О практике применения радиофотонных устройств в радиолокации

Статьи

Доклад на II всероссийской научно-технической конференции «Перспективы развития РЛС дальнего обнаружения и интегрированных систем и комплексов информационного обеспечения ВКО», Москва 2014.


Введение
Радиофотоника, изучающая взаимодействие оптических и СВЧ-сигналов, позволяет создавать электронные устройства с параметрами, недостижимыми традиционными средствами. Сверхширокополосные аналоговые линии связи на ВОЛС, линии задержки, а также использующие элементы радиофотоники фильтры, генераторы и другие устройства СВЧ-диапазона находят применение в системах радиоэлектронной борьбы, радиоэлектронного противодействия и в радиолокационных станциях. В статье рассматривается практический опыт разработки устройств радиофотоники для применения в радиолокационной аппаратуре.

 

Основные преимущества радиофотонных устройств:

  • Сверхнизкие потери и дисперсия оптического волокна (менее 0.2 дБ/км на 1550 нм, оптическая несущая ~200 ТГц).
  • Сверхширокополосность (доступная полоса частот оптического волокна ~50ТГц, полоса частот современных фотодиодов и модуляторов до 100 ГГц и выше).
  • Низкий уровень фазовых шумов (процесс прямого оптического детектирования с помощью фотодиода не восприимчив к фазе оптического излучения (к фазе и фазовым шумам оптической несущей).
  • Высокая фазовая стабильность оптического волокна. Невосприимчивость к электромагнитным помехам, не создает помехи.
  • Гальваническая развязка фотонных схем.
  • Малая масса и размеры оптического волокна.
  • Механическая гибкость оптического волокна (облегчает конструктивное исполнение).

 

Некоторые проблемы радиофотонных устройств:

  • Амплитудный шум и ослабление, вносимое модуляцией-демодуляцией оптического сигнала (коэффициент шума канала обычно 10 ÷ 30 дБ, ослабление до 30 дБ, что заставляет применять малошумящие усилители на входе, и линейные усилители на выходе, со всеми их недостатками).
  • Ограниченный динамический диапазон, связанный с нелинейностью оптических модуляторов и прямой токовой модуляции полупроводниковых лазеров.
  • Рассмотрим примеры практической реализации некоторых изделий радиофотоники.

1. Активные линии задержки

В состав активной линии задержки входят: источник оптического излучения (полупроводниковый лазер), излучение которого модулируется ВЧ сигналом, катушка оптического волокна необходимой длины и фотоприемник, детектирующий задержанный оптический сигнал. При необходимости компенсации ослабления сигнала, вносимого модуляцией-демодуляцией оптического сигнала и ослаблением его в волокне в тракт добавляются транзисторные усилители на нужный диапазон частот.
В качестве примера можно привести характеристики переключаемой линии задержки на 16 положений.

Основные характеристики

  • Количество оптических линий задержки: 16.
  • Величина задержки сигнала от 26,7 нс до 9,9867 мкс.
  • Полоса частот: 0,01 ÷ 14 ГГц.
  • Мощность СВЧ сигнала на входе: до 5 мВт.
  • Ослабление мощности СВЧ сигнала от входа до выхода: не более 40 дБ
  • Неравномерность коэффициента передачи СВЧ сигнала в рабочей полосе частот: не более 5 дБ.
  • Погрешность задержки СВЧ сигнала: ± 2,5 нс.
  • Температурный коэффициент изменения времени задержки:  не более 5х10-6/град.С.
  • Управление временем задержки: ручное или бинарным кодом TTL уровней.
  • Время переключения линий задержки: не более 10 мс.
  • Мощность потребления по цепи электропитания: не более 30 Вт.
  • Габаритные размеры: 368 х 200 х 150 мм.
  • Диапазон температур при эксплуатации: от 10 до 35 ºС.

 

На рис.1 приведены частотные характеристики, снятые при переключении задержки от нулевой начальной до 9,9867 мкс, на рис.2 – ее фотографии.

prct01.jpg

Рис. 1. Частотные характеристики переключаемой линии задержки.

 

 

prct02.jpg 
 Рис.2.
Фото переключаемой линии задержки: общий вид и вид со снятой крышкой.

Поскольку изделие было предназначено для метрологических задач, усилители в его тракте не использовались, и полоса рабочих частот была ограничена характеристиками аналоговых оптоэлектронных модулей.

2. Каналы передачи СВЧ сигналов на большие расстояния

На рис.3 приведена структурная схема волоконно–оптического тракта для передачи аналоговых сигналов X-диапазона на расстояние 50 км.
 

 

prct03.jpg


Рис.3. Структурная схема тракта передачи аналоговых сигналов X-диапазона на расстояние 50 км: ЭОМ – электрооптический модулятор; ОМ –одномодовое волокно; ОУ – оптический усилитель; КД – волокно, корректирующее дисперсию; ФД – фотодетектор; МШУ – малошумящий СВЧ усилитель.

 

 

prct04.jpg 
Рис.4.
АЧХ и ФЧХ аналогового тракта с компенсацией дисперсии в широкой полосе частот с широкополосным фотоприемником (без МШУ).

 

prct05.jpg 
Рис.5.
Измерения АЧХ и ФЧХ полного аналогового тракта в полосе частот 9,5 ÷ 10,5 ГГц (с МШУ).

 

 

3. Системы распределения радиосигналов по полотну АФАР РЛС

 

 

prct06.jpg 

Рис.6. Структурная схема системы распределения радиосигналов по полотну антенны РЛС: 1:2 – ВЧ разветвитель на основной и резервный каналы; ЛД – лазерный диод; МОД – оптический модулятор; ОУ – оптический усилитель; 2:M – оптический разветвитель на M выходов; 1:N – оптический разветвитель на N выходов; ФД – фотодиод; ТУ – транзисторный усилитель.

 

prct07.jpg 
Рис.7.
Фазовые шумы передатчика РЛС: нижняя кривая – на входе системы распределения, верхняя кривая – на выходе системы распределения (MxN=128).

 

 

 prct08.jpg
Рис.8.
АЧХ и ФЧХ системы распределения Х-диапазона на 128 выходов.

 

 

 prct09.jpg
Рис.9.
Динамический диапазон системы распределения сигнала по ФАР Х-диапазона, свободный от продуктов 3-го порядка, в полосе 1 Гц.

 

 

4. Измерительно-калибровочные средства для РЛС

В качестве примера реализации можно привести опытный образец стенда для проверки параметров РЛС без выхода в эфир в полевых или цеховых условиях.
Стенд позволяют существенно упростить и удешевить процесс настройки, проверки и аттестации РЛС.

 

 

prct10.jpg 
Рис.10.
Структурная схема стенда: 1 – лазер; 2 – модулятор; 3 – схема стабилизации режимов лазера и модулятора; 4 – волоконно-оптическая линия задержки на 67,765 мкс; 5 – оптический кабель 160 м; 6 – фотоприемник; 7 – усилитель; 8 – ферритовый вентиль; 9 – рупорная антенна.

 

Основные технические характеристики стенда:

 

Полоса частот СВЧ сигнала  от 9 до 11 ГГц
Время задержки СВЧ сигнала  67,765 мкс
Неравномерность АЧХ в полосе  9 ÷ 11 ГГц  не более 5 дБ
Нелинейность ФЧХ в полосе 9 ÷ 11 ГГц  ±10 град.
КСВн по входу модулятора  не более 2,3
КСВн по выходу демодулятора  не более 1,5
Коэффициент передачи  не менее –10 дБ
Максимально допустимый уровень входного сигнала  100 мВт
Напряжение питания  21÷29 В постоянного тока
Ток потребления  не более 1,5 А
Длина оптического кабеля на катушке  160 м
Время готовности (от момента подачи питания)  15 с
Диапазон рабочих температур  От –30 до +50 град С
Динамический диапазон, свободный от продуктов интермодуляции 3-го порядка  97 ±1 дБ в полосе 1 Гц
Завал коэффициента передачи на 1 дБ соответствует уровню входного сигнала не менее  100мВт

 


 prct11.jpg
Рис.11.
Частотные характеристики аналогового тракта стенда.

 

 

prct12.jpg          
Рис.12.
Фото блоков стенда: блок оптического приемника; блок оптического передатчика с линией задержки; катушка с оптоволоконным кабелем (тренога с рупорной антенной не показана).

Заключение

Приведенные примеры показывают, что, несмотря на крайне ограниченный выбор элементов фотоники на отечественном рынке, многие задачи радиолокационной техники могут быть успешно решены методами радиофотоники.