Волоконно-оптическая система измерения мгновенных частот множества СВЧ-сигналов Российский патент 2020 года по МПК G01R23/165 

Изобретение относится к технике оптико-электронных измерений, в частности к устройствам для измерения мгновенных частот СВЧ-сигналов с помощью оптических фильтров, включая фильтры в интегральном и волоконно-оптическом исполнении (интерферометры Фабри-Перо, решетки Брэгга, тонкопленочные фильтры и т.д.), у которых существует зависимость смещения по частоте их спектральной, как правило, полосовой резонансной характеристики, в зависимости от частоты измеряемых сигналов.

Известно широкополосное устройство измерения мгновенного спектра СВЧ-диапазона на основе рассеяния Бриллюэна (см. патент CN106840223 опубликованный 01.16.2017). Устройство содержит узкополосный источник оптического излучения, оптический разветвитель, первый электрооптический модулятор, среда для рассеивания Бриллюэна, второй электрооптический модулятор, источник сигнала, оптический циркулятор, фотодетектор и модуль сбора данных.

Известно устройство и метод измерения частоты на основе фотонного СВЧ-фильтра с единичным откликом (см. патент CN102636694 опубликованный 11.05.2012). Устройство содержит широкополосный источник оптического излучения, оптоволоконный интерферометр Маха-Цендера, электрооптический модулятор, оптический усилитель, микроволновую антенну, дисперсионное оптическое волокно, фотодетектор и электродинамический измеритель.

Известно устройство для измерения мгновенной частоты СВЧ-сигналов (см. электронный ресурс http://ieeexplore.ieee.org/document/5658129/, опубликованный 06.12.2010). Данное устройство выбранное в качестве прототипа, содержит последовательно соединенные источник узкополосного оптического сигнала, модулятор Маха-Цендера, оптический фильтр на основе волоконной решётки Брэгга и фотоприемный блок, соединенный с контроллером определения частоты СВЧ-сигнала, в котором производится математическая обработка спектрального смещения, по которому определяют мгновенную частоту СВЧ-сигнала.

Устройство работает следующим образом. Генерируют узкополосное излучение в лазерном излучателе, модулируют его искомым неизвестным СВЧ-сигналом, передают его к оптическому фильтру по волоконному световоду, принимают прошедшее и отраженное излучение, преобразованное в оптическом фильтре в фотоприемном блоке и в блоке спектрального анализа принятого излучения определяют неизвестную мгновенную частоту СВЧ-сигнала, прецизионно регистрируя спектральное смещение двухполосного излучения промодулированного оптического излучения относительно центральной длины волны оптического фильтра.

Недостатком указанного устройства является невозможность измерения частот одновременно нескольких СВЧ сигналов.

Техническая проблема указанного устройства заключается в невозможности измерения частот одновременно нескольких СВЧ сигналов.

Решаемая техническая задача (технический результат) в волоконно-оптической системе измерения мгновенных частот множества СВЧ-сигналов заключается в измерении частот одновременно нескольких СВЧ-сигналов.

Решаемая техническая задача (технический результат) в волоконно-оптической системе измерения мгновенных частот множества СВЧ-сигналов, содержащей источник узкополосного оптического сигнала, первый модулятор Маха-Цендера, при этом радиочастотный вход первого модулятора Маха-Цендера является входом волоконно-оптической системы измерения мгновенных частот множества СВЧ-сигналов, оптический циркулятор, оптический фильтр, первый фотоприемник, второй фотоприемник, а также контроллер определения частот СВЧ-сигналов, причем второй порт оптического циркулятора через оптический фильтр посредством волоконных световодов через первый фотоприемник подключен к первому входу контроллера определения частот СВЧ-сигналов, а третий порт оптического циркулятора посредством волоконного световода через второй фотоприемник подключен ко второму входу контроллера определения частот СВЧ-сигналов, достигается тем, что в систему дополнительно введены генератор СВЧ-сигнала, второй модулятор Маха-Цендера, при этом оптический вход второго модулятора Маха-Цендера соединен с источником узкополосного оптического сигнала посредством волоконного световода, радиочастотный вход второго модулятора Маха-Цендера соединен с генератором СВЧ-сигнала, а выход второго модулятора Маха-Цендера посредством волоконного световода соединен с оптическим входом первого модулятора Маха-Цендера, выход которого в свою очередь посредством волоконного световода соединен с первым портом оптического циркулятора, при этом контроллер определения частот СВЧ-сигналов имеет выход, который является выходом волоконно-оптической системы измерения мгновенных частот множества СВЧ-сигналов.

Оптический фильтр может быть выполнен на основе интерферометра Фабри-Перо.

Оптический фильтр может быть выполнен на основе волоконной решетки Брэгга с треугольной формой спектра отражения.

Оптический фильтр может быть выполнен на основе тонкопленочного фильтра.

Оптический фильтр выполнен на основе полупроводникового кольца на основе GaAs.

На фиг. 1 изображена структурная схема волоконно-оптической системы измерения мгновенных частот СВЧ-сигналов.

На фиг. 2 изображены зависимости амплитуд огибающих биений сигналов трёх неизвестных частот СВЧ-сигналов, прошедших через оптический фильтр для случая подачи на него от источника узкополосного оптического сигнала с частотой, соответствующей центральной частоте его полосы пропускания.

На фиг. 3 представлен алгоритм работы контроллера определения частот СВЧ-сигналов.

Система электропитания необходимая для источника узкополосного оптического сигнала, первого модулятора Маха-Цендера, второго модулятора Маха-Цендера, генератора СВЧ-сигнала и контроллера определения частот СВЧ-сигналов на фиг. 1 не показана.

Волоконно-оптическая система измерения мгновенных частот множества СВЧ-сигналов, представленная на фиг.1 содержит источник узкополосного оптического сигнала 1, первый модулятор Маха-Цендера 2, при этом радиочастотный вход первого модулятора Маха-Цендера 2 является входом волоконно-оптической системы измерения мгновенных частот множества СВЧ-сигналов, оптический циркулятор 3, оптический фильтр 4, первый фотоприемник 5, второй фотоприемник 6, а так же контроллер определения частот СВЧ-сигналов 7, причем второй порт оптического циркулятора 3 через оптический фильтр 4 посредством волоконных световодов через первый фотоприемник 5 подключен к первому входу контроллера определения частот СВЧ-сигналов 7, а третий порт оптического циркулятора 3 посредством волоконного световода через второй фотоприемник 6 подключен ко второму входу контроллера определения частот СВЧ-сигналов 7, при этом контроллер определения частот СВЧ-сигналов 7 имеет выход, который является выходом волоконно-оптической системы измерения мгновенных частот множества СВЧ-сигналов. Волоконно-оптическая система измерения мгновенных частот множества СВЧ-сигналов также содержит генератор СВЧ-сигнала 8, второй модулятор Маха-Цендера 9, при этом оптический вход второго модулятора Маха-Цендера 9 соединен с источником узкополосного оптического сигнала 1 посредством волоконного световода, радиочастотный вход второго модулятора Маха-Цендера 9 соединен с генератором СВЧ-сигнала 8, а выход второго модулятора Маха-Цендера 9 посредством волоконного световода соединен с оптическим входом первого модулятора Маха-Цендера 2, выход которого в свою очередь посредством волоконного световода соединен с первым портом оптического циркулятора 3.

Оптический фильтр 4 может быть выполнен на основе интерферометра Фабри-Перо.

Оптический фильтр 4 может быть выполнен на основе волоконной решетки Брэгга с треугольной формой спектра отражения.

Оптический фильтр 4 может быть выполнен на основе тонкопленочного фильтра.

Оптический фильтр 4 выполнен на основе полупроводникового кольца на основе GaAs.

Рассмотрим работу волоконно-оптической системы измерения мгновенных частот СВЧ-сигналов.

Предварительно в блок контроллера определения частот СВЧ-сигналов загружают программу, работающую согласно алгоритму, который приведён на фиг. 3.

Подключают систему электропитания для блоков источника узкополосного оптического сигнала 1, первого модулятора Маха-Цендера 2, контроллера определения частот СВЧ-сигналов 7, генератора СВЧ-сигнала 8, второго модулятора Маха-Цендера 9.

На вход первого модулятора Маха-Цендера 2, например, с принимающей антенны поступают СВЧ-сигналы с измеряемыми частотами например с источника радиоизлучения.

Для измерения мгновенных частот СВЧ-сигналов с помощью источника узкополосного оптического сигнала 1 генерируют сигнал с частотой ƒ_l, соответствующей центральной частоте полосы пропускания оптического фильтра 4, который затем модулируют во втором модуляторе Маха-Цендера 9, работающем в нулевой рабочей точке модуляционной характеристики для подавления несущей, СВЧ-сигналом с частотой ƒ_m из генератора СВЧ-сигнала 8, частота которого выбирается таким образом, чтобы разностная частота между сформировавшейся пары сигналов с частотами ƒ_l-ƒ_m и ƒ_l+ƒ_m после модуляции соответствовала полуширине полосы пропускания оптического фильтра 4 (Фиг. 2).

Затем сгенерированную пару сигналов передают на первый модулятор Маха-Цендера 2, также работающей в нулевой рабочей точке модуляционной характеристики для подавления несущей, на радиочастотный порт которого подаются измеряемые СВЧ-сигналы с неизвестными частотами ƒ_i…ƒ_j, например, с принимающей антенны.

Полученные после модуляции пары сигналов проходят через первый порт оптического циркулятора 3 и поступают на оптический фильтр 4 через его второй порт.

В оптическом фильтре 4 происходит изменение амплитуд отдельных составляющих в зависимости от величины частоты измеряемых сигналов, попадающих в полосу пропускания и отражения оптического фильтра 4.

Далее прошедшие пары сигналов поступают на первый фотоприемник 5, а отраженные пары отражаются обратно на второй порт оптического циркулятора 3 и через третий порт оптического циркулятора 3 поступают на второй фотоприемник 6, на которых образуются сигналы с частотами ƒ_iб, соответствующие биениям пар сигналов с амплитудами, определяемыми огибающей оптического фильтра 4.

Полученные биения поступают на контроллер определения частот СВЧ-сигналов 7, где проводится оцифровка, дискретное преобразование Фурье, и определение частот СВЧ-сигналов, поступающих на радиочастотный порт первого модулятора Маха-Цендера 2.

Полученные данные с контроллера определения частот СВЧ-сигналов 7 могут быть выведены на экран и записаны в память контроллера определения частот СВЧ-сигналов 7.

Точность измерения мгновенных частот множества СВЧ-сигналов определяется производительностью контроллера определения частот СВЧ-сигналов 7.

Изобретение может быть реализовано с использованием различных типов оптических фильтров 4, конкретный вид которых определяется в зависимости от решаемых задач и диапазона измеряемых частот. Это могут быть или интерферометр Фабри-Перо или волоконная решетка Брэгга с треугольной формой спектра отражения или тонкопленочный фильтр или полупроводниковое кольцо на основе GaAs. Зависимости даны в предположении, что оптический фильтр имеет треугольную спектральную характеристику, например, треугольная решетка Брэгга. При использовании спектральной характеристики оптического фильтра с нелинейной формой вид результирующих характеристик измеряемых сигналов, сгенерированных от ƒ_l-ƒ_m и ƒ_l+ƒ_m также будет иметь нелинейные участки, что скажется на точности измерения при измерении малых частот <0.3 ГГц (Фиг. 2).

Волоконно-оптическая система измерения мгновенных частот СВЧ-сигналов может быть реализована на следующих элементах, рассчитанных на работу на длине волны 1300 нм (возможны и другие длины волн), например:

В качестве источника узкополосного оптического сигнала 1 может быть выбран лазерный диод IDL10S-1300 НИИ «Полюс» или ДМПО131-22 ООО НПФ «Дилаз»;

В качестве генератора СВЧ-сигнала 8 может быть выбран СВЧ аналоговый генератор сигналов Agilent Technologies N5183A-532;

В качестве первого и второго модуляторов Маха-Цендера 2, 9 могут быть выбраны модуляторы на основе интерферометра Маха-Цендера 500-x-13 компании Laser2000;

В качестве оптического циркулятора 3 может быть выбран оптический циркулятор GateRay GR-CIRC-31;

В качестве оптического фильтра 4 может быть выбрана волоконная решетка Брэгга;

В качестве первого и второго фотоприемников 5, 6 могут быть выбраны высокоскоростные волоконно-оптические InGaAs микроволновые широкополосные PIN фотоприемники компании Optilab, например, PD-40-MM;

В качестве контроллера определения частот СВЧ-сигналов 7 может быть выбран микропроцессорный контроллер на базе чипов фирм Atmel, Microchip и т.д.;

В качестве волоконных световодов могут быть выбраны эталонные шнуры или кабели ТЕЛЕКОМ-ТЕСТ фирмы ООО «Производственно-торговая компания СОКОЛ».

Для построения системы измерения мгновенных частот СВЧ-сигналов все указанные блоки генерации, приема и обработки сигналов могут быть выполнены на едином кристалле или в интегральном исполнении.

Все это позволяет говорить о достижении решения поставленной технической задачи (технического результата) – измерении мгновенных частот одновременно множества СВЧ-сигналов волоконно-оптической системы измерения мгновенных частот одновременно нескольких СВЧ-сигналов.

Волоконно-оптическое устройство относится к технике оптико-электронных измерений, в частности к устройствам для измерения мгновенных частот СВЧ-сигналов с помощью оптических фильтров. Изобретение обеспечивает возможность измерения частот одновременно нескольких СВЧ-сигналов. Волоконно-оптическое устройство измерения мгновенных частот множества СВЧ-сигналов содержит источник узкополосного оптического сигнала, первый модулятор Маха-Цендера, где радиочастотный вход первого модулятора Маха-Цендера является входом волоконно-оптической системы измерения мгновенных частот множества СВЧ-сигналов, оптический циркулятор, оптический фильтр, первый фотоприемник, второй фотоприемник, а также контроллер определения частот СВЧ-сигналов. Второй порт оптического циркулятора через оптический фильтр посредством волоконных световодов через первый фотоприемник подключен к первому входу контроллера определения частот СВЧ-сигналов, а третий порт оптического циркулятора посредством волоконного световода через второй фотоприемник подключен ко второму входу контроллера определения частот СВЧ-сигналов. Также в систему введены генератор СВЧ-сигнала, второй модулятор Маха-Цендера, где оптический вход второго модулятора Маха-Цендера соединен с источником узкополосного оптического сигнала посредством волоконного световода, радиочастотный вход второго модулятора Маха-Цендера соединен с генератором СВЧ-сигнала, а выход второго модулятора Маха-Цендера посредством волоконного световода соединен с оптическим входом первого модулятора Маха-Цендера, выход которого в свою очередь посредством волоконного световода соединен с первым портом оптического циркулятора. Контроллер определения частот СВЧ-сигналов имеет выход, который является выходом волоконно-оптической системы измерения мгновенных частот множества СВЧ-сигналов. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Волоконно-оптическая система измерения мгновенных частот множества СВЧ-сигналов, содержащая источник узкополосного оптического сигнала, первый модулятор Маха-Цендера, при этом радиочастотный вход первого модулятора Маха-Цендера является входом волоконно-оптической системы измерения мгновенных частот множества СВЧ-сигналов, оптический циркулятор, оптический фильтр, первый фотоприемник, второй фотоприемник, а также контроллер определения частот СВЧ-сигналов, причем второй порт оптического циркулятора через оптический фильтр посредством волоконных световодов через первый фотоприемник подключен к первому входу контроллера определения частот СВЧ-сигналов, а третий порт оптического циркулятора посредством волоконного световода через второй фотоприемник подключен ко второму входу контроллера определения частот СВЧ-сигналов, отличающаяся тем, что в систему дополнительно введены генератор СВЧ-сигнала, второй модулятор Маха-Цендера, при этом оптический вход второго модулятора Маха-Цендера соединен с источником узкополосного оптического сигнала посредством волоконного световода, радиочастотный вход второго модулятора Маха-Цендера соединен с генератором СВЧ-сигнала, а выход второго модулятора Маха-Цендера посредством волоконного световода соединен с оптическим входом первого модулятора Маха-Цендера, выход которого в свою очередь посредством волоконного световода соединен с первым портом оптического циркулятора, при этом контроллер определения частот СВЧ-сигналов имеет выход, который является выходом волоконно-оптической системы измерения мгновенных частот множества СВЧ-сигналов.

2. Волоконно-оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что оптический фильтр выполнен на основе интерферометра Фабри-Перо.

3. Волоконно-оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что оптический фильтр выполнен на основе волоконной решетки Брэгга с треугольной формой спектра отражения.

4. Волоконно-оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что оптический фильтр выполнен на основе тонкопленочного фильтра.

5. Волоконно-оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что оптический фильтр выполнен на основе полупроводникового кольца на основе GaAs.