УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ЛИНЕЙНО-ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 2013 года по МПК H03J1/00 

Предлагаемое изобретение относится к технике формирования радиосигналов и может быть использовано в радиолокации, защищенной связи, радиовидении, 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.

Признаками аналога, совпадающими с признаками заявляемого технического решении, являются последовательно соединенные амплитудный ограничитель и электронный усилитель.

Недостатками аналога являются:

- ограничение сверху значения центральной частоты ЛЧМ-сигнала;

- ограничение сверху значения девиации частоты ЛЧМ-сигнала;

- невозможность формирования радиоимпульсов с внутриимпульсной ЛЧМ наносекундной длительности с центральной частотой более 1,5 ГГц;

- ограничение скорости частотной модуляции.

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.

Учитывая, что длительность сигнала на выходе генератора одиночных импульсов значительно меньше длительности формируемого сигнала (в 20-30 раз), то можно заключить, что с учетом выше обозначенного ограничения длительность формируемых импульсов превышает 18 нс, при этом центральная частота формируемого сигнала не превышает значения 1,5 ГГц.

Ограничения девиации частоты и длительности формируемых сигналов не позволяют получить высоких значений скорости частотной модуляции.

Известно также устройство формирования ЛЧМ-сигналов [Патент 5428361 118, МКИ G01S 7/28; H03B 23/00; Charles H. Hightower (США), Ralph I. Kratzer (США)].

Устройство формирования включает в себя кварцевый генератор, делитель частоты на 4, делитель частоты на 5, умножитель частоты на 2, два фазовых детектора, два частотно-фазовых детектора, двенадцать электронных усилителей, четыре перемножителя, два петлевых фильтра, три генератора, управляемых напряжением, два изолятора, четыре делителя мощности, три аттенюатора, два программируемых делителя, полосовой фильтр, блок синхронизации и управления, экспандер, два селектора модуляционной характеристики, блок шумоподавления, селектор фазовой автоподстройки частоты генератора.

Входом формирователя является управляющий вход кварцевого генератора, выходом формирователя является выход четвертого перемножителя.

Признаками аналога, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, являются полосовой фильтр и электронный усилитель.

Недостатками аналога являются:

- невозможность формирования импульсов наносекундной длительности;

- ограничение сверху девиации частоты ЛЧМ-сигнала;

- ограничение скорости частотной модуляции;

- сложность устройства.

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем.

Схема технического решения не предусматривает формирования сигналов наносекундной длительности, поскольку результирующий импульс складывается из подымпульсов с целью увеличения базы сигнала. Недостаточная широкополосность фазовых детекторов и генератора, управляемого напряжением, ограничивает девиацию формируемого сигнала и также не позволяет обеспечить наносекундную длительность формируемого сигнала.

Ограничения длительности и девиации частоты формируемых сигналов не позволяют получить высоких значений скорости частотной модуляции.

Большое число обратных связей в устройстве приводит к сокращению быстродействия формирователя и дополнительному затуханию сигнала. Большое количество перемножителей в устройстве вносит дополнительное искажение сигнала и предъявляет высокие требования к стабильности частоты кварцевого генератора.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому является формирователь частотно-модулированных сигналов [Патент 2282302 RU, МКИ H03C 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 прототипа, совпадающими с признаками заявляемою технического решения, являются приемный оптический модуль, передающий оптический модуль, электронный усилитель и фильтр низких частот.

Недостатками прототипа являются:

- ограничение снизу длительности формируемых ЛЧМ-радиосигналов;

- ограничение сверху девиации частоты ЛЧМ-радиосигнала;

- ограничение скорости частотной модуляции;

- 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 учетов 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 8 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.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в увеличении скорости частотной модуляции, что эквивалентно уменьшению длительности ЛЧМ-радиосигнала при сохранении высоких значений базы радиосигнала.

Для достижения технического результата в известное устройство дополнительно введены волоконно-оптический разветвитель, N бинарных волоконно-оптических структур, (N-1) волоконно-оптических линий задержки, волоконно-оптический соединитель, оптический усилитель, полосовой фильтр и амплитудный ограничитель.

Технический результат достигается тем, что в устройство формирования ЛЧМ-сигналов, содержащее передающий оптический модуль, приемный оптический модуль, фильтр низких частот и электронный усилитель, дополнительно введены волоконно-оптический разветвитель с N оптическими выходами, N бинарных волоконно-оптических структур, (N-1) волоконно-оптических линий задержек, волоконно-оптический соединитель с N оптическими входами, оптический усилитель, полосовой фильтр и амплитудный ограничитель, причем 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 к 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, причем все N бинарных волоконно-оптических структур содержат разделительный направленный волоконный ответвитель Y-типа, Q направленных волоконных ответвителей X-типа, (Q+1) дополнительных волоконно-оптических линий задержки и суммирующий направленный волоконный ответвитель Y-типа, причем вход разделительного направленного волоконного ответвителя Y-типа является входом бинарной волоконно-оптической структуры, первый выход которого объединен с первым входом первого направленного волоконного ответвителя X-типа, а второй выход через первую дополнительную волоконно-оптическую линию задержки соединен с вторым входом первого направленного волоконного ответвителя X-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 с вторым входом второго направленного волоконного ответвителя X-типа, причем первый выход j-го направленного волоконного ответвителя X-типа соединен с первым входом (j+1)-го направленного волоконного ответвителя Х-типа, а второй выход j-го направленного волоконного ответвителя X-типа через j-ю дополнительную волоконно-оптическую линию задержки соединен с вторым входом (j+1)-го направленного волоконного ответвителя Х-типа, причем первый выход последнего Q-го направленного волоконного ответвителя Х-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 с вторым входом суммирующего направленного волоконного ответвителя Y-типа, причем выход фильтра низких частот является выходом устройства.

Анализ существенных признаков аналогов, прототипа и заявляемого технического решения выявил следующие новые существенные признаки относительно технического решения для заявляемого объекта:

- введен волоконно-оптический разветвитель ВОР 2 с одним входом и N выходами для одновременного формирования оптических импульсов на всех его N оптических выходах;

- введены N бинарных волоконно-оптических структур БВОС 3-1…3-N для тиражирования входных оптических импульсов с высокой идентичностью копий. На выходе i-й бинарной волоконно-оптической структуры БВОС 3-i формируется последовательность из К неперекрывающихся оптических импульсов, следующих с частотой f_следi. Причем последовательности на выходе i-й и (i+1)-й бинарной волоконно-оптической структуры отличаются только частотой следования копий;

- введены (N-1) волоконно-оптических линий задержки ВОЛЗ 4-1…4-(N-1). Время задержки в r-й и (r+1)-й волоконно-оптических линиях задержки отличается на величину

$$\Delta {\tau }_{\left(r+1\right)}=\frac{K+1}{f_{след}\left(r+1\right)}.\left(1\right)$$

Благодаря этому последовательности импульсов разных бинарных волоконно-оптических структур разносятся во времени для исключения их наложений при дальнейшей обработке;

- введен волоконно-оптический соединитель ВОС 5, имеющий N входов и один выход, объединяющий последовательности импульсов различных бинарных волоконно-оптических структур в единую последовательность неперекрывающихся импульсов с линейно изменяющейся частотой следования;

- введен оптический усилитель ОУ 6, позволяющий компенсировать потери оптического излучения при делении сигнала передающего оптического модуля ПОМ 1 в волоконно-оптическом разветвителе ВОР 2, а также потерь в бинарных волоконно-оптических структурах БВОС 3-1…3-N, волоконно-оптических линиях задержки ВОЛЗ 4-1…4-(N-1) и волоконно-оптическом соединителе ВОС 5;

- введен полосовой фильтр ПФ 8 для выделения спектра ЛЧМ-сигнала из полученной последовательности;

- введен амплитудный ограничитель АО 9, устраняющий паразитную амплитудную модуляцию сигнала.

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 уменьшения длительности формируемого сигнала, а применение бинарных волоконно-оптических структур позволяет тиражировать копии импульса передающего оптического модуля с высокой идентичностью по амплитуде, что повышает качество формируемого сигнала.

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 структурная схема бинарной волоконно-оптической структуры БВОС 3-i.

На фиг.3 приведены эпюры напряжений на выходе функциональных узлов устройства формирования ЛЧМ-сигналов: ПОМ 1 (а), БВОС 3-1 (б), БВОС 3-i (в), БВОС 3-N (г), ВОЛЗ 4-1 (д), ВОС 5 и ОУ 6 (е), ПФ 8 (ж), АО 9 (з), ЭУ 10 (и), ФНЧ 11 (к).

На фиг.4 представлена временная зависимость частоты ЛЧМ-сигнала в устройстве формирования ЛЧМ-сигналов.

На фиг.5 приведен спектр и автокорреляционная характеристика ЛЧМ-сигнала, сформированного в заявляемом устройстве.

На фиг.6 показаны предельные значения формируемого ЛЧМ-сигнала в зависимости от величины технологического допуска при изготовлении волоконно-оптических линий задержки для бинарных волоконно-оптических структур.

На фиг.7 приведены результаты расчета дисперсионной длины оптического волокна.

На фиг.8 показан график зависимости дисперсионной длины от длительности генерируемого передающим оптическим модулем импульса T₀ для трех типов оптического волокна.

На фиг.9 приведены результаты расчета значения нелинейной длины для различных значений пиковой мощности передающего оптического модуля.

На фиг.10 приведены результаты расчета значения пороговой мощности при различных значениях ширины спектра линии излучения передающего оптического модуля.

На фиг.11 проиллюстрированы временные сдвиги копий бинарных волоконно-оптических структур под воздействием повышения температуры окружающей среды.

На фиг.12 приведена структурная схема устройства формирования ЛЧМ-сигналов с заданными моделью параметрами.

На фиг.13 приведена структурная схема устройства бинарной волоконно-оптической структуры с заданными моделью параметрами.

На фиг.14 приведены значения времени задержки для различных волоконно-оптических линий задержки в составе устройства формирования ЛЧМ-сигналов на бинарных волоконно-оптических структурах с заданными моделью параметрами.

На фиг.15 приведен спектр и автокорреляционная характеристика ЛЧМ-сигнала, сформированного на бинарных волоконно-оптических структурах с заданными моделью параметрами.

Устройство формирования ЛЧМ-радиосш налов (фиг.1) содержит передающий оптический модуль ПОМ 1, волоконно-оптический разветвитель ВОР 2 с N выходами, N бинарных волоконно-оптических структур БВОС 3-1, …, 3-N, (N-1) волоконно-оптических линий задержки, волоконно-оптический соединитель ВОС 5 с N входами, оптический усилитель ОУ 6, приемный оптический модуль ПРОМ 7, полосовой фильтр ПФ 8, амплитудный ограничитель АО 9, электронный усилитель ЭУ 10 и фильтр низких частот ФНЧ 11. Оптический выход ПОМ 1 соединен с оптическим входом ВОР 2. Первый оптический выход ВОР 2 через первую бинарную волоконно-оптическую структуру БВОС 3-1 с постоянной времени τ_БВОС1 соединен с первым оптическим входом ВОС 5. Второй оптический выход ВОР через последовательно соединенные вторую бинарную волоконно-оптическую структуру БВОС 3-2 с постоянной времени τ_БВОС2 и первую волоконно-оптическую линию задержки ВОЛЗ 4-1 с постоянной времени τ_зад1 подключен к второму оптическому входу ВОС 5, а i-й оптический выход ВОР 2 через последовательно соединенные i-ю бинарную волоконно-оптическую структуру БВОС 3-iс постоянной времени τ_БВОСi и (i-1)-ю волоконно-оптическую линию задержки ВОЛЗ 4-(i-1) с постоянной времени τ_зад(i-1) подключен к i-му оптическому входу ВОС 5.

Оптический выход ВОС 5 через последовательно соединенные оптический усилитель ОУ 6, приемный оптический модуль ПРОМ 7, полосовой фильтр 8, амплитудный ограничитель АО 9 и электронный усилитель ЭУ 10 подключен к фильтру низких частот ФНЧ 11. Выход ФНЧ 11 является выходом устройства формирования ЛЧМ-сигналов,

При этом i-я бинарная волоконно-оптическая структура БВОС 3-i (фиг.2) содержит разделительный направленный волоконный ответвитель НВО Y-типа 12-i, Q направленных волоконных ответвителей НВО Х-типа 14-i1…14-iQ, (Q+1) дополнительных волоконно-оптических линий задержки ВОЛЗ 13-i1…13-i(Q+1) и суммирующий направленный волоконный ответвитель НВО Y-типа 15-i. Вход разделительного направленного волоконного ответвителя НВО Y-типа 12-i является входом бинарной волоконно-оптической структуры БВОС 4-i, первый выход которого объединен с первым входом первого направленного волоконного ответвителя НВО X-типа 14-i1, а второй выход через первую дополнительную волоконно-оптическую линию задержки ВОЛЗ 13-i1 с постоянной времени τ_зад1 соединен с вторым направленным волоконным ответвителем НВО X-типа 14-i2, первый выход которого соединен с первым входом второго направленного волоконного ответвителя НВО Х-типа 14-i2, а второй выход через вторую дополнительную волоконно-оптическую линию задержки ВОЛЗ 13-i2 с постоянной времени τ_задi2 соединен с вторым входом второго направленного волоконного ответвителя НВО Х-типа 14-i2. Первый выход j-го направленного волоконного ответвителя НВО X-типа 14-ij соединен с первым входом (j+1)-го направленного волоконного ответвителя НВО Х-типа 14-i (j+1), а второй выход j-го направленного волоконного ответвителя НВО Х-типа 14-ij через j-ю дополнительную волоконно-оптическую линию задержки ВОЛЗ 13-ij с постоянной времени τ_задij соединен с вторым входом (j+1)-го направленного волоконного ответвителя НВО Х-типа 14-i (j+1). Первый выход последнего Q-го направленного волоконного ответвителя НВО X-типа 14-iQ соединен с первым входом суммирующего направленного волоконного ответвителя НВО Y-типа 15-i, а второй выход последнего Q-го направленного волоконного ответвителя НВО Х-типа 14-iQ через (Q+1)-ю волоконно-оптическую линию задержки ВОЛЗ 13-i (Q+1) с постоянной времени τ_задi(Q+1) соединен с вторым входом суммирующего направленного волоконного ответвителя НВО Y-типа 15-i.

Работает устройство формирования ЛЧМ-сигналов следующим образом.

Пусть передающим оптическими модулем ПОМ 1 сгенерирован оптический импульс с энергией Э₀ и длительностью T₀ (см. фиг.3.a). При этом T₀<<τ_ЛЧМ.

В волоконно-оптическом разветвителе ВОР 2 оптический импульс разделяется на N оптических импульсов длительностью T₀ и энергией Э₀/N, которые одновременно появляются на N выходах волоконно-оптического разветвителя ВОР 2. С i-го выхода волоконно-оптического разветвителя ВОР 2, импульс подается на вход i-й бинарной волоконно-оптической структуры БВОС 3-i, формирующей K копий входного оптического импульса длительностью T₀ и энергией копий Э₀/N (фиг.3, б-г). Частота следования копий для i-й бинарной волоконно-оптической структуры БВОС 3-i выбирается в соответствии с формулой

$$f_{следi}=f_0+\frac{\beta }{\pi }\left[\left(i-1\right)K+0.5K\right]\frac{1}{f_0+\sqrt{f_0^2+\frac{\beta \left[\left(i-1\right)K+0.5K\right]}{\pi }}},\left(2\right)$$

где f₀ - начальная частота, β - скорость частотной модуляции.

В результате на выходе i-й бинарной волоконно-оптической структуры БВОС 3-i имеется пачка из K импульсов с периодом следования копий

$${\tau }_{БВОСi}=\frac{1}{f_{следi}}.\left(3\right)$$

Постоянная времени дополнительной волоконно-оптической линии задержки ВОЛЗ 13-ij…13-i(Q+1) определяется формулой

$${\tau }_{задij}=2^{j-1}{\tau }_{задi1},j=\overline{\mathrm{1,}\left(Q+1\right)}.\left(4\right)$$

Постоянная времени волоконно-оптической линии задержки ВОЛЗ 4-(i-1) определяется формулой

$${\tau }_{зад\left(i-1\right)}=\left(K+1\right){\displaystyle \sum _{m=1}^{i-1}{\tau }_{задm1}.\left(5\right)}$$

С выхода первой бинарной волоконно-оптической структуры БВОС 3-1 пачка импульсов подается на волоконно-оптический соединитель ВОС 5, с выхода бинарных волоконно-оптических структур БВОС 3-2…3-N копии подаются на волоконно-оптический соединитель ВОС 5 соответственно через волоконно-оптические линии задержки ВОЛЗ 4-1…4-(N-1) (см. фиг.3, д). В волоконно-оптическом соединителе ВОС 5 пачки импульсов, сформированные всеми N бинарными волоконно-оптическими структурами БВОС 3-1…3-N, объединяются в единую последовательность (см. фиг.3, е), после чего она усиливается в ОУ 6 и преобразуется из оптического в электрический сигнал в приемном оптическом модуле ПРОМ 7. Для выделения спектра ЛЧМ-сигнала последовательность импульсов пропускается через полосовой фильтр ПФ 8 (фиг.3, ж). Полученный сигнал подается на амплитудный ограничитель АО 9 для устранения паразитной амплитудной модуляции (фиг.3, з), дополнительно усиливается электронным усилителем ЭУ 10 (фиг.3, и) и, подается на корректирующий фильтр низких частот ФНЧ 11 (фиг.3, к).

Обобщенная временная зависимость частоты ЛЧМ-сигнала приведен на фиг.4, где t₀ - момент начала радиосигнала, t₁ - момент окончания сигнала, τ_n - шаг изменения временного интервала, f₀ - минимальное значение частоты сигнала, f₁ - максимальное значение частоты сигнала, Δf_n - шаг изменения частотного интервала.

Конструктивные особенности бинарной волоконно-оптической структуры определяются параметрами формируемого радиосигнала с ЛЧМ: начальной частотой ЛЧМ-сигнала f₀, скоростью частотной модуляции β, длительностью τ_ЛЧМ формируемого ЛЧМ-сигнала.

Если задано количество копий K, формируемых каждой из бинарных волоконно-оптических структур БВОС 3-1…3-N, то число выходов ВОР 2 определяется формулой

$$N=\lfloor \frac{{\tau }_{ЛЧМ}\left(f_0+0.5\beta {\tau }_{ЛЧМ}\right)}{K}\rfloor .\left(6\right)$$

Количество копий K, формируемых в i-й бинарной волоконно-оптической структуре БВОС 3-i, всегда кратно двум: К=2·j. Причем должно выполняться условие

$$2^j\le K=\sqrt{\frac{2\pi f_0^2}{\beta }}+\frac{1}{2}\le 2^{j+1}.\left(7\right)$$

Время задержки i-й ВОЛЗ 3-i определяется по формуле

$${\tau }_{задi}=\left(K+1\right){\displaystyle \sum _{m=1}^{i-1}{\tau }_{БВОСm}}.\left(8\right)$$

Время задержки j-й дополнительной ВОЛЗ 13-ij в i-й бинарной волоконно-оптической структуре БВОС 3-i определяется по формуле

$${\tau }_{задij}=2^{j-1}{\tau }_{задi1},j=\overline{\mathrm{1,}Q}.\left(9\right)$$

Число Q определяется по формуле

$$Q={\log }_{2}K-1.\left(10\right)$$

Для анализа полученного ЛЧМ-сигнала сравним его спектральные и корреляционные характеристики, с характеристиками классического ЛЧМ-сигнала с теми же выходными параметрами (см. фиг.5). Уровень боковых лепестков автокорреляционной функции результирующего сигнала не отличается от соответствующего значения для классического ЛЧМ-сигнала (минус 13.4 дБ).

При анализе возможности формирования ЛЧМ-сигналов на основе бинарных волоконно-оптических структур получены предельные значения центральной частоты, девиации и длительности формируемого ЛЧМ-сигнала при разных величинах технологического допуска в изготовлении линий задержек в бинарных волоконно-оптических структурах (см. фиг.6).

Для реализации вышеизложенной схемы существует несколько ограничений.

Во-первых, для выделения спектра ЛЧМ-сигнала полосовым фильтром значение начальной частоты ЛЧМ-сигнала необходимо выбирать больше половины значения девиации частоты f₀>0.5Δf.

Во-вторых, длительность входного оптического импульса должна удовлетворять условию T₀≤0.5/f_max, где f_max - максимальная частота радиоимпульсов в последовательности. Кроме того, поскольку параметры входного ЛЧМ-сигнала должны быть согласованы со структурными особенностями построения бинарных волоконно-оптических структур, то использовать бинарные волоконно-оптические структуры для синтеза согласованного фильтра для ЛЧМ-сигнала целесообразно при условии формирования ЛЧМ-сигнала на этой же синтезируемой структуре.

В-третьих, ограничивающим диапазон частот входного сигнала фактором в бинарных волоконно-оптических структурах при формировании копий, а, следовательно, и в устройстве формирования ЛЧМ-сигналов, является дисперсия оптического волокна.

Поскольку в заявляемом устройстве формирования ЛЧМ-сигналов используется одномодовое оптическое волокно, то преобладающей является хроматическая дисперсия. Для оценки степени влияния хроматической дисперсии на форму сигнала используем параметр дисперсионной длины L_D, определяемый по формуле для источника излучения с шириной частотного спектра Δω, длительности импульса передающего оптического модуля ПОМ 1 T₀ и параметра дисперсии групповой скорости β₂

$$L_D=\frac{T_0^2/\left|{\beta }_2\right|}{\sqrt{1+{\left(\Delta \omega \right)}^2{T}_0^2}}.\left(11\right)$$

Соотношение (11) справедливо для импульсов любой формы. Если максимальное расстояние z_max, на котором влиянием дисперсии можно пренебречь, принять равным 0,1 L_D, то длительность импульса T_z·max после прохождения волокна протяженностью z_max, выраженная через длительность импульса передающего оптического модуля ПОМ 1 T₀, составит T_z·max≈1,0057о, а относительное "уширение" импульса не превысит 0,5%.

Рассчитаем значения дисперсионной длины для различных типов одномодового волокна и значений длительности T₀. При этом учтем, что

$$T_0\le 0.5/f_{\max }.\left(12\right)$$

Минимально возможное значение длительности импульса передающего оптического модуля ПОМ 1 с учетом (12)

$$T_{0\min }=\frac{1}{2\cdot f_{\max }}.\left(13\right)$$

При этом максимально возможное значение длины оптического волокна определяется максимальным числом копий K_max, формируемых бинарными волоконно-оптическими структурами:

$$z_{\max .OB}=\left(K_{\max }+1\right){\displaystyle \sum _{r=1}^{N-1}\frac{1}{f_r}.\left(14\right)}$$

Учитывая вышеприведенные данные, получены минимально возможные значения длительности входного импульса T₀=38 пс и длины оптического волокна z_max.OB=37 м.

Результаты расчета значения дисперсионной длины согласно (11) для различных типов оптического волокна и длины импульса изображены на фиг.7.

Зависимость дисперсионной длины от длительности импульса T₀ и типа оптического волокна в графическом виде представлена на фиг.8.

Из фиг.7 и фиг.8 видно, что при длительности импульса свыше 38 пс значения дисперсионной длины для различных типов оптического волокна отличается незначительно и превышает 63 км.

Принимая во внимание значение максимальной длины оптического волокна в заявляемом устройстве формирования ЛЧМ-сигналов z_max.OB (длина волоконно-оптической линии задержки, соединяющей выходы N-й бинарной волоконно-оптической структуры БВОС 3-N и волоконно-оптический соединитель ВОС 5), можно заключить, что z_max.OB<<0,1·L_D для любого типа оптического волокна, что позволяет не учитывать эффект хроматической дисперсии при рассмотрении свойств заявляемого устройства формирования ЛЧМ-сигналов. Кроме того, в целях удешевления устройства целесообразно использовать оптическое волокно с несмещенной дисперсией SF.

Поскольку для использования в заявляемом устройстве формирования ЛЧМ-сигналов предполагается использование одномодовых волокон с малым значением хроматической дисперсии и лазеров с узкой спектральной полосой излучения, необходимо также учитывать и поляризационную модовую дисперсию.

Коэффициент удельной дисперсии T нормируется в расчете на 1 км и имеет размерность $$\left(пс/\sqrt{км}\right)$$ , а усредненная во времени дифференциальная групповая задержка между двумя ортогональными состояниями поляризации Δτ_ПМД растет с ростом расстояния по закону

$$\Delta {\tau }_{ПМД}=T\cdot \sqrt{z}.\left(15\right)$$

Типовое значение удельной поляризационной модовой дисперсии для индивидуального одномодового волокна со ступенчатым профилем изменения показателя

преломления составляет на длине волны 1550 нм не более $$\mathrm{0,02}пс/\sqrt{км}$$ . Следовательно, для заявляемого устройства формирования ЛЧМ-сигналов, в котором осуществляется большое количество соединений индивидуальных волокон, необходимо учитывать поляризационную модовую дисперсию протяженной линии (квадратично усредненная поляризационная модовая дисперсия для соединенных волокон), типовое значение которой для одномодового волокна составляет $$\mathrm{0,2}\dots \mathrm{1,0}пс/\sqrt{км}$$ .

Рассчитанная ранее максимальная протяженность одномодового волокна с несмещенной дисперсией SF и минимальной длительностью входного сигнала, при которой влиянием хроматической дисперсией можно пренебречь, составляет порядка 6,3 км (0.1·L_D). При этом усредненная во времени дифференциальная групповая задержка между двумя ортогональными состояниями поляризации Δτ_ПМД при типовом значении удельной поляризационной модовой дисперсии протяженной линии для одномодового волокна данного типа $$Т=\mathrm{0,4}пс/\sqrt{км}$$ составит

$$\Delta {\tau }_{ПМД}\approx \mathrm{0,4}\cdot \sqrt{\mathrm{6,3}}\approx 1пс.\left(16\right)$$

При длительности входных оптических импульсов T₀=38 пс задержка между двумя ортогональными состояниями поляризации Δτ_ПМД, рассчитанная по формуле (16), составляет порядка 3,6% от длительности сигнала. Учитывая тот факт, что реальная максимальная длина оптического волокна в формирователе не превышает z_max.OB=37 м, можно сделать вывод, что при использовании одномодового волокна с несмещенной дисперсией SF в бинарной волоконно-оптической структуре поляризационной модовой дисперсией можно пренебречь.

При рассмотрении вопроса обеспечения требуемой полосы пропускания устройства формирования ЛЧМ-сигналов необходимо также учесть и ограничения, накладываемые нелинейными явлениями в оптическом волокне.

Для оценки явления автомодуляции (SPM) существует понятие нелинейной длины:

$$L_{NL}=\frac{1}{P_0}\cdot \frac{{\lambda }_0{S}_e}{2\pi \overline{n}},\left(17\right)$$

где P₀ - пиковая мощность оптического импульса, Вт; S_e - эффективная область поперечного сечения волокна (как правило для одномодовых оптических волокон S_e=50 мкм²), n - коэффициент нелинейности показателя преломления (для кварцевого волокна $$\overline{n}=\mathrm{3,2}\cdot {10}^{-8}мк{м}^2/Вт$$ ). Влиянием SPM на импульсы можно пренебречь в том случае, когда импульсы распространяются на расстояние z<<L_NL.

Результат расчета нелинейной длины для различных значений пиковой мощности оптического импульса квантового генератора приведен на фиг.9.

Учитывая, что максимальная длина оптического волокна в формирователе z_max.OB=37 м, можно констатировать, что явлением автомодуляции в заявляемом устройстве формирования ЛЧМ-сигналов можно принебречь, если пиковая мощность оптического импульса P₀ не превышает 1 Вт, что достаточно для большинства приложений.

Для оценки явления рассеивания Бриллюэна (SBS) вводится понятие пороговой мощности Р_пор, для расчета которой обычно используется следующее приближенное выражение:

$${Р}_{пор}\approx 21\frac{S_e}{g_B{L}_e}\left(1+\frac{\Delta f_s}{\Delta f_B}\right),\left(18\right)$$

где g_B - коэффициент усиления SBS приблизительно равен 4×10^-11 м/Вт и не зависит от длины волны, Δf_s - ширина частотного спектра источника оптического сигнала, L_e - эффективная длина волокна, Δf_B - полоса частот взаимодействия с акустическими фононами (20 МГц).

Рассчитаем значения пороговой мощности при различных значениях ширины спектра линии излучения Δλ, определяющей ширину частотного спектра источника оптического сигнала Δf_s, при которых вынужденным рассеиванием Бриллюэна в оптического волокна можно пренебречь. Результат расчета приведен на фиг.10.

Как видно из результатов расчета, при рабочей длине волны λ₀=1550 нм и ширине спектра линии излучения порядка Δλ>0,1 нм пороговая мощность Р_пор имеет приемлемые для практического применения значения.

Помимо дисперсии и рассеивания, одним из ключевых факторов, оказывающих влияние на свойства оптического волокна в составе заявляемого устройства формирования ЛЧМ-сигналов, является температурный фактор.

Показатель преломления сердцевины оптического волокна при отсутствии деформаций (растяжений, сжатий) волокна зависит от температуры:

$$\Delta n=\left[{\left(\frac{\partial n}{\partial T}\right)}_T+{\left(\frac{\partial n}{\partial T}\right)}_R\right]dT,\left(19\right)$$

где n - показатель преломления сердцевины оптического волокна; dT - изменение температуры, K; $$\left(\frac{\partial n}{\partial T}\right)$$ - частная производная по температуре.

Первое слагаемое формулы (19) проанализировано в литературе, где представлена зависимость составляющей изменения показателя $$\frac{1}{n}{\left(\frac{\partial n}{\partial T}\right)}_T$$ от температуры (0,68·10^-5°C для кварцевого стекла).

Для вычисления второго слагаемого, характеризующего изменения показателя преломления сердечника оптического волокна из-за деформаций можно воспользоваться формулой

где a - радиус сердечника волокна, принимаемый за радиус поля моды; R - радиус изгиба волокна в катушке; T_N - условная температура, при которой длина оптического волокна равнялась бы номинальной длине.

На основании формулы (20) можно заключить, что относительное изменение показателя преломления сердечника оптического волокна, вызванное деформацией изгиба или кручения за счет теплового расширения, составляет величину порядка 10^-5. Учитывая разброс значений показателя преломления сердечника оптического волокна различных марок, данная величина составит значения в интервале (0,8…1)·10^-5. Таким образом, согласно (20) с учетом (19), получим результирующее изменение значения показателя преломления сердечника для оптического волокна различных марок находится в пределах (1,79…1,99)·10^-5 dT.

С другой стороны, при увеличении температуры окружающей среды, длина отрезка оптического волокна увеличивается за счет температурного расширения

$$\Delta z=z\cdot \rho \cdot dT,\left(21\right)$$

где z - длина оптического волокна, м; ρ - температурный коэффициент линейного расширения, характеризующая изменение длины оптического волокна, ρ=0,54·10^-6°C^-1.

Результирующее изменение времени задержки за счет температурных флуктуации показателя преломления и длины оптического волокна будет составлять

$$\Delta t=z\frac{\mathrm{1,9}\cdot {10}^{-5}\cdot dT}{c}+z\cdot \rho \cdot dT\cdot \mathrm{4,88}\cdot {10}^{-9},\left(22\right)$$

где c - скорость света в вакууме (3··10⁸ м/с).

Значение второго члена выражения (22) крайне мало (гораздо меньше значения первого члена), что позволяет исключить его из дальнейшего рассмотрения.

Процесс изменения времени задержки различных волоконно-оптических линий задержки в устройстве формирования ЛЧМ-сигнала иллюстрирует фиг.11.

Временной сдвиг каждой копии на входе волоконно-оптического соединителя ВОС 5 в результате изменения температуры окружающей среды имеет две составляющие:

- изменение времени задержки дополнительных волоконно-оптических линий задержки ВОЛЗ 13-i1…13-iQ в составе i-й бинарной волоконно-оптической структуры БВОС $$3-i{\tau }_{V_{ik}}$$ ;

- изменение времени задержки волоконно-оптической линии задержки, соединяющих i-ю бинарную волоконно-оптическую структуру БВОС 3-i и волоконно-оптический соединитель ВОС 5 τ_Bi.

Временной сдвиг копии, обусловленный изменением времени задержки дополнительных волоконно-оптических линий задержки ВОЛЗ 13-il…13-i(Q+1) в составе i-й бинарной волоконно-оптической структуры БВОС 3-i, определяется количеством копий K, формируемых БВОС, значением изменения температуры dT, номером бинарной волоконно-оптической структуры i и частотой следования копий бинарной волоконно-оптической структуры f_{сдед r}

$${\tau }_{Bi}=\frac{0.389\cdot {10}^4\cdot \left(K+1\right)\cdot dT}{c}{\displaystyle \sum _{r=1}^{i-1}\frac{1}{f_{следr}}}.\left(23\right)$$

Из фиг.11 очевидно, что достаточным условием для исключения наложения импульсов при увеличении температуры окружающей среды является удовлетворение выбора значений $${\tau }_{V_{ik}}$$ и τ_Bi двум условиям:

$$\{\begin{array}{l}{\tau }_{V_{ik}}<\frac{1}{f_{следi}}+{\tau }_{V_i\left(k+1\right)};\\ {\tau }_{Bi}+{\tau }_{V_{ik}}<\frac{1}{f_{следi}}+{\tau }_{B\left(i+1\right)}+{\tau }_{V\left(i+1\right)1}.\left(24\right)\end{array}$$

Неравенство (24) справедливо для любого значения dT.

Скорость частотной модуляции заявляемого технического решения достигает значения 2478070 МГц/мкс (Кукуяшный А.В. Особенности формирования ЛЧМ-сигналов с использованием волоконно-оптических структур // Информационное противодействие угрозам терроризма. - 2007. - №9. - С.75-88) при длительности формируемых импульсов и девиации частоты до 5.65 ГГц, и что позволяет обеспечить высокую разрешающую способность по дальности (до 20 мм при длительности ЛЧМ-сигнала 3 нс) и существенно сократить минимальную зону действия устройства, использующего данные сигналы (до 45 см).

Проверка эффективности заявляемого устройства формирования ЛЧМ-сигналов проведена посредством моделирования.

Модель синтезирована на основе структурной схемы устройства формирования ЛЧМ-сигнала с длительностью τ_ЛЧМ=30 нс, центральной частотой f_c=10 ГГц и скоростью частотной модуляции β=153333 МГц/мкс.

Согласно формуле (12) длительность импульса передающего оптического модуля ПОМ 1. составит T_0min=40,6 пс.

В соответствии с формулами (6) и (7) находим количество бинарных волоконно-оптических структур N=18 и число формируемых копий К=16 для требуемого ЛЧМ-сигнала. Таким образом, в состав устройства формирования должны входить передающий оптический модуль ПОМ 16 (длительность импульсов 40 пс), волоконно-оптический разветвитель ВОР 17 на 32 выхода, 18 бинарных волоконно-оптических структур БВОС 18-1…18-18. 17 волоконно-оптических линий задержки ВОЛЗ 19-1…19-17, волоконно-оптический соединитель ВОС 20 с 32 входами, оптический усилитель ОУ 21, приемный оптический модуль ПРОМ 22, полосовой фильтр ПФ 23, амплитудный ограничитель АО 24, электронный усилитель ЭУ 25 и фильтр низких частот ФНЧ 26 (см. фиг.12).

Каждая бинарная волоконно-оптическая структура содержит в себе один разделительный направленный волоконный ответвитель НВО Y-типа 27-1, один суммирующий направленный волоконный ответвитель НВО Y-типа 30-i, (log₂K-1)=3 направленных волоконных ответвителей НВО Х-типа 28-i1…28-i3, log₂K=4 дополнительных волоконно-оптических линий задержки ВОЛЗ 29-i1…29-i4 (см. фиг.13).

Постоянная времени для каждой из бинарных волоконно-оптических структур БВОС 18-1…18-18. волоконно-оптических линий задержки ВОЛЗ 19-1…19-17 и дополнительных волоконно-оптических линий задержки ВОЛЗ 29-i1…29-i4 рассчитывается согласно формулам (3), (4) и (5), а результаты расчета приведены на фиг.

Коэффициент усиления ОУ 21 подбирается с учетом компенсации потерь в устройстве формирования ЛЧМ-сигналов и с учетом чувствительности ПРОМ 22.

Полоса пропускания полосового фильтра ПФ 23 определена согласно рассчитанной девиации частоты формируемого сигнала. При заданных параметрах формируемого ЛЧМ-сигнала значение полосы пропускания составляет 4,6 ГГц.

Моделирование проведено в пакете MATLAB. На фиг.15 изображены спектр и корреляционная функция результирующего сигнала. Уровень боковых лепестков автокорреляционной функции составил минус 13,6 дБ, что подтверждает эффективность устройства формирования при генерировании сигнала для обозначенных выше целей.

Ширина спектра результирующего ЛЧМ-сигнала определяется выражением:

$$\Delta f=\frac{\beta NK}{\pi }\cdot \frac{1}{f_1+\sqrt{f_1^2+\frac{\beta NK}{\pi }}}.\left(25\right)$$

Центральная частота спектра ЛЧМ-сигнала определяется выражением:

$$f_c=f_1+\frac{\beta NK}{2\pi }\cdot \frac{1}{f_1+\sqrt{f_1^2+\frac{\beta NK}{\pi }}}.\left(26\right)$$

Длительность результирующего импульса определяется выражением:

$$f_c=\frac{1}{N\text{}K}\left(f_1+\frac{\beta NK}{2\pi }\cdot \frac{1}{f_1+\sqrt{f_1^2+\frac{\beta NK}{\pi }}}\right).\left(27\right)$$

Таким образом, использование заявляемого устройства формирования ЛЧМ-сигналов позволило генерировать ЛЧМ-радиоимпульс длительностью τ_ЛЧМ=29 нс, центральной частотой f_с=9,92 ГГц, девиацией Δf=4,45 ГГц и скоростью частотной модуляции β=153448 МГц/мкс.

Докажем наличие причинно-следственной связи между заявляемой совокупностью признаков и достигаемым техническим результатом. С этой целью проведем сравнительный анализ заявляемого устройства и прототипа по длительности формируемых импульсов, девиации частоты и скорости частотной модуляции.

Длительность формируемого импульса.

Материал изготовления дефлектора, служащего для задержки оптического сигнала в устройстве прототипа, предусматривает максимальную частоту управляющего сигнала порядка 200 МГц. Таким образом, без учета задержки сигнала в тракте устройства, один цикл изменения частоты на выходе электронного усилителя имеет длительность не менее 5 не, С учетом задержки сигнала в оптическом волокне и обработки в интерферометре, длительность одного цикла изменения частоты может составить до 10 нс. Поскольку для формирования ЛЧМ-сигнала требуется несколько подобных циклов, минимальная длительность формируемого сигнала превышает значение аналогичного параметра в заявляемом техническом устройстве (от 40 не в прототипе и от 2,28 с в заявляемом устройстве).

Девиация частоты.

Девиация частоты в прототипе ограничена верхней рабочей частотой электрооптического модулятора, значение которой для современных серийных моделей на основе заявленного в прототипе материала составляет порядка 8 ГГц (Иванов А.Б. Волоконная оптика: компоненты, системы передачи, измерения. - М.: Изд-во «Syrus System», 1999. С.175). Девиация заявляемого технического решения при минимальной длительности формируемого сигнала не превышает 5,65 ГГц.

Скорость частотной модуляции.

На основе значений длительности формируемого импульса и девиации частоты, значение скорости частотной модуляции для прототипа не превышает 200000 МГц/мкс, а для заявляемого технического решения - 2478070 МГц/мкс. Таким образом, очевидно улучшение показателей длительности и скорости частотной модуляции заявляемого технического решения по сравнению с прототипом.

Помимо традиционного использования в радиолокации, короткие ЛЧМ-радиосигналы могут найти применение в защищенной связи, наблюдении в плотных средах (геолокация), медицине и гидролокации.

Например, использование ЛЧМ-сигналов в системах связи по сравнению с цифровыми системами CDMA (Code Livision Multiply Access) позволяет упростить обработку и удешевить устройства при тех же технических характеристиках.

Актуальность и промышленную востребованность подтверждает большое число патентных документов, посвященных формированию ЛЧМ-сигналов (например, патенты 2033685 RU 7791415 US, 5428361 US, 5557241 US и др.).

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 и способный формировать импульсы пикосекундной длительности, например, производства компании Laser2000.

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 спектрапьной 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, а также на основании оценки влияния физических факторов оптического волокна на функционирование заявляемого устройства формирования ЛЧМ-сигналов, приведенной выше, передающий оптический модуль должен иметь следующие характеристики:

- рабочая длина волны оптического излучения 1550 нм;

- длительность оптических импульсов более 37 пс;

-- спектральная ширина излучения более 0,1 нм;

- пиковая мощность оптического импульса: не более 1 Вт;

- относительный шум интенсивности 140 дБ/Гц;

- рабочая температура в диапазоне - 40…+60°C.

В качестве волоконно-оптического разветвителя могут применяться промышленные оптические разветвители на 2, 4, 8, 16, 32, 64 и 128 выходов, например, производства ЗАО "Компонент". Они бывают планарные и сплавные. Планарные оптические разветвители изготавливаются методом вытравливания волноводного слоя, выращенного на основе ниобата лития на монокристалле кремния, соответствующем конфигурации дерева разветвителя. Планарные разветвители имеют более стабильные и точные параметры по сравнению со сплавными.

Требования к волоконно-оптическим разветвителям с N выходами в заявляемом устройстве формирования ЛЧМ-сигналов следующие:

- коэффициент разветвления 4, 8,16, 32, 64, 128;

- рабочая длина волны оптического излучения 1550 нм;

- избыточные потери 0,4,0,8, 1,6, 3,2, 6,4, 12,8 дБ соответственно;

- изоляция: не менее 50 дБ;

- рабочая температура в диапазоне - 40…+60°С.

Оптические волокна могут быть реализованы на основе кварцевых одномодовых световодов (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 с учетом оценки влияния физических факторов оптического волокна на функционирование заявляемого устройства формирования ЛЧМ-сигналов, приведенной выше, следующие:

- одномодовое оптическое волокно с несмещенной дисперсией (SF);

- максимальное затухание не более 0,2 дБ/км;

- коэффициент удельной дисперсии менее 0,06 пс/км^-1;

- удельная хроматическая дисперсия менее 18 пс/(нмкм);

- точность изготовления отрезков оптического волокна не менее 1 мм;

- рабочая температура в диапазоне - 40…+60°C.

Направленные волоконные ответвители могут быть реализованы, например, на базе направленных одномодовых ответвителей (Скляров О.К. Современные волоконно-оптические системы передачи, аппаратура и элементы. - М.: Солон Р., 2001. - с.194). Требования к направленным волоконным ответвителям в заявляемом устройстве формирования ЛЧМ-сигналов:

- переходное затухание минус 3 дБ;

- рабочая длина волны оптического излучения 1550 нм;

- избыточные потери не более 0,1 дБ;

- изоляция не менее 50 дБ;

- рабочая температура в диапазоне - 40…+60°C.

Волоконно-оптический соединитель может быть реализован в виде промышленных оптических сумматоров на 2, 4, 8, 16, 32, 64 или 128 входов, например, производства ЗАО «Компонент».

Требования к волоконно-оптическим соединителям с М-входами в заявляемом устройстве формирования ЛЧМ-сигналов следующие:

- избыточные потери: 0,4, 0,8, 1,6, 3,2, 6,4, 12,8 дБ соответственно;

- изоляция: не менее 50 дБ;

- рабочая температура в диапазоне - 40…+60°C.

Оптический усилитель реализуется в виде волоконно-оптического усилителя на волокне, легированном эрбием (EDFA). Производится ряд усилителей, работающих в оптическом диапазоне 1530…1560 нм и обеспечивающих оптическое усиление 22…30 дБ при коэффициенте шума не более 4 дБ (Иванов А.Б. Волоконная оптика: компоненты, системы передачи, измерения. - М.: Изд-во «Syrus System», 1999. - С.104-105).

Требования к оптическому усилителю в заявляемом устройстве формирования ЛЧМ-сигналов следующие:

- рабочая длина волны оптического излучения 1550 нм;

- усиление оптического сигнала не менее 13,3 дБ;

- мощность входного сигнала не менее 1 мкВт;

- коэффициент шума не более 6 дБ;

- рабочая температура в диапазоне - 40…+60°C.

Приемный оптический модуль обычно представляет сочетание фотодиода и каскада предварительного усиления сигнала фотоответа. Максимальная полоса детектируемых сигналов серийных фотодиодов достигает 10 ГГц, при чувствительности по мощности оптического излучения порядка минус 30 дБм, динамическом диапазоне 20…25 дБ и крутизна характеристик детектирования 0,5…0,8 А/Вт по току (Стручева О.Ф., Безбородова Т.М. Изделия волоконно-оптической техники: Каталог. - М.: Экос, 1993. - 142 с.)

Требования к приемному оптическому модулю в заявляемом устройстве формирования ЛЧМ-сигналов следующие:

- рабочая длина волны: 1550 нм;

- диапазон спектральной чувствительности не выше 13,3 ГГц;

- крутизна детекторных характеристик 0,7…0,9 А/Вт;

- ширина полосы частот или скорость приема информации не более 6,6 ГГц;

- время отклика не более 10 пс;

- рабочая температура в диапазоне - 40…+60°C.

Полосовой фильтр и фильтр низких частот могут быть реализованы 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 не выше 10 ГГц;

- относительная ширина полосы пропускания не более 50%;

- вносимое затухание не более 1 дБ;

- коэффициент прямоугольности: <1,3;

- неравномерность вносимого затухания в полосе пропускания ниже 10 дБ;

- рабочая температура в диапазоне - 40…+60°C.

Требования к фильтру низких частот в заявляемом устройстве формирования ЛЧМ-сигналов:

- полоса пропускания не более 13,3 ГГц;

- вносимое затухание не выше 1 дБ;

- полоса затухания не более 13,3 ГГц;

- уровень ослабления в полосе затухания не менее 50 дБ;

- рабочая температура в диапазоне - 40…+60°C.

Амплитудный ограничитель может быть реализован по двусторонней диодной схеме.

В качестве широкополосных электронных усилителей наиболее широко используются транзисторные усилители, работающие в диапазоне частот 0,1…25 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 не более 13,3 ГГц;

- шумовая температура не более 5K;

- коэффициент усиления не менее 10 дБ;

- рабочая температура в диапазоне - 40…+60°C.

Таким образом, доказана практическая реализуемость заявляемого устройства формирования ЛЧМ-сигналов.

Изобретение относится к технике формирования радиосигналов и может быть использовано в радиолокации, защищенной связи, радиовидении, георазведке и т.п. Технический результат заключается в увеличении скорости частотной модуляции, что эквивалентно уменьшению длительности линейно-частотно-модулированного радиосигнала при сохранении высоких значений базы радиосигнала. 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. 15 ил.

Устройство формирования ЛЧМ-сигналов, содержащее передающий оптический модуль, приемный оптический модуль, фильтр низких частот и электронный усилитель, отличающееся тем, что в него дополнительно введены волоконно-оптический разветвитель с N оптическими выходами, N бинарных волоконно-оптических структур, (N-1) волоконно-оптических линий задержек, волоконно-оптический соединитель с N оптическими входами, оптический усилитель, полосовой фильтр и амплитудный ограничитель, причем 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 к 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, причем 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, причем 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 с 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 с вторым входом второго направленного волоконного ответвителя Х-типа, причем 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 с вторым входом (j+1)-го направленного волоконного ответвителя Х-типа, причем первый выход последнего Q-го направленного волоконного ответвителя Х-типа соединен с первым входом суммирующего направленного волоконного ответвителя Y-типа, а второй выход последнего Q-го направленного волоконного ответвителя X-типа через (Q+1)-го волоконно-оптическую линию задержки соединен с вторым входом суммирующего направленного волоконного ответвителя Y-типа, а выход фильтра низких частот является выходом устройства.