РАДИОФОТОННЫЙ ПЕРЕДАЮЩИЙ ТРАКТ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ МОЩНЫХ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ И ЭФФЕКТИВНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ АНТЕНН
RADIOPHOTON TRANSMISSION LINE FOR TRANSFERRING POWERFUL BROADBAND SIGNALS AND EFFECTIVE EXCITATION OF ANTENNAS

Изобретение относится к технике волоконно-оптической связи, в частности к радиофотонным передающим трактам для систем связи и радаров, а более конкретно к широкополосным передающим линиям систем «Радио-по-волокну» (RoF) и передающим трактам радиофотонных приемно-передающих модулей АФАР (ППМ РОФАР) для передачи с высоким КПД мощных широкополосных сигналов на широкополосные антенны и антенные решетки РОФАР и их эффективного возбуждения.
Для широкого спектра применений в современных системах связи, радиолокации, навигации, радиоастрономии и т.д. требуется передавать по волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС) мощные широкополосные сигналы непосредственно к конечному пользователю (конечную нагрузку), например, к антенному излучателю без последующего усиления [1-3].
Однако для решения задачи высокоэффективной передачи мощных широкополосных сигналов по ВОЛС с одновременным сохранением высокого КПД при возбуждении антенн необходимо преодолеть ряд научно-технических проблем.
В типичных маломощных аналоговых и цифровых ВОЛС, в том числе для передачи цифровой информации, используют видеоимпульсы, т.е. при модуляции оптического излучения его интенсивность изменяется от минимума (практически нулевого значения) до максимума и обратно.
Например, аналитическое представление широкополосного видеоимпульса в общем виде будет [4, 5]:
где: A=max{x(t)} - амплитуда импульса,  - эффективная длительность импульса,  - функция, описывающая форму сигнала.
Такие однополярные импульсы, имеющие постоянную составляющую, имеют максимум энергии в области нулевой частоты и вытянутый хвост с резко убывающей энергией (спектральной плотностью) при частоте f>>0 [4, 5].
o
o
Однако, антенны, даже широкополосные, излучают только незначительную часть этого спектра, в области центральной частоты f, причем f>>0, поэтому КПД излучения антенн, возбуждаемых видеоимпульсами крайне мал [5].
Для согласования спектров широкополосных и сверхширокополосных сигналов, подводимых к антенне и спектра излучения самой антенны необходимо работать с биполярными импульсами, например, радиоимпульсами гауссовой или другой формы огибающих [5]:
o
где: ƒ - центральная частота, α, β - постоянные затухания и нарастания огибающей.
При возбуждении антенны биполярными широкополосными (короткими) импульсами с согласованным с ней спектром КПД излучения антенны значительно возрастает [5].
Однако при построении фотонных трактов ВОЛС для передачи радиоимпульсов, т.е. импульсов с ограниченным снизу частотным спектром, а также любых непрерывных и дискретных сигналов, имеющих несущую частоту, (т.е. возможностью работы с биполярными сигналами), требуется выбор рабочей точки при модуляции (как внешней, так и внутренней) примерно посередине диапазона изменения мощности.
Таким образом, оптический передатчик, независимо от глубины модуляции непрерывно излучает примерно половину своей максимальной оптической мощности и работает фактически в классе А (по классификации принятой для электронных усилителей с максимально достижимым КПД - 30%).
Это приводит сразу к нескольким негативным последствиям, в числе которых уменьшение КПД, увеличение дробового шума, прямо пропорционального падающей на фотодетектор оптической мощности, уменьшение динамического диапазона как следствие более раннего достижения порога его насыщения. Также возрастает коэффициент нелинейных искажений по причине уменьшения динамического диапазона и специфики работы устройств в классе А, в выходном спектре которых существуют как четные, так и нечетные гармоники.
Принципиальным решением этих проблем является перевод работы оптических передатчиков в класс АВ, при котором примерно вдвое увеличивается КПД, сводится практически до нуля постоянная составляющая оптического излучения и уменьшаются нелинейные искажения за счет подавления четных гармоник. Наличие начальных участков характеристик оптических модуляторов с повышенной нелинейностью для внешней модуляции и порогового тока лазеров для внутренней (непосредственной или прямой) модуляции вынуждают применять класс АВ с незначительной (порядка нескольких процентов) постоянной составляющей оптического излучения. Примером такого решения является патент US 20070019896 «Class АВ microwave-photonic link», опубликованный 25 янв. 2007 года [6].
Однако схемы по этому изобретению имеют ряд ограничений и недостатков, делающих принципиально невозможным его применение в качестве мощного передающего тракта.
Известна радиофотонная линия для передачи мощных СВЧ сигналов с повышенным КПД, работающая в классе АВ [6] (фиг. 1 источника), состоящая из лазера, оптического усилителя, оптического разветвителя, двух оптических модуляторов с источниками смещения, радиочастотного делителя, радиочастотного фазовращателя, двух волоконно-оптических линий и двух фотодетекторов, включенных по балансной схеме, работающих в фотодиодном режиме.
Недостатки известной схемы состоят в следующем:
Наличие оптического волоконного усилителя (EDFA) из-за низкого общего КПД порядка 10% [7] сильно снижает общий КПД системы.
Оптические модуляторы ограничивают уровень максимальной оптической мощности уровнем в несколько сотен мВт, что делает такую систему принципиально неприменимой для передачи мощных (свыше 1 Ватта) сигналов, а их внутренние потери значительно снижают эффективность применения оптического усилителя, уменьшая результирующее усиление [8].
Два отдельных модулятора с отдельными источниками смещения и два оптических волокна (ОВ) приводят к значительной неидентичности каналов по целому комплексу параметров (по коэффициенту передачи, разности времен прохождения сигналов, дифференциальной фазе, дифференциальному температурному и временному дрейфу и т.д.).
Наличие радиочастотного фазовращателя в радиочастотных каналах принципиально ограничивает ширину полосы частот модуляции, делая практически невозможным работу в широкой и тем более в сверхширокой полосе частот, а также усугубляет проблемы с не идентичностью каналов.
Использование балансных фотодетекторов в обычном (фотодиодном) режиме требует отдельных биполярных источников смещения и приводит к увеличению рассеиваемой на них мощности, к энергозависимости нагрузки (антенн), а также к падению общего КПД системы.
Наличие двойного количества элементов линии передачи и нескольких прецизионных источников смещения увеличивает аппаратурные затраты, объем, массу и стоимость, одновременно снижая суммарный КПД системы.
Известна радиофотонная линия для передачи мощных СВЧ сигналов с повышенным КПД, работающая в классе АВ [6] (фиг. 2 источника), состоящая из радиочастотного делителя, радиочастотного фазовращателя, двух лазеров с источниками смещения, двух волоконно-оптических линий и двух фотодетекторов, включенных по балансной схеме, работающих в фотодиодном режиме.
Недостатки известной схемы состоят в следующем:
Наличие радиочастотного фазовращателя в радиочастотных каналах принципиально ограничивает ширину полосы частот модуляции, делая практически невозможным работу в широкой и тем более в сверхширокой полосе частот, а также усугубляет проблемы с не идентичностью каналов.
Два отдельных лазера с отдельными источниками смещения и два ОВ приводят к значительной неидентичности каналов по целому комплексу параметров (по коэффициенту передачи, разности времен прохождения сигналов, дифференциальной фазе, дифференциальному температурному и временному дрейфу и т.д.).
Использование балансных фотодетекторов в обычном (фотодиодном) режиме требует отдельных биполярных источников смещения и приводит к увеличению рассеиваемой на них мощности, к энергозависимости нагрузки, а также к падению общего КПД системы.
Наличие двойного количества элементов линии передачи и нескольких прецизионных источников смещения увеличивает аппаратурные затраты, объем, массу и стоимость, одновременно снижая суммарный КПД системы.
Единая задача, на решение которой направлено данное изобретение - одновременное повышение КПД системы и достижимой мощности фотонного передающего тракта - антенна и эффективности возбуждения антенны, расширение мгновенной полосы передаваемых частот (широкополосности), повышение идентичности каналов, улучшение температурной и временной стабильности, уменьшение аппаратурных затрат и упрощение схемы. При этом важным и необходимым условием являлось сохранение работы в классе АВ.
Для этого предлагается радиофотонная линия для передачи мощных широкополосных сигналов с повышенным КПД, работающая в классе АВ с единственной волоконно-оптической линией передачи и фотодетекторами, включенными по дифференциальной схеме, выполняющими, одновременно с фотодетектированием функцию инвертора однополярного (монополярного) импульсного сигнала, причем фотодетекторы работают в фотовольтаическом режиме попеременно с разнесением по времени на половину длинны биполярного импульса на их выходе (по основанию), обеспечиваемым оптической линией задержки.
Выходы фотодетекторов подключены к антенне.
Сущность изобретения заключается в переносе функции инвертирования сигнала (получении двухтактного, двухполярного сигнала) из передающей части линии в приемную и осуществления ее одновременно с фотовольтаическим преобразованием из оптического в электрический двухполярный сигнал в мощных фото детекторах, работающих в фотовольтаическом режиме попеременно за счет оптической линии задержки, включенной перед одним из фотодетекторов, включенных по дифференциальной схеме (фиг. 1а). В качестве лазеров могут быть применены мощные квантоворазмерные гетеролазеры с непосредственной модуляцией [9].
Такие мощные квантоворазмерные гетеролазеры (с мощностью до нескольких десятков Вт) могут непосредственно промодулированы до частот в несколько ГГц [10].
В качестве мощных фотодетекторов могут быть использованы мощные фотодетекторы типа UTC (Uni-Trevelling-Carrier) с оптимизированной областью поглощения [11].
Принцип работы радиофотонного передающего тракта проиллюстрирован на его упрощенной схеме (фиг. 1а). Исходный однополярный (монополярный) импульсный сигнал наносекундной длительности, предназначенный к передаче по радиофотонному тракту, поступает на электрический вход лазера 2 (ЛД) одновременно с постоянным электрическим смещением от источника 1 (Смещение ЛД), обеспечивающим работу мощного лазера от порогового тока, модулируя оптическую мощность на его выходе от минимального околопорогового до максимальных значений.
На выходе лазера появляется мощный однополярный (монополярный) оптический импульс наносекундной длительности (фиг. 1б). Далее передаваемый импульсный сигнал наносекундной длительности проходит по волоконно-оптической линии связи 3 (ВОЛС) и поступает на симметричный оптический разветвитель 4 (ОР), где его мощность делится поровну на две оптические ветви, из первой ветви оптический сигнал поступает напрямую на первый мощный фотодетектор 6, на выходе которого возникает первый наносекундный электрический импульс положительной полярности (при данной полярности включения фотодетектора), а из второй ветви сигнал поступает на вход оптической линии задержки 5 (ОЛЗ), где задерживается по времени на длину первого оптического импульса по его основанию, (что эквивалентно половине длинны биполярного электрического импульса на выходе фотодетекторов) и поступает на второй мощный фотодетектор 7, на выходе которого возникает второй наносекундный электрический импульс отрицательной полярности (при данной полярности включения фотодетектора).
На выходе этих двух фотодетекторов, включенных дифференциально, т.е. разнополярно для получения разностного сигнала, причем сумма этих двух наносекундных импульсов дает на нагрузке, (в качестве которой может быть применена антенна), мощный биполярный импульс наносекундной длительности (фиг. 2).
Единый технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, одновременно выражается в следующем:
а) в расширении мгновенной полосы передаваемых частот за счет применения в тракте элементов, не ограничивающих широкополосности и возможности работы в сверхширокой полосе частот, причем основная функция - работа радиофотонного тракта в режиме класса АВ сохраняется;
б) в повышении максимально достижимой передаваемой мощности за счет применения в тракте элементов, не ограничивающих уровень максимальной оптической и электрической мощности, причем основная функция - работа радиофотонного тракта в режиме класса АВ сохраняется;
в) в энергетической независимости выхода тракта, т.е. в отсутствии необходимости электрического питания аппаратуры на выходе, благодаря работе мощных фотодетекторов в фотовольтаическом режиме и, как правило, отсутствием необходимости в усилении полученного сигнала значительной мощности.
г) в повышении идентичности каналов, улучшении температурной и временной стабильности за счет передачи сигнала по единственному как радиочастотному, так и волоконно-оптическому каналу с оптическим разветвлением непосредственно перед фотодетекторами;
д) в одновременном повышении КПД системы радиофотонный передающий тракт - антенна за счет повышения КПД, как самого тракта, благодаря отсутствию необходимости в дополнительных источниках питания мощных фотодетекторов, так и за счет эффективного возбуждения антенны биполярными радиоимпульсами с согласованным с антенной частотным спектром и временным сдвигом их положительных и отрицательных частей (полуволн).
Указанный единый технический результат при осуществлении изобретения (фиг. 3) достигается тем, что по сравнению с известной радиофотонной линией для передачи СВЧ сигналов с повышенным КПД, работающей в классе АВ [6], являющейся наиболее близким аналогом к заявляемому, с общими признаками: наличие двух частей, лазеров, волоконно-оптических линий между двумя частями, фотодетекторов, отличающаяся тем, что введен оптический разветвитель 4 (ОР), оптическая линия задержки 5 (ОЛЗ) и антенны 8, 9, причем радиочастотный модулирующий сигнал одновременно с током от источника смещения 1 (Смещение ЛД) подается на вход лазера 2 (ЛД), оптический выход которого соединен с входом волоконно-оптической линии связи 3 (ВОЛС), выход которой соединен с оптическим разветвителем 4 (ОР), первый оптический выход которого соединен с оптическим входом первого фотодетектора 6 (ФД1), а второй с оптическим входом второго фотодетектора 7 (ФД2) через оптическую линию задержки 5 (ОЛЗ), обеспечивающую задержку сигнала на длину импульса по основанию на выходе первого фотодетектора, оба фотодетектора включены по дифференциальной схеме и работают в фотовольтаическом режиме и их электрические выходы являются двухтактными (биполярными) выходами на антенны 8, 9 широкополосной радиофотонной линии работающей в классе АВ.
Таким образом, на выходе радиофотонной линии формируется мощный широкополосный биполярный (двухполярный) сигнал, причем оптическая линия задержки сдвигает отрицательную часть импульса на длину его положительной части по основанию, как представлено на фиг. 2.
Такие широкополосные биполярные импульсы позволяют повысить эффективность возбуждения и направленность антенн [12].
Б
Например, при возбуждении в раскрыве антенны электромагнитного поля Е в виде биполярного импульса коэффициент направленного действия D становится равным [12]:
М
где: D - коэффициент направленного действия для возбуждения антенны моноимпульсами.
Б
М
М
Таким образом, возбуждение в раскрыве антенны электромагнитного поля в виде биполярного импульса (3) увеличивает коэффициент направленного действия D антенны в 9,5 раз по сравнению с коэффициентом направленного действия D для униполярного моноимпульса D.
Следовательно, в совокупности общий выигрыш эффективности при применении предлагаемых двухтактных радиофотонных передающих трактов может быть до 18 раз.
Источники информации:
1. Бахрах Л.Д., Зайцев Д.Ф. Фазированные антенные решетки на основе распределенных оптических антенных модулей // Доклады АН. - 2004. - Т. 394, №4. - с. 465-468.
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. Приемно-передающий оптоэлектронный модуль АФАР: Патент России RU 2298810 / Д.Ф. Зайцев. - №2005130539; Заявл. 4.10.2005.
4. Ицхоки Я.С., Овчинников Н.И. Импульсные и цифровые устройства - М.: Изд. Советское радио, 1972 г., 592 с.
5. Шостко И.С., Алмакадма Т., Соседка Ю.Э. Анализ сверхширокополосных сигналов для инфокоммуникационных сетей // Проблемы телекоммуникаций. - 2012. - №4 (9), с. 45-62. http://pt.journal.kh.ua
6. Class - АВ microwave - photonic link: US 20070019896 A1 / Т.Е. Darcie, P.F. Drissen, Int. Cl. G02F 1/01; US Cl, 385/1; 25.01.2007.
7. Каталог фирмы IPG Photonics. EARSeries 1 to 50 W Single-Mode High Power Erbium Fiber Amplifiers - www.ipgphotonics.com
8. PowerLog™ AM-20; AM-40 20/40 GHz Intensity Modulators for Analog Applications. DataScheet / Oclaro. - CA. - 2013, - www.oclaro.com
9. Винокуров Д.А., Зорина C.A., Тарасов И.С. и др. Мощные полупроводниковые лазеры на основе асимметричных гетероструктур раздельного ограничения // Физика и техника полупроводников. - 2005. - Т. 39, вып. 3 - с. 388-393.
10. Зайцев Д.Ф. Исследование частотного потенциала мощных квантоворазмерных гетеролазеров // Антенны. - 2013. - Вып. 8. - с. 50-57.
11. Li J., Xiong В., Luo Y., Sun С, Hao H., Wang J., Han Y., Wang L. and Li H. High-power, wide-bandwidth modified uni-travelingcarrier photodiodes with an optimized depletion region // Applied Physics Express. - 2016. - V. 9, No. 5, - http://dx.doi.org/10.7567/APEX.9.052203
12. Способ возбуждения широкополосной антенной решетки и широкополосная антенная решетка (варианты) для его осуществления: Патент России RU 2295180 / Анцев Г.В., Сарычев В.А., Французов А.Д. и др. - №2005122185/09; Заявл. 13.07.2005.