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.

Остались вопросы? Мы будем рады ответить на них!