Измерение и стабилизация временной задержки в широкополосных аналоговых линиях при передаче радиосигналов на большие расстояния оптических Текст научной статьи по специальности «Физика»

ВКВО-2019- Радиофотоника

ИЗМЕРЕНИЕ И СТАБИЛИЗАЦИЯ ВРЕМЕННОЙ ЗАДЕРЖКИ В ШИРОКОПОЛОСНЫХ АНАЛОГОВЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЯХ ПРИ ПЕРЕДАЧЕ РАДИОСИГНАЛОВ НА БОЛЬШИЕ РАССТОЯНИЯ

111 2 2 Иванов С.И. , Лавров А.П. , Саенко И.И. , Звегинцев В.Н. , Подстригаев А.С.

1 Санкт -Петербургский политехнический университет Петра Великого, г. С.-Петербург

2 АО «НИИ «Вектор», г. С.-Петербург * E-mail: lavrov [email protected]

DOI 10.24411/2308-6920-2019-16044

Перспективы построении современных радиоэлектронных систем различного назначения все чаще связывают с применением в них аналоговых волоконно-оптических (ВО) линий передачи (ВОЛП) УВЧ- и СВЧ-радиосигналов [1, 2]. В ряде систем, например, при построении сверхширокополосных (с мгновенной полосой до нескольких октав) диаграммоформирующих устройств для фазированных антенных решеток, реализующих принцип «true-time-delay», при построении аналоговых ВОЛП с увеличенным динамическим диапазоном за счет использования в них интегрально-оптических модуляторов с парафазным выходом и балансных фотоприемников, при передаче синхросигналов на пространственно разнесенные приемные модули в радиоинтерферометрах [1, 3-6], необходим тщательный контроль электрической длины (ЭД) различных участков (ветвей) ВОЛП с высокой точностью - до единиц градусов фазы - и в реальном масштабе времени. На рынке представлена специализированная аппаратура для измерения электрических длин ВО трактов - рефлектометры двух основных видов: а) импульсные рефлектометры OTDR (optical time domain reflectometry), б) частотные рефлектометры OFDR (optical frequency domain reflectometry). Но первые не обеспечивают требуемую точность (в доли миллиметра при работе в Х-, Ка- диапазонах), а вторые весьма дороги. Заметим, что в радиоэлектронных системах ЭД важна применительно именно к СВЧ-сигналу, передаваемому по ВОЛП. Такая задача -измерение, контроль ЭД аналоговых ВОЛП на частотах СВЧ-сигнала - нами успешно решалась для разных ВО трактов, работающих как на прохождение [3, 4], так и на отражение (случай чирпированных брегговских решеток большой длины) [5].

Для измерения ЭД аналоговой ВОЛП, рассматриваемой нами как «гибридный» СВЧ четырехполюсник, содержащий внутри себя разнородные компоненты, в том числе и преобразователи «радио-оптика», «оптика-радио» и волноведущие тракты как радио, так и оптического диапазонов длин волн, нами используется векторный анализатор цепей (ВАЦ), позволяющий измерять 5-параметры СВЧ-четырехполюсников - комплексные величины 511, 512, 521 и 522. Для решения нашей задачи важен параметр 521: |521(/)| - это АЧХ четырехполюсника, а arg[521/)] - его ФЧХ. По измеренной ФЧХ ф(/ во всем рабочем (или интересующем) диапазоне частот А/аналоговой ВОЛП определяется групповое время задержки Td: Td = Аф/)/(А/360), и отсюда определяется ЭД линии Lb = с Td, где с - скорость э.м. волн в свободном пространстве, а Дф -изменение фазы, в градусах. Такая оценка ЭД Lb линии справедлива для аналоговых ВОЛП с Lb >> ^RF, где ^RF = с//. Заметим, что для расчета ЭД Lb нужна развернутая фаза (unrapping phase) Аф/), что выдвигает требование к ВАЦ на число используемых частотных точек Np в его измерительной «трассе», которое зависит от ЭД Lb линии и полосы частот А/. Реально по массиву экспериментально полученных отсчетов [фш /,] мы выполняем аппроксимацию фп(/,) линейной функцией ф(/) = A-/+ B, и уже по найденному значению A рассчитываем Td и Lb.

С применением ВАЦ мы выполнили измерения ЭД Lb нескольких различных ВОЛП, формируемых на основе модулей OTS-2 Optiva (фирма Emcore): передающего модуля OTS-2T/3.5-.0518-27-10-FA и приемного модуля OTS-2R/3.5-.0518-10-FA. Эти два модуля образуют аналоговую

ВОЛП с рабочим диапазоном частот по СВЧ-сигналу 0,1___18 ГГц и оптической несущей 1555,75 нм.

Измерения ЭД выполнены для ВОЛП с разной длиной ВО тракта (и составом входящих в него компонент) между передатчиком и приемником, в частности: линия № 1, где ВО тракт - короткий патч-корд с физической длиной 729 мм; линия № 2, где ВО тракт - кабель с физической длиной около 100 м; линия № 3, где ВО тракт - кабель с физической длиной около 1000 м. Другие ВОЛП включали дополнительные элементы, например, волоконный стретчер FST-001-B (фирма General Photonics).

94 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]

ВКВО-2019 Радиофотоника

Для оценки точности измерений, реализуемых с применением ВАЦ, были выполнены несколько последовательных измерений ФЧХ одной и той же ВОЛП в неизменных условиях. Для ВОЛП с малой длиной (№ 1) были получены такие значения величины Ыэ (для трех измерений): Ыэ,1 = 12,115066 м, Ыэ,2 = 12,115067 м, Ыэ,3 = 12,115069 м. Как видно, разность АЫэ составила

0.003.мм. Заметим, что большая ЭД этой линии (с коротким соединительным патч-кордом 729 мм) обусловлена большОй (и не контролируемой производителем Emcore) длиной используемых внутри модулей отрезков волокна, соединяющих друг с другом отдельные интегрально-оптические и волоконно-оптические компоненты в единое целое.

Измерения ЭД L2 линии №2 дали такие результаты: £2э,1 = 161,34781 м, L2э,2 = 161.34773 м, /,2э,3 = 161.34767 м, и для них разность АL2э составила 0,14 мм. Для линии №3 получено значение L3э = 1490,467 м.

Возмущения (вариации) ЭД Lэ аналоговых ВОЛП вследствие изменений температуры и механических, в частности, акустических, воздействий приводят к изменениям временных задержек и, соответственно, фаз СВЧ-сигналов на выходе ВОЛП [1, 6]. Так, например, вариации рабочей температуры ВОЛП приводят к изменению времени распространения сигнала в стандартном одномодовом оптическом волокне типа SMF-28e в соответствии с коэффициентом 30 пс/км/°С [1, 7].

Для стабилизации ЭД Ьэ аналоговых ВОЛП мы рассматриваем как перспективное применение волоконного стретчера типа FST-001-B, управляемого через пьезопривод электрическим сигналом.

Рис. 1 демонстрирует работу стретчера по компенсации возмущений, вносимых извне в линию с ЭД Ьэ « 40 м. Внешнее гармоническое воздействие осуществляется на частоте 1 Гц. Величина вносимых возмущений составляет около 6 градусов (по фазе, измерения на частоте f = 5 ГГц) - см. рис. вверху, а остаточные возмущения не превышают 0,2 градуса - см. рис. внизу; масштаб по вертикали на рисунках - 1 градус.

Отметим, что такого типа стретчер был успешно применен для реализации активно стабилизируемых ВОЛП, предназначенных для передачи СВЧ-синхросигналов из общего центра на гетеродины удаленных (расстояния - километры) СВЧ-приемников в уникальном многоантенном радиоинтерферометре

миллиметрового диапазона длин волн ALMA [8].

Таким образом, на основании проведенных исследований мы констатируем полезность применения ВАЦ для измерения ЭД Ьэ аналоговых ВО линий (с их сложной внутренней структурой) применительно к передаче по ним СВЧ-сигналов. Относительная точность измерений ЭД может достигать величины около 10-7.

Литература

1. 1Урик В.Дж., МакКинни ДжД, Вильямс Л.Дж. Основы микроволновой фотоники, (М.: Техносфера, 2016)

2. Голов НА, и др., Успехи современной радиоэлектроники, № 3, 18-31 (2016)

3. Ivanov S.I., et al, Lecture Notes in Computer Science 9870, 670-679 (2016)

4. Volkov V.A., et a, J. of Physics Conf. Series 737, paper 012002 (6) (2016)

5. Ivanov S.I., et al, Proc. SPIE10774, paper 107740W(2018)

6. Емельянов А.А., и др., Радиотехника, № 8, 121-126 (2017)

7. Zhang F., et al, Int. Topical Meeting on Microwave Photonics, 1-4 (2015)

8. Shillue B, et al, Proc. SPIE 8452, paper 845216 (2012)

Рис. 1. Работа стретчера компенсация внешних возмущений фазы СВЧ сигнала на выходе ВО

№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]

95