Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ основных факторов фазовой нестабильности в многоканальных волоконно — оптических системах разводки СВЧ сигналов в ФАР (АФАР). 37
Глава 2. Анализ температурного дрейфа фазочастотних характеристик и временной задержки сигнала в гетеролазерах . 48
Глава 3. Минимизация амплитудно - фазового шума посредством оптимизации по шумам режимов работы входных каскадов фотоприемников и повышения коэффициента передачи ВОЛС . 68-97
Глава 4.Анализ фазостабильных волоконно - оптических линий для систем фазовой синхронизации ФАР и АФАР. 98
Глава 5. Анализ структур многоканальных систем фазостабильной разводки сигналов ФАР . 119
Глава 6. Экспериментальное исследование макета многоканальной волоконно - оптической фазостабильной разводки СВЧ сигналов для ФАР .
Глава 7. Экспериментальное исследование макета сверхширокополосной волоконно -оптической разводки СВЧ сигналов для АФАР СКИ .
Заключение
Список использованной литературы
- Анализ основных факторов фазовой нестабильности в многоканальных волоконно — оптических системах разводки СВЧ сигналов в ФАР (АФАР).
- Анализ температурного дрейфа фазочастотних характеристик и временной задержки сигнала в гетеролазерах
- Минимизация амплитудно - фазового шума посредством оптимизации по шумам режимов работы входных каскадов фотоприемников и повышения коэффициента передачи ВОЛС
- Экспериментальное исследование макета многоканальной волоконно - оптической фазостабильной разводки СВЧ сигналов для ФАР
Введение к работе
Актуальность работы. Фазированные антенные решетки (ФАР) и активные фазированные антенные решетки (АФАР), благодаря ряду преимуществ перед обычными антеннами, получили широкое распространение в современных системах связи и радиолокации. Активные ФАР широко применяются в современных и перспективных системах ПРО/ПВО дальнего обнаружения, корабельных системах раннего предупреждения, РЛС обнаружения артиллерийских позиций, новейших истребителей, а также в новейших системах авиационной коммерческой связи [1-5]. Как известно, АФАР превосходят ФАР по надежности, достижимой мощности, коэффициенту шума, полосе рабочи х частот и обладают лучшими массогабаритными характеристиками. Поэтому АФАР могут решать различные задачи, которые обычным ФАР недоступны. Практически вся аппаратура современных ФАР и АФАР создана на микроэлектронной твердотельной элементной базе, причем доминирующими в радиолокации, как и в радиоэлектронике в целом, на сегодняшний день являются цифровые методы передачи и обработки сигналов.
АФАР имеют высокий потенциал для решения современных задач. Однако традиционная радиоэлектронная аппаратура, в силу присущих ей ограничений, не может обеспечить полноценное функционирование широкополосных и особенно сверхширокополосных антенных решеток, из - за присущей ей относительно узкой рабочей полосой пропускания, значительной дисперсионности, высоким частотно - зависимым потерям и недостаточной стабильности. Это, прежде всего, относится к радиочастотным линиям передачи сигналов, линиям задержки и фазовращателям [6, 7]. Существуют также проблемы внутренней ЭМС, устойчивости к ЭМИ, проблемы высокой стоимости и неудовлетворительных массогабаритных параметров [1, 8]. Поэтому вполне обосновано применение оптических методов формирования, обработки, передачи и распределения СШП сигналов, отличающиеся практической безинерционностью, сверхвысокой широкополосностью, устойчивостью к помехам и высокой стабильностью, при этом их аппаратурная реализация имеет весьма малые вес и габариты.
К середине 90 - тых годов 20 - го века стало ясно, что в обозримом будущем с помощью оптических методов станет возможным не только решать отдельные задачи в интересах разработчиков ФАР и АФАР, фрагментарно интегрируя в аппаратуру РЛС некоторые оптические и оптоэлектронные устройства и подсистемы, но и создавать совершенно новые эффективные радиолокационные комплексы с ранее недостижимыми характеристиками. Отражением этой новой реальности стало появление в начале 90-х годов в США нового термина «Аналоговая фотоника». В обобщенном виде можно дать такое определение этого термина [9]:
Аналоговая фотоника реализует в оптическом диапазоне физические методы синтеза, передачи и распределения, преобразования, обработки, автоматического регулирования и управления аналоговых радиочастотных сигналов .
Аналоговая фотоника позволяет получить качественно новый уровень характеристик ФАР и АФАР.
Другие названия, встречающиеся в литературе - «радиочастотная фотоника» или «микроволновая фотоника». В отличие от цифровых методов, при применении которых физические, аналоговые по сути, сигналы преобразуются с помощью двоичной логики в цифровую информацию о них, и далее эта информация соответствующим образом обрабатывается, аналоговые методы предназначены для преобразования и обработки самих физических сигналов.
Следует отметить, что если в системах связи, управления, передачи и сохранения информации, в том числе оптических, доминируют цифровые методы, то применительно к радиолокации аналоговые оптические методы по ряду причин могут оказаться более эффективными. Так как радиолокационные сигналы, отраженные от цели, являются аналоговыми (т. е. не цифровыми), то в случае значительного увеличения объема информации от цели, (например, для СШП АФАР), требования к скорости ее преобразования в цифровую форму и обработке могут оказаться не выполнимыми.
В качестве элементной базы аналоговой фотоники используется комплекс аналоговых (не цифровых) оптических и оптоэлектронных приборов и устройств, аналоговых оптических процессоров с голографической памятью, реализованный в виде оптических интегральных схем, объединенных аналоговой фотонной сетью на основе аналоговых ВОЛС [9] .
• Под аналоговыми сигналами понимается сигналы одновременно удовлетворяющие двум условиям: а) они должны соотносятся с каким либо наблюдаемым и (или) измеряемым процессом по аналогии; б) они описываются непрерывной функцией (т. е. между двумя отдельными значениями которых существует бесконечное множество других значений ). Словарь новых слов русского языка 1950 - 1980 гг., Изд. «Дмитрий Булявин», СПб., 1995 г., 877 с.
Примеры элементной базы - гетеролазеры с аналоговой модуляцией [65, 66], аналоговые ВОЛС [33,34,37,38,130], устройства стабилизации фазы аналоговых сигналов [27,32,35,47], аналоговые оптические процессоры 11] и другие [17,18]. Таким образом, термин «Аналоговая фотоника» характеризует новое направление в создании РЛС с ФАР и АФАР, заключающееся в комплексном применении аналоговых оптических методов практически во всех системах и подсистемах аппаратуры радиолокационных станций.
Аналоговая фотоника, возможно совместно с цифровой фотоникой, в перспективе может в значительной мере вытеснить радиоэлектронные и радиотехнические устройства, за исключением антенных решеток, из аппаратуры РЛС с ФАР (АФАР). Составляющие аналоговой фотоники можно весьма условно разделить по принадлежности к четырем основным группам: оптоэлектроника, интегральная оптика, аналоговые оптические процессоры и аналоговые волоконно - оптические линии связи, образующие аналоговую фотонную сеть [10].
В аппаратуре ФАР и АФАР, построенных на основе аналоговой фотоники, аналоговые ВОЛС образуют сети, которые служат не только для разводки фазостабильных опорных, гетеродинных и контрольных сигналов, но и для объединения всех функциональных аналоговых оптических устройств и подсистем между собой.
Аналоговые оптические процессоры, благодаря своим уникальным свойствам осуществления операций с радиолокационными сигналами, (например, с системах широкополосной многосигнальной адаптации АФАР в реальном масштабе времени), на несколько порядков превосходят по производительности самые мощные, в том числе еще только проектируемые, цифровые электронные и цифровые оптические специализированные суперкомпьютеры [11,12].
Оптические аналоговые интегральные схемы должны стать единой технологической основой для реализации всех составляющих аналоговой фотоники в аппаратуре радиолокационных комплексов.
Аналоговая фотоника, объединяя в себе широкий спектр оптических методов и новых системотехнических решений, используя прогрессивную элементную базу, будет находить все больше областей применения в аппаратуре разрабатываемых и модернизируемых РЛС и в перспективе может практически полностью заменить аппаратурную часть АФАР.
В настоящее время аналоговая фотоника может обеспечить наиболее эффективное, а для СШП СКИ и безальтернативное, выполнение практически всех функций современного аппаратного комплекса ФАР (АФАР) [9]:
• Фазостабильную многоканальную разводку сигнала для контроля фазового фронта антенного полотна, сигнала гетеродина и опорного сигнала за счет высокой фазовой стабильности применяемого оптического волокна, его малых габаритов, массе, гибкости и долговечности, а также преимуществ других элементов волоконно-оптического тракта.
• Реализацию приємно - передающих трактов, включая генерацию и формирование исходного сигнала, модуляцию, трансляцию мощного сигнала на передачу, малощумящий прием и разводку принятого сигнала и его предварительную обработку, благодаря применению новых высокочувствительных и сверхширокополосных интегрально - оптических модуляторов, новых мощных и малошумящих гетеролазеров, широкополосных фотодетекторов для приема мощных оптических сигналов и т. д.
• Формирование и сканирование ДН в широком диапазоне углов с малым дискретом и формирование многолучевой ДН в реальном масштабе времени за счет применения переключаемых в реальном масштабе времени сверхширокополосных оптических линий задержки, волоконно - оптических матриц, гетеролазеров с перестраиваемой длинной волны X, многоканальных мультиплексеров и демультиплексеров и т. д.
• Высокоэффективную адаптацию к помехам (в том числе и в сверхширокой полосе частот), благодаря мгновенному Фурье -преобразованию радиочастотных сигналов в оптическом диапазоне и новым методам обработки и выделения сигналов помехи, основанных на рефракции и дифракции оптических волн в фоторефрактивных кристаллах.
• Распознавание объектов и радиовидение в различных средах, (благодаря аналоговым оптическим процессорам с оптической голографической памятью, оптическим корреляторам и реализации с помощью фотоники работы ФАР (АФАР) с СНІП СКИ и (или) с синтезированной апертурой.
•
Объединение всех подсистем и узлов аппаратуры и самой решетки в единую сеть (создание смарт - антенн, т. е. адаптивных сканируемых синхронно работающих антенн базовых станций сотовой связи).
Вычислительными и управляющими центрами РЛС с ФАР (АФАР), построенными на основе комплексного применения аналоговой фотоники, являются аналоговые оптические процессоры, которые, благодаря безинерционности фотонов и параллельным преобразованиям сигналов, вместо последовательных вычислений, при решении задач обработки сложных сигналов, распознавания объектов и радиовидения, а также управления антенной решеткой, могут иметь на несколько порядков большее быстродействие по сравнению с наиболее мощными цифровыми компьютерами.
Комплексное применение аналоговой фотоники в аппаратуре СШП АФАР СКИ одновременно может дать следующие возможности [9,12]:
1. Радиовидения в реальном масштабе времени, т. е. практически всепогодное распознавание и наблюдение (почти как при телевизионной съемке) объектов в реальном масштабе времени на значительных расстояниях, благодаря высокому разрешению и обработке большого объема информации о цели в реальном масштабе времени.
2. Практически полную помехозащищенность, т. к. позволяет почти мгновенно подавлять любую помеху в миллионы раз, благодаря реализации режима многочастотной широкополосной адаптации в реальном масштабе времени.
3. Качественное (в сотни - тысячи раз) повышение точности и разрешающей способности определения координат и скорости объектов, как следствие работы АФАРс СШП СКИ.
4. Значительное расширение возможностей радиолокации и, прежде всего, надежное обнаружение объектов с радиопоглощающими покрытиями (технология "стеле"), малоразмерных БПЛА, боеголовок ракет и снарядов, радиолокационное видение подземных и других скрытых объектов за счет сверхширокой мгновенной рабочей полосы частот, многократно перекрывающей полосу поглощения радиопоглощающих покрытий, применяемых в технологии "стеле".
5. Одновременное сопровождение большого количества целей (до тысячи и более) за счет синтезирования многолепестковой ДН в реальном масштабе времени, высокой скорости сканирования и обработки информации.
6. Новые принципы построения РЛС, позволяющие расширять области и качественно изменять методы и способы применения радиолокации (например, метод многочастотной СШП адаптации в реальном масштабе времени «ВЕАМТАР», радиооптические антенные фазированные решетки РОФАР и. т. д.).
7. Снижение массы и габаритов в сотни раз за счет качественного уменьшения металлоемкости и микроминиатюризации основных устройств, как следствие перевода процесса обработки и распределения сигнала в оптический диапазон с микронными длинами волн. 8. Уменьшение стоимости в десятки раз, благодаря тому, что основным материалом для аппаратуры таких АФАР, вместо традиционных цветных и драгоценных металлов служит окись кремния (кварц).
9. Качественное (в сотни раз) повышение стойкости к электромагнитным импульсам и грозовым разрядам за счет многократного уменьшения длин электрических проводников и высокой стойкости ОВ к ЭМИ.
10. Обеспечение высокой степени скрытности работы, благодаря реализации работы в СШП (малой спектральной плотности излучаемых сигналов) и практически полному отсутствию радиоизлучений в ждущем режиме.
Для решения проблем создания эффективных сверхширокополосных антенных решеток, как для стационарных, так и для бортовых АФАР применение аналоговой фотоники, по - видимому, становится безальтернативным.
Следует также отметить, что использование разработок по аналоговой фотонике и в других областях техники (например, в высокоскоростной и сотовой связи) могут привести к революционным результатам и дать большой экономический эффект [13, 14]. В последние годы АФАР ОСИ начали активно использоваться для связи (в том числе коммерческой), контроля и мониторинга экологической и радиационной обстановки над АЭС и другими объектами, загрязнения водных поверхностей нефтепродуктами и других целей [15].
Особая значимость аналоговой фотоники была признана в США и других развитых странах (Англия, Франция и. т. д.) в 90-х годах 20 - го века, в результате чего в США были приняты программы развития и внедрения аналоговой фотоники в аппаратуру АФАР [16 -18].
Об интенсивности работ в этой области свидетельствует тот факт, что в настоящее время ней принимают участие более 300 фирм и организаций, а количество сообщений только в открытых источниках об исследованиях и разработках систем и элементов аналоговой фотоники для АФАР за последние годы составило несколько тысяч. Для работ в этой области в США и других странах созданы специальные научно - исследовательские и научно - производственные центры (TOYON, SPAWAR, DERA и. т. д.).
Ежегодно проходят международные специализированные научно -технические конференции по применению фотоники (прежде всего аналоговой) в фазированных антенных решетках «Фотонные системы для антенных решеток (PSAA) и «Микроволновая фотоника» (MWP) с 1990 и 1994 годов соответственно.
В ближайшее время ожидается появление серийных РЛС с АФАР, в которых аналоговая фотоника будет играть решающую роль для получения качественно новых тактико - технических характеристик.
Таким образом, аналоговая фотоника совместно с нанотехнологией стала одной из ключевых технологий, во многом определяющей положение любой развитой страны на рынке высоких технологий на рубеже 21 века.
В нашей стране успешно развиваются отдельные составляющие аналоговой фотоники. В этой связи необходимо упомянуть приоритетные работы по созданию гетероструктур, в которых активный слой с узкой запрещенной зоной располагается между двумя слоями с более широкими запрещенными зонами, коллектива ФТИ им. А. Ф. Иоффе, под научным руководством Нобелевского лауреата академика РАН Ж. И. Алферова [19]. Гетеролазеры, в которых происходит непосредственное эффективное преобразование электрической энергии в лазерное излучение большой мощности, и другие приборы квантовой электроники, созданные на основе гетероструктр благодаря своему сверхвысокому быстродействию и широкополосности, а также высокому КПД и долговечности, могут быть основой для создания элементной базы современной аналоговой фотоники. Наряду с решением задачи создания элементной базы аналоговой фотоники не менее актуальна задача разработки аналитического аппарата для расчета и моделирования характеристик устройств и систем аналоговой фотоники.
Автором впервые разработаны и решены актуальные теоретические задачи по анализу, оценке и расчету точности и стабильности фазирования устройств систем передачи и распределения СВЧ сигналов по аналоговым ВОЛС, непосредственно связанные с точностью поддержания фазового фронта антенных решеток и точностью синхронизации аппаратуры АФАР.
Эти задачи до этого были недостаточно исследованы или вообще не разработаны [20 - 30, 44, 76,102, 121].
Как известно, в современных аналоговых ВОЛС основными источниками оптического сигнала являются гетеролазеры. Благодаря своей простоте и эффективности в значительной части таких ВОЛС используется непосредственная модуляция гетеролазеров СВЧ сигналом.
Однако такое применение гетеролазеров в фазостабильных ВОЛС связано с непосредственным влиянием температурного дрейфа огибающей оптического сигнала на временную задержку, фазовую и амплитудную стабильность аппаратуры, что приводит к ошибкам фазирования ФАР и АФАР на основе аналоговой фотоники.
Автором впервые решена задача аналитического расчета амплитудного, фазового и временного дрейфа InGaAsP гетеролазеров при непосредственной СВЧ модуляции и необходимой точности его термостабилизации. Метод расчета амплитудного, фазового и временного дрейфа хорошо согласуется с экспериментальными данными для отечественных и зарубежных гетеролазеров [20 - 22].
Качество практически любой системы аналоговой фотоники определяется отношением сигнал/шум на ее выходе. При этом, важное значение имеют шумовые характеристики фотоприемников и их преду си лите лей. Разработанные автором теоретические методы расчета и оптимизации шумовых характеристик широкополосных фотоприемников с предусилителями, благодаря впервые введенному учету зависимостей частотных свойств входных активных элементов предусилителеи от режима их работы, позволившие получить значительный выигрыш по отношению сигнал/шум для широкополосных и сверхширокополосных аналоговых и цифровых ВОЛС и реализовать первый в СССР интегрально - оптический аналогово - цифровой преобразователь, превышающий быстродействие электронных АЦП более чем на порядок [23-25, 102]. На основе созданного метода автором был также разработан фотоприемник с автоматической адаптивной оптимизацией шумовых характеристик в соответствии с шириной спектра принимаемого сигнала [26].
От точности фазовой и временной синхронизации разнесенных ФАР и АФАР напрямую зависят точность и разрешение бистатических РЛС, радиолокационных комплексов и радиоастрономических многопозиционных систем. Благодаря более высокой стабильности и широкополосности ОВ, по сравнению с другими линиями передачи синхросигналов, удается проектировать и реализовывать высокостабильные системы синхронизации на основе аналоговой фото ники.
С целью реализации прецизионной синхронизации (менее 1° фазы) таких систем с помощью аналоговой фотоники автором предложены новый многочастотный подход и устройство, защищенное патентом, позволяющие осуществлять высокоточную синхронизацию на СВЧ с использованием всего одного стандартного одномодового оптического волокна серийного оптического кабеля [27]. Предложенные автором метод и устройства основаны на максимальном использовании одного из основных достоинств ОВ - высокой широкополосности. Высокая широкополосность дает возможность одновременно передавать по одному одномодовому ОВ с малыми потерями несколько сигналов с большим разносом по частоте, причем относительно низкочастотные близко стоящие друг от друга сигналы передаются как опорные, а их промасштабированный дрейф дифференциальной фазы используется для компенсации дрейфа фазы наиболее высокочастотного СВЧ сигнала, подлежащего передаче с высокой фазовой стабильностью. Данный метод и его дальнейшее развитие представлены в диссертации. Благодаря применению нового метода влияние температуры, механических нагрузок и других факторов на фазовый дрейф в оптическом волокне при передаче СВЧ гармонического сигнала синхронизации может быть уменьшено на несколько порядков.
Эффективная работа любой антенной решетки и аппаратуры преобразования и обработки радиолокационных сигналов невозможна без контроля фазирования антенного полотна и фазостабильных разводок опорного и гетеродинного сигналов.
Автором были разработаны и исследованы многоканальные фрагменты фазостабильных аналоговых волоконно-оптических разводок ВЧ и СВЧ сигналов на отечественной базе, которые могут быть применены для контроля точности фазирования антенного полотна антенных решеток и разводки опорных и гетеродинных сигналов по потребителям (например, синхронизации АЦП систем адаптации антенных решеток) [28, 29].
Важную роль в реализации АФАР СКИ играет также возможность сверхширокополосной передачи и разводки СКИ без значительных амплитудно-фазовых дрейфов и искажений.
Автором был разработан и исследован многоканальный фрагмент сверхширокополосной аналоговой волоконно - оптической разводки сигналов, в том числе исследован межканальный температурный фазовый и амплитудный дрейф основных характеристик данной системы, которая в отличие от традиционной системы разводки на коаксиальных кабелях, полосковых линиях и волноводах, имеет полосу пропускания порядка декады и хорошую температурную стабильность [30]. Целью работы является развитие методов расчета, анализа и оптимизации устройств и систем фотонных сетей аппаратуры АФАР на основе аналоговой фотоники и исследование их ключевых характеристик. В соответствии с этой целью в настоящей работе проводились:
исследование составляющих фазовой нестабильности - ключевой характеристики систем аналоговых волоконно - оптических разводок АФАР; теоретические и экспериментальные исследования основных характеристик элементов и подсистем фотоники для АФАР и создание аналитического аппарата для их расчета. Научная новизна результатов исследований заключается в:
приоритетных разработках методов расчета фазовых дрейфов и точности необходимой термостабилизации полупроводниковых гетеролазеров при непосредственной СВЧ модуляции, применяемых в качестве передатчиков в системах аналоговой волоконно - оптической разводки сигналов АФАР;
впервые получены аналитические выражения для расчета температурного дрейфа ФЧХ, АЧХ и временной задержки сигнала в InGaAsP лазеров на длине волны А, = 1.3 мкм [20,21];
построении схем и макетов сверхширокополосных многоканальных разводок сигналов, подтверждающих оптимальность применения аналоговой фотоники в СШП АФАР СКИ;
разработке нового многочастотного подхода к решению актуальной проблемы стабилизации фазы ВЧ сигнала передаваемого по аналоговой ВОЛС для систем прецизионной фазовой синхронизации, который может быть применен и для других аналоговых линий. В соответствии с ним разработаны структурные схемы системы с многочастотной фазовой стабилизацией;
разработке и исследовании многоканальных фазостабильных аналоговых волоконно — оптических фрагментов разводок СВЧ сигналов и комплексном экспериментальном исследовании их основных характеристик (абсолютный и дифференциальный температурный фазовый дрейф, полоса рабочих частот, сигнал / шум, коэффициент передачи и межканальный разброс параметров);
- анализе и оптимизации шумовых характеристик широкополосных
фотоприемников для аналоговых ВОЛС для передачи ВЧ и СВЧ сигналов АФАР;
впервые получены аналитические выражения для оптимизации по шумам предусилителей для таких фотоприемников на биполярных СВЧ транзисторах с учетом зависимости граничной частоты усиления потоку в схеме с общим эмиттером (ОЭ) от тока эмиттера;
- теоретическом обосновании возможности усиления модулирующего ВЧ и СВЧ сигнала в аналоговой ВОЛС без оптических усилителей; Практическая значимость и достоверность работы состоит в том, что лично разработанные с использованием предлагаемого автором метода широкополосные, оптимизированные по шумам фотоприемники аналоговых СВЧ сигналов были внедрены в разработки РТИ им. акад. А. Л. Минца, благодаря чему удалось поднять отношение сигнал /шум на выходах широкополосных фотоприемных устройств почти на порядок, что явилось одним из основных факторов способствующих реализации первого в СССР интегрально - оптического аналогово — цифровой преобразователя, значительно превышающего быстродействие электронных АЦП [23-25]. (Приложение 2).
Методы расчета фазового дрейфа и необходимой точности систем термостабилизации полупроводниковых гетеролазеров и оптимизации шумовых характеристик предусилителей фотоприемников реализован в разработанной автором широкополосной аналоговой ВОЛС для кабельной волоконно - оптической сети (ВГРТК) г. Москва (Приложение 3).
Анализ основных факторов фазовой нестабильности в многоканальных волоконно — оптических системах разводки СВЧ сигналов в ФАР (АФАР).
Также автором разработаны методы оптимизации по шумам и расчета чувствительности фотоприемников с предусилителями на биполярных транзисторах, границы применимости которых, по частотному диапазону были расширены более чем на порядок и в несколько раз, по сравнению с ранее известными методами, повышена их точность, [23J.
Полученная формула для расчета оптимального тока эмиттера позволяла получать значительный (около 3 дБ) выигрыш по отношению сигнал/шум.
Общий выигрыш от применения метода оптимизации совместно с противошумовой коррекцией по сравнению с фотоприемником, имеющим стандартный предусилитель с входным сопротивлением 50 Ом, составил 10 дБ для широкополосных и сверхширокополосных аналоговых и цифровых ВОЛС [24, 25]. На базе этого метода автором был также впервые разработан фотоприемник с автоматической оптимизацией шумовых характеристик (А. с. № 1419472 от 4.08. 86 г.) [26]. Развитый автором метод оптимизации по шумам применим также и к новым типам биполярных транзисторов, таким как биполярные транзисторы на гетероструктурах, так как основные частотно — режимные зависимости в них по характеру аналогичны зависимостям в дрейфовых биполярных СВЧ транзисторах [44].
От точности фазовой и временной синхронизации разнесенных ФАР и АФАР напрямую зависят точность и разрешение бистатических РЛС, радиолокационных комплексов и радиоастрономических многопозиционных систем. Поэтому исследования в этой актуальной области ведутся практически постоянно в течении многих лет. Несмотря на то, что оптические волокна обладают значительно лучшей фазовой стабильностью при температурных и механических воздействиях, по сравнению с коаксиальными кабелями и волноводами, однако для вышеназванных применений этого явно недостаточно. В настоящее время развитие фазостабильных ВОЛС идет по трем основным направлениям. Первое связано с целенаправленным изменением (обычно уменьшением) фазовой чувствительности самих оптических волокон -"волоконное" направление. Суть этого направления — создание технологии высокостабильных ОВ с малым коэффициентом вариации времени задержки (фазы сигнала) ТКВЗ. Для достижения малого ТКВЗ на ОВ наносятся оболочки с отрицательным коэффициентом линейного расширения, которые сжимают его в осевом направлении при увеличении температуры, компенсируя тем самым приращение оптической длины, а следовательно и уменьшают величину ТКВЗ. Такой подход может в будущем кардинально решить проблему фазостабильной передачи высокочастотного сигнала по ВОЛС [45]. Вместе с тем такие фазостабильные оптические кабели еще очень далеки от промышленного производства и их ориентировочная стоимость при серийном производстве, предположительно весьма высокая, из - за сложной технологии изготовления и дорогих материалов, еще не определена.
Второе направление - " аппаратурное " основано на применении стандартных серийно выпускаемых оптических волокон и стандартных конструкций связных оптических кабелей (кстати, постоянно улучшаемых в сторону уменьшения фазовой чувствительности) и аппаратурно реализуемых компенсаторах фазового дрейфа на выходе таких ВОЛС [32, 33, 46- 49]. Такой подход дает возможность снизить до приемлемого уровня фазовый дрейф при довольно низких затратах на дополнитеный объем аппаратуры и, главное, практически сразу начать освоение промышленного производства. Однако потенциальная возможность быстрого освоения промышленного производства таких систем и их широкого внедрения в разных областях науки и техники сдерживается отсутствием достаточно полной аналитической и расчетной модели фазовых нестабильностей всех основных компонент, а также других критичных параметров и адекватной с научно - технической точки зрения реализации такого подхода.
Этим можно объяснить значительное количество исследований и публикаций, появившихся в последние годы, посвященных именно "аппаратурному" подходу для решения этой проблемы [34, 50 -52].
Третье направление - это уменьшение или компенсация фазовых нестабильностей за счет выбора оптимальной структуры самих сетей фазовой синхронизации, в которых минимизируется длина участков ОВ, на которые воздействуют разные температуры, остальные ОВ прокладываются в одном ОК, что обеспечивает им близкие температурные условия. Это "структурное" направление стало реальным благодаря серийному освоению многоволоконных (до 96 и более) одномодовых ОК с хорошими массо — габаритным характеристикам и высокой гибкостью, причем часто не требуется специального фазостабильного оптического волокна и специальных схемотехнических мер по фазовой автоподстройке, однако не всегда реализуемым для конкретных применений [28,29].
Анализ температурного дрейфа фазочастотних характеристик и временной задержки сигнала в гетеролазерах
Применение термостабилизации лазера с помощью микрохолодильника на эффекте Пельтье позволяет уменьшить дрейф фазы лазера с одновременным увеличением его ресурса. Однако на более высоких частотах значения дрейфа фазы могут достигать значительных величин. Например на частоте 5 ГГц и в диапазоне температур + 5 ... + 40 С дрейф фазы огибающей оптического сигнала в активной области лазера составляет около 120 град, фазы и применение термостабилизации лазера становится актуальной задачей прежде всего для фазовой стабилизации лазерного передатчика. Подробный анализ фазового и амплитудного дрейфа гетеролазеров представлен в Гл.2. 4. Д р 4 - нестабильность за счет изменения длины волны излучения лазера находится из соотношения [77]: Для стандартных одномодовых волокон на X = 1.3 мкм дисперсия составляет 3.5 пс / нм / км [55]. ДА, - изменение длины волны излучения лазера за счет изменений температуры лазера Д Т и его тока накачки Д I, причем вторая составляющая много меньше первой. Первая составляющая для лазеров на А, = 1.3 мкм численно равна 0. 2-г- 0.3 нм/К [78]. Таким образом для ВОЛС с одномодовым оптическим волокном длиной 10 км с рабочей частотой 160 МГц при точности термостабилизации лазера ±0.5 К погрешность за счет изменения длины волны лазера составит примерно 0.01 град. фазы. Такую погрешность можно не учитывать при разработке систем разводки опорных и гетеродинных сигналов по оптическому волокну. 5. Нестабильность за счет поляризационной чувствительности в одномодовом ОВ. В идеальном одномодовом ОВ могут распространятся с одной и той же скоростью две фундаментальные моды - две перпендикулярные поляризации. Однако ОВ имеют не идеальную геометрию, что приводит к различной скорости распространения двух поляризационных составляющих мод - поляризационной модовой дисперсии (PMD) , имеющей размерность пс/км 1/2.
При различных изменениях геометрии ОВ в оптической линии (от механических, температурных или других воздействий) возникает перераспределение энергии сигнала между медленной и быстрой поляризационной составляющей, т. е. изменяется задержка (фаза) сигнала. Еще один эффект поляризационной чувствительности ОВ — это поляризационная зависимость потерь (PDL) имеет ту же причину возникновения - не идеальность геометрии ОВ. Это особенно актуально для одномодовых оптических разветвителей (ОР), т. к. на месте сплавления имеет место значительное нарушение геометрии ОВ, причем на входах каждой из ветвей ОР в процессе изготовления случайным образом образуются поляризационные фильтры, и имеет место перераспределение амплитуд сигналов в ветвях ОР, и как следствие этого, изменение фазы сигналов на выходах ПРОМ за счет амплитудно - фазовой конверсии. Однако, конструкция оптического кабеля не допускает возникновения значительных изгибов оптического волокна, при котором его затухание изменяется на значительную величину (порядка 1 дБ). Поэтому такой режим следует рассматривать как аварийный и несовместимый с эксплуатацией рассматриваемых ВОЛС. Однако, чтобы полностью исключить возможность появления этих эффектов поляризационной чувствительности, желательно применять, сохраняющие поляризацию, эллиптические ОВ. 6. Нестабильность за счет фазовых нестабильностей электронных компонент. Этот вид нестабильностей является неотъемлемой составляющей всех электронных систем, для которых фаза сигнала является информативной величиной. Особенно сильно этот вид нестабильности проявляется при работе систем АРУ и автоматической стабилизации мощности. Пути ее уменьшения до приемлемого уровня известны уже достаточно давно. Первый путь - элементный - это выбор компонент с малым температурным и временным фазовом дрейфом, а второй путь -системный - это схемотехнические решения, способствующие компенсации фазовых дрейфов устройств и систем в целом [79]. Применяя оба эти подхода при проектировании электронных и оптоэлектронных блоков системы разводки опорных сигналов, можно снизить суммарную величину нестабильности до требуемого уровня. Используя в электронных схемах СВЧ биполярные транзисторы, как более фазостабильные по сравнению с полевыми, керамические конденсаторы с малым ТКЕ и tg б, материалы для плат и подложек с малыми температурным коэффициентом линейного расширения и ТКЕ и большой долговременной стабильностью геометрических и электрических характеристик, а также более стабильные р - і - п фотодиоды вместо лавинных в качестве фотодетекторов для ПРОМ в комплексе со специальными схемотехническими решениями, удается существенно снизить составляющую фазовой ошибки из — за нестабильности электронных компонент. Так, например, фазовая ошибка ПРОМ может быть уменьшена до значения около 1 град, фазы на частотах 150 - 200 МГц в диапазоне температур + 5 ...+ 40 С. Следовательно, возможна работа некоторых электронных блоков и узлов систем разводки опорных сигналов "на доверии", т. е. можно считать, что вероятность превышения фазовой ошибки за рабочий цикл устройства пренебрежимо мала. Таким образом, основными источниками фазового дрейфа для относительно длинных волоконно - оптических линий разводки опорных сигналов является температурный дрейф фазы в самом оптическом волокне, а для относительно коротких ВОЛС, работающих на СВЧ, полупроводниковый лазер (без температурной стабилизации) и электронные усилители. Одним из путей уменьшения фазового дрейфа аналоговых ВОЛС является повышение ее коэффициента передачи, что позволит уменьшить число каскадов электронных усилителей или отказаться от них вообще, что исключит этот источник фазовых ошибок особенно заметный в относительно коротких линиях и повысит динамический диапазон.
Минимизация амплитудно - фазового шума посредством оптимизации по шумам режимов работы входных каскадов фотоприемников и повышения коэффициента передачи ВОЛС
Из анализа графиков приведенных на рис.2 и рис.3 можно сделать следующие выводы: 1. Фазовый угол между модулирующим лазер сигналом и огибающей промодулированного оптического излучения незначительно изменяется с увеличении частоты модуляции вплоть до частот 0.5 fr при фиксированном токе смещения. 2. В частотном диапазоне до 0.5 fr увеличение тока смещения I не приводит к существенному уменьшению фазового угла. 3. Для уменьшения зависимости фазы от температуры в пределах до 0.5 fr необходимо уменьшать параметр нелинейного усиления є, то есть для построения фазостабильных передающих оптоэлектронных модулей надо применять лазеры со значительной добротностью "квазирезонансного контура", но работать в частотном диапазоне, значительно меньшем fr. 4. Изменение частоты модуляции, тока смещения и температуры для изменения неравнозначно. 5. Скорость фазового дрейфа резко меняется в зависимости от начальной температуры, то есть цена (в градусах фазы ) изменения на 1 К при начальной температуре 293 К оказывается в несколько раз более высокой , чем при начальной температуре 213 К. 6. Следовательно, требования по термостабилизации в охлажденных фазостабильных лазерных передающих модулях оказываются значительно менее жесткими, чем для тех же устройств при комнатной температуре и тем более при повышенной температуре. Это особенно заметно при значительных превышениях тока смещения над пороговым током. Например, если I / 1ш = 5,5 на г= 1 ГГц изменение фазы при повышении температуры на 1 К для начальных температур 293 К и 213 К составляет 3 и 7 10 " град, соответственно. Для сравнительно малых значений I / Ith = 1.3-1.4 эта разница значительно меньше (0.13 и 0.08 град, соответственно). Таким образом, при создании фазостабильных лазерных передатчиков, желательно обеспечить глубокое охлаждение с одновременным режимом работы со значительным превышением тока смещения над пороговым током лазера( при условии малой оптической обратной связи). Из сопоставления теоретических и экспериментальных зависимостей можно оценить точность расчета температурного дрейфа частотных характеристик полупроводниковых одномодовых лазеров. Ошибка предлагаемой теории при температуре 293 К в определении частоты резонанса для нескольких значений тока смещения лазера не превышает 10 % , амплитуды сигнала в пике резонанса 1 дБ, то есть 10 %. Ошибка теории для температуры 213 К имела значение 20 и 15 % соответственно. Ошибка теории для температур свыше 293 К (до 343 К) несколько больше, но не превышает 25 %. Следовательно, предлагаемый метод дает погрешность в определении температурных дрейфов частотных и фазовых характеристик порядка 0.4 % / К. Таким образом, была получена достаточная для инженерных расчетов точность в широком частотном (десятки ГГц ) и температурном (ЛТ=130К) диапазонах. Дальнейшее повышение точности метода может быть достигнуто, если учитывать температурные зависимости большего количества параметров лазерных структур и влияние паразитных элементов электрических схем лазеров. Выводы к главе 2 Применяемые в настоящее время в скоростных и широкополосных ВОЛС, в том числе для построения фотонных сетей антенных решеток, InGaAsP гетеролазеры на X = 1,31 и 1,55 мкм имеют значительно большую, чем GaAlAs гетеролазеры на диапазон X = 0. 85 мкм, термочувствительность и иной, более сложный, механизм воздействия изменения температуры на процессы в активной области InGaAsP гетеролазеров, что приводит к необходимости анализа этого воздействия одновременно по многим параметрам и затрудняет построение его математической модели.
В результате анализа большого числа температурных зависимостей лазерных параметров и скоростных уравнений впервые были получены формулы для расчета температурных дрейфов полупроводниковых гетеролазеров, позволяющие строить 3-х мерные амплитудные и фазовые поверхности. На их основе разработан аналитический метод расчета температурного дрейфа АЧХ и ФЧХ одномодовых полупроводниковых лазеров при непосредственной высокочастотной модуляции. Обеспечивается хорошее совпадение теоретических расчетов с результатами экспериментов независимых авторов в широком частотном и температурном диапазонах. Предлагаемый метод расчета дрейфа АЧХ и ФЧХ имеет погрешность не более 0.2 % / К. Проведен анализ зависимостей дрейфа фазо-частотных характеристик от различных параметров лазеров, режима работы, частоты модуляции и их начальной температуры (температуры термостабилизации). Оценены численные значения величин температурных дрейфов лазеров и даны рекомендации по выбору режима работы лазеров в фазостабильных передающих модулях. Данный метод может быть применен при проектировании систем термостабилизации передающих модулей аналоговых систем фазовой синхронизации и систем сканирования как обычных, так и сверхширокополосных АФАР, а также при формировании объективных требований к микрохолодильникам для охлаждения лазеров.
Экспериментальное исследование макета многоканальной волоконно - оптической фазостабильной разводки СВЧ сигналов для ФАР
Для проверки точности расчетов среднеквадратичного шумового тока с применением новых аналитических выражений использовались параметры компонент схемы фотоприемного устройства и экспериментальные данные, приведенные в [117, 120]. Сравнительные результаты расчетов по старой и новой методикам приведены в таблЗ.
Из табл, 3 видно, что новая методика позволяет повысить точность расчета среднеквадратичного шумового тока в 4... 10 раз и чувствительности в 4...7 раз, причем ошибка в определении чувствительности при скоростях передачи 1 Гбит/с не превышает 20%.
Небольшие расхождения теории и эксперимента при сравнительно низких скоростях передачи информации объясняются тем, что при таких скоростях передачи на фоне малых абсолютных значений эквивалентного входного шума становится заметным вклад дробового шума темпового тока фотодиода и тока базы транзистора. При высокой скорости передачи сказывается шум последующих каскадов фотоприемного устройства. Если взять типовое значение сопротивления базы фотодиода 10 Ом, то ошибка в расчете среднеквадратичного шумового тока уменьшится на 20% и ошибка в определении чувствительности до 15%, График изменения среднеквадратичного шумового тока предусилителя с увеличением скорости передачи информации В в Мбит/с приведен на рис. 10.
На базе предложенного метода было изобретено устройство [26], суть работы которого заключалась в автоматической оптимизации по шумам входного каскада быстродействующего фотоприемника в зависимости от полосы частотного спектра сигнала поступающего на его вход.
Приведенный метод оптимизации по шумам предусилителей фотоприемников аналоговых ВОЛС применялся автором при разработке малошумящего широкополосного фотоприемника для приема оптических сигналов в цифровом виде на выходе, входившего в состав первого в СССР действующего макета интегрально - оптического быстродействующего АЦП для крупноапертурной РЛСсФАР[25, 121]. Благодаря оптимизации по шумам входного каскада предусилителя фотоприемника и режима работы лавинного фотодиода с рабочей полосой порядка 500 МГц, удалось значительно (примерно на порядок) повысить его чувствительность по сравнению с фотоприемниками без оптимизации, обеспечив тем самым более чем адекватные характеристики АЦП. Согласно формуле (6) в Гл, 2 уменьшение среднеквадратичного фазового шума за счет более эффективной оптимизации по шумам входного каскада фотоприемника (по формулам 8 и 9 настоящей главы) составляет примерно 300 %. Таким образом, был применен на практике метод оптимизации по шумам входных каскадов предусилителеЙ фотоприемников аналоговых ВОЛС. Фоточувствительные полевые транзисторы, используемые в том числе и для реализации оптически управляемых устройств фазовращателей, впервые в нашей стране были исследованы автором в 1982 году. Они показали высокое быстродействие и возможность одновременного сочетания фоточувствительности с сохранением усилительных свойств, что дало возможность в дальнейшем строить, управляемые оптикой, генераторы СВЧ, являющиеся основой оптически управляемых фазовращателей. В последние годы появился новый класс биполярных транзисторов -гетероижекционные биполярные транзисторы (НВТ), которые обладают хорошими шумовыми характеристиками и высокой стабильностью (в том числе и фазовой), что позволяет создавать оптимизированные по шумам высокоэффективные предусилители фотоприемников. Благодаря тому, что шумовые зависимости от тока эмиттера и зависимость fT= f (І3) у НВТ практически совпадают с аналогичными характеристиками обычных СВЧ биполярных транзисторов, приведенный выше метод оптимизации и расчета шумовых характеристик можно применить и для этого класса транзисторов. 3.2. Исследование возможности уменьшения фазового шума за счет повышения коэффициента передачи аналоговых ВОЛС. Одним из основных параметров аналоговой ВОЛС является коэффициент ее передачи, который в системах разводки СВЧ сигналов непосредственным образом влияет на амплитудно - фазовые распределения в антенном полотне ФАР. Известно, что коэффициент передачи ВОЛС Кр = Рм.вых. /Рм. вх где РМЙЫХ.) Рм. вх. - мощность электрического сигнала на входе и выходе соответственно. Как правило, применение аналоговых ВОЛС в для передачи и распределения сигналов на относительно короткие расстояния связано с дополнительными потерями на преобразования электрического сигнала в оптический и обратно, достигающими величины в 30 дБ. Такие высокие потери радиочастотного сигнала объясняются, в значительной мере, из - за не оптимальности согласования непосредственно модулируемых гетеролазеров с радиочастотной линией передачи входного сигнала (или, для случая использования внешней модуляции, высоким значением полуволного напряжения внешних модуляторов), низким значением дифференциальной квантовой эффективности гетеролазеров, а также не оптимальным согласованием фотодетекторов с выходными радиочастотными цепями. Это существенно снижает эффективность применения аналоговых ВОЛС для передачи и распределения сигналов на короткие расстояния, (например в небольших ФАР), если не требуется сверхширокая полоса (в этом случае применение ВОЛС практически безальтернативно).
