ФОТОДЕТЕКТОРНЫЙ СВЧ МОДУЛЬ
PHOTO DETECTIVE MICROWAVE MODULE

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к радиофотонике, и может быть использовано при конструировании систем возбуждения антенн и активных фазированных антенных решеток (АФАР) для связи, радиолокации, радионавигации и радиоэлектронной борьбы.
Недостатком существующих приемо-передающих модулей АФАР является их низкий КПД и связанные с этим проблемы энергопотребления и охлаждения, большие габариты и избыточная масса. Волоконно-оптические фотонные линии передачи мощных информационно-энергетических СВЧ сигналов имеют большие перспективы использования для совершенствования бортовых и стационарных радиолокационных систем на основе АФАР.
Одним из важнейших требований к АФАР является необходимость разнесения в пространстве антенного полотна АФАР (СВЧ излучатели) и аппаратурной основной части приемно-передающего модуля АФАР. Реализация этого требования с использованием обычных (радиоэлектронных) приемо-передающих модулей АФАР чрезвычайно трудна. Использование фотонных трактов на основе мощных информационно-энергетических фотодетекторных модулей для преобразования импульсного лазерного излучения позволит кардинально снизить нагрузку на антенное полотно, уменьшить его массу и габариты. При этом фотодетекторные СВЧ модули должны обеспечить высокоэффективное преобразование мощных импульсов лазерного излучения в гигагерцевом диапазоне частот.
Работа предлагаемого устройства основана на фотоэлектрическом преобразовании наносекундных и субнаносекундных оптических (лазерных) импульсов, передаваемых по оптоволокну, в мощные электрические импульсы с помощью быстродействующего мощного фотодетекторного СВЧ модуля.
Известен фотодетекторный СВЧ модуль, предназначенный для калибровки и контроля фазы каждого излучающего элемента в активной фазированной антенной решетке (см.
https://www.researchgate.net/publication/235084654_RF_Photonic_In-Situ_Real-Time_Phased_Array_Antenna_Calibration_System, W.M. Dorsey, M.G. Parent, S.A. Long, Ch.S. McDermitt, F. Bucholtz). В данном модуле используется фотонное устройство возбуждения, в состав которого входит маломощный фотодетектор, преобразующий промодулированный оптический сигнал в высокочастотный калиброванный (эталонный) электрический сигнал, способный возбудить небольшую дипольную антенну, находящуюся перед каждым излучающим элементом фазированной антенной решетки и работающую в ближней зоне.
Недостатками известного устройства служит малая (1 мВт) выходная мощность модуля, которой возбуждается небольшая дипольная антенна, передающая высокочастотный калиброванный сигнал на излучающий элемент антенной решетки, а сама дипольная антенна находится в ближней зоне каждого из элементов фазированной антенной решетки, то есть предлагаемое устройство не рассчитано для работы в дальней зоне для излучения высокочастотного сигнала в открытое пространство на большие расстояния и служит как источник высокочастотного гармонического калиброванного колебания с малой мощностью и узкой полосой пропускания.
Известен фотодетекторный СВЧ модуль (см. http://masters.donntu.org/2012/frt/samoylenko/diss/index.htm, Самойленко Д.А. «Исследование характеристик интегрированных микрополосковых активных антенн в защищенных системах связи»). В данном устройстве реализована концепция фотонной антенны, отличающейся от традиционной микроволновой антенны тем, что коаксиальный кабель заменен оптическим волокном, устройством возбуждения антенны является фотодетектор, а источником оптического сигнала - лазер. В фотодетекторе происходит преобразование амплитудно-модулированного оптического сигнала в электрический, который и возбуждает микроволновую антенну. Недостатком известного устройства, как утверждает автор, является большие потери при преобразовании, которые могут превышать 10 дБ и низкая выходная мощность СВЧ сигнала, ограниченная максимальным фототоком фотодетектора, который не превышает нескольких десятков миллиампер.
Известно устройство (см. патент US20040145026 «Photonic transmitter», Chi-Kuang Sun и др., дата публикаций 29 июля 2004 г., https://www.google.ch/patents/US20040145026), в котором «печатная» щелевая антенна соединена через секцию сопротивлений согласования, через копланарный волновод и интегрирована с фотодетектором. Недостатками известного устройства является низкая мощность, составляющая единицы милливатт.
Наиболее близким техническим решением-прототипом является фото детекторный СВЧ модуль (см. патент US2006140644, «High performance, high efficiency fiber optic link for analog and RF systems», A. Paolella, дата публикации 29 июня 2006 г., http://www.google.ch/patents/US20060140644), состоящий из фотодетектора, оптоволокна и антенны, в котором описан вариант преобразования промодулированного оптического сигнала в высокочастотный электрический сигнал с помощью одного фотодетектора и передача сигнала в антенну за счет прямого преобразования: модулированный оптический сигнал - оптоволокно - детектирование -антенна.
Недостатком известного устройства является небольшая мощность (1 мВт) устройства возбуждения, которая ограничивается мощностью одного фотодетектора, невозможностью оптимального согласования фотодетектора с антенной, что ведет к потере мощности генерируемого антенной сигнала и искажению самого сигнала.
Задача настоящего изобретения - повышение мощности фотодетекторного СВЧ модуля, преобразующего импульсы оптического излучения в мощные электрические импульсы, и оптимальное согласование с СВЧ нагрузкой.
Поставленная задача достигается тем, что фотодетекторный СВЧ модуль включает симметричный оптоволоконный разветвитель оптических СВЧ импульсов, подводимых через входное оптоволокно, и СВЧ фотодиоды, оптически стыкованные с выходными оптоволокнами разветвителя. К каждому фотодиоду приложено обратное смещение, величина напряжения которого задана подключенной к фотодиоду через нагрузочное сопротивление сборкой последовательно соединенных вентильных фотоэлементов, работающих без обратного напряжения смещения и облучаемых через оптоволокна непрерывным лазерным излучением.
Количество вентильных фотоэлементов в одной сборке установлено не более величины отношения максимально допустимого обратного напряжения смещения каждого СВЧ фотодиода к рабочему напряжению, генерируемому каждым вентильным фотоэлементом. Параллельно сборке вентильных фотоэлементов подсоединен конденсатор, емкость которого установлена не менее удвоенного отношения длительности оптических импульсов к величине нагрузочного сопротивления. Величина фототока вентильного фотоэлемента установлена равной фототоку СВЧ фотодиодов, умноженному на коэффициент заполнения СВЧ импульсов. Нагрузочные сопротивления соединены между собой последовательно, а общие выводы последовательной сборки нагрузочных сопротивлений подсоединены через СВЧ тракт к СВЧ нагрузке, например, передающей антенне, причем величина каждого нагрузочного сопротивления установлена равной отношению волнового сопротивления СВЧ нагрузки к количеству СВЧ фотодиодов. Количество СВЧ фотодиодов в модуле установлено равным заданной выходной импульсной мощности модуля, умноженной на коэффициент заполнения оптических импульсов и деленной на мощность вентильных фотоэлементов в одной сборке.
В заявленном фотодетекторном СВЧ модуле СВЧ фотодиоды и вентильные фотоэлементы могут быть выполнены на основе арсенида галлия с величиной допустимого обратного смещения 10В. Длительность оптических импульсов равна 1 не, скважность импульсов равна 8, фототок СВЧ фотодиодов равен 1А. Величина каждого нагрузочного сопротивления равна 8 Ом, волновое сопротивление СВЧ нагрузки равно 64 Ом. Рабочее напряжение вентильного фотоэлемента равно 1В, количество вентильных фотоэлементов в одной сборке равно 8, общее количество вентильных фотоэлементов равно 64, а фототок одного вентильного фотоэлемента равен 125 мА. Заданная импульсная выходная мощность устройства равна 64 Вт, а общая мощность всех вентильных фотоэлементов равна 8 Вт.При коэффициенте заполнения наносекундных оптических импульсов, равном 0,125, количество СВЧ фотодиодов равно 8.
Новизна настоящего фотодетекторного СВЧ модуля и эффективность предлагаемых технических решений состоят в следующем.
Включение в состав модуля симметричного оптоволоконного разветвителя позволяет равномерно распределить мощность импульсного наносекундного и субнаносекундного оптического излучения на несколько последовательно включенных через нагрузочные сопротивления СВЧ фотодиодов. Это позволяет увеличить мощность модуля пропорционально количеству СВЧ фотодиодов и увеличить выходное сопротивление модуля пропорционально величине и количеству нагрузочных сопротивлений, что, в свою очередь, позволяет согласовать выходное сопротивление модуля и волновое сопротивление антенной нагрузки.
Для дополнительного увеличения выходной мощности СВЧ фотодиодов к каждому из них приложено обратное смещение, величина напряжения которого задана сборкой последовательно соединенных вентильных фотоэлементов, работающих без обратного смещения.
Количество вентильных фотоэлементов в одной сборке, питающей один СВЧ фотодиод, должно быть равно отношению максимально допустимого обратного напряжения каждого фотодиода к рабочему напряжению, генерируемому каждым вентильным фотоэлементом и равно величине отношения суммарного количества всех вентильных элементов в модуле к суммарному количеству всех фотодиодов в модуле. Выполнение этого условия необходимо для предотвращения электрического пробоя СВЧ фотодиодов.
Сборка вентильных фотоэлементов подключена к каждому фотодиоду последовательно через нагрузочное сопротивление. Каждый фотоэлемент сборки облучается непрерывным оптическим излучением, генерируя электрическую мощность и заряжая параллельно подключенный к сборке конденсатор. В промежутке времени между приходом оптических импульсов электрическая энергия аккумулируется на конденсаторе и затем разряжается в течение импульса. Емкость конденсатора должна быть не менее удвоенного отношения длительности оптических СВЧ импульсов к величине нагрузочного сопротивления. При выполнении этого условия вся энергия, генерируемая сборкой фотоэлементов, будет перекачена в энергию импульсов фотодиода. При этом импульсная мощность фотодиода будет равна мощности вентильных фотоэлементов в сборке, умноженной на скважность оптических импульсов.
Для исключения «токовых» потерь величина фототока вентильного фотоэлемента установлена равной фототоку, генерируемому в СВЧ фотодиоде импульсным оптическим излучением, умноженному на коэффициент заполнения оптических импульсов.
Нагрузочные сопротивления в модуле соединены между собой последовательно, а крайние выводы последовательной сборки нагрузочных сопротивлений подсоединены через СВЧ тракт к СВЧ нагрузке. Величина каждого нагрузочного сопротивления установлена отношению волнового сопротивления СВЧ нагрузки к количеству СВЧ фотодиодов, то есть к количеству нагрузочных сопротивлений. Это позволяет осуществить согласование выходного сопротивления фотодетекторного СВЧ модуля с волновым сопротивлением антенны.
Импульсная мощность модуля равна суммарной импульсной мощности всех фотодиодов и равна суммарной постоянной мощности всех вентильных фотоэлементов, умноженной на скважность импульсного оптического сигнала. Из этого следует, что количество фотодиодов в модуле должно быть равным заданной импульсной мощности модуля, умноженной на коэффициент заполнения импульсного оптического сигнала и деленной на суммарную выходную мощность вентильных фотоэлементов в одной сборке, питающей один СВЧ фотодиод.
Настоящее техническое решение поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 приведено схематическое изображение фотодетекторного СВЧ модуля с тремя СВЧ фотодиодами 6, 7, 8 и девятью вентильными фотоэлементами 12, 13, 14;
на фиг. 2 приведена блок-схема фотодетекторного СВЧ модуля на основе 4-х фотодетекторных блоков 23, 24, 25, 26. ФД - СВЧ фотодиоды, ФЭ - вентильные фотоэлементы, ОВР - оптоволоконный разветвитель.
Фотодетекторный СВЧ модуль, включает симметричный оптоволоконный разветвитель 1 оптических импульсов, подводимых через входное оптоволокно 2, выходные оптоволокна 3, 4, 5 разветвителя оптически стыкованы с СВЧ фотодиодами 6, 7, 8, работающими при обратном смещении (см. фиг. 1 и фиг. 2).
Величина напряжения каждого фотодиода задана подключенной к фотодиоду через нагрузочное сопротивление 9, 10, 11 сборкой последовательно соединенных вентильных фотоэлементов 12, 13, 14, работающих без обратного напряжения смещения и облучаемых через оптоволокна 15, 16, 17 непрерывным оптическим излучением (см. фиг. 1 и фиг. 2).
Количество вентильных фотоэлементов в каждой сборке установлено равным отношению максимально допустимого обратного напряжения смещения каждого СВЧ фотодиода к рабочему напряжению, генерируемому каждым вентильным фотоэлементом. Параллельно сборке вентильных фотоэлементов подсоединен конденсатор 18, емкость которого установлена не менее значения удвоенного отношения длительности импульсов к величине нагрузочного сопротивления.
Величина фототока, генерируемого в вентильных фотоэлементах 12, 13, 14 непрерывным оптическим излучением, установлена равной фототоку фотодиодов 6, 7, 8, умноженному на коэффициент заполнения оптических импульсов.
Нагрузочные сопротивления соединены между собой последовательно, а общие выводы 19, 20 последовательной сборки нагрузочных сопротивлений подсоединены через СВЧ тракт 21 к СВЧ нагрузке, например, антенне 22 (см. фиг. 1 и фиг. 2).
Величина каждого нагрузочного сопротивления 9, 10, 11 установлена равной отношению волнового сопротивления СВЧ нагрузки к количеству СВЧ фотодиодов 6, 7, 8, установленному равным заданной выходной импульсной мощности модуля, умноженной на коэффициент заполнения импульсного оптического сигнала и деленной на суммарную выходную мощность вентильных фотоэлементов 12, 13, 14 в одной сборке (см. фиг. 1 и фиг. 2).
Пример 1.
имп
фд
фд
фэ
фд
н
имп
н
a
фэ
-9
Фотодетекторный СВЧ модуль изготовлен на основе симметричного оптоволоконного разветвителя (1x8) с одним входным и 8-ю выходными оптоволокнами, оптически стыкованными с 8-ю СВЧ фотодиодами. СВЧ фотодиоды и вентильные элементы изготовлены на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs с фотоактивной областью, выполненной на основе арсенида галлия. Длительность оптических импульсов t=1 нс, частота следования импульсов 125 МГц, скважность импульсного оптического сигнала S=8. Величина фототока СВЧ фотодиода равна I=1 А. Величина обратного допустимого напряжения фотодиодов составляет U=10 В. Количество вентильных фотоэлементов (), последовательно соединенных в одной сборке, составляет =8. При величине рабочего напряжения одного вентильного фотоэлемента равной U=1 В обратное напряжение смещения, приложенного к каждому СВЧ фотодиоду составляет U=8 В, а величина нагрузочного сопротивления R=8 Ом. Величина емкости, подсоединенной параллельно каждой сборке вентильных фотоэлементов, составляет С=250 пф. Эта емкость равна удвоенному отношению длительности оптических импульсов t=10 с к нагрузочному сопротивлению 8 Ом. Величина нагрузочного сопротивления R=8 Ом обеспечивает согласование сопротивления сборки из 8-ми последовательно соединенных СВЧ фотодиодов с СВЧ нагрузкой, характеризующейся величиной волнового сопротивления R=64 Ом. При величине выходной мощности каждого вентильного фотоэлемента равной 125 мВт и фототоке I=125 мА, суммарном количестве вентильных фотоэлементов 64 и коэффициенте заполнения импульсного оптического сигнала равном D=0,125 выходная импульсная мощность модуля составляет 64 Вт.
Пример 2.
имп
фд
фэ
фд
н
фд
a
фэ
фэ
м
Фотодетекторный СВЧ модуль изготовлен на основе симметричного оптоволоконного разветвителя 1×16. СВЧ фотодиоды и вентильные элементы изготовлены на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs. Длительность оптических импульсов t=1 нс, скважность импульсов S=5. Величина импульсного фототока СВЧ фотодиода равна I=250 мА. Количество вентильных фотоэлементов в одной сборке =8. Величина рабочего напряжения U=1 В, величина обратного напряжения смещения СВЧ фотодиода U=8 В, а величина нагрузочного сопротивления R=16 Ом. Количество СВЧ фотодиодов в устройстве N=16. Величина емкости С=200 пф. Величина нагрузочного сопротивления обеспечивает согласование модуля с СВЧ нагрузкой, имеющей волновое сопротивление R=256 Ом. При мощности каждого вентильного фотоэлемента =50 мВт и фототоке I=50 мА, общем количестве фотоэлементов N=128 и коэффициенте заполнения импульсов D=0,2 выходная импульсная мощность модуля составляет Р=32 Вт.
Пример 3.
имп
фд
фэ
н
а
фэ
фд
фэ
Фотодетекторный СВЧ модуль изготовлен на основе оптоволоконного разветвите ля 1×8. СВЧ фотодиоды и вентильные элементы изготовлены на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs. t=1 нс, S=10, I=1 А, С=200 пф, =6, U=1 В, R=6 Ом, R=48 Ом. =100 мВт, I=100 мА, N=8, N=48, D=0,1. Импульсная мощность модуля составляет 48 Вт.