Устройство передачи широкополосных сигналов с большой базой по радиофотонному тракту РОФАР Российский патент 2021 года по МПК G02F1/01 

Область техники

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в передающих трактах радиочастотных сигналов с использованием волоконно-оптической связи, в частности с радиофотонным передающим трактам для систем связи и радаров, а более конкретно к широкополосным передающим линиям систем «Радио-по-волокну» (RoF) и передающим трактам радиофотонных приемно-передающих модулей АФАР (ППМ РОФАР) для синтеза и передачи с высоким КПД мощных ЛЧМ сигналов на широкополосные антенны и антенные решетки РОФАР и их эффективного возбуждения.

Уровень техники

Для широкого спектра применений в современных системах дальней связи, радиолокации, навигации, радиоастрономии и т.д. используются сигналы с большой базой, т.е. с произведением мгновенной полосы сигнала Δf_c на его длительность t_c много больше единицы (Δf_c*t_c>>1). Примером такого сигнала может быть классический ЛЧМ сигнал, который стал практически стандартным сигналом для радиоэлектронных ФАР и АФАР.

Однако, в радиофотонных радарах реализация ЛЧМ в передающих трактах связана с недопустимо малым результирующем КПД.

Например, в [1] описан макет радиофотонного передающего тракта и радара, работающий с ЛЧМ (LFM) - сигналом. Но в качестве усилителя промодулированной оптической мощности применяется волоконный усилитель, который, как известно, имеет КПД не более 10-11% [2].

Следовательно, с учетом потерь на разветвление в оптическом разветвителе (ОР), передачи по ОВ и потерь при преобразовании оптического сигнала в электрический с последующим усилением мощным электронным широкополосным усилителем КПД не может превышать нескольких процентов, что абсолютно неприемлемо для реальных ППМ РЛС.

Кроме того, наличие мощных электронных усилителей (HPA) после фотодетекторов в передающих трактах и электронных МШУ на входах приемных трактов в значительной мере нивелирует положительный эффект от применения радиофотоники, так как делает, по аналогии с АФАР, всю радиофотонную систему потенциально уязвимой от ЭМИ, СКИ и других электромагнитных воздействий.

Также применение мощных электронных усилителей увеличивает габариты антенн и массу антенных решеток, уменьшает КПД и надежность из-за необходимости дополнительных систем охлаждения, а также увеличивает ее стоимость.

В патенте [3 - прототип] была решена задача высокоэффективной передачи мощных широкополосных сигналов по ВОЛС с одновременным сохранением высокого КПД при возбуждении антенн за счет применения непосредственной импульсной модуляции мощных квантоворазмерных гетеролазеров с последующим преобразованием выходных оптических видеоимпульсов (импульсов Гаусса) после передачи по аналоговой ВОЛС мощными фотодетекторами непосредственно перед антенной в двухполярные широкополосные сигналы, (моноциклы Гаусса, т.е. первые производные импульсов Гаусса).

Таким образом, при возбуждении антенны биполярными широкополосными (наносекундной длительности) импульсами достигалось почти полное согласование их энергетического спектра с ее полосой пропускания, которое способствовало увеличению эффективности возбуждения антенны. Это с одновременным переходом работы передающего тракта от класса А к В значительно повышало общий КПД радиофотонного ППМ (практически на порядок).

Однако в патенте [3] передающий тракт работает с короткоимпульными сигналами большой скважности с малой базой порядка 1, что обеспечивает высокое разрешение, но не дает высокую энергетику (среднюю мощность).

Следовательно, радиофотонные радары с такими передающими трактами потенциально имеют относительно небольшую дальность действия (до порядка 1 км), что ограничивает области их применения (типичное применение их радиоэлектронных аналогов - видение сквозь стены (преграды) и (или) подповерхностная локация [4,5].

Решаемой технической проблемой явилось создание технологии передачи широкополосных сигналов с большой базой по радиофотонному передающему тракту ППМ РОФАР с одновременным сохранением высокого КПД, что даст возможность реализации РОФАР высокой дальности и разрешения для широкого спектра применений - реальной альтернативы радиоэлектронным АФАР.

Раскрытие сущности изобретения

Достигаемыми при реализации разработанного устройства техническими результатами являются:

1) многократное повышение базы сигнала за счет работы с широкополосным ЛЧМ-сигналом с большой девиацией частоты;

2) сохранение высокого КПД и высокой достижимой передаваемой мощности за счет применения в тракте элементов, не ограничивающих уровень максимальной оптической и электрической мощности (таких как оптические разветвители в месте оптического тракта с высоким уровнем оптического сигнала), причем основная функция - работа передающего радиофотонного тракта в режиме класса АВ сохраняется;

3) повышение КПД системы радиофотонный передающий тракт - антенна, т.к. спектр ЛЧМ-сигнала имеет более равномерный и непрерывный характер в полосе пропускания антенны, а также благодаря отсутствию боковых спектральных лепестков, по сравнению со спектром одиночных биполярных радиоимпульсов, чем достигается еще большая степень согласования с антенной.

4) переход от применений РОФАР, как РЛС ближней зоны с дальностью до 1 км, к РЛС на основе РОФАР высокой дальности и разрешения для широкого спектра применений - реальной альтернативы радиоэлектронным АФАР.

Перечисленные результаты достигаются благодаря тому, что мощный ЛЧМ сигнал на поднесущей частоте, представляет собой двухполярный широкополосный ЛЧМ сигнал. Сигнал для радиофотонного передающего тракта формируется и передается в три стадии. На первой стадии генерируется обычный ЛЧМ - сигнал с большой девиацией частоты (большой мгновенной полосой частот). На второй стадии сигнал разветвляется на две ветви и в каждой из них происходит его преобразование, таким образом, что по первой ветви образуются однополярные пачки положительных импульсов, аналогичных (по временным и частотным соотношениям) положительной части исходного ЛЧМ - сигнала, а во второй ветви - пачки также положительных импульсов, аналогичных (по временным и частотным соотношениям) зеркально отраженной (проинвертированной) отрицательной части исходного ЛЧМ-сигнала. Затем сигналы обеих ветвей поступают на входы двух непосредственно модулированных мощных гетеролазеров и за счет их непосредственной импульсной модуляции одновременно преобразуются в пачки оптических видеоимпульсов положительной полярности с линейно изменяющейся длительностью и задержкой, соответствующей исходному ЛЧМ-сигналу и передаются по двум идентичным аналоговым ВОЛС на входы двух мощных фотодетекторов. На третьей стадии, исходный радиочастотный двухполярный ЛЧМ-сигнал восстанавливается (синтезируется) непосредственно перед РЧ излучателем антенны с помощью мощных фотодетекторов, работающих в фотовольтаическом режиме, включенных по дифференциальной двухтактной схеме. Таким образом, из двух пачек однополярных положительных видеоимпульсов с линейно изменяющейся длительностью и задержкой, соответствующей исходному ЛЧМ-сигналу, сшивается, благодаря инвертированию сигнала в одном из фотодетекторов, двухполярный ЛЧМ - сигнал с большой базой полностью идентичный исходному, который далее поступает на вход антенны и излучается в пространство.

Таким образом, перечисленные выше достигаемые результаты достигаются благодаря следующей совокупности существенных признаков:

Радиофотонный передающий тракт мощных широкополосных сигналов с большой базой (ЛЧМ-сигналов), содержащий две части, включающих непосредственно модулированный мощный гетеролазер с источником смещения, волоконно-оптическую линию между двумя частями, фотодетекторы, антенны. В устройство введены также тройник, устройства выделения положительной и отрицательной по полярности частей ЛЧМ - сигнала с одновременным инвертированием одной из частей, второй непосредственно модулированный мощный гетеролазер, подключенный оптоволокном к волоконно-оптической линии связи (ВОЛС). ЛЧМ - сигнал с выхода источника подается на тройник с первого выхода которого подается на вход устройства выделения положительной полярности сигнала, с выхода которого подается на вход первого непосредственно модулированного мощного гетеролазера, а с второго выхода тройника сигнал подается на вход устройства выделения отрицательной по полярности сигнала с одновременным инвертированием его, с выхода которого сигнал подается на вход второго непосредственно модулированного мощного гетеролазера. Оптические сигналы с выходов первого и второго гетеролазеров поступают на первый и второй входы ВОЛС, выходы которых соединены с оптическими входами первого и второго фотодетекторов, включенных по дифференциальной схеме и работающих в фотовольтаическом режиме. Электрические выходы фотодетекторов являются двухтактными (пушпульными) выходами широкополосного радиофотонного передающего тракта, работающего в классе АВ, нагрузкой которых являются антенны, которые размещены над высокоимпедансным основанием..

Осуществление изобретения

Разработанное устройство может быть реализован согласно приведенной на Фиг. 1 упрощенной схеме.

Из источника 1 (генератора ЛЧМ - сигнала с большой девиацией частоты сигнал симметрично разветвляется разветвителем 2 на две ветви. Далее сигналы с помощью электронных устройств, которые пропускают только положительные полуволны 3 или только отрицательные полуволны с одновременным их инвертированием 4 превращаются в пачки однополярных положительных видеоимпульсов с сохранением взаимных временных сдвигов между ними, т.е. изменений длительностей и частоты следования как в исходном ЛЧМ - сигнале, а затем оба эти сигнала поступают на входы двух мощных квантоворазмерных гетеролазеров 6 и 7 с постоянным электрическим смещением от источников 5 и 8, обеспечивающих работу мощных лазеров от порогового тока и выше, которые непосредственно и синхронно модулируют лазеры пачками однополярных видеоимпульсов положительной полярности с линейно изменяющейся длительностью и частотой следования как в исходном ЛЧМ - сигнале (положительной и отрицательной его части). Далее, полученные с помощью непосредственной импульсной модуляции мощными гетеролазерами оптические модулированные сигналы в виде пачек однополярных оптических видеоимпульсов положительной полярности с линейно изменяющейся частотой следования и длительностью вводятся в два идентичных оптических волокна (ОВ) 9 и 10 аналоговой ВОЛС, с выходов которых поступают на два идентичных мощных быстродействующих фотодетектора, работающих в фотовольтаическом режиме 11 (ФД 1) и 12 (ФД 2), включенных дифференциально, которые одновременно с фотодетектированием (преобразованием оптических импульсов в электрические) осуществляют инвертирование по одному из каналов.

Таким образом, с электрических выходов мощных фотодетекторов восстановленный, до исходной формы радиочастотный двухполярный ЛЧМ-сигнал, поступает на входы симметрирующего устройства 13 и далее на антенну 15 (например, с высокоимпедансным основанием 14).

В качестве мощных фотодетекторов могут быть использованы мощные фото детекторы типа UTC с оптимизированной областью поглощения [6].

По сравнению с известным радиофотонным передающим трактом для передачи мощных широкополосных сигналов с повышенным КПД, работающий в классе В [3], разработанное устройство отличается тем, что радиочастотный модулирующий сигнал с большой базой (широкополосный ЛЧМ - сигнал) от источника 1 разделяется симметричным тройником 2 на две ветви, причем в первой ветви с помощью устройства 3 выделяется только положительная по полярности часть сигнала, а во второй ветви с помощью устройства 4 выделяется только отрицательная по полярности часть сигнала с одновременным его инвертированием, (в качестве устройства 3 можно использовать полупроводниковый быстродействующий ограничитель отрицательных полуволн на диодах Шоттки и эмиттерный повторитель на n-р-n СВЧ-транзисторе, а в качестве устройства 4 можно применить ограничитель положительных полуволн на диодах Шоттки и p-n-р СВЧ-транзистор, включенный по схеме с ОЭ [6]).

Полученные таким образом пачки однополярных импульсов с сохранением временных и частотных соотношений исходного ЛЧМ-сигнала, одновременно с током смещения от источников 5 и 8 подаются на входы двух мощных быстродействующих лазеров 6 и 7, осуществляя тем самым их высокоэффективную импульсную модуляцию, причем оптические выхода лазеров соединены с входами двух идентичных оптических волокон 9 и 10 аналоговой волоконно-оптической линии передачи, выходы которой соединены с двумя мощными фотодетекторами 11 и 12, причем, оба фото детектора включены по дифференциальной схеме и работают в фотовольтаическом режиме и их электрические выходы являются двухтактными (биполярными) выходами на широкополосное симметрирующее устройство 13, выходы которого подключены ко входу широкополосной радиочастотной антенны 15, которая для большей эффективности может быть размещена над высокоимпедансным основанием 14.

Таким образом, на выходе радиофотонного передающего тракта Ш1М РОФАР формируется мощный широкополосный ЛЧМ - сигнал с большой базой.

Разработанная технология передачи широкополосных ЛЧМ - сигналов с большой базой, позволяет качественно повысить энергетику радиофотонных широкополосных передающих трактов без снижения КПД, а, следовательно, увеличить дальность действия радиотехнических систем на основе РОФАР до значений, присущих АФАР большой дальности, причем все другие важнейшие преимущества РОФАР, прежде всего полная гальваническая развязка антенны от основной аппаратуры, а следовательно, высокая стойкость к ЭМИ, а также высокое разрешение благодаря широкополосности - сохраняются.

Источники информации:

1. Gao В., Zhang F., Zhao Е., Zhang D. and Pan S. High-resolution phased array radar imaging by photonics-based broadband digital beamforming // Optics Express. - 2019. - V. 27. - No. 9. - p. 13194-13203.

2. Каталог фирмы IPG Photonics. EARSeries 1 to 50 W Single-Mode High Power ErbiumFiberAmplifiers - www.ipgphotonics.com

3. Радиофотонный передающий тракт для передачи мощных широкополосных сигналов и эффективного возбуждения антенн: Патент России RU 2674074 / Д.Ф. Зайцев. - №2018106464; Заявл. 21.02.2018.

4. See Through Wall radar imaging Technology // 2015. - https://redecomposition. wordpress.com/technology/

5. Справочник по радиолокации в 2-х книгах / под. ред. М.И. Сколника. - М.: ТЕХНОСФЕРА, 2014. - Книга. 2: Глава 21 - Подповерхностные локаторы. - 680 с. ISBN 978-5-94836-381-3

6. Дж. Ленк. Справочник по современным твердотельным усилителям - М.: Изд. «Мир», 1977. - 500 с. с ил.

Изобретение относится к радиофотонике, в том числе к технике высокоэффективной передачи мощных широкополосных радиосигналов с большой базой (с произведением мгновенной полосы сигнала Δf_c на его длительность t_c больше единицы Δf_c*t_c>1) по мощным радиофотонным передающим трактам к антеннам и антенным решеткам. Техническим результатом является повышение КПД при передаче сигналов с большой базой (например, широкополосных ЛЧМ-сигналов), максимально достижимой средней мощности и степени согласования по спектру с антеннами и антенными решетками, а как следствие, значительное повышение дальности радиофотонных РЛС (РОФАР), систем связи и других радиотехнических систем. 1 ил.

Радиофотонный передающий тракт мощных широкополосных сигналов с большой базой (ЛЧМ-сигналов), содержащий две части, включающие непосредственно модулированный мощный гетеролазер с источником смещения, волоконно-оптическую линию между двумя частями, фотодетекторы, антенны, отличающийся тем, что введены тройник, устройства выделения положительной и отрицательной по полярности частей ЛЧМ-сигнала с одновременным инвертированием одной из частей, второй непосредственно модулированный мощный гетеролазер, подключенный оптоволокном к волоконно-оптической линии связи (ВОЛС), причем ЛЧМ-сигнал с выхода источника подается на тройник, с первого выхода которого подается на вход устройства выделения положительной полярности сигнала, с выхода которого подается на вход первого непосредственно модулированного мощного гетеролазера, а с второго выхода тройника сигнал подается на вход устройства выделения отрицательной полярности сигнала с одновременным инвертированием его, с выхода которого сигнал подается на вход второго непосредственно модулированного мощного гетеролазера, причем оптические сигналы с выходов первого и второго гетеролазеров поступают на первый и второй входы ВОЛС, выходы которых соединены с оптическими входами первого и второго фотодетекторов, включенных по дифференциальной схеме и работающих в фотовольтаическом режиме, электрические выходы фотодетекторов являются двухтактными выходами широкополосного радиофотонного передающего тракта, работающего в классе АВ, нагрузкой которых являются антенны, которые размещены над высокоимпедансным основанием.