Линия задержки СВЧ-сигнала
MICROWAVE SIGNAL DELAY LINE

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для задержки СВЧ-сигнала, в частности, 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 линия задержки СВЧ-сигнала по патенту РФ на изобретение № 2169987 от 08.06.1999, содержащая два коммутируемых отрезка микрополосковой линии (МПЛ). Недостатком этого решения является невозможность регулирования времени задержки в диапазоне от минимального до максимального значения.
Известна регулируемая линия задержки (международный патент на изобретение WO2013178847 Sampled delay line от 31.05.2012), в которой используется многосердцевинное оптическое волокно. В ней входной сигнал поступает одновременно во все сердцевины. Различные сердцевины имеют различный групповой показатель преломления мод и, соответственно, вносят различную величину задержки. Недостатком являются большие габаритные размеры используемых отрезков волокна для возможности регулирования задержки.
Наиболее близким по реализации устройством, которое можно принять за прототип, является оптическая 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, τ0, 2τ0…Nτ0, где τ0 – 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 τ0 = Lng/c, где L – длина многосердцевинного волокна, ng – 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 2τ0, 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 3τ0, 4τ0, 5τ0, 6τ0…Nτ0. 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.
Недостатком прототипа является большое количество используемых элементов, что снижает надёжность устройства.
Целью изобретения является уменьшение количества элементов линии задержки, ее массы и габаритных размеров при обеспечении возможности регулирования вносимой задержки.
Технический результат заключается в повышении надежности и удобства эксплуатации.
Указанные цель и технический результат достигаются тем, что в линии задержки СВЧ-сигнала, содержащей отрезок оптического волокна, дополнительно последовательно соединены входной коммутатор, электрооптический преобразователь, отрезок оптического волокна, оптоэлектронный преобразователь и электронный 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 с входами управления коммутаторов.
Многократное прохождение сигнала через один отрезок оптического волокна позволяет получать переменную величину задержки СВЧ-сигнала при использовании малого числа компонентов.
При необходимости внесения большой задержки за счет многократного использования одного отрезка оптического волокна требуется меньшая его длина по сравнению с прототипом и аналогами. Также для реализации используется минимальное количество компонентов. В совокупности это позволяет уменьшить массу и габаритные размеры линии задержки СВЧ-сигнала.
На фигуре 1 представлена структурная схема линии задержки СВЧ-сигнала с возможностью регулирования времени задержки.
Изобретение содержит следующие компоненты: 1 – входной коммутатор; 2 – электрооптический преобразователь; 3 – отрезок оптического волокна; 4 – оптоэлектронный преобразователь; 5 – выходной коммутатор; 6 – устройство управления.
Линия задержки СВЧ-сигнала работает следующим образом. Входной СВЧ сигнал поступает на вход 1а входного коммутатора 1, который передаёт сигнал со своего выхода 1с на вход 2а электрооптического преобразователя 2. С выхода 2b электрооптического преобразователя 2 сигнал, преобразованный в оптический диапазон, поступает на вход 3а отрезка оптического волокна 3. С выхода 3b отрезка оптического волокна 3 сигнал поступает на вход 4а оптоэлектронного преобразователя 4, который переносит сигнал из оптического диапазона обратно в СВЧ-диапазон. С выхода 4b оптоэлектронного преобразователя 4 преобразованный сигнал поступает на вход 5а выходного коммутатора 5. В зависимости от требуемой задержки СВЧ-сигнала выходной коммутатор подаёт сигнал либо на выход 5с, который является выходом устройства, либо на выход 5b, с которого сигнал поступает на вход 1b входного коммутатора 1. Управляющее устройство 6 осуществляет переключение коммутаторов 1 и 5 при помощи выходов 6а и 6b, которые связаны с управляющими входами коммутаторов 1d и 5d соответственно. Требуемая задержка СВЧ-сигнала τ поступает на вход 6с управляющего устройства 6.
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, 5 могут быть выполнены в виде монтируемых на плату микросхем электронных коммутаторов со временем коммутации, не превышающим время прохождения сигнала через блоки 2-4. Электрооптический преобразователь 2 в зависимости от требуемого частотного диапазона может быть выполнен либо в виде источника оптического излучения и внешнего оптического модулятора, либо в виде источника оптического излучения с возможностью прямой модуляции выходного оптического излучения. Управление рабочей точкой модулятора и термостабилизацией лазера может обеспечивать устройство управления 6 или другое устройство управления (на фиг. 1 не показано). Для отрезка оптического волокна 3 целесообразно использовать одномодовое волокно. Длина отрезка выбирается исходя из требуемых величин задержки СВЧ-сигнала. Оптоэлектронный преобразователь 4 может быть выполнен в виде pin-фотодиода или лавинного фотодиода и может содержать последовательно включенный электрический усилитель. Устройство управления 6 может быть выполнено на основе микроконтроллера, способного формировать сигналы управления с частотой, определяемой временем, необходимым для переключения коммутаторов, и диапазоном вносимых задержек. Величина задержки τ, которую должно обеспечить устройство, может задаваться по внешнему сигналу управления или генерироваться микроконтроллером по заданному алгоритму.
Электрооптический преобразователь 2, отрезок оптического волокна 3 и оптоэлектронный преобразователь 4 должны быть согласованы по рабочим длине волны и мощности. Входящий в состав оптоэлектронного преобразователя 4 усилитель должен компенсировать затухание, вносимое электрооптическим преобразователем 2 и отрезком оптического волокна 3. При невозможности компенсировать затухание усилителем оптоэлектронного преобразователя 4 необходимо использовать СВЧ-усилитель с системой автоматической регулировки усиления (АРУ) для защиты электронных коммутаторов 1 и 5 и электрооптического преобразователя 2. Либо необходимо использовать оптический усилитель с необходимым коэффициентом усиления, достаточным, чтобы компенсировать внесённое затухание и не перегрузить оптоэлектронный преобразователь 4.  СВЧ-усилитель может располагаться между входным коммутатором 1 и электрооптическим преобразователем 2, между оптоэлектронным преобразователем 4 и выходным коммутатором 5 или между выходным коммутатором 5 и входным коммутатором 1. СВЧ-усилитель может представлять собой как модуль, так и микросхему для монтажа на печатную плату. Оптический усилитель может располагаться между электрооптическим преобразователем 2 и отрезком оптического волокна 3, либо между отрезком оптического волокна 3 и оптоэлектронным преобразователем 4. Оптический усилитель также может быть выполнен либо в виде модуля, либо в виде микросхемы для монтажа на печатную плату.