Радиофотонное устройство формирования сверхширокополосных СВЧ сигналов

Полезная модель относится к области СВЧ техники и может быть использована, в частности, при создании генераторов различных типов сверхширокополосных СВЧ сигналов для систем сверхширокополосной радиолокации.
Известен формирователь сверхширокополосного СВЧ сигнала с линейной частотной модуляцией, содержащий лазер с волоконно-оптическим выводом, электрооптический модулятор, отрезок оптического волокна, фотодиод с волоконно-оптическим вводом, генератор сигналов произвольной формы [1]. Использование генератора сигналов произвольной формы, подключенного к электрическому входу электрооптического модулятора, позволяет получить сверхширокополосный СВЧ сигнал с линейной частотной модуляцией. Для перестройки мгновенной частоты во времени в предложенном формирователе на вход электрический вход электрооптического модулятора подается сигнал с квадратичной зависимостью амплитуды от времени. Однако данное устройство формирования не позволяет формировать иные типы сложных сверхширокополосных СВЧ сигналов, кроме сверхширокополосных СВЧ сигналов сигнал с линейной частотной модуляцией.
При использовании оптоэлектронных методов формирования сложных сверхширокополосных СВЧ сигналов обеспечивается большая величина коэффициента сжатия автокорреляционной функции либо из-за большого значения частотно-временной базы для генерируемых СВЧ сигналов с линейно-частотной модуляцией, либо из-за большой длительности кодовой последовательности СВЧ сигналов фазокодовой модуляцией. Однако при использовании генератора сигналов произвольной формы, подключенного к электрическому входу электрооптического модулятора, невозможно реализовать формирование СВЧ сигналов с фазокодовой модуляцией в диапазоне СВЧ.
Техническая задача полезной модели - обеспечение генерации различных типов сложных сверхширокополосных СВЧ сигналов в одном устройстве формирования: сигналов с частотной модуляцией и большой величиной частотно-временной базой, а также сигналов со сложными форматами фазокодовой модуляции.
Техническая задача решается тем, что радиофотонное устройство формирования сверхширокополосных СВЧ сигналов, содержащее генератор сигналов произвольной формы, содержит электрооптический модулятор Маха-Цендера, оптический вход которого соединен с одночастотным лазером с волоконно-оптическим выводом излучения, а оптический выход соединен с помощью отрезка стандартного одномодового оптического волокна с мощным высокоскоростным фотодиодом с оптоволоконным вводом излучения, электрический выход которого соединен с полосовым СВЧ фильтром, электрический вход электрооптического модулятора Маха-Цендера электрически связан с СВЧ сумматором, суммирующим сигналы электрически связанных с ним СВЧ генератора опорной частоты и генератора сигналов произвольной формы таким образом, что амплитуды каждого из сигналов составляют величины, равные или кратные полуволновому напряжению электрооптического модулятора Маха-Цендера.
π
π
Совокупность указанных признаков приводит к возможности формирования сигналов с частотной модуляцией, как линейной, так и нелинейной, и большой величиной частотно-временной базы, а также сигналов со сложными форматами фазокодовой модуляции вследствие того, что частотный отклик электрооптического модулятора Маха-Цендера является нелинейным по амплитуде и линейным по фазе, поэтому, с одной стороны, при подаче на СВЧ вход суммы гармонического СВЧ сигнала и импульсного сигнала прямоугольной формы от генератора сигналов произвольной формы с амплитудами, равными ±kV, где V - полуволновое напряжение электрооптического модулятора Маха-Цендера, k - целое число, из-за перестройки модулятора между квадратурными точками имеет место чистая фазовая модуляция гармонического СВЧ сигнала, что позволяет посредствам управления длительностями модулирующих импульсов реализовывать сложные форматы фазокодовой модуляции; с другой стороны, при подаче на СВЧ вход суммы гармонического СВЧ сигнала и некоторого высокочастотного сигнала из-за нелинейности электрооптического модулятора Маха-Цендера формируется сумма СВЧ сигналов с частотами, равными суммам и разностям частоты задающего генератора и его гармоник с частотой, величина которой, в свою очередь, определяется производной от поданного высокочастотного сигнала, причем на выходе с помощью полосового СВЧ фильтра осуществляется селекция сформированного сигнала вблизи требуемой центральной частоты. В последнем случае, при выборе высокочастотного сигнала в виде параболы на выходе формируется сумма сигналов с линейно-частотной модуляцией.
Сущность полезной модели поясняется фигурой, на которой изображена блок-схема радиофотонного устройства формирования сверхширокополосных СВЧ сигналов, где:
1 - одночастотный лазер с волоконно-оптическим выводом излучения;
2 - электрооптический модулятора Маха-Цендера;
3 - отрезок стандартного одномодового оптического волокна;
4 - мощный выскоскоростной фотодиод с оптоволоконным вводом излучения;
5 - полосовой СВЧ фильтр;
6 - СВЧ генератор опорной частоты;
7 - СВЧ сумматор;
8 - генератор сигналов произвольной формы.
Радиофотонное устройство формирования сверхширокополосных СВЧ сигналов содержит одночастотный лазер с волоконно-оптическим выводом излучения 1, соединенный с оптическим входом электрооптического модулятора Маха-Цендера 2, оптический выход которого соединен с помощью отрезка стандартного одномодового оптического волокна 3 с мощным высокоскоростным фотодиодом с оптоволоконным вводом излучения 4, электрический выход которого соединен с полосовым СВЧ фильтром 5. На электрический вход электрооптического модулятора Маха-Цендера 2 через СВЧ сумматор 7 подается сумма сигналов СВЧ генератора опорной частоты 6 и генератора сигналов произвольной формы 8 таким образом, что амплитуды каждого из сигналов составляют величины равные или кратные полуволновому напряжению электрооптического модулятора Маха-Цендера.
Радиофотонное устройство формирования сверхширокополосных СВЧ сигналов работает следующим образом. Одночастотный лазер с волоконно-оптическим выводом 1 генерирует оптическую несущую, которая с помощью электрооптического модулятора Маха-Цендера 2 модулируется по интенсивности суммой сигналов СВЧ генератора опорной частоты 6 и генератора сигналов произвольной формы 8, полученной в СВЧ сумматоре 7; в результате нелинейного преобразования сигналов в электрооптическом модуляторе Маха-Цендера 2 формируется модулированный по интенсивности оптический сигнал, который распространяется в отрезке стандартного одномодового оптического волокна 3, на выходе которого в мощном высокоскоростном фотодиоде с оптоволоконным вводом излучения 4 происходит обратное оптоэлектронное преобразование. Частотная селекция гармоник сформированного сложного сверхширополосного СВЧ сигнала осуществляется с помощью с полосового СВЧ фильтра 5, соединенного с электрическим выходом мощном высокоскоростном фотодиоде с оптоволоконным вводом излучения 4.
4
4
3
Пример конкретного выполнения радиофотонного устройства формирования сверхширокополосных СВЧ сигналов, обеспечивающего формирование сигналов с линейно-частотной модуляцией, центральной частотой 20 ГГц, шириной полосы частот 10 ГГц и величиной частотно-временной базы 10, а также формирование сигналов частотой 20 ГГц длительностью 1 мкс с фазокодовой модуляцией с длиной кодовой последовательности 10. В качестве одночастотного лазера с волоконно-оптическим выводом излучения 1 используется инжекционный InGaAsP/InP лазерный диод с распределенной обратной связью и оптоволоконным выводом, сохраняющим поляризацию, который генерирует оптическое излучение мощностью 30 мВт на длине волны 1550 нм и относительной интенсивностью шума -160 дБ/Гц. В качестве электрооптического модулятора Маха-Цендера 2 используется LiNbO электрооптический модулятор Маха-Цендера с полуволновым напряжением 5 В на частоте модуляции 20 ГГц, оптическими потерями 4 дБ и коэффициентом контрастности 30 дБ. В качестве отрезка стандартного одномодового оптического волокна 3 используется стандартный одномодовый кварцевый волоконно-оптический кабель с оптическими разъемами. В качестве с мощного высокоскоростного фотодиода с оптоволоконным вводом 4 излучения используется высокоскоростной InGaAs/InP p-i-n мощный фотодиод модуль с оптоволоконным вводом, который обладает токовой чувствительностью 0,6 А/Вт, предельной частотой 30 ГГц и сопротивлением нагрузки 50 Ом. В качестве полосового СВЧ фильтра 5 используется фильтр на основе микрополосковых линий передачи, обладающий полосой пропускания 10 ГГц и центральной частотой 20 ГГц. В качестве СВЧ сумматора 7 используется направленный симметричный СВЧ делитель Уилкинсона на основе микрополосковых линий передачи с коэффициентом вносимых потерь 4 дБ. В качестве СВЧ генератора опорной частоты 6 используется кварцевый генератор с умножением частоты с выходной мощностью 10 мВт на частоте 20 ГГц. В качестве генератора сигналов произвольной формы 8 используется генератор сигналов произвольной формы с рабочей полосой частот 5 ГГц и выходной мощностью 10 мВт.
Источники информации:
[1] Zhang, Yamei. Photonic generation of linear-frequency-modulated waveforms with improved time-bandwidth product based on polarization modulation / Y. Zhang [et al.] // J. of Lightw. technol. - 2017. - Vol.35, №10. - P. 1821-1829.