УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ЛИНЕЙНО-ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ
DEVICE FOR GENERATING CHIRP SIGNALS

Изобретение относится к технике формирования радиосигналов и может быть использовано в радиолокации, защищенной связи, радиотомографии, георазведке и т.п.
Известно устройство формирования линейно-частотно-модулированных (ЛЧМ) сигналов [Патент 4633185 US, МКИ H03K 005/159, Hugh McPherson (Великобритания); John P. Blakely (Великобритания)]. Устройство формирования включает последовательно соединенные генератор одиночных импульсов, линию задержки на поверхностных акустических волнах, амплитудный ограничитель, электронный усилитель и экспандер. Управляющий вход генератора одиночных импульсов является входом формирователя, выходом которого является выход экспандера.
Признаком аналога, совпадающим с признаками заявляемого технического решения, является электронный усилитель.
Недостатками аналога являются:
- ограничение сверху значения центральной частоты ЛЧМ-сигнала;
- ограничение сверху значения девиации частоты ЛЧМ-сигнала.
Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в ограниченных возможностях линий задержки на поверхностных акустических волнах. Большое затухание и ограниченные возможности фотолитографии микронной технологии (на частоте 1 ГГц требуется разрешение 1 мкм) затрудняют создание приборов на поверхностных акустических волнах на частотах более 1,5 ГГц, что не позволяет формировать сигналы с ЛЧМ в диапазоне выше 1,5 ГГц. При этом относительная полоса пропускания линии задержки на поверхностных акустических волнах колеблется от 1 до 100%, что ограничивает девиацию частоты формируемого ЛЧМ-сигнала значением 1,5 ГГц.
Известно устройство формирования ЛЧМ-сигналов [Патент 2282302 RU, МКИ Н03С 3/00, Борцов А.А. (РФ), Ильин Ю.Б. (РФ)]. Формирователь частотно-модулированных сигналов состоит из генератора, функционального преобразователя и фазового интерферометра, имеющего три входа и один выход, и может также формировать ЛЧМ-сигналы.
Генератор подсоединен к первому входу дефлектора в функциональном преобразователе. Функциональный преобразователь состоит из дефлектора, имеющего два входа и один выход, первого приемного оптического модуля, первого электронного усилителя, имеющего один вход и два выхода, передающего оптического модуля, включенного в первый выход первого электронного усилителя, двух световодов. При этом один из световодов по выходу оптически сопряжен с первым приемным оптическим модулем, другой световод по входу оптически сопряжен с передающим оптическим модулем, а по выходу - с дефлектором. В функциональный преобразователь дополнительно введены фазовращатель, второй вход которого соединен с выходом приемника, фильтр низких частот, три направленных ответвителя, четыре световода, один из которых - с полимерной оболочкой. При этом фазовый интерферометр подключен входами к вторым выходам направленных ответвителей, а его выход - к второму входу фазовращателя. Фильтр низких частот расположен между фазовращателем и первым электронным усилителем, второй выход которого является выходом функционального преобразователя. Три световода расположены последовательно таким образом, что один из них по входу оптически сопряжен с выходом дефлектора, причем световод с полимерной оболочкой расположен между двумя другими. При этом направленные ответвители подключены последовательно так, что первый и третий оптически сопряжен соответственно по выходу и по входу со световодами, первый и второй направленные ответвители жестко связаны между собой, а второй и третий - посредством расположенного между ними световода.
Передающий оптический модуль содержит оптический источник и модулятор, первый вход которого является входом передающего оптического модуля, второй вход связан с оптическим источником. Выход модулятора является выходом источника излучения.
Фазовый интерферометр выполнен по двухплечевой схеме и содержит два фазовращателя, три световода, два приемных оптических модуля, один из которых имеет два входа и один выход, два усилителя и смеситель, имеющий два входа и выход, при этом второй и третий фазовращатели входами подключены ко вторым выходам соответственно третьего и второго направленных ответвителей, а выходами - ко второму приемнику, который, в свою очередь, подключен ко второму усилителю, причем между фазовращателями и вторым приемником установлены световоды, а третий приемник подключен ко второму выходу первого направленного ответвителя и между ними установлен световод, при этом второй усилитель и третий приемник подключены соответственно к первому и второму входам смесителя, который, в свою очередь, подключен к третьему усилителю, передающему сигнал на второй вход первого фазовращателя.
Признаками аналога, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, являются приемный оптический модуль, передающий оптический модуль и электронный усилитель.
Недостатками аналога являются:
- ограничение снизу длительности формируемых ЛЧМ-радиосигналов;
- ограничение сверху девиации частоты ЛЧМ-радиосигнала;
- технологическая сложность устройства.
Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем.
Применение акустооптического дефлектора на основе оксида теллура не позволяет управлять дефлектором с частотой выше 200 МГц, что ограничивает минимальную длительность формируемого сигнала (с учетом приведенного значения частоты управляющего сигнала и задержек в тракте устройства минимальная длительность формируемого сигнала составляет не менее 30 нс).
Девиация частоты в прототипе ограничена верхней рабочей частотой электрооптического модулятора, входящего в состав передающего оптического модуля, значение которой для современных серийных моделей на основе заявленного в прототипе материала составляет порядка 6-7 ГГц.
Ограничения длительности формируемых сигналов и девиации частоты не позволяют достичь высоких значений скорости частотной модуляции.
Применение фазового интерферометра с высокой идентичностью длин плеч из-за сложности изготовления и настройки усложняет и удорожает устройство.
Применение фазовращателей предъявляет высокие требования к точности изготовления световодов.
Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство формирования частотно-модулированных сигналов [Патент 2501157 RU, МКИ H03J 1/44, Румянцев К.Е. (РФ), Кукуяшный А.В. (РФ), Зачиняев Ю.В. (РФ)]. Устройство содержит передающий оптический модуль, волоконно-оптический разветвитель с N выходами, N бинарных волоконно-оптических структур, (N-1) волоконно-оптических линий задержки, волоконно-оптический соединитель с N входами, оптический усилитель, приемный оптический модуль, полосовой фильтр, амплитудный ограничитель, электронный усилитель и фильтр низких частот.
Оптический выход передающего оптического модуля соединен с оптическим входом волоконно-оптического разветвителя, первый выход которого через первую бинарную волоконно-оптическую структуру подключен к первому оптическому входу волоконно-оптического соединителя, второй выход волоконно-оптического разветвителя через последовательно соединенные вторую бинарную волоконно-оптическую структуру и первую волоконно-оптическую линию задержки подключен ко второму входу волоконно-оптического соединителя, а i-й выход волоконно-оптического разветвителя через последовательно соединенные i-ю бинарную волоконно-оптическую структуру и (i-1)-ю волоконно-оптическую линию задержки подключен к i-му входу волоконно-оптического соединителя, оптический выход которого через оптический усилитель соединен с оптическим входом приемного оптического модуля, электрический выход которого через последовательно соединенные полосовой фильтр, амплитудный ограничитель и электронный усилитель подключен к электрическому входу фильтра низких частот.
Все N бинарных волоконно-оптических структур содержат разделительный направленный волоконный ответвитель Y-типа, Q направленных волоконных ответвителей Х-типа, (Q+1) дополнительных волоконно-оптических линий задержки и суммирующий направленный волоконный ответвитель Y-типа. Вход разделительного направленного волоконного ответвителя Y-типа является входом бинарной волоконно-оптической структуры, первый выход которого объединен с первым входом первого направленного волоконного ответвителя Х-типа, а второй выход через первую дополнительную волоконно-оптическую линию задержки соединен со вторым входом первого направленного волоконного ответвителя Х-типа, первый выход которого соединен с первым входом второго направленного волоконного ответвителя Х-типа, а второй выход через вторую дополнительную волоконно-оптическую линию задержки соединен со вторым входом второго направленного волоконного ответвителя Х-типа. Первый выход j-го направленного волоконного ответвителя Х-типа соединен с первым входом (j+1)-го направленного волоконного ответвителя Х-типа, а второй выход j-го направленного волоконного ответвителя Х-типа через j-ю дополнительную волоконно-оптическую линию задержки соединен со вторым входом (j+1)-го направленного волоконного ответвителя X-типа, причем первый выход последнего Q-го направленного волоконного ответвителя X-типа соединен с первым входом суммирующего направленного волоконного ответвителя Y-типа, а второй выход последнего Q-го направленного волоконного ответвителя Х-типа через (Q+1)-ю волоконно-оптическую линию задержки соединен со вторым входом суммирующего направленного волоконного ответвителя Y-типа.
Признаками прототипа, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, являются приемный оптический модуль, передающий оптический модуль, электронный усилитель, полосовой фильтр, волоконно-оптическая линия задержки.
Недостатками прототипа являются:
- ограничение сверху девиации частоты ЛЧМ-радиосигнала;
- высокие требования к точности изготовления элементов формирователя.
Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем.
Согласно описанию работы прототипа, девиация частоты ограничена точностью изготовления линий задержки, входящих в состав функциональных узлов формирователя. При этом при погрешности изготовления 0,1 мм достигается значение девиации частоты, не превышающее 5,7 ГГц (Кукуяшный А.В. Особенности формирования ЛЧМ сигналов с использованием волоконно-оптических структур. Информационное противодействие терроризму. - 2007. - №9. - С. 75-88).
Кроме того, для обеспечения функционирования прототипа требуется не только высокая точность изготовления линий задержки, но и постоянство погрешности изготовления всех оптических волокон формирователя, что сопряжено с технологическими трудностями и требует больших затрат при их промышленном выполнении.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в увеличении девиации частоты ЛЧМ-сигнала.
Для достижения технического результата в известное устройство дополнительно введены устройство управления, устройство формирования задающих импульсов, смеситель, генератор, управляемый напряжением.
Технический результат достигается тем, что в устройство формирования ЛЧМ-сигналов, содержащее передающий оптический модуль, приемный оптический модуль, полосовой фильтр, волоконно-оптическую линию задержки и электронный усилитель, введены устройство управления, устройство формирования задающих импульсов, смеситель, генератор, управляемый напряжением, причем первый выход устройства управления подключен к входу генератора, управляемого напряжением, выход которого соединен со вторым входом смесителя, второй выход устройства управления соединен с входом устройства формирования задающих импульсов, выход которого подключен ко второму передающего оптического модуля, а третий выход устройства управления соединен с первым входом передающего оптического модуля, причем оптический выход передающего оптического модуля через линию задержки соединен с оптическим входом приемного оптического модуля, электрический выход которого подключен к первому входу смесителя, выход которого соединен с последовательно подключенными полосовым фильтром и электронным усилителем, причем выход электронного усилителя является выходом устройства.
Анализ существенных признаков аналогов, прототипа и заявляемого технического решения выявил следующие новые существенные признаки относительно технического решения для заявляемого объекта:
- введено устройство управления УУ 1, регулирующее мощность излучения передающего оптического модуля, длительность задающих импульсов и частоту генератора, управляемого напряжением в соответствии с заданными требуемыми параметрами ЛЧМ-сигналов;
- введено устройство формирования задающих импульсов УФЗИ 2, обеспечивающее формирование сигналов требуемой формы для модуляции оптического излучения передающего оптического модуля;
- введен оптический аттенюатор OA 3 для обеспечения работоспособности ПРОМ 4;
- введен смеситель См 7 для преобразования частоты радиосигнала, поступающего с выхода ПРОМ 4 в соответствии с заданными требуемыми параметрами ЛЧМ-сигналов;
- введен генератор, управляемый напряжением ГУН 8, для преобразования частоты радиосигнала при помощи смесителя.
Таким образом, формирование радиосигнала с внутриимпульсной ЛЧМ осуществляется в оптическом диапазоне длин волн, где применяемые оптические волокна, имеющие погонное затухание 0,2 дБ/км и погонную полосу пропускания, превышающую сотни терагерц на километр, позволяют минимизировать потери при формировании сигнала и достичь увеличения девиации частоты сигнала и расширения рабочего диапазона частот.
Доказательство наличия причинно-следственной связи между заявляемой совокупностью признаков и достигаемым техническим результатом приводится далее.
Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена структурная схема устройства формирования ЛЧМ-сигналов.
На фиг. 2 представлена форма выходного оптического импульса ПОМ 5.
На фиг. 3 приведены эпюры напряжений на выходе функциональных узлов устройства формирования ЛЧМ-сигналов: ПОМ 5 (а), ВОЛЗ 6 (б), УФЗИ 2 (в), ГУН 8 (г), См 7 (д), ПФ 9 (е), ЭУ 10 (ж).
ЛЧМ
На фиг. 4 представлен график зависимости значения девиации частоты ΔF от длительности входного импульса Т для 4-х значений пиковой мощности импульсов ПОМ 5 (50; 100; 150; 200 Вт).
ЛЧМ
На фиг. 5 представлен график зависимости значения девиации частоты от длительности входного импульса Т для 4-х значений длины ВОЛЗ 6 (0,1; 1; 10; 20 км).
ЛЧМ
-3
-4
-5
-6
-1
На фиг. 6 представлен график зависимости значения девиации частоты от длительности входного импульса Т для 4-х значений коэффициента затухания ОВ ВОЛЗ 6 (5·10; 5·10; 5·10; 6·10 м).
На фиг. 7 показаны временные диаграммы на выходе функциональных узлов устройства модели ЛЧМ-сигналов ПОМ (а), ВОЛЗ (б) и частотная зависимость сигнала на выходе ВОЛЗ (в).
На фиг. 8 приведен спектр S(ω) и автокорреляционная характеристика В(τ) ЛЧМ-сигнала, сформированного с заданными моделью параметрами.
Устройство формирования ЛЧМ-радиосигналов (фиг. 1) содержит устройство управления УУ 1 с тремя выходами, передающий оптический модуль ПОМ 5 с двумя входами, волоконно-оптическую линию задержки ВОЛЗ 6 длиной L, оптический аттенюатор OA 3, приемный оптический модуль ПРОМ 4, устройство формирования задающих импульсов УФЗИ 2, смеситель См 7 с двумя входами, генератор, управляемый напряжением ГУН 8, полосовой фильтр ПФ 9 и электронный усилитель ЭУ 10. Первый выход УУ 1 подключен ко входу УФЗИ 2, второй выход УУ 1 соединен с входом ГУН 8, а третий выход УУ 1 соединен с вторым входом ПОМ 5, первый вход которого соединен с выходом УФЗИ 2. Оптический выход ПОМ 5 через последовательно соединенные ВОЛЗ 6 и OA 3 подключен к оптическому входу ПРОМ 4. Выход ПРОМ 4 соединен с первым входом См 7, второй вход которого подключен к выходу ГУН 8. Выход См 7 соединен с последовательно подключенными ПФ 9 и ЭУ 10.
Работает устройство формирования ЛЧМ-сигналов следующим образом.
0
ЛЧМ
ЛЧМ
Передающий оптический модуль ПОМ 5 генерирует оптический импульс с пиковой мощностью Р и длительностью Т, причем Т>100 пс. Форма импульса и его длительность определяется устройством формирования задающих импульсов УФЗИ 2, модулирующим оптическое излучение ПОМ 5. Для работы формирователя требуется обеспечить форму импульса (фиг. 2), описываемую выражением
зад
ЛЧМ
где t - смещение входного импульса во времени, определяемое моментами срабатывания УФЗИ 2, Т - требуемая длительность ЛЧМ-сигнала.
Показано, что только при заданной формулой (1) форме импульса частотная зависимость сигнала под действием явления фазовой самомодуляции будет носить линейный характер (Агравал Г.П. Нелинейная волоконная оптика. Пер. с англ. С.В. Черникова и др. Под ред. П.В. Мамышева. М.: Мир, 1996. 323 с.)
Устройство управления УУ 1 осуществляет регулировку моментов срабатывания УФЗИ 2, длительность импульса и пиковой мощности ПОМ 5.
В волоконно-оптической линии задержки ВОЛЗ 6 длиной L входной импульс подвергается воздействию явления фазовой самомодуляции (ФСМ), в результате которого огибающая оптического сигнала на выходе ВОЛЗ 6 имеет форму линейно-частотно-модулированного сигнала, описываемую формулой
e
нл
где z - эффективная длина ВОЛЗ, L - нелинейная длина ВОЛЗ.
Эффективная длина ОВ ВОЛЗ определяется по формуле
где α - коэффициент затухания ОВ.
Нелинейную длину ОВ ВОЛЗ можно найти по формуле
e
2
0
0
0
0
ЛЧМ
где с - скорость света в вакууме, S - эффективная площадь моды ОВ, n - нелинейный коэффициент преломления, ω - круговая частота оптического излучения, Р - пиковая мощность оптического импульса ПОМ, связанная с энергией импульса соотношением Р=Э/T.
Эффект фазовой самомодуляции (ФСМ) определяется зависимостью показателя преломления в оптическом волокне (ОВ) от интенсивности оптического сигнала при распространении импульса света по ОВ. Вследствие этого различные участки импульса из-за нелинейности показателя преломления испытывают различный дополнительный фазовый набег, что приводит к частотной модуляции и к уширению спектра импульса.
0
В случае, когда дисперсией групповых скоростей (ДГС) можно пренебречь (T>100 пс), соответствующий фазовый набег такого сигнала можно определить по выражению
0
где U(t) - амплитуда поля в начале ВОЛЗ (L=0).
С учетом соотношений (3)-(5) находим
зад
0
зад
0
Продифференцировав выражение (6) по времени, можно определить мгновенную частоту огибающей импульса. Тогда для временного промежутка t+0,1T≤t<t+T справедлива формула
min
max
0
ЛЧМ
Девиация частоты ЛЧМ-сигнала как разность между двумя пиковыми значениями частот f и f прямо пропорционально зависит от эффективной длины оптического волокна (которая обратно пропорциональна погонному затуханию ОВ) и обратно пропорциональна длительности входного сигнала и нелинейной длине ОВ ВОЛЗ. С учетом выражения (7) и соотношения T=8,547·Т находим формулу для расчета девиации частоты ЛЧМ-сигнала
При этом центральная частота ЛЧМ-сигнала может быть рассчитана по формуле
Как видно из формул (8)-(9), изменяя параметры ОВ ВОЛЗ, в частности длину ВОЛЗ, коэффициент затухания ОВ ВОЛЗ, длину волны оптического излучения, а также мощность импульсов ПОМ, можно регулировать выходные параметры формирователя в соответствии с заданными требованиями к параметрам ЛЧМ-сигналов.
Для преобразования из оптического излучения в электрический сигнал с выхода ВОЛЗ 6 через оптический аттенюатор, уменьшающий мощность сигнала для работы последующих узлов, подается на приемный оптический модуль ПРОМ 4. Для преобразования частоты сформированный ЛЧМ-сигнал с выхода ПРОМ 4 подается на смеситель См 7. Результирующая центральная частота определяется частотой ГУН 8, который, в свою очередь, управляется УУ 1. Для фильтрации побочных компонентов преобразования частоты сигнал с выхода смесителя поступает на полосовой фильтр ПФ 9 и усиливается в электронном усилителе ЭУ 10.
Для анализа полученного ЛЧМ-сигнала сравним его спектральные и корреляционные характеристики с характеристиками классического ЛЧМ-сигнала с теми же выходными параметрами (фиг. 5). Уровень боковых лепестков автокорреляционной функции результирующего сигнала не отличается от соответствующего значения для классического ЛЧМ-сигнала (минус 13.4 дБ).
ЛЧМ
ЛЧМ
e
0
2
0
-4
-1
-11
2
С учетом того, что эффективная длина ОВ ВОЛЗ и нелинейная длина ОВ ВОЛЗ не зависят от длительности Т, можно сделать вывод, что имеет место обратная зависимость девиации частоты от длительности формируемого импульса. Семейства графиков зависимости значения девиации частоты от Т при различных значениях пиковой мощности оптического импульса приведены на фиг. 4 для следующих параметров: коэффициент затухания ОВ ВОЛЗ α=5·10 м (5 дБ/км), длина ВОЛЗ L=15 км, эффективная площадь моды ОВ S=5·10 м, пиковая мощность оптического импульса P=50…200 Вт, нелинейный коэффициент n, ω - частота оптического излучения на длине волны 1550 нм.
ЛЧМ
e
0
2
0
-4
-1
-11
2
Семейства графиков зависимости значения девиации частоты от Т при различных значениях длины ВОЛЗ приведены на фиг. 5 для следующих параметров: коэффициент затухания ОВ α=5·10 м (5 дБ/км), длина ВОЛЗ L=0,1…20 км, эффективная площадь моды ОВ S=5·10 м, пиковая мощность оптического импульса P=200 Вт, нелинейный коэффициент n, ω - частота оптического излучения на длине волны 1550 нм.
ЛЧМ
e
0
2
0
-6
-3
-1
-11
2
Семейства графиков зависимости значения девиации частоты от Т ПРИ различных значениях длины ВОЛЗ приведены на фиг. 6 для следующих параметров: коэффициент затухания ОВ α=5·10…5·10 м (5 дБ/км), длина ВОЛЗ L=10 км, эффективная площадь моды ОВ S=5·10 м, пиковая мощность оптического импульса Р=200 Вт, нелинейный коэффициент n, ω - частота оптического излучения на длине волны 1550 нм.
Как видно из фиг. 4-6, теоретическое значение девиации частоты сигнала может принимать значения порядка десятков гигагерц, следовательно, максимальное значение девиации частоты, доступное технически, ограничено возможностями элементов устройства: ПРОМ (ограниченная полоса пропускания), ПФ (ограниченная полоса пропускания). Значение полосы пропускания серийно выпускаемых современных ПРОМ достигает 40-50 ГГц. ПФ достаточно узкополосны, причем полоса пропускания серийных экземпляров не превышает 15-20 ГГц (при частоте несущей 40-50 ГГц). Таким образом, можно заключить, что девиация частоты заявляемого технического решения достигает значения 15-20 ГГц при длительности формируемых импульсов от 100 пс. Это позволяет обеспечить высокую разрешающую способность по дальности (единицы миллиметров) и существенно сократить минимальную зону действия устройства, использующего данные сигналы (до 1,5 см).
Методика определения параметров узлов формирователя заключается в следующем.
ЛЧМ
c
Пусть требуется сформировать ЛЧМ-сигнал длительностью τ′, девиацией частоты ΔF′ и центральной частотой f′.
В первую очередь необходимо выбрать длину ВОЛЗ, учитывая требования к массе и габаритам устройства, и тип ОВ.
ЛЧМ
Форма оптического импульса ПОМ при требуемой длительности τ′ определяется согласно (1)
0
ЛЧМ
Тогда при заданных параметрах ПОМ и ВОЛЗ и с учетом соотношения Т=8,547·τ′ требуемую пиковую мощность импульса ПОМ можно определить
0
По известному значению пиковой мощности импульса ПОМ Р и известной из документации чувствительности ПРОМ определяется коэффициент затухания оптического аттенюатора OA.
Проверка эффективности заявляемого устройства формирования ЛЧМ-сигналов проведена посредством моделирования.
ЛЧМ
c
e
0
2
0
-5
-1
-11
2
Модель синтезирована на основе структурной схемы устройства формирования ЛЧМ-сигнала с длительностью τ=10 нс, центральной частотой f=18 ГГц и девиацией частоты ΔF=7,4 ГГц. Параметры коэффициент затухания ОВ α=5·10 м (0,2 дБ/км), длина ВОЛЗ L=10 км, эффективная площадь моды ОВ S=5·10 м, пиковая мощность оптического импульса P=350 Вт, нелинейный коэффициент n, ω - частота оптического излучения на длине волны 1550 нм.
Моделирование проведено в пакетах MATLAB и MATHCAD. На фиг. 7 изображены временные диаграммы сигналов на входе и выходе ВОЛЗ, полученные в MATHCad, а также частотная зависимость сигнала на выходе ВОЛЗ.
На фиг. 8 представлены спектр конечного ЛЧМ-сигнала и график его автокорреляционной функции.
Уровень боковых лепестков автокорреляционной функции составил минус 13,4 дБ, что подтверждает эффективность устройства формирования при генерировании сигнала для обозначенных выше целей.
ЛЧМ
Таким образом, использование заявляемого устройства формирования ЛЧМ-сигналов позволило генерировать ЛЧМ-радиоимпульс длительностью τ=10 нс и девиацией Δf=7,4 ГГц, что превышает максимально достижимые значения прототипа.
Докажем наличие причинно-следственной связи между заявляемой совокупностью признаков и достигаемым техническим результатом. С этой целью проведем сравнительный анализ заявляемого устройства и прототипа по девиации частоты формируемых сигналов.
Девиация частоты в прототипе ограничена требованиями к точности изготовления отрезов ОВ для ВОЛЗ формирователя ЛЧМ-сигналов значениями порядка 5-6 ГГц (Кукуяшный А.В. Особенности формирования ЛЧМ сигналов с использованием волоконно-оптических структур. Информационное противодействие терроризму. - 2007. - №9. - С. 75-88). При увеличении значений девиации частоты и сохранении действующих и обеспечиваемых технически на сегодняшний день погрешностей изготовлении ОВ увеличивается уровень боковых лепестков автокорреляционной функции ЛЧМ-сигналов (Зачиняев Ю.В., Горбунов А.В. Статистический анализ влияния неточности изготовления линий задержки на свойства формирователя сигналов с линейной частотной модуляцией на основе бинарных волоконно-оптических структур // Современные проблемы науки и образования. 2014. №3; URL: www.science-education.ru/117-13784 (дата обращения: 15.07.2014)).
Как показано выше, заявляемое решение позволяет существенно повысит девиацию частоты формируемого сигнала (вплоть до значений порядка 15-20 ГГц). При этом предлагается более широкий диапазон доступных значений длительности формируемых сигналов (от 100 пс до единиц миллисекунд).
Актуальность и промышленную востребованность генераторов сигналов с внутриимпульсной ЛЧМ подтверждает большое число патентных документов, посвященных формированию ЛЧМ-сигналов (например, патенты 2033685 RU, 7791415 US, 5428361 US, 5557241 US и др.).
Помимо традиционного использования в радиолокации короткие ЛЧМ-радиосигналы могут найти применение в защищенной связи, наблюдении в плотных средах (геолокация), радиотомографии.
Например, использование ЛЧМ-сигналов в системах связи по сравнению с цифровыми системами CDMA (Code Division Multiply Access) позволяет упростить обработку и удешевить устройства при тех же технических характеристиках.
Функциональные элементы устройства формирования ЛЧМ-сигналов удовлетворяют критерию промышленного применения.
В качестве передающего оптического модуля может быть использован, например, инжекционный полупроводниковый лазер, работающий в импульсном режиме, с возможностью непосредственной модуляции интенсивности оптического излучения и способный формировать импульсы пикосекундной и наносекундной длительности, например изделия компании Optilab (PNL-1550-1550 нм программируемый лазер).
Физические особенности работы инжекционного полупроводникового лазера и распространения оптического излучения в оптическом волокне накладывают определенные ограничения на ширину спектральной линии и модовый режим излучения инжекционного полупроводникового лазера и обуславливают дополнительные требования к источнику излучения следующего характера:
- одномодовый одночастотный режим излучения при минимальной ширине спектральной линии;
- высокая квантовая эффективность, т.е. отсутствие заметных утечек и других внутренних потерь, способных вызвать локальный перегрев структуры лазера;
- высокая стабильность мощности и малые собственные шумы;
- малая излучающая площадь для повышения коэффициента связи с оптическим волокном.
Учитывая это, передающий оптический модуль должен иметь следующие характеристики:
- возможность прямой модуляции интенсивности оптического излучения;
- рабочая длина волны оптического излучения 1550 нм;
- длительность оптических импульсов более 100 пс;
- спектральная ширина излучения не более 0,01 нм;
- пиковая мощность оптического импульса: не менее 50 Вт;
- относительный шум интенсивности 140 дБ/Гц;
- рабочая температура в диапазоне -40…+60°С.
Волоконно-оптическая линия задержки может быть реализована на основе кварцевых одномодовых оптических волокон (Иванов А.Б. Волоконная оптика: компоненты, системы передачи, измерения. - М.: Изд-во «Syrus System», 1999. - С.50-52).
Требования к оптическому волокну в заявляемом устройстве формирования ЛЧМ-сигналов следующие:
- одномодовое оптическое волокно с несмещенной дисперсией (SF);
- максимальное затухание не более 0,2 дБ/км;
- удельная хроматическая дисперсия порядка 18 пс/(нм·км);
- точность изготовления отрезков оптического волокна не менее 1 мм;
- рабочая температура в диапазоне -40…+60°С.
Приемный оптический модуль обычно представляет сочетание фотодиода и каскада предварительного усиления сигнала фотоответа. Максимальная полоса детектируемых сигналов серийных фотодиодов достигает 30-40 ГГц при чувствительности по мощности оптического излучения порядка минус 30 дБм и крутизне характеристик детектирования 0,5…0,8 А/Вт по току.
Требования к приемному оптическому модулю в заявляемом устройстве формирования ЛЧМ-сигналов следующие:
- рабочая длина волны: 1550 нм;
- диапазон спектральной чувствительности до 30 ГГц;
- крутизна детекторных характеристик 0,5…0,7 А/Вт;
- ширина полосы частот или скорость приема информации до 30 ГГц;
- время отклика не более 10 пс;
- рабочая температура в диапазоне -40…+60°С.
Этим условиям удовлетворяет ПРОМ FINISAR XPDV21x0R (http://www.finisar.com/sites/default/files/pdf/XPDV21x0R_50GHz_Photodetector_Product_Brief_RevA1.pdf).
Полосовой фильтр может быть реализован на полосковых и микрополосковых линиях (Зикий А.Н. Конспект лекций по курсу «Прием и обработка сигналов СВЧ». Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005 г., с. 24-41).
Требования к полосовому фильтру в заявляемом устройстве формирования ЛЧМ-сигналов:
- центральная частота до 30 ГГц;
- относительная ширина полосы пропускания не менее 50%;
- вносимое затухание не более 1 дБ;
- коэффициент прямоугольности: менее 1,3;
- неравномерность вносимого затухания в полосе пропускания ниже 10 дБ;
- рабочая температура в диапазоне -40…+60°С.
При невозможности подбора полосового фильтра с такой широкой полосой пропускания допустимо заменить его связкой из двух фильтров: ФНЧ и ФВЧ.
В качестве широкополосных электронных усилителей наиболее широко используются транзисторные усилители, работающие в диапазоне частот 0,1…55 ГГц и имеющие полосу усиления 4…80%, коэффициент усиления на каскад 5…30 дБ, коэффициент шума 2…6 дБ и динамический диапазон входного сигнала 80…90 дБ (Микроэлектронные устройства СВЧ. / Под ред. Г.И. Веселова. - М.: Высшая школа, 1988. - С.78-86, 225).
Требования к электронному усилителю в устройстве формирования ЛЧМ-сигналов:
- рабочий диапазон частот до 30 ГГц;
- шумовая температура не более 5 К;
- коэффициент усиления не менее 10 дБ;
- рабочая температура в диапазоне -40…+60°С.
Этим условиям удовлетворяет усилитель производства Agilent 83051А (http://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5963-5110E.pdf).
Смесители конструктивно выполняют на волноводных, коаксиальных и полосковых линиях передачи. При этом наиболее важными параметрами являются: мощность преобразованного сигнала и КПД, а в ряде случаев полоса пропускания и динамический диапазон (Зикий А.Н. Конспект лекций по курсу «Прием и обработка сигналов СВЧ». Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005 г., с. 46-49).
Требования к смесителю в заявляемом устройстве формирования ЛЧМ-сигналов:
- максимальная рабочая частота до 50 ГГц;
- потери преобразования до 8 дБ;
- рабочая температура в диапазоне -40…+60°С.
Этим условиям удовлетворяет смеситель производства Marki Microwave ML1-1850 (http://www.markimicrowave.com/Assets/DataSheets/ml1-1850.pdf).
В качестве ГУН в заявляемом устройстве можно использовать широкополосные ЖИГ-генераторы с электромагнитной перестройкой частоты. Они обладают минимальным уровнем фазовых шумов в классе широкополосных генераторов. Идеальны для малошумящих широкополосных синтезаторов СВЧ с ФАПЧ (Зикий А.Н. Конспект лекций по курсу «Прием и обработка сигналов СВЧ». Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005 г., с. 10-20).
Требования к ГУН в заявляемом устройстве формирования ЛЧМ-сигналов:
- максимальная рабочая частота до 30 ГГц;
- потери преобразования до 8 дБ;
- рабочая температура в диапазоне -40…+60°С.
Этим условиям удовлетворяет ГУН производства Pacific Microchip Corp. PMCC_VCO20G/24G/25G/26G/30G http://www.pacificmicrochip.com/DataSheets/PMCC_VCO24_30G_Datasheet_rev2.4.pdf).
Блок синхронизации и управления и устройство формирования задающих импульсов могут быть реализованы на базе цифровых программируемых логических интегральных схем, например, производства компании Altera.
Таким образом, доказана практическая реализуемость заявляемого устройства формирования ЛЧМ-сигналов.