базы и подборе энергетических режимов ее эксплуатации.

В данной статье пойдет речь об одной из нескольких функций радиофотонного тракта - функции сверхширокополосного радиофотонного преобразователя частоты (смесителя).

II. Постановка задачи

Одним из ключевых элементов приемных трактов радиоэлектронных систем радиоэлектронной борьбы являются сверхширокополосные смесители дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн. В качестве таких смесителей могут использоваться параллельные балансные смесители [2], двойные балансные смесители [3], тройные балансные смесители [4]. Самые широкие диапазоны рабочих частот по всем входам и выходам имеют тройные балансные смесители, которые реализованы на диодах с барьером Шоттки. Наиболее ярким примером такого сверхширокополосного смесителя является смеситель М-20020 производства MarkiMicrowave, Inc. [5], который имеет следующие диапазоны рабочих частот: 1.0 - 20.0 ГГц по входу радиосигнала, 0.5 - 20.0 ГГц по входу сигнала гетеродина, 0.001 - 6.000 ГГц по выходу сигнала промежуточной частоты. И каких-то технологически реализуемых (даже в мелкосерийном производстве) схемотехнических и конструктивных решений, которые бы позволили расширить диапазон рабочих частот по выходу сигнала промежуточной частоты без снижения верхней границы диапазона по входам сигнала и сигнала гетеродина в настоящий момент не существует. Поэтому целесообразно будет рассмотреть возможные варианты реализации сверхширокополосных смесителей на других физических принципах, которые не будут предполагать использование только полупроводниковых нелинейных элементов.

III. Теория

В некоторых предыдущих работах авторов [1, 6, 7] упоминаются радиофотонные смесители (РФС). Также показано, что радиофотонный тракт (РФТ), состоящий из источника оптического сигнала, двух электрооптических модуляторов Маха-Цандера, трех оптических трактов, фотодетектора и частотного фильтра [1], может выполнять функцию сверхширокополосного смесителя, диапазон частот которого перекрывает дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазоны длин волн (рис. 1).

Рис. 1. Схема структурная сверхширокополосного радиофотонного тракта (АС - анализатор спектра;

ИОС - источник оптического сигнала; ЛГ 1, ЛГ 2 - лабораторные генераторы; ММЦ 1, ММЦ 2 - модуляторы Маха-Цандера; ОТ 1, ОТ 2, ОТ 3 - оптические тракты; ФД - фотодетектор)

Если на электроды управляющих линий (ЭУЛ) первого и второго модуляторов Маха-Цандера (ММЦ 1 и ММЦ 2) подать сигнал с частотой и мощностью Р^, сигнал гетеродина с частотой и мощностью Р^, постоянные напряжения смещения исм1 и исм2 (которые будут соответствовать напряжениям в точках перегиба модуляционных характеристик модуляторов), то на выходе фотодетектора будут сформированы сигналы с частотами ^ 1"г, а также разностные и суммарные сигналы промежуточной частоты (ПЧ) с частотами 1ПЧ = : + : и ^ = : - :г. Для случая : < : алгебраическое выражение для частоты последнего сигнала промежуточной частоты будет записано как 1ПЧ = : - :с. Возможный спектр выходного сигнала на выходе фотодетектора изображен на рис. 2.

^ Рвых. сЬ 1 Л - + 1

Рис. 2. Возможный спектр выходного сигнала на выходе фотодетектора

IV. Результаты экспериментов

Был собран макет сверхширокополосного радиофотонного смесителя, в состав которого входили:

1) источник оптического сигнала ИОС мощностью Роп = 24 мВт и излучающий на длине волны 1,55 мкм;

2) первый электрооптический модулятор Маха-Цандера ММЦ1 с верхней границей диапазона рабочих частот в районе 12 ГГц, полуволновым напряжением 6 В и потерями в оптическом тракте около 4 дБ;

3) второй электрооптический модулятор Маха-Цандера ММЦ2 с верхней границей диапазона рабочих частот в районе 35 ГГц, полуволновым напряжением 5 В и потерями в оптическом тракте около 5 дБ;

4) фотодетектор с фоточувствительностью 0,35 А/Вт на длине волны 1,55 мкм и диапазоном рабочих частот до 16 ГГц.

Сигнал и сигнал гетеродина с частотами и ^ и уровнями мощности Р^ и Р^ подавались от обычных лабораторных генераторов, а спектр сигнала на выходе фотодетектора контролировался анализатором спектра.

На рис. 3 приведены зависимости уровней мощности составляющих спектра сигналов на выходе фотодетектора: Р&.вых на частоте Р&.вых на частоте Р(&+&).вых на частоте Р^-й^ых на частоте ^йТ Из рисунка видно, что «полезные» составляющие спектра с частотами йс-йг и йс+йг достигают своего максимума при Рйг ~ 21 дБм. Это значение соответствует амплитуде сигнала гетеродина порядка 2.5 В, что составляет около 75% от значения полуволнового напряжения (ип) второго модулятора. Таким образом, оптимальная амплитуда сигнала гетеродина при исм2 должна составлять % от Ш второго модулятора.

Рис. 3. Зависимость уровней мощности составляющих спектра сигнала на выходе фотодетектора от уровня Рй при = 10 ГГц, Р& = 0 дБм, £ = 3 ГГц

На рис. 4 приведена частотная зависимость потерь преобразования радиофотонного смесителя в диапазоне промежуточной частоты для составляющей спектра сигнала на выходе фотодетектора с частотой fn4= fr - f при fc = const = 2 ГГц, Pfc = 0 дБм, Pfr = 15 дБм. Из этого рисунка видно, что данный смеситель имеет очень высокие потери преобразования: 50 - 60 дБ. Однако по аналогии с простейшим радиофотонным трактом [8], а также результатами расчетов и экспериментов [9], можно предположить, что при уменьшении полуволнового напряжения Un первого модулятора до 1 В (или менее) и увеличении мощности оптического излучения РОП до 20 дБм и более, потери преобразования могут снизиться на два-три порядка. Для данного случая можно оценить ширину диапазона рабочих частот радиофотонного смесителя в полосе промежуточных частот: она достигает 4 ГГц при неравномерности 2 дБ, более 8 ГГц при неравномерности 4 дБ и почти 12 ГГц при неравномерности 6 дБ.

На рис. 5 приведена частотная зависимость потерь преобразования радиофотонного смесителя в диапазоне частот сигнала для составляющей спектра сигнала на выходе фотодетектора с частотой fn4 = f - f = = const = 2 ГГц и частотные зависимости развязок между трактами при Pfc = 0 дБм, PfF = 15 дБм. Из рисунка видно, что развязка между трактом сигнала гетеродина и трактом сигнала промежуточной частоты превышает 43 дБ. Также можно говорить об огромной развязке между трактом сигнала и сигнала гетеродина, значение которой можно измерить только специальными приборами с очень высокой чувствительностью. Предположительно такая развязка составляет около 100 дБ. К негативным результатам данного эксперимента следует отнести высокую неравномерность частотной зависимости потерь преобразования: для конкретного случая она составляет 8 дБ.

Другим негативным моментом является то, что «пролезающий» на выход фотодетектора сигнал с частотой f имеет больший уровень мощности, чем «полезный» сигнал с частотой fF-fc. При этом необходимо отметить следующее: при уменьшении полуволнового напряжения первого модулятора до 1 В (и менее) и увеличении мощности источника оптического сигнала до 100 мВт (и более) можно ожидать снижение потерь преобразования на несколько порядков. Но это, в свою очередь, вызовет увеличение уровня «пролезающего» на выход фотодетектора входного сигнала.

66

50 Н----:--:-----:--:-----:--:-

0 2 4 б 8 10 12 14 16 18

Fnn, ГГц

Рис. 4. Частотная зависимость потерь преобразования радиофотонного смесителя в диапазоне сигнала промежуточных частот при f = const = 2 ГГц, fn4 = f - fG, Pfc = 0 дБм, PfF = 15 дБм

60

40 Н---------------------------------

0123456789 10 11 12

fc, ГГц

Рис. 5. Частотная зависимость потерь преобразования радиофотонного смесителя в диапазоне сигнала для fn4 = const = fr - f = 2 ГГц и частотные зависимости развязок между трактами при Pfc = 0 дБм, Pfr = 15 дБм (1 - потери преобразования; 2 - развязка между трактом сигнала и трактом сигнала промежуточной частоты;

3 - развязка между трактом сигнала гетеродина и трактом сигнала промежуточной частоты)

Таким образом, диапазоны рабочих частот по входам сигнала и сигнала гетеродина у таких радиофотонных смесителей будут ограничиваться только диапазонами рабочих частот по электрическим входам модуляторов Маха-Цандера. Диапазоны рабочих частот по выходу сигнала промежуточной частоты ограничиваются только диапазонами рабочих частот по электрическим выходам фотодетекторов. Развязка между трактами сигнала, сигнала гетеродина и трактами промежуточной частоты составляет около 45 дБ.

Недостатком такого радиофотонного тракта являются высокие потери преобразования (до 54 дБ). Но и они в перспективе могут быть на порядки снижены при увеличении мощности излучения источника оптического сигнала и снижения полуволнового напряжения модуляторов [1, 7].

IV. Обсуждение результатов

Результаты измерений показали, что радиофотонный тракт может выполнять функцию сверхширокополосного смесителя дециметровых, сантиметровых и миллиметровых диапазонов длин волн. Эксперименты также показали, что развязка сигнала гетеродина и сигнала промежуточной частоты может превышать 40 дБ, что является просто выдающимся результатом для сверхширокополосных смесителей. Для сравнения: у вышеупомянутых смесителей фирмы MarkiMicrowave [5] развязка на некоторых частотах составляет ниже 30 дБ.

Также огромным преимуществом радиофотонных смесителей является развязка между трактами входного сигнала и сигнала гетеродина, значение которой невозможно было измерить обычным прибором (величина составляет более 100 дБ). У смесителей MarkiMicrowave [5] развязка составляет ниже 20 дБ.

К негативным результатам данного эксперимента следует отнести высокую неравномерность частотной зависимости потерь преобразования и высокий уровень мощности составляющей частоты входного сигнала по сравнению с мощностью разностной промежуточной частоты. В последующем при наличии ресурсов и компонентной базы необходимо будет провести аналогичные эксперименты при Pоп > 100 мВт и с таким ММЦ 1, который будет иметь более низкое значение Un (в идеале - менее 1 В). А также исследовать другие варианты реализации радиофотонных смесителей, которые позволят снизить уровень "пролезающего" на выход фотодетектора входного сигнала.

V. Выводы и заключение

1. Диапазоны рабочих частот по входам входного сигнала и сигнала гетеродина у таких радиофотонных смесителей будут ограничиваться только диапазонами рабочих частот по электрическим входам модуляторов Маха-Цандера (в настоящий момент - это 120 ГГц и выше).

2. Диапазоны рабочих частот по выходу промежуточной частоты ограничиваются только диапазонами рабочих частот по электрическим выходам фотодетекторов (в настоящий момент - 100 ГГц и выше).

3. Также достоинствами радиофотонных смесителей являются развязки между трактами сигнала, сигнала гетеродина и трактами промежуточной частоты. Развязка между трактом сигнала и трактом сигнала промежуточной частоты может составлять 50 дБ и более. Развязка между трактом сигнала гетеродина и трактом сигнала промежуточной частоты может составлять 45 дБ и более.

4. Недостатком радиофотонных смесителей являются высокие потери преобразования (до 54 дБ для разностной промежуточной частоты). Однако они в перспективе могут быть снижены на порядки при увеличении мощности излучения источника оптического сигнала и снижения полуволнового напряжения модуляторов.

Список литературы

1. Белоусов А. А., Вольхин Ю. Н., Гамиловская А. В., Дубровская А. А. Тихонов Е. В. О применении методов и средств радиофотоники для обработки сигналов дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн // Прикладная фотоника. 2014. № 1. С. 65-86.

2. Вольхин Ю. Н., Глущенко В. А., Голиков А. В., Дубровская А. А., Игнатьев М. Г., Малиновский В. В., Серебренников А. А., Янковская Ю. В. Сверхширокополосный гибридный смеситель // Обмен опытом в области создания сверхширокополосных радиоэлектронных систем: материалы науч.-техн. конф. / ЦКБА. Омск, 2008. С. 45-51.

3. Donald Neuf. Double balanced microwave mixer using balanced microstrip baluns. US рatent 4,125,810; Nov.14, 1978.

4. Anthony M. Pavio. Broadband High Frequency Baluns and Mixer. US рatent 3,652,941; Mar. 28, 1972.

5. Marki Microwave. URL:http:// www.markimicrowave.com.

6. Белоусов А. А., Вольхин Ю. Н., Дубровская А. А. Обзор и исследование возможных вариантов реализации сверхширокополосных детекторов, смесителей и других аналоговых процессоров диапазона СВЧ с использованием методов и средств радиофотоники // Обмен опытом в области создания сверхширокополосных радиоэлектронных систем: материалы науч.-техн. конф / ЦКБА. Омск, 2014. С. 37-61.

7. Белоусов А. А., Вольхин Ю. Н., Дубровская А. А. Обзор возможных вариантов реализации сверхширокополосных аналоговых процессоров дециметрового, сантиметрового, и миллиметрового диапазонов длин волн с использованием методов и средств радиофотоники // Перспективы развития РЛС дальнего обнаружения и интегрированных систем и комплексов информационного обеспечения Воздушно-космической обороны: материалы 2-й Всерос. науч.-техн. конф. М., 2014. С. 122-135.

8. Вольхин Ю. Н., Гамиловская А. В. О возможности реализации сверхширокополосных аналоговых радиофотонных трактов диапазона СВЧ с положительными коэффициентами передачи // Материалы XVIII координационного науч.-техн. семинара по СВЧ технике (Нижегородская область, п. Хахалы). Нижний Новгород, 2013.

9. Ackerman E., Betts G., Burns W., Campbell J., Сох С., Duan N., Prince J., Regan М., Roussell H. Signal-to-noise performance of two analog photonic links using different noise reduction techniques // IEEE МТТ-S Int. Microwave Symp. Dig., June. Honolulu, Hawaii, 2007. P. 51-54.

УДК 621.317

ЭЛЕКТРОИНДУКЦИОННЫЙ ДИСКОВЫЙ ДАТЧИК НАПРЯЖЕННОСТИ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

С. В. Бирюков, М.А. Королева

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-4-177-182

Аннотация - Защита технических и биологических объектов от воздействия электрических полей ещё долгое время будет актуальной задачей. Для решения этой задачи, необходимы датчики напряженности электрического поля с заданными метрологическими характеристиками. Целью исследования является создание датчика, имеющего погрешность не более 5 %. Используя методы расчета электростатических полей, в данной статье исследуется однокоординатный электроиндукционный дисковый датчик имеющий радиус R, и дается оценка его погрешности, вызванная неоднородностью поля. Максимум этой погрешности составляет 3 % в пространственном диапазоне от 0 до 5R до источника поля.