АВТОДИННЫЙ ФОТОДЕТЕКТОРНЫЙ ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИК ДЛЯ СИСТЕМ БЛИЖНЕЙ РАДИОЛОКАЦИИ Российский патент 2024 года по МПК G01S7/03 H04B1/40 H01Q23/00 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах ближней радиолокации (СБРЛ), в том числе с активной фазированной антенной решеткой (АФАР), датчиках и измерителях, предназначенных для обнаружения движущихся объектов, определения параметров движения и измерения расстояния до них.

Автодинные радиолокаторы, которые в дальнейшем для сокращения будем называть также автодинами, обеспечивают простейшую конструкцию приемопередатчика и его низкую стоимость благодаря совмещению функций передатчика зондирующего и приемника отраженного излучения в одном каскаде - генераторе, который обычно непосредственно подключают к антенне без каких-либо элементов развязки. Принцип действия этих устройств основан на автодинном эффекте, который возникает в генераторах при воздействии на них собственного излучения, отраженного от объекта локации. Данный эффект проявляется в изменениях амплитуды и частоты колебаний, а также смещения (тока или напряжения) на электродах нелинейного элемента, определяющего условия генерирования колебаний в резонансной системе автодинного приемопередатчика. Регистрация (выделение, детектирование) этих изменений в виде автодинного сигнала и его обработка обеспечивают получение информации об объекте локации и параметрах его движения [1]. Наличие усиления принятого сигнала за счет внутренних свойств автодинного генератора - одно из его дополнительных достоинств по отношению к гомодинным системам.

Необходимо отметить, что в зарубежной литературе наряду с широко распространенными терминами «автодин» (autodyne), «автодинный эффект» (autodyne effect) часто используют термины: oscillator-detector, self-oscillating mixer (SOM), self-mixing oscillator, self-mixing laser, self-detecting oscillator, self-mixing effect (эффект самосмешивания) и др.

Первоначально автодинные приемопередатчики для СБРЛ выполнялись на основе электронных ламп, отражательных клистронов, магнетронов и других электровакуумных приборов сверхвысоких частот (СВЧ) [2]. С появлением твердотельных генераторных приборов в автодинных приемопередатчиках для СБРЛ стали широко использоваться сначала туннельные диоды, а затем диоды Ганна, лавинно-пролетные (ЛПД) и инжекционно-пролетные (ИПД) диоды, а также биполярные и полевые транзисторы [3].

Известны автодинные приемопередатчики, выполненные на основе полупроводниковых диодов [4-15]. Условия возникновения и поддержания генерации колебаний в автодинном приемопередатчике полупроводниковые генераторные диоды обеспечивают благодаря наличию у них статической или динамической отрицательной проводимости, возникающей за счет внутренней положительной обратной связи. Частота генерации колебаний определяется преимущественно параметрами резонансной системы, с которой связан полупроводниковый диод и нагрузка генератора - приемопередающая антенна.

Недостатком автодинных приемопередатчиков, выполненных на полупроводниковых диодах, является низкий коэффициент полезного действия (КПД), составляющий обычно не более единиц процентов (см. стр. 173-212 [16]). Возникающие при этом проблемы отвода тепла и большое энергопотребление диодных генераторов ограничивают их применение в бортовых СБРЛ, поскольку ресурс питания на борту обычно ограничен.

Известны также автодинные приемопередатчики, в которых в качестве активного элемента (АЭ) используются биполярные или полевые транзисторы (см. например, статьи [17,18]; патенты: [19-28]).

Условия возникновения и поддержания генерации колебаний в автодинных приемопередатчиках на транзисторах обеспечивается благодаря введению внешней по отношению к АЭ положительной обратной связи. Составной частью этой обратной связи является резонансная система, которая определяет частоту генерации колебаний и связь с нагрузкой генератора - антенной. При этом наличие управляющего электрода в транзисторах обеспечивает удобство управления режимом работы генератора и расширение функциональных возможностей автодинных приемопередатчиков.

Известно, что автодинный эффект наблюдается не только в генераторах радиочастотных, СВЧ и крайне высокочастотных (КВЧ) диапазонов, но и в генераторах оптического диапазона [29]. Наиболее широкое применение в оптических автодинах нашли полупроводниковые лазеры, излучение которых направляется на объект исследования [30]. При этом отраженное излучение возвращается обратно в резонатор лазерного диода и, взаимодействуя с собственным излучением лазера, вызывает изменения плотности основных носителей его активной области. Результат этого взаимодействия в виде автодинного сигнала регистрируется либо путем контроля выходной мощности оптического излучения, обычно с помощью фотодиода, либо путем контроля напряжения смещения на лазере (см. стр. 588, фиг. 6, [31]). При использовании внешнего фотодиода для наблюдения за автодинным сигналом часть лазерного излучения направляется на фотодиод, что обычно выполняется с помощью схемы делителя луча базового устройства на (a) внешний и (b) внутренний фотодиоды. Ток лазерного диода регулируется драйвером, с помощью которого может быть осуществлена электрическая модуляция излучения. На фиг. 6а [31] показано разделение излучаемых лучей, причем часть луча проходит через внешние оптические элементы к объекту локации, посредством которого часть отраженного от него излучения может быть механически модулирована, а часть передается на внешний фотодиод. Автодинные сигналы далее поступают через полосовой фильтр на плату сбора данных для последующей обработки в персональном компьютере. В результате обработки сигналов обеспечивается возможность определения скорости и расстояния до объекта локации, а также амплитуды и частоты вибраций и величины малых перемещений [29-33].

Недостатком автодинных приемопередатчиков предшествующего уровня техники являются особенности формирования автодинных сигналов. Суть этих особенностей состоит в следующем.

Наличие автодинных изменений частоты колебаний генератора при воздействии на него отраженного излучения вызывает неравномерность изменения набега фазы формируемого сигнала. В свою очередь, данная неравномерность изменения набега фазы является причиной ангармонических искажений автодинных сигналов, создающих проблему при их обработке [34].

Необходимо отметить, что эти искажения сигналов, проявляющиеся в большей степени с укорочением длины волны излучения, свойственны как обычным автодинам с немодулированным излучением, так и автодинам с различными видами модуляции. Искажения сигналов существенно сужают динамический диапазон устройства [35], а также являются причиной появления периодической нестационарности шумовых характеристик [36]. Данные явления затрудняют, а в некоторых случаях нарушают нормальную работу устройств обработки сигналов и тем самым ухудшают тактико-технические характеристики автодинных СБРЛ, таких как дальность действия, точность измерения скорости объектов и других. Поэтому указанные особенности функционикования автодинных устройств, отличающие их от устройств гомодинного типа, сдерживают их применение при решении многих задач ближней радиолокации в КВЧ и ГВЧ диапазонах, где эти явления проявляются в наибольшей степени.

Для устранения причин искажения сигналов были предложены и опробованы различные технические решения:

1) стабилизация частоты генерации с помощью дополнительного высокодобротного резонатора,

2) использование стабилизированного бигармонического генератора в качестве автодина, а также

3) применение автодинного генератора с взаимной или

4) внешней синхронизации колебаний [17; 37-40].

Первые два технических решения полностью не устраняют причину, а лишь уменьшают примерно на порядок величину автодинной девиации частоты. Данное ограничение обусловлено необходимостью разрешения компромисса между потерей выходной мощности на стабилизацию, которая вызывает снижение потенциала автодина, и коэффициентом стабилизации частоты. При этом стабилизация частоты дополнительным резонатором не исключает появление искажений сигналов в режиме сильного отраженного излучения [41]. Кроме того, тенденция к снижению собственной добротности стабилизирующих резонаторов с переходом в диапазоны более высоких частот является обратной решению обсуждаемой здесь проблемы автодинов.

Последние два технических решения (применение генератора с взаимной или внешней синхронизацией) также не решают проблему радикально, имеют ограничение сверху. Они применимы при выполнении условия, при котором уровень отраженного от объекта локации излучения не превышает уровень вводимого в автодинный генератор синхронизирующего воздействия. В противном случае форма автодинного сигнала значительно усложняется, поскольку автодинный генератор периодически выходит из режима синхронизации [42].

Ангармонические искажения сигналов и нестационарность уровня шумов, как отмечалось, проявляются также в случае применения автодинных приемопередатчиков в СБРЛ с частотной модуляцией (ЧМ) [43]. Кроме того, автодинам с ЧМ свойственно наличие высокого уровня паразитной амплитудной модуляции (ПАМ) [44]. Трудность исключения или хотя бы снижения этих искажений и ПАМ в данном случае состоит в необходимости разрешения противоречия между требованиями обеспечения ЧМ, что сопряжено с уменьшением добротности колебательной системы генератора, и уменьшения автодинной девиации частоты, что связано с потребностью увеличения этой добротности.

Свободными от указанных недостатков являются автодинные устройства, у которых функции генерирования колебаний и их стабилизация отделены от функций излучения зондирующих и приема отраженных радиосигналов с последующим их смешением и детектированием. Такое разделение функций осуществляется, например, применением дополнительных каскадов усиления мощности и/или умножения частоты колебаний задающего генератора. Принципиальной особенностью данного типа автодинных устройств является использование нелинейности выходных каскадов усилителей мощности и/или умножителей частоты.

В патенте GB1265506A1 (см. [45]) предлагается доплеровская СБРЛ, имеющая твердотельный передатчик, содержащий транзисторный генератор и умножитель частоты на варакторном диоде. При этом умножитель частоты включает в себя также резистор автосмещения для диода, с которого снимается сигнал доплеровской частоты. Хотя варакторный диод, по своей сути представляет собой переменную емкость по напряжению, однако в случае работы умножителя в режиме автосмещения он действует также как выпрямитель, пропуская ток в прямом направлении в моменты, когда амплитуда колебаний превышает напряжение смещения на варакторе. Таким образом, в соответствии с предложенным изобретением варакторный диод действует не только как умножитель частоты генератора, но и как смеситель зондирующего и принимаемого от объекта локации с доплеровским сдвигом частоты радиосигналов.

Известна также аналогичная СБРЛ автодинного типа, содержащая управляемый напряжением генератор VCO, генерирующий высокочастотный сигнал, который может быть стабилизирован системой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) (см. фиг. 1, [46]). Высокочастотный сигнал VCO усиливается блоком, совмещающим функции усилителя мощности и смесителя (PAMIX - Power-Amplifier-Mixer). Далее высокочастотный сигнал передается в антенну A, откуда зондирующий радиосигнал TS излучается на объект локации TO. Отраженный от объекта TO радиосигнал RS возвращается в антенну A и поступает обратно в блок усилителя мощности и смесителя PAMIX, где он смешивается с усиленным высокочастотным радиосигналом, преобразуется по частоте и выводится при помощи фильтра нижних частот LPF. Частота преобразованного сигнала соответствует разности частот усиленного высокочастотного радиосигнала и принятого отраженного радиосигнала. Преобразованный сигнал далее следует на аналого-цифровой преобразователь АЦП, после которого цифровой сигнал далее поступает в процессор цифровых сигналов DSP для его обработки с целью получения информации об объекте локации TO и параметрах его перемещения. Для «усиления» нелинейности смесителя предложено параллельно выводам сток-исток выходного каскада усилителя мощности, выполненного на полевых транзисторах, подключать диод. Варианты выполнения блока PAMIX представлены на фиг. 2 и 3 патента [46], а также на стр. 174-175, фиг. 7.11 монографии [47].

Развязка между генератором и нагрузкой (антенной), которую создает блок усилителя-смесителя (PAMIX), обеспечивает слабую зависимость частоты генерации от отраженного излучения. Поэтому формирование доплеровского сигнала в таких автодинах происходит без ангармонических искажений, а работа усилителя в нелинейном режиме ограничения амплитуды способствует снижению уровней ПАМ при ЧМ и амплитудного шума выходного излучения.

Недостаток автодинных устройств типа комбинаций «умножитель-смеситель» и «усилитель-смеситель» [45-47] состоит в том, что при построении радиотехнических систем с пространственно-разнесенной структурой, в которой задающий генератор и средства обработки сигналов находятся в одном месте, а приемопередатчики с антеннами - в другом, возникает проблема передачи большого числа сигналов иногда на довольно значительные расстояния. При этом неизбежны потерями мощности в линиях передачи, что снижает общий КПД системы. Так, например, на частоте 3 ГГц в коаксиальных линиях потери составляют порядка 0,5 дБ/м, а в волноводных линиях передачи 8-мм диапазона - порядка единиц дБ/м. Кроме того, коаксиальные и волноводные линии утяжеляют и удорожают конструкцию системы в целом, а также являются причиной возникновения в системе электромагнитных и акустических помех.

В настоящее время наилучшими параметрами и характеристиками обладают волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). Эти линии обычно содержат последовательное соединение полупроводникового лазерного модуля, электрооптического модулятора на основе интерферометра Маха-Цендера, оптического тракта на основе отрезка одномодового оптического волокна и фотодетекторного модуля. При этом входом такой линии связи является управляющий вход электрооптического модулятора, а ее выходом - высокочастотный порт фотодетекторного модуля [48]. Потери ВОЛС, выполненной из кварца, при длине волны $$\text{λ}=\mathrm{1,3}$$ мкм составляют 0,35 дБ/км. Частотный диапазон для комплектующих ВОЛС к настоящему времени превысил 100 ГГц.

Впервые ВОЛС были использованы в судовой РЛС 3-см диапазона модели AN/SPQ-9B [49] в конце 90-х годов прошлого века. В этой РЛС обычный гомодинный одноканальный приемопередатчик (см. фиг. 2, [49]) дополнен двумя ВОЛС (см. фиг. 4 и 6, [49], а также стр. 303, рис. 10.1, [50]). Они предназначены для дистанционного приема и передачи сигналов между приемопередатчиком, установленным на антенне, и блоком обработки, находящемся на некотором удалении. Каждая ВОЛС содержит лазерный модуль (ЛМ), модулятор Маха-Цендера (ММЦ), оптический тракт (ОТ) и фотодетектор (ФД). Как видно из блок-схемы РЛС типа AN/SPQ-9B, представленной на рис. 10.1, [50], ВОЛС были присоединены через циркулятор (Ц) к радиолокационной антенне (А) одним плечом для передачи, а другим для приема отраженных сигналов от объекта локации. В состав блока обработки входят приемник, процессор и задающий генератор (возбудитель).

Главными причинами для использования радиофотонной технологии при модернизации РЛС типа AN/SPQ-9B были массогабаритные требования к антенне. Применение ВОЛС позволило поместить часть оборудования, реализующего функции частотного преобразования и обработки сигналов, в месте, где ограничения по массе и габаритам не такие жесткие, как в месте установки антенны РЛС. Необходимо отметить, что при модернизации этой РЛС было показано также, что радиофотонная технология обеспечивает передачу радиосигналов, отвечающую высоким требованиям к уровню фазового шума задающего генератора в условиях удаленного управления современными радарами.

Отмеченные достоинства радиофотонной технологии оказались особенно востребованными в построении активных фазированных антенных решеток (АФАР), где использование «классических» линий передачи оказалось основным ограничивающим фактором применения АФАР в РЛС [51]. Как известно, современные АФАР состоят из приемопередающих модулей (ППМ), в которые входят кроме излучателей, циркуляторов, переключателей и фазовращателей (или управляемых линий задержки), активные элементы для усиления, преобразования частот сигналов и другие устройства для предварительной пространственно-временной обработки сигнала, а также элементы радиофотонной технологии: лазерные модули, модуляторы оптического излучения, волоконно-оптические линии связи и фотодетекторы. Структурная схема приемопередатчика, представленная на рис. 15.1 стр. 455 книги [52], и ее варианты стала наиболее распространенной для применения в АФАР различного назначения.

Наряду с несомненными достоинствами АФАР имеют и объективные недостатки, затрудняющие их применение, особенно в качестве бортовой аппаратуры на носителях различного типа.

Габаритные размеры ППМ АФАР определяются возможностью их размещения на обратной стороне антенного полотна решетки. Для уменьшения побочных максимумов излучения при сканировании шаг решетки должен быть не больше половины длины волны. Поэтому при разработке ППМ АФАР, прежде всего миллиметрового диапазона, необходима их миниатюризация. Это достигается реализацией ППМ в твердотельном интегральном исполнении, но малые размеры мощных активных полупроводниковых приборов и недостаточное значение их КПД приводят к локальному выделению большой тепловой мощности и необходимости применения высокоэффективных систем охлаждения, которые, в свою очередь, имеют габариты, в значительной степени ограничивающие возможности миниатюризации. Например, АФАР современного истребителя имеет более двух тысяч ППМ, выделяющих несколько десятков киловатт тепловой мощности в ограниченном пространстве, что потребовало применения сложной и дорогостоящей системы их жидкостного охлаждения, имеющей недостаточную надежность работы [53].

Также ограничены пределы миниатюризации радиочастотных элементов ППМ, таких как микрополосковые линии передачи, колебательные системы, линии задержки, фазовращатели, направленные ответвители, делители и циркуляторы.

Все это приводит к тому, что реализация АФАР, особенно миллиметрового диапазона, с традиционным построением ППМ на основе интегральной технологии является сложной и затратной задачей, а создание сверхширокополосных АФАР представляет собой серьезную проблему.

Поэтому постоянно ведутся исследования и разработки не только по совершенствованию традиционных электронных ППМ для АФАР, но и по поиску качественно новых подходов их реализации.

Для обеспечения работы сканируемых в реальном масштабе времени АФАР в широкой полосе частот и улучшения электромагнитной совместимости был предложен ряд гибридных оптоэлектронных ППМ с применением ВОЛС, интегрально-оптических схем и электронных интегральных схем (аналоговой радиофотоники) в качестве их элементной базы [54-59]. Известные оптоэлектронные ППМ для АФАР в разных вариациях состоят из секции оптических элементов и секции электрических элементов, в которых содержатся оптические демультиплексоры, ВОЛС, управляющие модули, интегрально-оптические модуляторы, оптические ответвители, оптические разветвители, фотодетекторы, предусилители, мощные усилители, переключатели прием-передача, малошумящие усилители, диплексеры, умножители частоты, фазовращатели, циркуляторы, лазерные диоды, смесители и излучатели.

Недостатками известных ППМ являются наличие в составе его антенной секции, наиболее близко расположенной к антенным излучателям, мощных электронных усилителей, ограничивающих рабочую полосу частот и габариты, а также создающих проблемы охлаждения и увеличения шумовой температуры, находящегося там же малошумящего усилителя и антенной решетки в целом. Кроме того, фазовый метод сканирования, примененный в известных устройствах, не дает возможности работы АФАР в широкой, а тем более в сверхширокой полосе частот.

В значительной мере свободными от указанных недостатков являются ППМ, описание которых представлено на стр. 360-364, рис. 5.109, 5,110, монографии [51], в статье [60], а также в патенте [61]. Положительный результат в предложенных ППМ достигнут благодаря применению мощных гетеролазеров [62], имеющих выходную мощность свыше нескольких ватт в непрерывном режиме, распределенных фотодиодов, способных детектировать большую оптическую мощность с высокой квантовой эффективностью [63], оптических модуляторов, обеспечивающих коэффициент шума менее 0,5 дБ до частот более 20 ГГц [64], а также специального оптического волокна для передачи большой оптической мощности [65]. В результате применения указанных элементов реализован ППМ, у которого антенная часть полностью выполнена на пассивных элементах, мощность рассеяния которых незначительна. Активные элементы ППМ все вынесены за пределы антенного полотна, где проблема отвода тепла решается сравнительно просто.

В качестве прототипа принят ППМ для АФАР, описание которого представлено в патенте [61], где на рис. 1 приведена его подробная структурная схема, из которой в настоящем описании будут использованы лишь наиболее существенные признаки.

Оптоэлектронный приемопередающий модуль (ППМ) прототипа, состоящий из связанных между собой первой, второй и третьей волоконно-оптическими линиями связями (ВОЛС) аппаратной и антенной частей, и содержащий в аппаратной части ППМ СВЧ-генератор, первый оптический модулятор, первый лазерный модуль, второй лазерный модуль, первый фотодетектор и малошумящий СВЧ-усилитель, а в антенной части - второй фотодетектор, переключатель прием-передача, антенну и второй оптический модулятор. При этом выход первого лазерного модуля подключен к входу первого оптического модулятора, к управляющему входу которого подключен выход СВЧ-генератора, а выход первого оптического модулятора через первую ВОЛС связан с оптическим входом второго фотодетектора. Выход второго фотодетектора подключен к первому порту переключателя прием-передача, второй порт которого подключен к антенне, а третий порт переключателя соединен с управляющим входом второго оптического модулятора. При этом выход второго лазерного модуля через вторую ВОЛС связан с входом второго оптического модулятора, а выход последнего через третью ВОЛС связан с входом первого фотодетектора, к выходу которого подключен малошумящий СВЧ-усилитель.

Как следует из текста описания [61], аппаратная и антенная части ППМ объединены тремя аналоговыми оптическими каналами. По первой ВОЛС осуществляется трансляция мощного радиочастотного сигнала от СВЧ-генератора к антенному излучателю при работе на передачу. По второму оптическому каналу происходит передача малошумящего оптического излучения сравнительно малой мощности от второго лазерного модуля на второй высокочувствительный оптический модулятор. Принятый в режиме приема антенной радиосигнал модулирует это оптическое излучение, которое передается назад по третьему оптическому каналу в аппаратную часть ППМ для его преобразования обратно в радиосигнал посредством первого фотодетектора, либо для дальнейшей обработки сигнала оптическими методами.

Недостатком прототипа являются сложность и громоздкость аппаратной части ППМ, высокое энергопотребление и наличие сравнительно большого числа связей между аппаратной и антенной частями при кажущейся простоте его антенной части, причем вторая ВОЛС вообще не информативная. Для управления положением переключателя прием-передача требуется еще один не показанный на схеме канал связи, дополнительно усложняющий и удорожающий систему в целом, тогда как при решении ряда задач указанные факторы являются определяющими, например, в случаях применения ППМ в малогабаритных автономных информационно-управляющих системах ближней радиолокации разового применения [66].

Таким образом, техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в необходимости значительного уменьшения числа каналов связи между аппаратной и антенной частями приемопередатчика, снижения его стоимости, энергопотребления и конструктивной сложности при сохранении функциональных возможностей прототипа.

Для решения указанной проблемы предложен автодинный фотодетекторный приемопередатчик (АФПП) для систем ближней радиолокации, состоящий из связанных между собой волоконно-оптической линией связи (ВОЛС) аппаратной и антенной частей, и содержащий в аппаратной части АФПП полупроводниковый лазерный модуль (ПЛМ), электрооптический модулятор (ЭОМ) и СВЧ-генератор, а в антенной части - фотодетекторный модуль, антенну и блок выделения автодинного сигнала. При этом выход полупроводникового лазерного модуля подключен к входу электрооптического модулятора, к управляющему входу которого подключен выход СВЧ-генератора, а выход электрооптического модулятора через ВОЛС связан с оптическим входом фотодетекторного модуля, причем к фотодетекторному модулю подключены также антенна и блок выделения автодинного сигнала.

Блок выделения автодинного сигнала может быть выполнен, например, в виде датчика тока в цепи смещения фотодетекторного модуля или в виде амплитудного детектора, выделяющего изменения амплитуды выходных колебаний фотодетекторного модуля.

В результате изучения патентных и литературных источников установлено, что среди известных радиолокационных и иных устройств выполненных на основе фотодетектора, отсутствуют технические решения приемопередатчиков для СБРЛ, которые в своей работе используют автодинный эффект. Этот эффект проявляется, как отмечалось выше, при одновременном излучении зондирующего радиосигнала и приеме собственного отраженного от объекта локации излучения. Следовательно, предлагаемое техническое решение обладает новизной, поскольку авторам не известны устройства аналогичного назначения, содержащие признаки, которые фигурируют в предлагаемом изобретении в качестве отличительных признаков.

Анализ результатов патентного поиска показал также, что предлагаемое решение не следует явным образом из уровня техники. Из определенного выше уровня техники не выявлена известность влияния существенных признаков заявляемого технического решения на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности «Изобретательский уровень».

Изобретение направлено на улучшение характеристик работы автодинных СБРЛ, предназначенных для получения данных об объекте локации и параметрах его движения, что необходимо для различных отраслей деятельности человека. Таким образом, заявляемое изобретение соответствует критерию «Промышленная применимость».

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена структурная схема автодинного фотодетекторного приемопередатчика в составе СБРЛ; на фиг. 2 раскрыты варианты подключения блока регистрации автодинного сигнала к фотодетекторному модулю.

Автодинный фотодетекторный приемопередатчик (АФПП) для систем ближней радиолокации содержит (см. фиг.1) состоящий из связанных между собой волоконно-оптической линией связи 1 (ВОЛС) аппаратной 2 и антенной 3 частей, и содержащий в аппаратной части 2 АФПП полупроводниковый лазерный модуль 4 (ПЛМ), электрооптический модулятор 5 (ЭОМ) и СВЧ-генератор 6 (СВЧ-Г), а в антенной части 3 - фотодетекторный модуль 7 (ФДМ), антенну 8 и блок 9 выделения автодинного сигнала (БВАС). При этом выход ПЛМ 4 подключен к входу ЭОМ 5, к управляющему входу которого подключен выход СВЧ-Г 6, а выход электрооптического модулятора 5 через ВОЛС 1 связан с оптическим входом ФДМ 7, причем к фотодетекторному модулю 7 подключены антенна 8 и блок 9 выделения автодинного сигнала. Выход последнего через малошумящий усилитель 10 (МШУ) подключен к входу блока обработки сигнала 11 (БОС). При этом БОС 11 может быть связан с входом модуляции СВЧ-генератора 6 для реализации СБРЛ с различными видами модуляции.

Блок 9 выделения автодинного сигнала в предлагаемом АФПП для СБРЛ (см. фиг. 2) может быть выполнен, например, в виде:

1) датчика тока, преобразующего изменения тока в цепи смещения фотодетектора в напряжение автодинного сигнала (см. фиг. 2а).

2) амплитудного детектора, преобразующего изменения амплитуды колебаний на выходе фотодетектора в напряжение автодинного сигнала (см. фиг. 2б).

Антенна 8 (см. фиг. 1) может иметь различное исполнение, зависящее от требований к диаграмме направленности и рабочего диапазона частот, например, в виде щелевого вибратора, рупорной, диэлектрической стержневой, спиральной антенны или типа «волновой канал» (см. соответственно стр. 115, 149, 218, 239, 260, книги [67]).

Полупроводниковый лазерный модуль 4 может быть выполнен на основе InGaAsP/InP лазерного диода с распределенной обратной связью. Для регулировки и стабилизации мощности излучения лазерного модуля обычно применяется плата управления, использующая фотодиод обратной связи, установленный внутри корпуса лазерного диода (см. рис. 1 статьи [68]).

В качестве электрооптического модулятора 5 может использоваться модулятор бегущей волны на основе интегрального интерферометра Маха-Цендера, обладающего на сегодня наилучшими характеристиками по сравнению с иными типами модуляторов. Данный модулятор выполнен на кристалле ниобата лития (LiNbO3), в котором коэффициенты пропускания плеч интерферометра одинаковые, а коэффициенты деления мощности в Y-разветвителях равны 0,5 (см. раздел 2.2 «Принцип работы электрооптического модулятора Маха-Цендера» статьи: [69]). На подложке устанавливаются управляющие электроды, подача напряжения на которые, создает электрическое поле, изменяющее оптическую длину пути волноводов. Варьирование управляющего напряжения приводит к модуляции интенсивности излучения, проходящего от лазерного модуля 4 на выход электрооптического модулятора 5.

Волоконно-оптическая линия связи 1 (ВОЛС) (см. фиг. 1) представляет собой оптический тракт, выполненный на основе отрезка одномодового оптического волокна (см. стр. 194-198, рис. 91в, [70]).

Фотодетекторный модуль 7 (ФДМ), представляет собой узел волоконно-оптической линии передачи СВЧ сигналов, на вход которого подается модулированный по интенсивности оптический сигнал, поступающий по ОВЛС 1 с выхода электрооптического модулятора 5. Оптический сигнал через оптический соединитель 14 и отрезок оптического волокна 15 поступает на мощный фотодиод Шоттки 12, который выполнен, например, на основе гетероструктуры InAlAs/InGaAs/InP. Мощный фотодиод 12 Шоттки включен в копланарную линию 13 передачи, согласующую его с радиочастотным (РЧ) соединителем 16, с выхода снимается детектированный СВЧ радиосигнал (см. рис. 2, [68]).

СВЧ-генератор 6, может быть выполнен, например, в виде СВЧ генераторного модуля на диоде Ганна или лавинно-пролетном диоде (см. стр. 194, 195, рис. 4.24 и 4.25, [71]). Для обеспечения модуляции частоты генерации в резонатор СВЧ-генератора может быть помещен варикап (см. стр. 80-84, [72]). Кроме того, СВЧ-генератор 6 может быть выполненным с возможностью электрической перестройки частоты на полевом или биполярном транзисторе (см. стр. 88, рис. 3.7 книги [73]).

Блок выделения автодинного сигнала (БВАС) 9 (см. фиг. 2а), предназначенный для выделения автодинного сигнала в цепи смещения фотодетектора 12, по своей сути представляет собой датчик тока, в качестве которого могут использоваться подключенные в цепь смещения фотодетектора резистор (см. фиг. 3 патента [46]), индуктивность, трансформатор тока или параллельный колебательный контур (см. рис. 14 в статье [1]). Кроме того, для выделения автодинного сигнала могут применяться электронные схемы, выполненные на микросхемах операционных усилителей и транзисторах, предназначенные для преобразования тока цепи смещения в напряжение (см. рис. 17-20 статьи [1]). В патенте [74] (см. фиг. 1, 4 и 5) описано применение в качестве БВАС делителя Вилкинсона, выполненного на микрополосках.

Амплитудный детектор 19 (см. фиг. 2б), предназначенный для получения автодинного сигнала по изменению амплитуды колебаний на выходе копланарной линии передачи 13, может быть выполнен в виде детекторной секции (см. фиг. 2 патента [75]), подключенной к выходной линии ФДМ 7 через ответвитель 18.

Автодинный фотодетекторный приемопередатчик для СБРЛ работает следующим образом.

При подаче на устройство напряжения питания в СВЧ-генераторе 6 (см. фиг. 1) возникают колебания СВЧ на частоте $${\text{ω}}_0$$, которые поступают на управляющий вход ЭОМ 5. Одновременно в ПЛМ 4 возникает оптическое когерентное излучение, которое поступает на вход ЭОМ 5. Данное излучение в соответствие с принципом действия электрооптического модулятора (см. раздел 2.2 статьи [69]) под действием управляющего напряжения СВЧ-генератора 6 подвергается амплитудной модуляции (АМ). Интенсивность светолучевого потока $${\Phi }_{\text{эом}}(t)$$ во времени $$t$$ на выходе ЭОМ 5 описывается следующим выражением:

где

$${\Phi }_{\text{0}}$$ - интенсивность потока излучения при отсутствии модуляции;

$$\Delta \Phi (t\text{)}={\Phi }_{\text{0}}{m}_{\text{ам}}\text{cos(}{\omega }_{0}t+\phi \text{)}$$ - изменяющаяся часть потока;

$$m_{\text{ам}}$$ - коэффициент глубины АМ лучевого потока;

$${\omega }_0$$ - частота модуляции сигналом СВЧ-генератора;

$$\phi$$ - начальная фаза модулирующего сигнала.

После прохождения излучения (1) через ВОЛС 1, оптический соединитель 14 ФДМ 7 (см. фиг. 2) и отрезок оптоволокна 15 поступает на вход фотодиода 12. Этот фотодиод, вмонтированный в распределенную систему компланарной линии 13, преобразует модулированный по интенсивности оптический поток (1) в электрические колебания СВЧ тока. Выражение для этих колебаний без учета задержка излучения в ОВЛС имеет вид:

где

$$E_{\text{0}}={\Phi }_{\text{0}}{m}_{\text{ам}}{S}_0{Z}_0$$ - амплитуда электрического сигнала СВЧ;

$${\Phi }_{\text{0}}$$ - интенсивность потока излучения при отсутствии модуляции;

$$S_0$$ - интегральная токовая чувствительность фотодиода [76];

$$Z_0$$ - входное сопротивление компланарной линии 13;

$$m_{\text{ам}}$$ - коэффициент глубины АМ лучевого потока;

$${\omega }_0$$ - частота модуляции оптического излучения сигналом СВЧ-генератора;

$$\phi$$ - начальная фаза модулирующего сигнала.

При этом БВАС 9 (см. фиг. 2а) в случае регистрации автодинного сигнала в цепи смещения фотодиода 12 на выходе компланарной линии 13 обеспечивает подачу стабильного напряжения смещения на катодный вывод фотодиода 12. В случае регистрации автодинного сигнала по изменению амплитуды СВЧ-колебаний напряжение смещения на фотодиод 12 поступает от блока 17 стабилизации напряжения смещения (см. фиг. 2б).

С выхода ФДМ 7 колебания (2) в виде зондирующего радиосигнала поступают в антенну 8 и излучаются в пространство, определяемое ее диаграммой направленности. Выражение для зондирующего радиосигнала $$e_{\text{зонд}}(t)$$ имеет вид:

где $$E_{\text{зонд}}=E_{\text{0}}$$ - амплитуда зондирующего радиосигнала.

При наличии в контролируемом пространстве объекта локации часть мощности излучения отражается от него и возвращается обратно в антенну 8, где преобразуется в СВЧ-колебания $$e_{\text{отр}}(t)$$ отраженного радиосигнала, выражение для которого имеет вид:

где

$$E_{\text{отр}}={\Gamma }_{\text{ц}}{E}_{\text{зонд}}$$ - амплитуда отраженного радиосигнала СВЧ;

$${\Gamma }_{\text{ц}}=\sqrt{\frac{P_{\min }}{P_{\text{зонд}}}}=\sqrt{\frac{G_{\text{А}}^2{\lambda }_0^2{\sigma }_{\text{ц}}}{{(4\pi )}^3{R}_{\text{ц}}^4}}$$ - безразмерный коэффициент ослабления амплитуды излучаемого сигнала по пути распространения до объекта локации и обратно, приведенный к порту антенны 8;

$${\tau }_{\text{ц}}=2R_{\text{ц}}/c$$ - время запаздывания отраженного излучения от объекта локации, в общем случае переменное;

$$R_{\text{ц}}$$ - текущее расстояние до объекта локации, в общем случае переменное;

$$c$$ - скорость распространения радиоволн;

$$P_{\text{зонд}}$$ - средняя мощность зондирующего радиосигнала;

$$P_{\min }$$ - минимальная обнаруживаемая (пороговая) мощность отраженного радиосигнала;

$$G_{\text{A}}$$ - коэффициент усиления антенны 8;

$${\text{λ}}_0=2\pi c/{\omega }_0$$ - длина волны излучения;

$${\omega }_0$$ - частота излучения;

$${\sigma }_{\text{ц}}$$ - эффективная площадь рассеяний объекта локации;

$$\phi$$ - начальная фаза отраженного радиосигнала.

Колебания отраженного радиосигнала далее поступают через выходной РЧ соединитель 16 и компланарную линию 13 на выход фотодиода 12. На выходе этого фотодиода колебания (3) и (4) образуют суперпозицию вида: $$e_{\Sigma }(t)=e_{\text{зонд}}(t)+e_{\text{отр}}(t)$$. При этом выражение для результирующего колебания $$e_{\Sigma }(t)$$ имеет вид:

где

$$E_{\Sigma }(t)$$ и $${\Theta }_{\Sigma }(t)$$ - медленно меняющиеся амплитуда и фаза результирующего колебания на выход фотодиода 12:

$${\Gamma }_{\text{ц}}$$ - приведенный к порту антенны 8 коэффициент отражения, характеризующий затухание излучения по амплитуде при его распространении до объекта локации и обратно;

$$\delta \text{(}t\text{,}\tau )={\omega }_{\text{0}}\tau$$ - набег фазы отраженного излучения при его распространении до объекта локации и обратно, в общем случае переменный.

Обычно амплитуда отраженного радиосигнала даже при малой дальности до объекта локации более чем на 20 дБ менее амплитуды зондирующего радиосигнала: $$E_{\text{отр}}<<E_{\text{зонд}}$$. Поэтому $${\Gamma }_{\text{ц}}<<1$$ и выражения (6) и (7) значительно упрощаются:

где

$$\Delta E_{\text{отр}}={\Gamma }_{\text{ц}}{E}_{\text{зонд}}\text{cos}\delta \text{(}t\text{,}\tau )$$ - изменения амплитуды колебаний, обусловленные воздействием на фотодиод 12 отраженного сигнала.

Известно, что фотодиод является существенно нелинейным электрическим элементом (см. стр. 104, [76]), который для воздействующих на него светолучевого потока $${\Phi }_{\text{эом}}(t)$$, выходных колебаний $$e_{\text{зонд}}(t)$$ и отраженного радиосигнала $$e_{\text{отр}}(t)$$ можно считать безынерционным. Ток $$i_{\text{фд}}(t)$$ через нелинейный элемент фотодиода 12 в каждый момент времени определяется мгновенными значениями этих воздействий:

Поскольку $$E_{\text{отр}}<<E_{\text{зонд}}$$, то выражение (10) можно разложить в ряд Тейлора в точке, задаваемой мгновенными значениями $${\Phi }_{\text{эом}}(t)$$ и $$e_{\text{зонд}}(t)$$. Учитывая только линейные члены ряда, получим выражение

где индексы «0» около скобок указывают, что соответствующие функции определяются в рабочей точке, задаваемой совместным действием постоянного напряжения смещения на фотодиоде 12 и интенсивностью потока излучения $${\Phi }_{\text{0}}$$ при отсутствии модуляции.

Поскольку функция $${\Phi }_{\text{эом}}(t)$$ является периодической, то входящие в правую часть (11) параметры могут быть разложены в ряд Фурье:

где

$$I_0$$ - постоянная составляющая тока фотодиода 12;

$$S_0$$ - интегральная токовая чувствительность фотодиода [76];

$$G_0$$ - выходная проводимость фотодиода 12;

$$I_n$$ , $$S_n$$, $$G_n$$ - амплитуды $$n$$-ых гармоник указанных величин.

После подстановки первых членов разложений (12)-(14) в (11) и учетом выражений для приращений $$\Delta \Phi (t\text{)}$$ и $$\Delta E_{\text{отр}}(t)$$ получим

Здесь первое слагаемое правой части характеризует процесс детектирования (2) амплитудно-модулированного оптического излучения, а второй - процесс, так называемого, «автодетектирования» автодинного сигнала [35]. В левой части $$i_{\text{фд}}(t)$$ - это быстро осциллирующая с частотой $${\omega }_0$$ составляющая тока фотодиода 12.

Первый член правой части (15) после операции усреднения за период ВЧ колебаний равен нулю. При этом в левой части (15) получаем приращения тока $$i_{\text{ад}}(t)=I_{\text{ср}}(t)-I_0$$ автодетектирования, обусловленные воздействием на выход фотодиода 12 отраженного от объекта локации радиосигнала. Преобразование этих изменений тока в напряжение посредством БВАС 9 (см. фиг. 2а) обеспечивает получение на его выходе автодинного сигнала $$u_{\text{ад}}(t)$$ автодетектирования в виде:

где

$$I_{\text{ср}}(t)=\frac{1}{2\pi }{\displaystyle \underset{0}{\overset{2\pi }{\int }}{i}_{\text{фд}}(t)d(\omega t)}$$ - среднее за период колебаний значение тока фотодиода 12, зависящее от текущего времени через изменения фазы $$\delta \text{(}t\text{,}\tau )$$;

$$K_{\text{ад}}=G_0{\text{Z}}_{\text{пр}}$$ - коэффициент автодетектирования фотодиодом автодинного сигнала;

$${\text{Z}}_{\text{пр}}$$ - размерный коэффициент преобразования автодинных изменений тока фотодиода 12 в напряжение выходного сигнала посредством БВАС 9 (см. фиг. 2а).

Необходимо отметить, что изменения фазы (9) пренебрежимо малы и, кроме того, «теряются» при амплитудном детектировании.

При использовании амплитудного детектора в БВАС 19 (см. фиг. 2б) для выделения автодинных изменений амплитуды колебаний, известного в теории автодинов как принцип «внешнего детектирования» [35], на выходе БВАС 19 получаем напряжение автодинного сигнала $$u_{\text{дет}}(t)$$, выражение для которого имеет вид:

где

$$K_{\text{дет}}$$ - коэффициент детектирования амплитудного детектора 19;

$$L_{\text{отв}}$$ - коэффициент ответвления ответвителя 18.

При условии равномерного и прямолинейного движения объекта локации во времени, когда $$\tau \equiv \tau (t\text{)}$$, набег фазы $$\delta (t,\tau )$$ изменяется по линейному закону:

где

$${\text{Ω}}_{\text{д}}=2(V_{\text{р}}/c){\omega }_0$$ - частота Доплера;

$${\delta }_0$$ - начальный фазовый сдвиг, который определяется положением объекта в момент времени $$t=0$$;

$$V_{\text{р}}$$ - относительная радиальная скорость между СБРЛ и объектом локации.

Выражения (16) и (17) для мгновенных значений выходных сигналов автодинного фотодетекторного приемопередатчика перепишем с учетом (18) в следующем виде:

Далее выходной сигнал с выхода БВАС 9 (см. фиг. 1) после усиления малошумящим усилителем 10 поступает в блок обработки сигналов (БОС) 11 для получения информации об объекте локации и параметрах его перемещения. Кроме того, в БОС 11 могут формироваться управляющие напряжения, передаваемые в СВЧ-генератор 6, для модуляции частоты $${\omega }_{\text{0}}$$ генерации, что расширяет функциональные возможности приемопередатчика, реализуя СБРЛ с частотной модуляцией.

Из выражений (19) и (20) видно, что сигналы предлагаемого автодинного фотодетекторного приемопередатчика для СБРЛ являются гармоническими, как у систем гомодинного типа и автодинных устройств типа комбинаций «умножитель-смеситель» и «усилитель-смеситель» [45-47]. Поэтому такие недостатки, как ангармонические искажения сигналов, ограничение динамического диапазона приемопередатчика и явление периодической нестационарности шумовых характеристик, свойственные автодинам, выполненным на основе автогенераторов [3-15], в предлагаемом устройстве отсутствуют. Этим достигается одно из достоинств предлагаемого устройства по отношению к аналогам.

По сравнению с прототипом предлагаемое устройство имеет в три раза меньшее число ВОЛС между аппаратной и антенной частями устройства, исключены из его состава лазерный модуль, электрооптический модулятор, фотодетектор, переключатель прием-передача, что значительно упростило конструкцию, а также снизило общее энергопотребление и стоимость. При этом предлагаемое устройство сохранило функции приемопередатчика, необходимые для реализации СБРЛ различного назначения, включая малогабаритные автономные информационно-управляющие системы ближней радиолокации разового применения.

Использование предлагаемого изобретения позволяет исключить свойственные устройствам предшествующего уровня техники недостатки и разработать автодинные радиолокационные устройства нового типа в диапазонах КВЧ и ГВЧ с улучшенными параметрами и характеристиками. Освоение этих диапазонов обеспечивает дополнительные возможности создания автодинных СБРЛ с повышенной точностью измерения скорости и увеличенного расстояния, высокой надежностью обнаружения отражающих объектов, а также направления их относительного перемещения.

Такие возможности простых и миниатюрных радиолокационных датчиков с автодинным принципом построения фотодетекторного приемопередатчика особенно востребованы при создании эффективных систем обнаружения малоразмерных и малоконтрастных объектов и измерения параметров их движения. Например, для систем защиты важнейших объектов от беспилотных летательных аппаратов, а также для автоматизированных систем управления движением беспилотных средств автомобильного и железнодорожного транспорта и других целей. Кроме того, упрощение конструкции приемопередатчика открыло широкие перспективы применения автодинных фотодетекторных приемопередатчиков не только в СБРЛ, но и в активных фазированных антенных решетках (АФАР).

Литература

1. Носков В.Я., Смольский С.М., Игнатков К.А. и др. Современные гибридноинтегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазонов и их применение. Часть 11. Основы реализации автодинов. Успехи современной радиоэлектроники. 2019. №2. С. 5-33

2. Носков В.Я., Смольский С.М. Сто лет автодину: исторический очерк основных этапов и направлений развития автодинных систем. Радиотехника. 2013. №8. С. 91-101

3. Коган И.М., Тамарчак Д.Я., Хотунцев Ю.Л. Автодины // Итоги науки и техники. Сер. Радиотехника. - М.: ВИНИТИ, 1984. Т.33. С. 3-175.

4. Патент US 3383682, опубл. 14.05.1968, МКИ G01S 13/88. Radar glasses for the blind / Jr Kenneth Dean Stephens.

5. Патент US 3852743, опубл. 03.12.1974, МКИ G01S 9/44. Homodyne Doppler radar with increased target sensitivity / R Gupta.

6. Патент US 4117464 МКИ G01S 9/42, опубл. 26.09.78. Microwave motion- detection apparatus employing a Gunn oscillator in a self-detecting mode / Emo B. Lutz.

7. Патент US 4319244, опубл. 09.02.82, МКИ G01S 13/58. Short-range Doppler radar / Yukitsugu Hirota.

8. Патент US 5043703, опубл. 28.08.1991, МКИ G08B 13/18. Supervision of autodyne microwave motion-detection system / William S.

9. Патент US 5481266 A, опубл. 02.01.1996, МКИ G01S 13/56. Autodyne motion sensor / Warren F. Davis.

10. Патент US 6577270 МКИ GO IS 13/38, опубл. 10.06.2003. Radar transceiver / Masayuki Kanechika.

11. Авт. свид. SU 1775696 A1, опубл. 15.11.1992, бюл. №42, МКИ G01S 13/02. Автодинный радиолокатор / В.Т. Бузыкин, С.Д. Воторопин, В.Я. Носков.

12. Авт. свид. SU 1826073 A1, опубл. 07.07.1993, бюл. №25, МКИ G01S 7/42. Автодинный генератор / В.Т. Бузыкин, Н.М. Закарлюк, В.Я. Носков.

13. Авт. свид. SU 1829105 A1, опубл. 23.07.1993, бюл. №27, МКИ G01S 13/60. Датчик измерителя скорости транспортного средства и автодинный преобразователь / Якухин С.Д.

14. Патент RU 2559940, опубл. 20.08.2015, бюл. №23, С2 МКИ А61В 5/02. Способ дистанционного контроля параметров сердечной деятельности организма / Д.А. Усанов.

15. Lazarus M.J., Pantoja F.P., Somekh М. at all. New direction-of-motion Doppler detector. Electron. Lett. 1980. V. 16. №25. P. 953-954.

16. Б.А. Наливайко. Полупроводниковые приборы. Сверхвысокочастотные диоды. - Томск. МГП Раско, 1992. С. 173-212.

17. Shutaro Nanbu. A New MIC Doppler Module. IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques. 1978. V. 26. No. 3. P. 192-196.

18. Alidoost, S.A., Sadeghzade, R., Fatemi, R. Autodyne system with a single antenna. 11th International Radar Symposium (IRS-2010). Vilnius, Lithuania. 2010. V. 2. P. 406-409.

19. Патент CN 201293840 Y, опубл. 19.08.2009, МКИ H05B 37/02. Microwave mobile sensor / Chinese.

20. Патент RU 2662494 C1, опубл. 26.07.2018, бюл. №21, МКИ F42C 13/00. Способ защиты радиовзрывателя на основе автодина от радиопомех / Н.С. Кузнецов.

21. Патент RU 2688717 C1, опубл. 22.05.2019, бюл. №15, МКИ F42C 13/04. Радиовзрыватель на основе автодина / Н.С. Кузнецов.

22. Патент US 5280290, опубл. 18.01.1994, МКИ G01S 13/08. Self-oscillating mixer circuits, and FMCW radar / David H. Evans.

23. Патент US 5563617, опубл. 08.10.1996, МКИ G01S 13/50. Doppler microwave sensor / Stephen W. Redfem.

24. Патент US 6833806 B2, опубл. 21.12.2004, МКИ G01S 13/00. Radar sensor / Toshiyuki Nagasaku.

25. Патент US 6897735 B2, опубл. 24.05.2005, МКИ Н03В 5/18. Oscillator, transmitter/receiver module and radar system / Toshiyuki Nagasaku.

26. Патент US 7224944 B2, опубл. 29.05.2007, МКИ H04B 1/40. RF transceiver having a directly radiating transistor / Thomas E. McEwan.

27. Патент US 8115673 B1, опубл. 14.02.2012, МКИ G01S 13/00. Self-oscillating UWB emitter-detector / Thomas E. McEwan.

28. Патент US 8212718 B2, опубл. 03.07.2012, МКИ GO IS 13/04. Microwave/ millimeter wave sensor apparatus / Hitoshi Utagawa.

29. Усанов Д.А., Скрипаль Ал. В., Скрипаль Ан. В. Физика полупроводниковых радиочастотных и оптических автодинов. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2003. - 312 с.

30. Усанов Д.А., Скрипаль Ан. В. Полупроводниковые лазерные автодины для измерения параметров движения при микро- и наносмещениях. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2014. - 136 с.

31. Taimre Т., Nikolic М., Bertling K., Lim Y.L., Rakic A.D., Bosch Т. Laser Feedback Interferometry: A Tutorial on the Self-Mixing Effect for Coherent Sensing. Advances in Optics and Photonics, 2015, vol. 7, no. 3 p. 570-631.

32. Патент US 6233045 B1, опубл. 15.05.2001, МКИ G01C 3/08. Self-mixing sensor apparatus and method / Suni et al.

33. Патент RU 2629651 C1, опубл. 30.08.2017, бюл. 25, МКИ G01S 17/08. Способ определения расстояния до объекта / Д.А. Усанов и др.

34. Носков В.Я., Игнатков К.А., Смольский С.М. Зависимость автодинных характеристик от внутренних параметров СВЧ генераторов. Радиотехника. 2012. №6. С. 24-42.

35. Носков В.Я., Смольский С.М., Игнатков К.А. и др. Современные гибридноинтегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазонов и их применение. Часть 10. Основы анализа и расчета параметров автодинов с учетом шумов. Успехи современной радиоэлектроники. 2018. №3. С. 18-52.

36. Носков В.Я., Игнатков К.А. Особенности шумовых характеристик автодинов при сильной внешней обратной связи. Известия вузов. Физика. 2013. Т. 56, №12. С. 112-124.

37. Носков В.Я., Игнатков К.А., Смольский С.М. Современные гибридноинтегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазонов и их применение. Часть 8. Авто дины со стабилизацией частоты внешним высокодобротным резонатором. Успехи современной радиоэлектроники. 2013. №12. С. 3-42.

38. Носков В.Я. Стабилизированный бигармонический авто дин. Известия вузов. Радиоэлектроника. 1991. Т. 34. №11. С. 61-64.

39. Носков В.Я., Игнатков К.А., Чупахин А.П. Автодинный эффект системы двух взаимно синхронизированных генераторов при сильной связи. Радиотехника и электроника. 2018. Т. 63. №2. С. 200-208.

40. Носков В.Я., Игнатков К.А., Шайдуров К.Д. Автодинный эффект СВЧ генераторов с внешней синхронизацией. Радиотехника и электроника. 2020. Т. 65. №6. С. 612-620.

41. Носков В.Я., Смольский С.М., Игнатков К.А., Чупахин А.П. Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазонов и их применение. Часть 13. Стабилизированные внешним резонатором автодины при сильном отраженном излучении. Успехи современной радиоэлектроники. 2020. №1. С. 5-21.

42. Носков В.Я., Игнатков К.А., Шайдуров К.Д. и др. Автодинный отклик синхронизированных СВЧ генераторов по изменению выходной мощности. Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов. 2020. Т. 11. №5. С. 8-14.

43. Носков В.Я., Васильев А.С., Ермак Г.П. Игнатков К.А., Чупахин А.П. Флуктуационные характеристики автодинных радиолокаторов с частотной модуляцией. Известия вузов. Радиоэлектроника. 2017. Т. 60. №3. С.154-165.

44. Носков В.Я., Богатырев Е.В., Игнатков К.А., Шайдуров К.Д. Влияние сопутствующей амплитудной модуляции на формирование сигналов

автодинных радиолокаторов с частотной модуляцией. Ural Radio Engineering Journal. 2020. T. 4. №2. С. 127-166.

45. Патент GB 1265506 A1, опубл. 01.03.1972, МКИ G01S 9/44. Doppler radar / Rogers

46. Патент US 7920090 B2, опубл. 05.04.2011, МКИ G01S 7/03. Radar system / Tiebout

47. Issakov V. Microwave Circuits for 24 GHz Automotive Radar in Silicon-based Technologies. - Springer, 2010. - 223 p.

48. Шевцов Э.А., Белкин M.E. Фотоприемные устройства волоконно-оптических систем. - М.: Радио и связь, 1992. - 224 с.

49. Roman J.E., Nichols L.T., Williams KJ., et al. Fiber-optic remoting of an ultrahigh dynamic range radar. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1998. V. 46. No. 12. P. 2317-2323.

50. Урик Винсент Дж.-мл., МакКинни Джейсон Д., Вилльямс Кейт Дж. Основы микроволновой фотоники. М.: Техносфера, 2016. - 376 с.

51. Зайцев Д.Ф. Нанофотоника и ее применение. - М.: Фирма «АКТИОН», 2011. - 427.

52. Активные фазированные антенные решетки / Под ред. Д.И. Воскресенского и А.И. Канащенкова. - М.: Радиотехника, 2004. - 488 с.

53. Канащенков А.И., Меркулов В.И., Самарин О.Ф. Облик перспективных бортовых радиолокационных систем. - М.: ИПРЖР, 2002. - 176 с.

54. Патент US 5247309 A, опубл. 21.09.1993, МКИ G01S 13/66, H01Q 1/28. Opto-electrical transmitter/receiver module / S.M. Reich.

55. Патент US 5369410 A, опубл. 29.11.1994, МКИ GO 1S 13/66, H01Q 1/28. Opto-electrical transmitter/receiver module / S.M. Reich.

56. Патент US 4258363 A, опубл. 24.03.1981, МКИ G01S 13/06. Phased array radar / M.H. Bodmer et al.

57. Патент US 5164735 A, опубл. 17.11.1992, МКИ H01Q 3/36. Optical implementation of a space fed antenna / S.M. Reich et al.

58. Патент US 5051754 A, опубл. 24.09.1991, МКИ H01Q 3/22. Optoelectronic wide bandwidth photonic beamsteering phased array / I.L. Newberg.

59. Патент US 4885589 A, опубл. 05.12.1989, МКИ G01S 13/00; H01Q 3/34. Optical distribution of transmitter signals and antenna returns in a phased array radar system / B.J. Edward et al.

60. Бахрах Л.Д., Зайцев Д.Ф. Фазированные антенные решетки на основе распределенных оптических антенных модулей // Доклады академии наук. - 2004. Т. 394. №4. С. 465-468.

61. Патент RU 2298810 C1, опубл. 10.05.2007, бюл. 13, МКИ G01S 13/66. Приемо-передающий оптоэлектронный модуль АФАР / Д.Ф. Зайцев.

62. Винокуров Д.А., Зорина С.А., Тарасов И.С. и др. Мощные полупроводниковые лазеры на основе асимметричных гетероструктур раздельного ограничения // Физика и техника полупроводников. 2005. Т. 39. №3. С. 388-393.

63. Чиж А.Л., Микитчук К.Б., Журавлев К.С. и др. Мощные высокоскоростные фотодиоды Шоттки для аналоговых волоконно-оптических линий передачи СВЧ-сигналов // Письма в ЖТФ, 2019, том 45, вып. 14. С. 52-54.

64. Петров В.М., Шамрай А.В., СВЧ интегрально-оптические модуляторы. Теория и практика. - СПб: Университет ИТМО, 2021. - 225 с.

65. Портнов Э.Л. Новые типы оптических волокон в телекоммуникациях и их применение // T-Comm. 2013. №8. С. 96-98.

66. Автономные информационные и управляющие системы: В 4 т. / Под ред. А.Б. Борзова. - М.: ООО НИЦ «Инженер», ООО «Онико-М», 2011. Т. 1. - 468 с.

67. Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов. / Под ред. Д.И. Воскресенского. - М.: Радио и связь, 1972, 320 с.

68. Малышев С.А., Чиж А.Л., Микитчук К.Б. Волоконно-оптические лазерные и фотодиодные модули СВЧ-диапазона и системы радиофотоники на их основе // Материалы 4-й Всероссийской конференции «Электроника и микроэлектроника СВЧ», Санкт-Петербург, Россия, 2015. С. 10-18.

69. Щербаков В.В., Солодков А.Ф., Задерновский А.А. Генерация оптических сигналов, устойчивых к дисперсионной деградации мощности // Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии. 2019. Т. 11. №2. С.161-176.

70. Самохвалов М.К. Элементы и устройства оптоэлектроники. - Ульяновск: УлГТУ, 2015. - 223 с.

71. Малышев В.А. Бортовые активные устройства сверхвысоких частот. - Л.: Судостроение, 1990, 264 с.

72. Царапкин Д.П. Генераторы СВЧ на диодах Ганна. - М.: Радио и связь, 1982, 112 с.

73. Баранов А.В., Кревский М.А. Транзисторные генераторы гармонических СВЧ колебаний. - М.: Горячая линия - Телеком, 2021. - 276 с.

74. Патент США US 6577270 B2, опубл. 10.01.2003, МПК7 G01S 13/34. Radar transceiver / Kanechika et al.

75. Патент SU 1483389 A1, опубл. 30.05.1989, бюл. №20, МКИ G01R 21/12. Согласованная детекторная секция СВЧ / И.И. Сокол и др.

76. Гречишников В.М. Схемотехника волоконно-оптических устройств: учеб, пособие. - Самара: Изд-во Самарского университета, 2018.- 172 с.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах ближней радиолокации (СБРЛ), в том числе с активной фазированной антенной решеткой (АФАР), датчиках и измерителях, предназначенных для обнаружения движущихся объектов, определения параметров движения и измерения расстояния до них. Техническим результатом изобретения является значительное уменьшение числа каналов связи между аппаратной и антенной частями приемопередатчика, снижение его стоимости, энергопотребления и конструктивной сложности при сохранении функциональных возможностей. В автодинном фотодетекторном приемопередатчике для СБРЛ к фотодетекторному модулю подключен также блок выделения автодинного сигнала. Фотодетекторный модуль выполнен на основе фотодиода с нелинейной выходной характеристикой, вмонтированного в распределенную систему копланарной линии, на выходе которой регистрируется автодинный сигнал. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Автодинный фотодетекторный приемопередатчик для систем ближней радиолокации, состоящий из связанных между собой волоконно-оптической линией связи аппаратной и антенной частей, и содержащий в аппаратной части полупроводниковый лазерный модуль (ПЛМ), электрооптический модулятор и СВЧ-генератор, а в антенной части - фотодетекторный модуль, антенну, при этом выход полупроводникового лазерного модуля подключен к входу электрооптического модулятора, к управляющему входу которого подключен выход СВЧ-генератора, а выход электрооптического модулятора через волоконно-оптическую линию связан с оптическим входом фотодетекторного модуля, причем к выходу фотодетекторного модуля подключена антенна, отличающийся тем, что к фотодетекторному модулю подключен также блок выделения автодинного сигнала, при этом фотодетекторный модуль выполнен на основе фотодиода с нелинейной выходной характеристикой, вмонтированного в распределенную систему копланарной линии, на выходе которой регистрируется автодинный сигнал.

2. Автодинный фотодетекторный приемопередатчик по п. 1, отличающийся тем, что блок выделения автодинного сигнала выполнен в виде датчика тока в цепи смещения фотодетекторного модуля.

3. Автодинный фотодетекторный приемопередатчик по п. 1, отличающийся тем, что блок выделения автодинного сигнала выполнен в виде амплитудного детектора.