ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ МГНОВЕННЫХ ЧАСТОТ МНОЖЕСТВА СВЧ-СИГНАЛОВ Российский патент 2023 года по МПК G01R23/165 

Волоконно-оптическая система относится к технике оптико-электронных измерений, в частности к устройствам для измерения мгновенных частот СВЧ-сигналов с помощью регистрации мощности сигналов биений с компонентами убывающей по мощности симметричной гребенки частот, у которых существует зависимость изменения мощности в зависимости от частоты измеряемых сигналов.

Известно устройство для измерения мгновенной частоты СВЧ-сигналов (см. электронный ресурс https://elibrary.ru/item.asp?id=41216821/, опубликованный 16.10.2019). Данное устройство выбранное в качестве прототипа, содержит последовательно соединенные источник узкополосного оптического сигнала, оптический разветвитель, два параллельных каскада амплитудного и фазового модуляторов Маха-Цандера, оптический объединитель, оптический циркулятор, оптический фильтр на основе вогнутой волоконной решетки 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 оптические излучение в лазерном излучателе, которое через оптический разветвитель поступает в два параллельных каскада амплитудного и фазового модуляторов Маха-Цандера. В верхнем каскаде узкополосное оптические излучение модулируют измеряемым неизвестным СВЧ-сигналом, а в нижнем каскаде узкополосное оптические излучение модулируют известным СВЧ-сигналом для формирования равномерной по мощности компонент частотной гребенки с числом компонент для покрытия измеряемого частотного диапазона и с шагом частоты равным величине частоты модулирующего СВЧ-сигнала. Далее происходит объединение верхнего и нижнего каналов в оптическом объединителе, выходной спектр с выхода которого через оптический циркулятор подается на вогнутую волоконную решетку Брэгга где происходит изменение амплитуд спектральных составляющих частотной гребенки и попавших между ними спектральных компонент измеряемого сигнала согласно огибающей вогнутой волоконной решетки Брэгга. Полученный таким образом спектр отражается от вогнутой волоконной решетки Брэгга и через циркулятор принимается в фотоприемном блоке, полоса частот которого ограничена шириной одного канала частотной гребенки, определяемой величиной частоты модулирующего СВЧ-сигнала, с выхода которого спектр проходит в блок спектрального анализа принятого излучения, где определяют канал измерения и неизвестную мгновенную частоту СВЧ-сигнала на основе сравнения отношения мощностей частот биений спектральных компонент измеряемого сигнала с двумя близлежащими спектральными составляющими частотной гребенки между которыми они расположены.

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 излучения, оптический разветвитель, модулятор Маха-Цендера, при этом радиочастотный вход модулятора Маха-Цендера является входом волоконно-оптической системы измерения мгновенных частот множества СВЧ-сигналов, фазовый модулятор, генератор СВЧ-сигнала гребенки, оптический объединитель, фотоприемник, а также контроллер определения частот СВЧ-сигналов, который имеет выход являющийся выходом волоконно-оптической системы измерения мгновенных частот множества СВЧ-сигналов, причем источник узкополосного оптического излучения через вход и первый выход оптического разветвителя посредством волоконных световодов подключен к оптическому входу модулятора Маха-Цендера, фазовый модулятор, оптический выход которого посредством волоконных световодов через вход и второй выход оптического объединителя и фотоприемник последовательно соединен с контроллером определения частот СВЧ-сигналов, а генератор СВЧ-сигнала гребенки соединен с радиочастотным входом фазового модулятора достигается тем, что источник узкополосного оптического излучения через вход и второй выход оптического разветвителя посредством волоконных световодов подключен к оптическому входу фазового модулятора, а оптический выход модулятора Маха-Цендера через вход и первый выход оптического объединителя посредством волоконных световодов подключен к фотоприемнику.

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

На фиг. 2 изображены зависимости мощностей гармоник пар сигналов трех неизвестных частот СВЧ-сигналов, после модуляции узкополосного оптического сигнала, попавших между различными составляющими частотной гребенки в разные измерительные каналы.

На фиг. 3 изображены отношения мощностей гармоник частотной гребенки, на основе сравнения с которыми которых происходит определение измерительного канала.

На фиг. 4 представлен алгоритм работы контроллера определения частот СВЧ-сигналов.

Система электропитания необходимая для источника узкополосного оптического излучения, модулятора Маха-Цандера, фазового модулятора, генератора СВЧ-сигнала гребенки 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 излучения 1, оптический разветвитель 2, модулятор Маха-Цендера 3, при этом радиочастотный вход модулятора Маха-Цендера 3 является входом волоконно-оптической системы измерения мгновенных частот множества СВЧ-сигналов, фазовый модулятор 4, генератор СВЧ-сигнала гребенки 5, оптический объединитель 6, фотоприемник 7, а также контроллер определения частот СВЧ-сигналов 8, который имеет выход являющийся выходом волоконно-оптической системы измерения мгновенных частот множества СВЧ-сигналов, причем источник узкополосного оптического излучения 1 через вход и первый выход оптического разветвителя 2 посредством волоконных световодов подключен к оптическому входу модулятора Маха-Цендера 3, фазовый модулятор 4, оптический выход которого посредством волоконных световодов через вход и второй выход оптического объединителя 6 и фотоприемник 7 последовательно соединен с контроллером определения частот СВЧ-сигналов 8, а генератор СВЧ-сигнала гребенки 5 соединен с радиочастотным входом фазового модулятора 4 отличающаяся тем, что источник узкополосного оптического излучения 1 через вход и второй выход оптического разветвителя 2 посредством волоконных световодов подключен к оптическому входу фазового модулятора 4, а оптический выход модулятора Маха-Цендера 3 через вход и первый выход оптического объединителя 6 посредством волоконных световодов подключен к фотоприемнику 7.

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

Предварительно в блок контроллера определения частот СВЧ-сигналов загружают значения отношения мощностей измерительных каналов, которые приведены на фиг. 3 и программу, работающую согласно алгоритму, который приведен на фиг. 4.

Подключают систему электропитания для блоков источник узкополосного оптического сигнала 1, модулятора Маха-Цендера 3, фазового модулятора 4, генератора СВЧ-сигнала гребенки 5, контроллера определения частот СВЧ-сигналов 8.

На вход модулятора Маха-Цендера 3, например, с принимающей антенны подают СВЧ-сигналы с измеряемыми частотами.

Для измерения мгновенных частот СВЧ-сигналов с помощью источника узкополосного оптического сигнала 1 генерируют сигнал с частотой ƒ_l, который проходя через оптический разветвитель 2 затем модулируют в модуляторе Маха-Цендера 3, работающем в нулевой рабочей точке модуляционной характеристики для подавления несущей, измеряемыми СВЧ-сигналами с частотами ƒ_i… ƒ_j, а в фазовом модуляторе 4 модулируют СВЧ-сигналом ƒ_гр генератора СВЧ-сигнала гребенки 5 для создания эквидистантной и симметричной по частоте относительно подавленной несущей частотной гребенки с нечетными составляющими спектр гармониками с убывающими относительно центральных гармоник амплитудами, определяющимися коэффициентами ряда Фурье E_n=2E₀/πn, где n=1, 3, 5 - номер составляющей разложения по модулирующей частоте.

На выходе оптического объединителя 6 спектры излучений с выходов модулятора Маха-Цендера 3 и фазового модулятора 4 объединяются и спектральные составляющие неизвестных измеряемых сигналов попадают между двумя ближайшими компонентами частотной гребенки, формирующие измерительные каналы. Объединенный спектр поступает на фотоприемник 7, частота которого ограничивается шириной одного измерительного канала, на выходе которого формируются массив сигналов биений f_iБгр…f_jБгр за счет биений каждой гармоники измеряемого сигнала с двумя близлежащими компонентами гребенки f_{ГР i} и f_{ГР i+1}.

Полученные биения поступают на контроллер определения частот СВЧ-сигналов 8, где проводится оцифровка, дискретное преобразование Фурье, определение частот и мощностей сигналов биений. Сформированный массив биений сортируется согласно алгоритму работы контроллера и затем вычисляется отношение мощностей симметричных относительно f_ГР пар биений, отношение мощностей которых сравнивается с отношением мощностей гармоник частотной гребенки для каждого из каналов, приведенной на фиг. 3, которая благодаря разнице мощностей гармоник будет индивидуальной для каждого канала, что позволяет определить его номер. Частота внутри каждого из каналов определяется как разница известных частот компонент частотной гребенки и измеренных частот биений.

Полученные данные с контроллера определения частот СВЧ-сигналов 8 могут быть выведены на экран и записаны в память контроллера определения частот СВЧ-сигналов 8.

Точность измерения мгновенных частот множества СВЧ-сигналов определяется производительностью процессора, который является базовой частью контроллера определения частот СВЧ-сигналов 8.

Волоконно-оптическая система измерения мгновенных частот множества 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 излучения 1 может быть выбран лазерный диод IDL10S-1300 НИИ «Полюс» или ДМПО131-22 ООО НПФ «Дилаз»;

В качестве оптического разветвителя 2 может быть выбран оптический разветвитель 1х2 1310/1550 нм компании ООО «ОПТЕЛ»;

В качестве модулятора Маха-Цандера 3 может быть выбран модуляторы на основе интерферометра Маха-Цендера 500-x-13 компании Laser2000;

В качестве фазового модулятора 4 может быть выбран фазовый модулятор SSP-P-13-10 - 1310 нм, 10 ГГц компании Rofea Optoelectronics;

В качестве генератора СВЧ-сигнала гребенки 5 может быть выбран СВЧ аналоговый генератор сигналов Agilent Technologies N5183A-532;

В качестве оптического объединителя 6 может быть выбран оптический объединитель 2х1 АО «ЛЛС»;

В качестве фотоприемника 7 может быть выбран высокоскоростной волоконно-оптический InGaAs микроволновый широкополосный PIN фотоприемник компании Optilab, например, PD-40-MM;

В качестве контроллера определения частот СВЧ-сигналов 8 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 волоконно-оптической системы измерения мгновенных частот множества 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-оптическая система относится к технике оптико-электронных измерений, к устройствам для измерения мгновенных частот СВЧ-сигналов. Волоконно-оптическая система измерения мгновенных частот множества СВЧ-сигналов содержит источник узкополосного оптического излучения, оптический разветвитель, модулятор Маха-Цендера, который является входом системы, фазовый модулятор, генератор СВЧ-сигнала гребенки, оптический объединитель, фотоприемник, а также контроллер определения частот СВЧ-сигналов, источник излучения через вход и первый выход оптического разветвителя посредством световодов подключен к оптическому входу модулятора Маха-Цендера, фазовый модулятор, оптический выход которого посредством световодов через вход и второй выход оптического объединителя и фотоприемник последовательно соединен с контроллером определения частот СВЧ-сигналов, а генератор СВЧ-сигнала гребенки соединен с радиочастотным входом фазового модулятора, источник излучения через вход и второй выход оптического разветвителя подключен к оптическому входу фазового модулятора, а оптический выход модулятора Маха-Цендера через вход и первый выход оптического объединителя подключен к фотоприемнику. Технический результат - измерение частот одновременно нескольких СВЧ-сигналов. 4 ил.

Волоконно-оптическая система измерения мгновенных частот множества СВЧ-сигналов, содержащая источник узкополосного оптического излучения, оптический разветвитель, модулятор Маха-Цендера, при этом радиочастотный вход модулятора Маха-Цендера является входом волоконно-оптической системы измерения мгновенных частот множества СВЧ-сигналов, фазовый модулятор, генератор СВЧ-сигнала гребенки, оптический объединитель, фотоприемник, а также контроллер определения частот СВЧ-сигналов, который имеет выход, являющийся выходом волоконно-оптической системы измерения мгновенных частот множества СВЧ-сигналов, причем источник узкополосного оптического излучения через вход и первый выход оптического разветвителя посредством волоконных световодов подключен к оптическому входу модулятора Маха-Цендера, фазовый модулятор, оптический выход которого посредством волоконных световодов через вход и второй выход оптического объединителя и фотоприемник последовательно соединен с контроллером определения частот СВЧ-сигналов, а генератор СВЧ-сигнала гребенки соединен с радиочастотным входом фазового модулятора, отличающаяся тем, что источник узкополосного оптического излучения через вход и второй выход оптического разветвителя посредством волоконных световодов подключен к оптическому входу фазового модулятора, а оптический выход модулятора Маха-Цендера через вход и первый выход оптического объединителя посредством волоконных световодов подключен к фотоприемнику.