Акустооптический приемник-частотомер на основе дефлектора с противофазным возбуждением ультразвука Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Системы телекоммуникации, устройства передачи, приема и обработки сигналов

УДК 621.37/39

С. С. Шибаев, Д. П. Волик, В. В. Роздобудько

Таганрогский технологический институт Южного федерального университета

|Акустооптический приемник-частотомер на основе дефлектора с противофазным возбуждением ультразвука

Предложена и проанализирована структура акустооптического приемника-частотомера СВЧ, использующего в своем составе дефлектор с противофазной решеткой пьезопреобразователей и два лазерных источника света с различными длинами волн. В отличие от известных структур предложенная конфигурация приемного устройства характеризуется вдвое большей мгновенной полосой анализа.

Акустооптический СВЧ-дефлектор, противофазный преобразователь, лазерный источник, полоса анализа

В настоящее время в составе акустооптических (АО) приемников-частотомеров (АОПЧ) СВЧ, спектроанализаторов, демодуляторов частотно-модулированных и фазоко-доманипулированных сигналов используются в основном технологически доступные аку-стооптические дефлекторы (АОД) с поверхностным возбуждением ультразвука, в частности АОД на основе LiNbOз с пьезопреобразователем в виде решетки противофазных электродов (встречно-штыревым преобразователем (ВШП)) [1], [2].

Недостатком таких АОД является то, что в них полезно используется лишь часть генерируемой ультразвуковой мощности из-за дифракции света только на одном лепестке (из двух основных лепестков) диаграммы направленности (ДН) возбуждаемого ВШП звука. При этом суммарные звуковые потери превышают 3 дБ [3].

В настоящей статье представлены результаты исследования конфигурации АОПЧ СВЧ-диапазона длин волн на основе АОД с ВШП, в котором наряду с расширением полосы рабочих частот обеспечены условия для лучшей эффективности акустооптического взаимодействия.

АОД со сканируемым акустическим полем. Для применяемого в составе АОПЧ дефлектора с ВШП характерны следующие особенности [4], [5]. В светозвукопроводе АОД (например, кристалле LiNbOз Z-среза) диаграмма направленности ультразвука в направлении Z состоит из двух основных лепестков шириной по уровню 4/п2 , равной Дф = V/ /Ь, где V - скорость объемных ультразвуковых волн; / - частота радиосигнала; Ь - протяженность решетки ВШП. Углы отклонения этих лепестков от нормали к плоскости расположения ВШП изменяются с частотой радиосигнала как ф! = V//ё (ё - электрический период ВШП). Если ввести коэффициент к, задающий "края" ДН возбуждаемого 32 © Шибаев С. С., Волик Д. П., Роздобудько В. В., 2008

звука по уровню sine2 (1/ k) его интенсивности, то для каждого из лепестков ДН частотный ход их нижней (фн) и верхней (фв) границ может быть представлен в виде

Фн = Ф1 - vlk/L ; Фв = Ф1 + vlk/L • С1) При падении на данный лепесток лазерного излучения с длиной волны в вакууме X под углом 0п1, близким к углу Брэгга

0Б = ±Х//2nv (n - показатель преломления светозвукопровода) в АОД возникает режим дифракции, когда в полосе рабочих частот А/ угол 0п1 "подстраивается" под

оптимальный, равный |бБ|.

Фв

Фн

Ф0

Ф1

v\

А/

OS

Л fo

/т

Рис. 1

/2

/

Однако эта автоподстройка угла ф1 к энергетически оптимальному углу 0Б не является полной. Для точного выполнения условия, при котором угол падения света всегда соответствовал бы брэгговскому, траектория частотного сканирования этого лепестка ДН должна описываться функцией ф0 = у/ /ой + Х/о / 2уп - X/ / 2уп , где /о - заданная (выбранная) частота наиболее эффективного АО-взаимодействия.

Зависимости фн, фв, ф1 и фо от частоты радиосигнала / представлены на рис. 1,

причем прямая фо = ф (/) проведена через две характерные точки, одна из которых является точкой оптимального АО-взаимодействия (при / = /о), а вторая точка (/ = /т) получена из условия, что прямая фо = ф (/), являясь касательной к зависимости фв = ф (/) в этой точке, определяет максимальный диапазон рабочих частот А/ = /2 - /1 по заданному функциями фн (/) и фв (/) уровню неравномерности дифракционной эффективности.

Значение /т может быть найдено из решения уравнения фо (/) -фв (/) = о при условии, что /т является его единственным корнем: /т = /о + ^2/к (уД/ХЬ/п) . Граничные частоты /1 и /2 находятся из уравнения фо (/) -фн (/) = о:

/1,2 = /0 + К 2 + V2 )/ Vk ] (v/yfiZ,

n

Отсюда получим расчетную формулу для полосы рабочих частот АОД:

А/ = 4\'/^кХЬ/п , (2)

а выражение для электрического периода ВШП, являющегося гарантией максимума полосы А/ (при заданных X, к, Ь, у, /1), найдем из решения уравнения фо (/) = фв (/):

й = ( 2Ь/т )/[1 + ( 2\р2 )Д/кт ] ,

где г

= XL/0¡(nv2 ) .

ф

0

Отсюда fo определится как

fo = ( чЦЩП ) [у/ 2/ k + ( 2L/d ) - V2k ] = ( v/V^ ) s, (3)

где s = у/2/k + (2L/d) .

Представленный анализ, берущий свое начало в работе [4], справедлив для произвольных k ; если же неравномерность АЧХ АОД задать на уровне 4/п2 (4 дБ, k = 2 ), то (2) и (3) переходят в аналогичные формулы работы [5].

Из представленного рассмотрения следует, что при выборе электрического периода ВШП и его протяженности L, а следовательно, фактического задания частотного хода гипербол фв ( f ) и фн ( f ) положение полосы пропускания АОД на частотной оси и ее значение определятся величинами X и f .

Последний тезис иллюстрируется рис. 2, а, на котором функции фв ( f ) и фн ( f ) построены в соответствии с (1). Зависимости Ф01 (f ) = vj(fo\d) + ^ifoi/(2vn)-Af/(2vn) ; Ф02 (f ) = vj(fo2d) + A,fo2l(2vn) — A,f /(2vn) построены для двух разных Ai, А, и, соответственно, разных foi и fo2. Выражения для последних следуют из (3): foi = (vyfn/-^/ÂjZ )s ; fo2 = (vyfn/^2L ) s. При этом полосы рабочих частот A/i 2 вблизи foi и fo2 составят Afi = ; а/, = 4vVn/VkI2L соответственно и будут огра-

ничены частотами /ц, fi, и /2i, /22 исходя из заданной неравномерности АЧХ.

Идея одновременного использования двух лепестков ДН ВШП заключается в том, что на каждый из них необходимо организовать подачу под углами Эщ = Aifoi/2vn, 0Б2 = A,fo2/2vn лазерного излучения от источников с длинами волн Ai и А,. Для того

0 fu /01 /21 /02 /12 /22

а

0 /11 /01 /21 - /12 /02 б

Рис. 2

Ф

Ф

чтобы суммарная полоса рабочих частот АОПЧ была непрерывной (и максимальной): A/¿ = А/ + А/2, необходимо потребовать равенства граничных частот /12 и /21. Последнее может быть обеспечено, если значения и %2 будут связаны соотношением

VW^ = [* - (2 - V2)/yík ]/[5 - (2 + V2)/yfk ] (рис. 2, б).

Схема АОПЧ. Структурная схема АО-частотомера, использующего в своем составе АОД с ВШП, в котором организована дифракция одновременно на двух лепестках ДН возбуждаемого в его теле ультразвука (1 и 2), приведена на рис. 3. Данная схема отличается от традиционной тем, что в ней используются второй лазер с длиной волны %2, отличающейся от длины волны первого лазера , а также вторая интегрирующая линза Л2 и вторая линейка фотоприемных устройств ФПУ2 .

Поскольку в АОПЧ по схеме на рис. 3 полосы пропускания по каждому из направлений пропорциональны: А/ ~ Х-12 и А/2 ~ а применяемые ПЗС имеют одинаковую протяженность фоточувствительных линеек, равную W, фокусные расстояния линз Л\, Л2 должны выбираться из условий F\ = Wvj(Х\А/\); F2 = Wv¡(^2^/2 ). Для реализации в обоих каналах АОПЧ одинакового частотного разрешения соотношение апертур A\¡A2

1/2

падающих световых пучков должно составлять A\/ A2 = А/2/ А/ = (Х\/ %2 ) .

Пример расчета АОПЧ. Рассчитаем основные параметры АОПЧ, необходимые для реализации в нем Afe = 1500 МГц. Исходные данные для расчета выберем следующими:

v = 3590 м/с, показатель преломления LiNbÜ3 n = 2.23 ; расчет проведем для двух L, равных 1 и 1.1 мм; примем также, что нижняя граничная частота АОПЧ может иметь значения /1 = 1000, 1500 и 1750 МГц.

Зависимости A/¿ (^) и ^2 () для указанных L и /1 при k = 1.66 (ограничение по неравномерности -6 дБ) представлены на рис. 4. Сплошными линиями даны зависимости

Вход

>

Выход 1

Л1

ФПУ 1 Лазер 2

A2V< У ^02 1 2 A1 ^01

Рис. 3

Вы хо д 2

Л2

ФПУ 2 Лазер 1

1550 -

1500 —х

1450

f1 = 1000 МГц

1500 1750

1400

нм

350

300

250 -

A/s, МГц \ \ . \ / = 1000 мгц для L = 1 мм , а штрихпунктирными - для

L = 1.1 мм . Из рисунка видно, что для реализации диапазона АО-взаимодействия в диапазоне 1000.. .2000 МГц при L = 1 мм требуются лазеры с длинами волн A = 820 нм и

%2 = 328 нм, а при L = 1.1 мм - с длинами волн A = 746 нм и ^2 = 298 нм . Для перекрытия диапазона 1500.3000 МГц при L = 1 мм необходимы лазеры с длинами волн излучения A = 718 нм и %2 = 359 нм, а при L = 1.1 мм - с длинами волн ^ = 652 нм и %2 = 326 нм. Наконец, чтобы реализовать диапазон 1750.3250 МГц (таким диапазоном обладают широкополосные АОД фирмы "Brimrose"1), необходимо иметь = 687 нм и %2 = 370 нм при L = 1 мм ,

A = 625 нм и %2 = 336 нм при L = 1.1 мм.

Эксперимент. Экспериментальному исследованию подвергался АОПЧ, выпол-

200 | | _ ненный в соответствии со схемой на рис. 3.

^ь нм В АОПЧ применялись гетеролазеры типа KLM с = 657 нм и %2 = 532 нм. Оба лазера имели одинаковую выходную мощность р = 20 мВт. В составе АОПЧ использовались линейки ПЗС типа ТН7813 фирмы "е2у", отличительной особенностью которых являются высокие чувствительность (около 10 В • см2/мкДж ) и тактовая частота съема информации, равная 50 МГц. Интегрирующие линзы Л} и Л2 имели фокусное расстояние

F = 150 мм, обеспечивающее условия, при которых поперечник дифрагированного пятна света соответствовал 2-3 фотодиодам линейки ПЗС. В АОПЧ использовался АОД на ос-

о

нове LiNbÛ3, описанный в работе [2], с параметрами v = 3.59-10 м/с ; d = 31.24 мкм ; L = 1.187 мм . На частоте / = 1525 МГц для = 657 нм значение дифракционной эффективности АОД составило П1 = 2 %/ Вт , а на частоте / = 1750 МГц для %2 = 532 нм оно не превышало П2 = 4 %/ Вт . В диапазоне частот 1.2.2.5 ГГц коэффициент стоячей волны напряжения Кст и на входе АОД изменялся в пределах 2.6.

Входной сигнал на ВШП АОД подавался через СВЧ-усилитель, выходная мощность которого Рых = 0.2 Вт в полосе исследуемых частот поддерживалась постоянной. В схеме

600

700 800

Рис. 4

1 http://www.brimrose.com

36

на рис. 3 регистрировались амплитудно-частотные характеристики АОПЧ в каждом из оптических каналов. Результаты этих измерений приведены на рис. 5 (где In - нормированная интенсивность регистрируемого ФПУ света).

Из сопоставления теоретических (рис. 6) и экспериментальных (рис. 5) данных видно их хорошее количественное соответствие. В частности, теоретические значения A/¿,

fll, f22, A/l и 4/2 составили 805, 1400, 2205, 596 и 662 МГц соответственно. Эти же параметры в эксперименте оказались равными f = 760 МГц, f11 = 1460 МГц, f22 =

= 2220 МГц, f = 520 МГц, f = 560 МГц.

При наличии соответствующих лазерных источников в исследуемой схеме АОПЧ ее суммарная полоса рабочих частот может быть расширена примерно до f = 1200 МГц.

Целесообразность проведения приведенного в статье анализа продиктована открывшейся в настоящее время возможностью применения в составе АОПЧ гетеролазеров с широким набором длин волн.

В результате анализа показано, что в традиционной конфигурации АОПЧ с использованием обычной АО-элементной базы возможно получение расширенных полос анализа с одновременным улучшением его энергетических параметров.

Доработка обычных АОД, необходимых для использования в составе предложенного АОПЧ, должна состоять в улучшении согласования его ВШП на СВЧ и дополнительного просветления рабочих граней звукопровода на длине волны излучения второго лазера. Поскольку указанная доработка не является существенно затратной, а усложнение традиционной конфигурации АОПЧ не выходит за рамки обычного усовершенствования инженерного уровня, предложенный вариант широкополосного АОПЧ следует рекомендовать к практическому использованию.

Библиографический список

1. Роздобудько В. В. Широкополосные акустооптические измерители частотных и фазовых параметров радиосигналов // Радиотехника. 2001. № 1. С. 79-92.

2. Роздобудько В. В., Бакарюк Т. В. Акустооптический СВЧ дефлектор с поверхностным возбуждением ультразвука // Приборы и техника эксперимента. 2003. № 16. С. 74-76.

3. Балакший В. И., Парыгин В. Н., Чирков Л. Е. Физические основы акустооптики. М.: Радио и связь, 1985. 280 с.

Рис. 5

Рис. 6

4. Alphonse G. A. Broad-band acousto-optic deflectors using sonic gratings for first-order beam steering // RCA Rev. 1972. Vol. 33, № 3. P. 543-594.

5. Магдич Л. Н., Молчанов В. Я. Акустооптические устройства и их применение. М.: Радио и связь, 1978. 112 с.

S. S. Shibaev, D. P. Volik, V. V. Rozdobudko

Taganrog institute of technology of Southern federal university

Acousto-optic receiver-cymometer based on deflector with anthiphased ultrasound excitation

The acousto-optic SHF cymometer structure, containing deflector with antiphased transducers grating and two laser sources with different light waves, is analyzed. Unlike known acousto-optic receiver configurations the offered one is characterized with twice as much instantaneous analysis band.

Acousto-optic SHF deflector, antiphased transducer, laser source, analysis band

Статья поступила в редакцию 29 февраля 2008 г.

УДК 621.37/39

Б. Н. Вольфовский, С. С. Шибаев, В. В. Роздобудько

Технологический институт Южного федерального университета

I Алгоритмы вычисления частоты в акустооптических измерителях параметров радиосигналов

Предложены и проанализированы два эвристических алгоритма вычисления частоты как абсциссы оси симметрии видеоимпульса, считываемого с фотоприемника в акустооптических измерителях параметров радиосигналов. Приведены теоретические и экспериментальные оценки погрешностей. Экспериментально оцененная погрешность измерения частоты в расширенном динамическом диапазоне уровней входных сигналов не превышает 10 % от шага сетки частот измерителя.

Алгоритм, погрешность, акустооптический измеритель, распределение интенсивности

У различных по назначению измерителей параметров радиосигналов информация об измеряемом параметре часто характеризуется положением на оси абсцисс видеоимпульса, формируемого на выходе измерителя. При этом алгоритм работы устройства сводится к вычислению положения оси симметрии видеоимпульса на фотоприемнике и постановке ему в соответствие измеряемого параметра. Такие схемные и алгоритмические решения используются, например в измерителях, предназначенных для вычисления азимута или угла места цели, положения импульса на оси времени, положения спектральной функции на оси частот или положения светового сигнала на фотоприемнике в акустооптических измерителях частоты [1].

В настоящей статье рассмотрены два алгоритма решения подобных задач. Первый из них, в котором искомая абсцисса оси симметрии видеоимпульса ищется как абсцисса точки пересечения двух прямых, пригоден для линейного режима, а второй, в котором используется свойство симметрии видеоимпульса, - для нелинейного режима (режима ограничения) работы измерителя.

38

© Вольфовский Б. Н., Шибаев С. С., Роздобудько В. В., 2008