Схемы управления антенной решеткой RoF оптическим способом: результаты макетирования

Оценим погрешность датчика от неоднородности электрического поля. Для этого воспользуемся выражениями (4) и (11) и нормировкой a=R/d, где R - радиус дисковой пластины датчика; d - расстояние от центра датчика до источника поля. Нормирующий параметр a характеризует близость датчика к источнику поля. Таким образом, чем меньше а, тем дальше датчик находится от источника поля, а поле становится более однородным. Наиболее приемлемый диапазон изменения параметра а от 0 до 1.

С учетом этой нормировки выражение для погрешности от неоднородности электрического поля примет вид

Воспользуемся математическим редактором MathCAD 14 и построим графики погрешности от неоднородности электрического поля в зависимости от параметра a. График погрешности представлен на рис. 5.

Проведенные исследования показывают (см. рис. 5), что погрешность датчика во всем пространственном диапазоне измерения отрицательная и уже при a > 0.2 выходит за пределы 3 %. В связи с этим рассматриваемый датчик пригоден для измерения на расстояниях от источника поля d, равных пяти радиусам проводящего диска датчика (d=5R).

Из результатов исследования вытекает, что рассмотренный датчик напряженности обладает погрешностью от неоднородности поля до 3 % в пространственном диапазоне от 0 до 5R от источника поля, где R - радиус дисковой пластины датчика. Датчик дает заниженные значения зарядов в неоднородном поле, это может привести к необъективной оценке влияния напряженности электрического поля на технические и биологические объекты. Несомненным достоинством датчика является простота его конструкции, позволяющая изготавливать его методами напыления проводящих и диэлектрических слоёв на тонкую проводящую подложку. Кроме этого, из-за своих малых габаритов датчик позволяет размещать его внутри прибора.

В заключение хотелось бы предположить, что решение задачи о минимизации погрешности от неоднородности поля кроется в оптимизации размеров чувствительных элементов датчика. Дальнейшие исследования будут проводиться в этом направлении.

Список литературы

1. Benenson W. Handbook of Physics. New York: Springer-Verlag, 2002.

2. Двайт Г. Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы / под ред. К. А. Семендяева. М.: Наука, 1977. 224 с.

СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АНТЕННОЙ РЕШЕТКОЙ ROF ОПТИЧЕСКИМ СПОСОБОМ:

РЕЗУЛЬТАТЫ МАКЕТИРОВАНИЯ

И. Л. Виноградова, А.В. Андрианова, И. К. Мешков, А. Х. Султанов, Г. И. Абдрахманова, Е. П. Грахова,

А. А. Ишмияров, Л. З. Янтилина, Г. Р. Кутлиева

Уфимский государственный авиационный технический университет, г. Уфа, Россия

Аннотация - Рассматривается задача построения и макетирования оптического устройства управления радиоизлучателями антенной решетки для RoF. Предложены конструкции и собраны макеты указанного устройства, основанные на профильном многолучевом интерферометре и на протяженно-кольцевой волоконно-оптической схеме. Для изготовления макетов УЧОИ интерференционного типа использовался оптический смеситель, выполненный из ситаллового стекла методом интенсивного кручения под высоким давлением. Для макетов были измерены коэффициенты потерь и коэффициенты передачи с учетом разделения - на оборудовании фрейм-контроллера и на оборудовании собранного экспериментального стенда сегмента RoF. Получены результаты измерений, позволяющие сделать заключение о возможности применения макетов УЧОИ на экспериментальных сегментах RoF.

IV. Результаты исследования

V. Выводы и заключение

УДК 62-1/-9

DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-4-182-187

Ключевые слова: устройство для разветвления и чирпирования оптических сигналов, волоконно-оптическая линия связи, чирп оптического импульса, макетирование, Radio-over-Fiber.

I. Введение

В последнее время развивается такая технология широкополосной передачи (ШП), как «Радио по оптоволокну» (RoF - Radio-over-Fiber, радиотракт в диапазоне ~ 3 ^ 11 ГГц [1]). RoF целесообразно применять для абонентских сегментов доступа, а также представляет интерес при построении специальных приложений, например, создании радиоудлиннителя ГЛОНАСС и т.д. Кроме широкой полосы пропускания, базовыми преимуществами технологии являются: аппаратная миниатюрность компонентов и значительная скрытность ввиду весьма малой мощности радиосигналов (—50...55 дБм), что обусловлено необходимостью соответствия установленной спектральной маске [1] для ШП-радиолиний. Однако это качество является недостатком RoF - дальность радиопередачи остается небольшой (десятки метров), что ограничивает применимость таких систем.

II. Постановка задачи

Увеличить длину ШП-радиолинии RoF можно с применением антенной решетки (АР) направленного радиоизлучения [2] вместо отдельных ненаправленных излучателей. Это же позволит увеличить и адаптивность сегментов RoF, что обладает большой актуальностью и является одним из координирующих направлений при построении сетей категории 5G. Но, учитывая частотный диапазон сигналов, управление АР целесообразно выполнять не электронным (с помощью цепей СВЧ), а оптическим методом. Последний предполагает наличие специализированного оптического устройства, компенсирующего искажения сигналов, подаваемых на вход АР, а также распределяющего сигналы на входы радиоизлучателей АР и обеспечивающего их фазовые сдвиги.

III. Теория

В качестве такого оптического устройства было предложено использовать Устройство чирпирования и усиления оптических сигналов

Макет № 1 и макет № 2 собраны со смесителем из ситаллового стекла, полученным методом интенсивного кручения под высоким давлением (ИКВД) [4]. Макет 1 содержит дополнительные световодные каналы, в составе которых присутствуют световоды EDFA. Дополнительные световодные каналы предназначены также и для обеспечения фазового сдвига сигналов, подаваемых на различные группы радиоизлучателей АР. Это позволяет управлять положением лепестка радиоизлучения. Макет № 2 выполнен без дополнительных световодных каналов, и предназначен для АР с фиксированным положением лепестка. В обоих макетах имеется один информационный вход (обозначен: Лшф) и один вход для подачи излучения накачки (Лрщпр). Количество выходных све-товодных каналов равно 44, что связано с количеством радиоизлучателей АР.

а) Макет № 1 шётоводьГЕВРА б) Макет № 2

Рис. 1. Эскизы макетов УЧОИ: а - макет обеспечивает функцию разделения 1х44, рекомендован для использования с антенной решеткой; количество выходных световодов может быть увеличено; обозначено: 1инф - длина волны излучения информационного сигнала и 1ритр - длина волны излучения накачки (980 нм); б - макет обеспечивает функцию разделения 1х44, рекомендован для АР с фиксированным положением

лепестка

Рис. 2. Эскизы макетов УЧОИ протяженного типа: а) и б) - линейные схемы; 1 - EDFA, 2 -DSF и/или световода с высокой степенью нелинейности (НЛ); Y - обозначение Y-образного разветвителя, который может иметь структуру 1х2, 1х3, 1xN; символом • обозначены разъемы/коннекторы или места сварки световодов

Оба эти типа реализации УЧОИ могут успешно выполнять изначально поставленную перед устройством задачу. Но УЧОИ резонаторного типа является более миниатюрным и позволяет не только разделять входной оптический сигнал на составляющие по мощности, но и на составляющие по спектральным параметрам: по длинам волн, включая значение функции чирпа оптических импульсов. Для изготовления макетов УЧОИ были отобраны обработанные методом ИКВД изделия-смесители, в которых оптические параметры получились симметричными по отношению к центральной оси - и симметричность нанесения покрытия, сверление отверстия для подключения входных и выходных световодных каналов, и т.д. Макеты УЧОИ интерференционного типа были собраны практически во всех конструктивных вариантах, которые представляют практический интерес с точки зрения применения на сегментах RoF (по количеству выходных световодных каналов). Макеты УЧОИ протяженного типа построены без оптического смесителя. Они предполагают наличие световода EDFA, и специализированного световода, обладающего близкому к треугольному профилю показателя преломления (DSF), либо световода с повышенным коэффициентом нелинейности Керровского типа [6, 7]. На рис. 1 представлены обозначения - двойные для проходящего излучения, что означает принципиальную функциональность использования устройства, обеспечивающего светопропукание как в прямом, так и в обратном направлении. Это свойство является важным с точки зрения построения дуплексного канала RoF и при использовании на сложно-разветвленных сегментах PON-RoF.

Рис. 3. Фото макетов УЧОИ интерференционного типа: а - макет УЧОИ № 1; б - макет УЧОИ № 2. Корпус макетов выполнялся на основе металлического стального фиксатора

Световол ЕББА

Рис. 4. Фото макета УЧОИ протяженного типа № 4

Эскизы макетов УЧОИ протяженного типа предполагают последовательное включение световодов: EDFA и специализированного (DSF или НЛ). Кроме того, все такие макеты снабжены волоконно-оптическими развет-вителями, либо переключателями. С точки зрения технических характеристик таких устройств, можно остановиться на следующем: потери излучения и коэффициенты передачи (по интенсивности) определяются аналогичными характеристиками для входящих в состав УЧОИ разветвителей/ переключателей, а также качеством соединений (сварных швов). Считаем, что потери в сегментах световодов (EDFA и специализированного) являются малыми, и не учитываются - ввиду малой их протяженности (EDFA - не более 15 м [5, 6], и специализированного, если таковой будет присутствовать в конструкции УЧОИ, не более 10 м). Величина вносимого положительного чирпа (по которой можно судить о величине компенсируемого отрицательного чирпа, приобретаемого сигналом из-за ХД линии) зависит от структуры таких УЧОИ (какие именно световоды используются, как собрана волоконная схема - линейная или кольцо) и от величины интенсивности накачки для EDFA. От последнего напрямую зависит коэффициент усиления EDFA.

Представленный на рис. 4 макет № 4 предназначен для усиления оптического сигнала, введения в него положительного чирпа за счет эффекта фазовой самомодуляции (ФСМ) [8], возникающего в EDFA и далее - в НЛ, а также - для разделения оптического сигнала по интенсивности/мощности для запитывания серии радиоизлучателей. Для оценки уровня усиления можно воспользоваться соотношением из [5]:

G(<) = G0  exp

1 + 5<  T,2 + PfРнаС

где g {ъ<Р 1 - нормированное на единицу длины значение коэффициента усиления (при малом входном

g0 [ ' pump J

сигнале), зависящее от мощности накачки Ppump; 5ю - разность центральных частот входного оптического сигнала и рабочего квантового перехода электрона, ответственного за процесс усиления; Тд - время релаксации диполей вещества активной среды, определяемое скоростью перехода диполей из стабильного равновесного состояния в метастабильное равновесное состояние (имеет порядок 0,01 - 0,03 нс для эрбиево-иттербиевой среды [6, 7]); Pinf- мощность оптического входного сигнала для УЧОИ; Рнас - мощность насыщения активной среды, примерно равная для данного случая 32 мВт [6]; I - длина (м) световода EDFA, G0 - коэффициент усиления

среды при ее длине 1 м. Следовательно, для рекомендованной мощности накачки Ppump = 70 мВт и наименьшей величине отстройки 5ю = 103 рад/с находим: ^ р^ ^ = 0,134 1/м, и далее - для доступной средней длине

световода EDFA I = 10 м и Pinf = 1 мВт, а также приняв G0 = 20,5 [6], получаем, что входной сигнал мощностью

в 1 мВт окажется усиленным на выходе EDFA до величины мощности примерно 46 мВт, что вполне достаточно для его разделения и/или для дальнейшей передачи по волоконно-оптической линии.

Для увеличения результативности целевых эффектов (величины усиления и положительного чирпирования) была использована чирпирующая решетка Брэгга. Это обеспечивает введение чирпа в сигнал за счет эффекта ФСМ, как описано выше, а также и за счет использования избирательной многолучевой интерференции. Макеты № 5 и № 6 также являются своеобразной модификацией макета № 4 - в них увеличивается эффективная длина EDFA за счет кольцевого распространения. Это также позволяет увеличить усиление и вносимый положительный чирп. Здесь следует отметить, что макет № 5 вполне удовлетворяет требованиям к линии RoF по рассматриваемым параметрам. Тем не менее макет № 6 может представлять значительный практический интерес - ввиду использования меньшей мощности накачки из-за кольцевого распространения, что весьма актуально. Кроме того, как показала оценка, вполне можно не использовать специализированный световод (DSF или НЛ), включаемый после EDFA в кольцевой схеме, что также удешевляет стоимость таких УЧОИ, либо (при использовании) позволяет увеличить показатели эффективности устройства.

IV. Результаты экспериментов После сборки всех видов макетов УЧОИ, описанных выше, была проведена экспериментально-лабораторная апробация их работоспособности на экспериментальном стенде сегмента RoF. Последний содержал источники излучения на длины волн 1550 нм и 980 нм, а также протяженную (30 км) волоконно-оптическую линию передачи (ВОЛП-RoF). В качестве приёмника оптического излучения использовался спектроанализатор. Измерения были проведены также и с применением фрейм-контроллера, содержащего в своем составе два лазерных излучателя на длины волн 1550 нм и 980 нм, а также измеритель оптической мощности. В результате были определены: коэффициенты потерь (с разделением) ai,j и коэффициенты передачи (с разделением) bij, i и j - номера соответствующих информационных входов и выходов УЧОИ. Коэффициент потерь показывает снижение уровня мощности (в дБ) в выходном канале как из-за погрешностей изготовления устройства, так и из-за наличия разделения (разветвления). Этот коэффициент измерялся при отключенном блоке излучателя 980 нм на

фрейм-контроллере. Коэффициент передачи измеряется при включенном блоке излучателя 980 нм на фрейм-контроллере, обеспечивающем усиление EDFA, и, тем самым, требуемый уровень мощности на выходе. На рис. 5 представлены результаты измерения коэффициента потерь, на рис. 6 - результаты измерения коэффициента передачи для макетов № 1, 2 и 4.

0.1890 0.1885 0.1880 0.1875 0.1870 0.1865 0.1860 0.1855 0.1850-

♦

♦ * о

ф

• фФ ♦ Ф

>0 Л

♦ 0

* *

0 1 3 4 Ф

Л >Ф ф' о * >0+

ф * ♦ ф

0 ф ф 4 а

ф

* 0 ф ф

♦

ф- макет № 1;

♦ - макет № 2 ;

44 N вых «- макет № 4:

б)

а%]>ДБ

0,105 0,100 0,095 0,090 0,085 0,080 0,075 0,070 -

л - макет № 1, с учётом ВОЛП-ЯоР ЭС; 4 - макет № 1, без учёта ВОЛП-КоР ЭС;

>   "А  ф н л.

|а| * Н II1 М Т 11 Т п~м

II ШШ

+4 + .

1___I ♦ I_____

макет № 2, с учётом ВОЛП-ЯоР ЭС;

- макет № 2, без учёта ВОЛП-КоР ЭС

макет № 4, с учётом ВОЛП-ЯоР ЭС;

- макет № 4, без учёта ВОЛП-КоР ЭС

О 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44

Рис. 5. Результаты определения коэффициента потерь для макетов УЧОИ № 1, 2 и № 4: а) - с использованием фрейм-контроллера; б) - с использованием излучателей на экспериментальном стенде (ЭС) Ь^р дБ

1,60 1,55 1,50 1,45 1,40 1,35 1,30 1,25-

^ + * +♦ * * * ± ^ t * ± . а* * Ь > А

Ф - макет № 1, на оборудовании; + - макет № 1. на ЭС;

^М«**4«»»»**^}^»^»^»**»^»*^*^ + - макет № 2. на ЭС;

т+ ♦

макет № 2. на оборудовании;

* **"*•

8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 м еых

Рис. 6. Результаты определения коэффициента передачи для макетов УЧОИ № 1 и 2

V. Выводы и заключение

В результате измерения коэффициентов потерь и передачи для разработанных и собранных макетов УЧОИ, выполненных как на оборудовании фрейм-контроллера, так и в составе ЭС RoF, установлено следующее:

1) значения перечисленных коэффициентов мало меняются (не более 6...7%) в зависимости от номера выхода УЧОИ, что говорит о значительной однородности сборки макетов, а значит, о приемлемом технологическом качестве их изготовления;

2) значения перечисленных коэффициентов являются близкими (с отличием не более 15%) при измерении на оборудовании фрейм-контроллера, оборудовании ЭС-RoF с учетом потерь ВОЛП-Н^ и без учета указанных

потерь. Последнее свидетельствует о достоверности полученных результатов и возможности применения указанных макетов при проведении дальнейших опытно-конструкторских работ в отношении УЧОИ;

3) значения перечисленных коэффициентов являются близкими (с отличием не более 15%) для макетов УЧОИ интерференционного и протяженного типов, хотя их конструкции рознятся принципиально. Это говорит о взаимозаменяемости конструкций УЧОИ в различных задачах построения сегментов RoF.

Таким образом, в настоящем докладе представлены разработанные схемы оптические функциональные устройств, предназначенных для управления радиолепестком антенной решетки RoF. Перечисленные устройства могут быть реализованы на базе многорезонаторного интерферометра и протяженно-кольцевой составной волоконно-оптической схемы. Перечисленные варианты выполнения УЧОИ были смакетированы, проведена их экспериментально-лабораторная апробация. В результате апробации была подтверждена приемлемая работоспособность собранных макетов.

Источник финансирования. Благодарности

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках базовой части Государственного задания. Уникальный идентификатор заявки № 8.5623.2017/ВУ

Список литературы

1. Ultra Wide Band Signals. Source. URL: https://ru.wikipedia.org /wiki/%D0%A1%D0%B2%D0%B (дата обращения 20.05.2016).

2. Bagmanov V.H, Meshkov I.K, Grahova E.P, Vinogradova I.L. UWB radio pulses design based on the derivative Gaussian and Rayleigh pulses relevant to the spectral mask of radiofrequencies Committee // Electrical and Data Processing Facilities and Systems. 2014. Vol. 3. Р. 62-68.

3. Султанов А. Х., Виноградова И. Л., Мешков И. К., Андрианова А.В., Абдрахманова Г. И., Грахова Е. П., Ишмияров А. А., Янтилина Л. З. Проблемы разработки сверхширокополосных систем передачи // Проблемы техники и технологии телекоммуникаций: Оптические технологии в телекоммуникациях: XV Междунар. науч.-технич. конф. Самара, 2016. Т. 1. C. 120-127.

4. Установка для интенсивной пластической деформации кручением (Установка КГД). URL: http://ckp-rf.ru/usu/327 604/ (дата обращения 10.06.2017).

5. Иванов А. Б. Волоконная оптика: компоненты, системы передачи, измерения. М.: Компания Сайрус-Системс, 1999. 670 с.

6. Kaminov I. P. Optical Fiber Telecommunications // Components of Systems. Boston: Academic Press, 2006. 876 p.

7. Лаборатория фотоники и нелинейной спектроскопии. URL: http://photonicslab.phys.msu.ru/ru/research/fiber-optics (дата обращения 05.10.2016).

8. Agrawal G. P. Nonlinear fiber optics. Boston: Academic Press, 2001. 466 р.

УДК 621.396:621.391.25

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СРЕДНЕВОЛНОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛЯ РАДИОСВЯЗИ С МОБИЛЬНЫМИ ГРУППАМИ СПАСАТЕЛЕЙ МЧС РОССИИ

1 о о ^ о о ^

И. Ф. Бажуков , И. В. Дулькейт , С. А. Завьялов , Ю. В. Львова , А. Н. Ляшук , П. И. Пузырев , С. Г. Рекунов ,

Е. А. Чащин2, С. В. Шарапов 3

1 Воркутинский арктический комплексный аварийно-спасательный центр МЧС России, г. Воркута, Россия

2Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

3Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, г. Санкт-Петербург, Россия

DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-4-187-194

Аннотация - Приводятся результаты натурных испытаний опытного образца средневолновой мобильной радиостанции «Ноэма-СВ», которые проводились в Западной Сибири, в Омской области, и на базе Воркутинского арктического комплексного аварийно-спасательного центра МЧС России. Проведенные на реальных радиотрассах, в том числе в условиях Крайнего Севера, натурные испытания показали возможность организации радиосвязи с мобильными группами спасателей МЧС России в средневолновом диапазоне длин волн, на расстояния в несколько десятков километров при сложном рельефе