CC BY
179
УДК 621.373.826
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОРОВ НА ОСНОВЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СТРУКТУР
К.Е. Румянцев, А.В. Горбунов, А.Е. Амплиев
Проведены экспериментальные исследования параметров элементов для радиотехнических процессоров с волоконнооптическими структурами; оценены характеристики линии задержки сигналов СВЧ; уточнены требования, предъявляемые к элементам процессоров на волоконно-оптических структурах.
The experimental researches of element parameters for radio processors with fiber structures are carried out; the characteristics of a delay line of microwave signals are appreciated; the requirements showed to processors elements on fiber structures are specified.
Радиотехнические процессоры (РТП) на основе волоконно-оптических структур (ВОС) предназначены для высокоскоростного формирования и обработки сложных широкополосных радиосигналов [1]. Классическая структура РТП на волоконно-оптической элементной базе в качестве основных элементов содержит преобразователь «радиосигнал - оптическое излучение -радиосигнал», волоконно-оптическую структуру, в которой происходит непосредственная обработка промодулированного входным радиосигналом оптического излучения, а также соответствующие радиотракты на входе и на выходе процессора [2-5].
Основным элементом ВОС является волоконно-оптическая линия задержки (ВОЛЗ), представляющая собой отрезок волоконного световода заданной длины [2, 3]. Для наиболее распространенного кварцевого волокна задержка радиосигнала, которым модулируется оптическая несущая, приближенно составляет 5 мкс/км.
В настоящее время характеристикам основных элементов РТП, приводимых в справочных данных, присущи некоторые противоречия и несоответствие их численных значений, полученных из разных источников. Поэтому представляет особый интерес проведение экспериментальных исследований узлов РТП.
Ниже представлена схема экспериментальной установки для испытаний макета линии задержки СВЧ-радиосигналов (рис.1). Макет представляет собой последовательное соединение СВЧ-усилителя М42118-3, передающего оптического модуля ПОМ-19-1Ь, ВОЛЗ в виде барабана с намотанным на него отрезком волоконного световода заданной длины, приемного оптического модуля ПРОМ-0112.
Также предусмотрено подключение двух дополнительных СВЧ-усилителей М42118-3, которые могут быть использованы во входном или выходном радиотракте.
Генератор
сигнала Вход г>
высокой 1 \\ | ҐЛ О • • ПОМ В О Ь W ПРОМ
частоты // \ Li і.і • • 19-1b 0112
Г4-78 і і М42118
МАКЕТ ЛИНИИ ЗАДЕРЖКИ СВЧ-РАДИОСИГНАЛА
-Є-
> -а- Драйвер питания и термостаби-
М42118 лизации
-S-
-Вґ>
~220В
+12В
Выход
-«------
Спектро-
анализатор
С4-45
Аттенюатор -3 дБ
т
Преобразователь тер-моэлектри-ческий изме-
' +10В рительный І
Блок питания Б5-47 Блок питания Б5-45 Блок ваттметра изме рительный Я2М-66
Рис. 1. Установка для испытаний линии задержки
Макет обеспечивает задержку импульсного радиосигнала на время 7000 нс с точностью ±5 нс в диапазоне частот 1250...2250 МГц.
Для обеспечения заданных шумовых свойств линии задержки СВЧ-радиосигналов и усиления входного СВЧ-сигнала до уровня, обеспечивающего компенсацию энергетических потерь сигнала, вносимых ВОЛЗ, используются транзисторные малошумящие усилительные модули типа М42118-3. Согласно справочным данным, в диапазоне рабочих частот 1250.2250 МГц неравномерность коэффициента усиления мощности составляет не более 1,3 дБ, верхняя граница линейности амплитудной характеристики (АХ) по выходу - минус 30 дБВт, входной и выходной импедансы составляют 50 Ом, коэффициент шума в рабочем диапазоне частот не превышает 3,5 дБ при температуре 25±10 С. Напряжение питания модуля составляет +12 В.
Для преобразования СВЧ-сигнала в модулированное излучение оптического диапазона используется передающий оптический модуль с инжекционным полупроводниковым лазером, допускающим непосредственную модуляцию оптического излучения по интенсивности изменением тока возбуждения при непрерывном режиме работы. Передающий оптический модуль ПОМ-19-1Ь оснащен СВЧ-электрическим соединителем СРГ-50-751ФВ (входной импеданс модуля составляет 50 Ом), одномодовым волоконным выходом, оканчивающимся оптическим разъемом типа РС/ЛРС с малым уровнем обратного отражения излучения.
Для изготовления волоконно-оптической линии задержки использовано «Волокно оптическое Ри)1кига 8М 10/125.04.иУ, неокрашенное» (Япония) с погонным затуханием 0,22 дБ/км. Волоконный световод, обеспечивающий временную задержку 7000 нс с точностью ±5 нс (длина волокна составляет около 1,4 км), намотан на барабан (катушку) с внутренним диаметром 185 мм и высотой 74 мм. Ввод и вывод оптического излучения производится через одномодовый оптический разъем типа РС/ЛРС. Конструкция коннектора позволяет добиться надежной защиты от загрязнений и герметичности зоны соединения.
В макете линии задержки для фотодетектирования оптического излучения используется приемный оптический модуль ПРОМ-0112 на основе широкополосного микроволнового рт-фотоприемника ФДШМ40 со структурой 1пОаЛ8.
Ввод излучения производится через одномодовый оптический разъем типа РС, вывод электрического сигнала осуществляется через малогабаритный СВЧ-разъем типа 8МЛ, выходной импеданс модуля равен 50 Ом. Напряжение смещения 10 В положительной полярности подается на фотодиод через встроенный фильтр питания.
В состав измерительного стенда, кроме макета линии задержки СВЧ-радиосигналов, входили генератор сигналов высокой частоты Г4-78, блоки питания постоянного тока Б5-47 и Б5-45, спектроанализатор С4-49, аттенюатор с ослаблением 3 дБ, преобразователь термоэлектрический измерительный ПТЭИ4.681.471, блок ваттметра измерительный Я2М-66, соответствующие коаксиальные кабели и переходники из комплектов генератора, спектроанализатора и ваттметра.
Программа экспериментальных исследований линии задержки радиосигналов включала в себя следующие процедуры:
калибровку измерительной аппаратуры, испытание функциональных узлов линии задержки радиосигналов;
экспериментальные исследования динамических и шумовых свойств тракта преобразования «радиосигнал - оптическое излучение - радио-сигнал»;
определение характеристик узла, состоящего из передающего и приемного оптических модулей с усилительными модулями, которые располагаются перед передающим или после приемного оптических модулей;
испытания линии задержки радиосигналов. Испытаниям функциональных узлов линии задержки радиосигналов предшествовали измерения и расчет калибровочных характеристик используемых измерительных приборов и оборудования с целью уменьшения влияния их погрешностей на результаты последующих исследований.
Для уточнения параметров используемых в макете линии задержки усилительных модулей проведены измерения амплитудно-частотных (АЧХ) и АХ СВЧ-усилителей.
Измерения АХ усилительных модулей проводились по следующей методике:
собрать измерительный стенд, заземлить измерительную аппаратуру, подготовить измерительные приборы в соответствии с инструкциями по их эксплуатации;
подать питание напряжением +12 В на усилительный модуль, включив блок питания Б5-47; подключить к выходу усилительного модуля
спектроанализатор С4-49, установить полосу пропускания 300 кГц, постоянную времени детектора - 100 мкс, время развертки - 300 мс и обзор частот - 80 МГц;
подключить к входу усилительного модуля генератор Г4-78, установив на частоте 1500 МГц уровень сигнала не выше минус 55 дБ-Вт;
меняя уровень входного радиосигнала от минус 40 дБ-Вт до минус 125 дБ-Вт с шагом 5 дБ, фиксировать уровень сигнала на выходе усилительного модуля;
повторить испытания при частотах входного радиосигнала 1300 и 1700 МГц.
Измерения АЧХ усилительных модулей проводились по аналогичной методике: при уровнях входного радиосигнала минус 70, минус 80 и минус 90 дБ-Вт изменялась частота сигнала в пределах от 1200 до 1800 МГц с шагом 50 МГц и фиксировались уровни сигнала на выходе усилительного модуля.
На рис. 2 и рис. 3 представлены результаты измерений соответственно АЧХ и АХ для СВЧ-усилителя М42118-3 с заводским номером 12190062235 с учетом снятых ранее калибровочных характеристик тракта «Генератор высокочастотных сигналов Г4-78 - спектроанализатор С4-49».
Рис. 2. Амплитудно-частотная характеристика СВЧ-усилителя М42118-3 при уровнях входного сигнала минус 70, минус 80 и минус 90 дБ-Вт
Рис. 3. Амплитудная характеристика СВЧ-усилителя М42118-3 на частотах 1300, 1500 и 1700 МГц
Результаты проведенных исследований позволяют утверждать, что используемые СВЧ-усилители имеют в диапазоне 1200.1800 МГц неравномерность АЧХ ±1,5 дБ и уровень ограничения выходного сигнала порядка минус 30 дБ-Вт или 1 мВт.
Измерение параметров тракта преобразования «радиосигнал - оптическое излучение - радиосигнал» макета линии задержки СВЧ-радиосигнала проводились по схеме, представленной на рис. 4.
Рис. 4. Схема проведения испытаний тракта преобразования «радиосигнал - оптическое излучение - радиосигнал»
Методика проведения испытаний тракта преобразования «радиосигнал - оптическое излучение - радиосигнал» аналогична методике испытаний СВЧ-усилителей. Для подготовки к эксплуатации ПОМ необходимо включить схему термостабилизации лазерного диода, после установления теплового режима схема питания встроенного фотодиода включается автоматически. Оптический коннектор ПОМ соединяется с оптическим коннектором ПРОМ в соответствии с правилами эксплуатации оптических соединителей.
Измерения АХ тракта преобразования проводились на частоте радиосигнала 1500 МГц, измерения АЧХ осуществлялись для уровней радиосигнала на выходе генератора (на входе ПОМ) минус 30, минус 40, минус 55 и минус 70 дБ-Вт.
На рис. 5 и рис. 6 приведены соответственно АЧХ и АХ тракта преобразования «радиосигнал -оптическое излучение - радиосигнал».
Рис. 5. Амплитудно-частотная характеристика тракта преобразования «радиосигнал - оптическое излучение - радиосигнал» при уровнях входного сигнала минус 30, минус 40, минус 55 и минус 70 дБ-Вт
Рис. 6. Амплитудная характеристика тракта преобразования «радиосигнал - оптическое излучение - радиосигнал» на частоте 1500 МГц
Видно, что данный тракт обеспечивает неравномерность АЧХ порядка ±1 дБ для различных уровней модулирующего радиосигнала и практически линейную АХ в пределах проводимых измерений.
С целью выявления особенностей функционирования линии задержки радиосигналов проведены испытания по определению АХ узла, состоящего из передающего и приемного оптических модулей при наличии усилительных модулей, которые располагаются перед передающим или после приемного оптических модулей.
Результаты проведенных исследований позволяют утверждать, что при установке на вход проектируемой линии задержки одного усилительного модуля СВЧ М42118-3 можно добиться линейности АХ тракта вплоть до уровня входного сигнала порядка минус 50 дБ-Вт. Включение на входе передающего оптического модуля всего одного усилительного модуля М42118-3 позволяет полностью компенсировать потери на преобразования «радиосигнал - оптическое излучение -радиосигнал».
При установке на выход проектируемой линии задержки одного усилительного модуля СВЧ М42118-3 можно добиться линейности амплитудной характеристики тракта вплоть до уровня входного сигнала не ниже минус 30 дБ-Вт (уровень ограничения ПОМ). Однако установка усилительного модуля на выходе устройства не сказывается на динамическом диапазоне обрабатываемых сигналов. В данном эксперименте ограничение «снизу» на мощность регистрируемого входного сигнала не определено ввиду недостаточной чувствительности измерительных приборов.
Для определения чувствительности линии задержки СВЧ-радиосигналов проведены измерения шумовых характеристик устройства. Измерения мощности шумов на выходе функциональных узлов макета линии задержки осуществлялись с
помощью преобразователя термоэлектрического измерительного ПТЭИ 4.681.471 и блока ваттметра измерительного Я2М-66.
Мощность шумов на выходе трех последовательно установленных СВЧ-усилителей и аттенюатора минус 3 дБ составляет />ш.вых.сВч = 330 мкВт и снижается до 287 мкВт за 3 мин. При установке на вход СВЧ-усилителя приемного оптического модуля ПРОМ-0112 уровень шумов не изменяется, поэтому можно сделать вывод о том, что этот модуль заметного влияния на шумовые характеристики устанавливаемых после него усилительных модулей не оказывает.
Мощность шумов на выходе тракта преобразования «радиосигнал - оптическое излучение -радиосигнал», усиленная тремя последовательно установленными СВЧ-усилителями и аттенюатором минус 3 дБ, составляет Ршвых = 1098 мкВт и снижается до 1058 мкВт за 3 мин.
Анализ полученных результатов позволяет определить собственные шумы СВЧ-усилителя, пересчитанные на его вход, и собственные шумы тракта преобразования «радиосигнал - оптическое излучение - радиосигнал», пересчитанные на вход передающего оптического модуля ПОМ-19-1Ь, а также определить отношение сигнал/шум для заданного уровня входного сигнала.
Коэффициенты усиления СВЧ-модулей
М42118-3 с заводскими номерами 1290062235, 12189121278, 12190062236 составляют соответственно 32, 25 и 29 дБ. Общий коэффициент передачи СВЧ-части с учетом аттенюатора минус 3 дБ составляет А'рСВЧ = 32 + 25 + 29 - 3 = 83 дБ или 2-108. Следовательно, мощность шумов, равная 287 мкВт, пересчитанная на вход первого СВЧ-усилителя, составляет
Рш.вх.свч = 287-10-6 / (2-108) =
= 1,410-12 Вт (или -118 дБ-Вт).
Поскольку коэффициенты передачи СВЧ-усилителей намного больше единицы, то можно считать, что шумовые характеристики СВЧ-части определяется только первым входным СВЧ-усилителем М42118-3 (зав.№ 1290062235).
Коэффициент передачи мощности тракта преобразования «радиосигнал - оптическое излучение - радиосигнал» составляет А'р."р.ои.р" = -24 дБ или 4-10-3, рассчитанный ранее коэффициент передачи СВЧ-части (с учетом аттенюатора минус 3 дБ) составляет КрСВЧ = 83 дБ. Следовательно, общий коэффициент передачи исследуемых каскадов составляет -24 + 83 = 59 дБ или 8-105. Таким образом, мощность общих шумов СВЧ-
усилителей и тракта преобразования «радиосигнал - оптическое излучение - радиосигнал», пересчитанная на вход передающего оптического модуля ПОМ-19-1Ь, равна Рш.вх = 105 8-10-6 / (8 1 05) =
= 1,3 10-9 (или -89 дБ-Вт).
Шумы СВЧ-усилителей, пересчитанные на вход передающего оптического модуля ПОМ-19-1b, составляют 1,4-10-12 / (4-10-3) = 3,6-10-10 Вт (или минус 94 дБ-Вт).
Полученные результаты позволяют определить собственные шумы тракта преобразования «радиосигнал - оптическое излучение - радиосигнал», пересчитанные на вход передающего оптического модуля ПОМ-19-1Ь:
Рш."р-ои-р" = 1,3-10-9 - 3,6-10-10 = 9,7-10-10 Вт (или -90 дБ-Вт).
Следовательно, мощность шумов тракта преобразования «радиосигнал - оптическое излучение - радиосигнал», пересчитанных на вход СВЧ-усилителя М42118-3 (зав. № 1290062235) с коэффициентом передачи мощности КР = 32 дБ (или 1,6-103), составляет 9,7-10-10 / (1,6-103) = 6,1-10-13 Вт. Мощность шумов СВЧ-усилителя М42118-3 (зав.№1290062235), действующих на его входе, составляет РшвхСВЧ = 1,44-10-12 Вт. Суммарная мощность шумов, действующих на входе СВЧ-усилителя М42118-3 (зав. №
1290062235), составляет
Р = 6,1-10 13 + 1,41012 =
= 2,05-10-12 Вт (или -116,9 дБ-Вт). Следовательно, при минимальном уровне сигнала минус 110 дБ-Вт обеспечивается отношение сигнал/шум порядка 6,9 дБ.
Представленные расчеты проведены для случая непосредственного соединения выхода ПОМ с входом ПРОМ без волоконно-оптической линии задержки. Установка ВОЛЗ не окажет качественного влияния на АХ и АЧХ устройства. За счет потерь оптического излучения в ВОЛЗ (порядка 0,7 дБ с учетом потерь на оптических соединениях) произойдет снижение отношения сигнал/шум при заданном уровне входного сигнала на 1,4 дБ.
Проведенные экспериментальные исследования основных элементов РТП на основе ВОС позволяют сделать следующие выводы.
Согласно результатом испытаний коэффициенты усиления мощности трех СВЧ-усилителей типа М42118-3 составили 25, 29 и 32 дБ, неравномерность АЧХ данных усилителей в частотном
диапазоне 1200.1800 МГц не превышает ±1,5 дБ, уровень ограничения выходного сигнала равен минус 30 дБ-Вт или 1 мВт, мощность собственных шумов усилителей, пересчитанная на вход, составляет порядка 1,4-10-12 Вт или минус 118 дБ-Вт.
Коэффициент передачи преобразователя «радиосигнал - оптическое излучение - радиосигнал», образованного последовательным соединением ПОМ-19-1Ь и ПРОМ-0112, равен около минус 24 дБ, неравномерность АЧХ преобразователя в частотном диапазоне 1200.1800 МГц не превышает ±1 дБ, АХ в пределах чувствительности измерительных приборов - линейная, мощность собственных шумов ПОМ-19-1Ь, пересчитанная на его вход, составляет порядка 9,7-10-10 Вт или минус 90 дБ-Вт, собственные шумы ПРОМ-0112 заметного влияния на результаты измерений не оказали.
В результате проведения экспериментальных испытаний линии задержки СВЧ-радиосигналов, выполненной по приведенной на рис. 7 схеме, получены основные характеристики исследуемого устройства.
Рис. Т. Линия задержки СВЧ-радиосигналов
Амплитудно-частотная характеристика линии задержки СВЧ-радиосигналов определяется в основном АЧХ входного усилительного модуля (см. рис. 2) и тракта преобразователя «радиосигнал - оптическое излучение - радиосигнал» (см. рис. 5). Для усилительных модулей СВЧ М42118-3 неравномерность АЧХ в диапазоне от 1200 до 1800 МГц составляет не более 1,8 дБ, для тракта преобразователя «радиосигнал - оптическое излучение - радиосигнал» в том же диапазоне частот - не более 1 дБ. Следовательно, общая неравномерность АЧХ макета линии задержки в диапазоне от 1200 до 1800 МГц не превышает 2,8 дБ.
Амплитудная характеристика линии задержки представлена на рис. 8.
Максимальный уровень входного сигнала определяется переходом СВЧ-усилителя в нелинейный режим работы и составляет порядка минус 50 дБ-Вт. Минимальный уровень входного сигнала определяется шумовыми характеристи-
Рис. 8. Амплитудная характеристика линии задержки СВЧ-радиосигнала (на частоте 1500 МГц)
ками проектируемой линии задержки и, как показано ранее, составляет минус 110 дБ-Вт при отношении сигнал/шум на выходе устройства порядка 7 дБ. Необходимо заметить,^?го мощщс^т]^ шумов измерялась во всей полосе макета линии задержки, т.е. в полосе ~{?рЬпускания шириной порядка 2...3 ГГц. Это гс^рит о том, что при ограничении диапазона частотами от 1250 до 2250 МГц мощность ц§®юв уменьшится в 1,5...2,5 раза.
Коэффициент стоячей^УЭлны по напряжению (КСВН) по входу и выходу^акета линии задержки определяется соответствующими коэффициентами входного усилительн(Др модуля СВЧ и выходом приемного оптического модуля, которые, согласно справочным дайблм, не превышают трех. Входной и выходной зтмпедансы макета линии задержки определяются соответственно входным импедансом вх^юго усилительного модуля СВЧ М42118-3 и выходным импедансом приемного оптического йОДуля ПРОМ-ОП2 и составляют 50 Ом.
-95
Таким образом, про^^енные экспериментальные исследования позволили определить основные численные показаШЭи па^четрабО элементов радиотехнических процессоров с волоконно-оптическими структурами, оценить характеристики макета линии задержки СВЧ-радиосигналов.
Полученные результаты позволяют уточнить требования, предъявляемые к элементам различных проектируемых РТП на основе ВОС, в частности к динамическим запоминающим устройствам, предназначенным для формирования копий импульсного радиосигнала [2].
ЛИТЕРАТУРА
1. Румянцев К.Е. Радиотехнические процессоры на волоконно-оптических структурах // Радиоэлектронные средства: разработка и сервис. Сб. научн. трудов. - Вып.35. - Шахты: ДГАС, 1999. С.3-16.
2. Румянцев К.Е., Горбунов А.В. Динамические запоминающие устройства на основе бинарных волоконно-оптических структур. - Радиотехника, 2002, №12, с. 73-80.
3. Румянцев К.Е., Горбунов А.В. Шумовые свойства
динамических запоминающих устройств с бинарной волоконно-оптической структурой. -
Петербургский журнал электроники, 2001, №3,
с.57-65.
4. Румянцев К.Е., Кукуяшный А.В. Обобщенная модель динамического запоминающего устройства на волоконно-оптических структурах с оптическим усилением. -Изв. вузов. Сев.-Кав. регион. Техн. науки, 1999, №3, с.61-67.
5. Румянцев К.Е., Горбунов А.В. Снижение коэффициента шума динамического запоминающего устройства с бинарной волоконно-оптической структурой. -Изв. вузов. Сев.-Кав. регион. Техн. науки, 2002, №1, с.115- 116.
85 -80
Поступила 15. 05. 2006.
-75 -70 -65 -60 -55
