CC BY
19
ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК: 537.86, 623.465.1
Вагенлейтнер А. О.
студент факультет ФИТЭ Копнов Д.В. студент факультет ФИТЭ Сальникова А.И. студент факультет ФИТЭ Ульянова В.А. студент факультет ФИТЭ Пензенский государственный университет Российская Федерация, г.Пенза
ОБЗОР ВОЗМОЖНЫХ ОБЛАСТЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ РАДИОФОТОНИКИ В СОВРЕМЕННЫХ ИНЖЕНЕРНЫХ
РАЗРАБОТКАХ
Аннотация: Описаны наиболее перспективные области применения радиофотоники. Рассмотрена базовая схема построения и принцип работы радиофотонных волоконно-оптических измерительных приборов. Указаны основные преимущества данных устройств.
Ключевые слова: радиофотоника, волоконно-оптические системы, фотоны, СВЧ-сигналы.
Vagenleytner A. O.
student faculty's FITE Kopnov D. V. student faculty's FITE Salnikova A.I.
student faculty's FITE Ulyanova V.A.
student faculty's FITE Penza State University Russian Federation, Penza
OVERVIEW OF THE POSSIBILITY OF APPLICATION OF RADIO PHOTONICS IN MODERN TECHNICAL DEVICES
Abstract: The most promising fields of application of radiophotonics are described. The basic scheme of construction and the principle of operation of radio-photonic fiber-optic measuring devices are considered. The main advantages of these devices are indicated.
Key words: radio-photonics, fiber-optic systems, photons, microwave signals.
Радиофотоника является гибридным направлением, изучающим проблемы передачи, приема и преобразования сигнала с помощью направленного взаимодействия оптических и сверхвысокочастотных сигналов, промодулированных радиочастотой в специализированных наноструктурах. В последние десятилетия наблюдается ее активное развитие, благодаря чему появилась возможность создания радиочастотных устройств с параметрами, недостижимыми для традиционной электроники. Это связано с тем, что фотоны, в отличие от электронов, не имеют массы покоя и заряда, что дает эффективность и помехозащищенность обработки радиочастотных сигналов в оптическом диапазоне. Характеристики радифотонных измерительных систем и характеристики традиционных оптоволоконных измерительных приборов практически аналогичны.
Следовательно, данный факт может быть использован как для создания новых измерительных средств, так и для усовершенствования уже существующих.
Рассматриваются основные преимущества, основанные на характеристиках распространяемых фотонов и на характеристиках среды распространения (кварцевое оптическое волокно).
Фундаментальные преимущества радиофотонов [2]:
1. Исходя из основных свойств носителей информации: фотон - это элементарная безмассовая частица, которая может двигаться только со скоростью света. Заряд фотона равен нулю. Это обеспечивает:
• повышенную скорость обработки сигнала (до десятков фемтосекунд (1*10-15 сек));
• расширенную полосу пропускания сигнала (до терагерц).
2. Исходя из основных свойств среды распространения (кварцевое оптическое волокно) гарантируются:
• низкие потери при передаче (0,2 дБ / км) и их (почти) независимость от частоты модуляции в радиодиапазоне [5];
• расширенный рабочий диапазон частот (до 15 ТГц) [5];
• значительно лучшие массогабаритные характеристики (оптоволоконный кабель: вес 1,7 кг / км, диаметр 250 мкм; коаксиальный кабель: вес 560 кг / км, диаметр 10 мм) [5];
• нечувствительность к электромагнитным помехам: улучшает способность измерительных приборов функционировать при воздействии на них помех, увеличивает возможности устройства по защите от помех;
• Значительно лучшие характеристики фазы: стабильность фазы и согласованный прием и обработка сигнала.
В качестве реально достигнутых практических преимуществ можно назвать пример замены радиолокационных узлов на базе активных фазированных антенных решеток (АФАР) на радиофотонные [6].
Основными компонентами радиофотонной системы являются передатчик и приемник [5]. Фактически, во внешних системах модуляции передатчик представляет собой более сложное устройство, содержащее лазерный источник и модулятор в дополнение к электронным схемам управления (микропроцессору). В качестве приемников используются разные высокочастотные фотодиоды, а если необходимо определить фазу модуляции оптического сигнала, используется когерентный фотоприемник
1ередатчик Поиенник
1 1 В ы«ац
((< Ifi 1 1 >—» WW"»* ци<«т - V -I » па
■ 1 - г —t И
V »JftH0>r-J i i
1 1 i I
1 1 1 ecru Ы D-Mfl >«М<|» 7 4'Д». ш нш ЕЛМвп! 1к Q'Tii i i NMiuu tpmrmm* есгм 1гвкг at
I (ЗлК1рИ«вС«МЯ | с* и an) 1 !0пг#чео<1» тсмй смгна1| - рмчккга
Рисунок 1 - Оптические компоненты
Наглядным примером радиофотонных систем могут служить телекоммуникационные системы, линии связи, системы радиоэлектронной борьбы (РЭБ), радиолокационные системы, радиофотонные волоконно-оптические измерительные приборы (РФВОИП) [1].
Можно рассмотреть базовую схему построения РФВОИП (рисунок 2).
л1л А Т А
( ] > (
V. ~1 1 V
1 ■ ••о —о • >11 1 \
\ 1 /■ \
1сточни К ж Мод\ ль
оптического Ч эо_\ [ оптическая истема Н(\\\е оптоэлектронного
излучения ) с ресюразования
у к *
Электрический снгна: Измеряемая
зелнчннг
Оптический
Рисунок 2 - Структурная схема радиофотонного волоконно-оптического измерительного прибора: А - амплитуда оптического сигнала; ю -центральная частота оптического сигнала; и - центральная частота
РЧ-сигнала
Основными компонентами РФВОИП, обязательными при их создании являются:
• источник оптического излучения (ИОИ), в качестве которого
используется лазер;
• оптическая система, в качестве которой используется
оптическое волокно;
• модуль оптоэлектронного преобразования и электрооптический
модулятор (ЭОМ).
Радиосигнал ультравысокочастотных- и сверхвысокочастотных-диапазонов поступает на ЭОМ, где преобразуется в электронно -оптический сигнал. Далее сигнал проходит через оптическую систему, которая описывается передаточной функцией Н (ю, е), где при оказании внешнего воздействия изменяются его парамеры (амплитуда, частота, фаза и т.д) [4]. После оказанного воздействия сигнал попадает на модуль оптоэлектронного преобразования, который конвертирует его в сигнал, удобный обработки и измерений.
В большинстве случаев обработка РЧ-сигнала осуществляется с помощью прибора, который анализирует параметры радиоволны [3]. Также можно использовать другие устройства, принцип работы которых основан на одновременной демодуляции РЧ-сигнала.
В ходе рассмотрения данных волоконно-оптических измерительных приборов, целесообразно указать ряд достоинств [5]:
• небольшие размеры;
• малый вес;
• невосприимчивость к электромагнитным помехам;
• устойчивость к коррозии;
• способность осуществлять измерения по всей длине
оптического волокна;
• низкий уровень фазовых шумов и др.
С этими преимуществами связано их активное применение во многих областях науки и техники за последние годы (рисунок 3) [6].
Среди областей применения радиофотоники большое количество связанных с передачей радиосигналов на большие (десятки и сотни метров или несколько километров) расстояния [1]. Самые востребованные задачи:
• Передача с минимальными потерями сигналов связи;
• Передача СВЧ-сигналов внутри крупных объектов [5];
• Системы радиоэлектронной борьбы (РЭБ);
• Оптические линии задержки и обработки сигналов;
• Система калибровки радаров и РЛС;
• Фазированные антенные решетки (ФАР).
Рисунок 3 - Области применения радиофотоники
Радиофотоника является развивающимся направлением науки и техники, которое интенсивно совершенствуется в настоящее время. Достоинства данного направления позволяют создавать устройства нового поколения с исключительными функциями. Применение волоконно-оптических фотодиодных модулей в системах РЭБ и РЛС позволяет использовать оптические технологии для генерирования и анализа СВЧ -сигналов в широком частотном диапазоне, что сопутствует значительному уменьшению габаритов аппаратуры и повышению надежности таких приборов[1]. Малые оптические потери, невосприимчивость к электромагнитным помехам способствуют активному развитию
радиофотонных технологий в различных отраслях, что позволяет модернизировать волоконно-оптические устройства.
Радиофотонные волоконно-оптические измерительные приборы обладают преимуществами оптических и радиочастотных устройств. Исходя из современных способов реализации измерительных механизмов, инженеры могут спроектировать приспособления, параметры которых не только сопоставимы с традиционными волоконно-оптическими устройствами, но и получить более высокие точностные показатели измерительных установок. Кроме того, новейшие исследования позволяют усовершенствовать тактико-техническе характеристики действующих приборов. Опираясь на вышеуказанные преимущества, можно выдвинуть гипотезу о возможной замене традиционных устройств на радиофотонные волоконно-оптические измерительные приборы в различных сферах деятельности.
Радиофотоника является перспективной наукой будущего, поэтому развитие данного направления представляет собой глобальную задачу современности.
Использованные источники:
1. Белоусов А.А., Вольхин Ю.Н., Гамиловская А.В., Дубровская А.А., Тихонов Е.В. О применении методов и средств радиофотоники для обработки сигналов дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн // Прикладная фотоника. 2014. Т. 1. № 1. С. 65-86. doi: 10.15593/2411-4367/2014.1.06
2. Yao J. Microwave photonics: Optical generation and processing of microwave signals // ProlCAIT '08 Proc. of the 2008 International Conference on Advanced Infocomm Technology. 2008. P. 135. doi: 10.1145/1509315.1509450
3. Capmany J., Ortega B., Pastor D., Sales S. Discrete-time optical processing of microwave signals // Journal of Lightwave Technology. 2005. V. 23. N 2. P. 702-723. doi: 10.1109/JLT.2004.838819
4. Смит С. Цифровая обработка сигналов: практическое руководство для инженеров и научных работников. М.: Додэка XXI век, 2008. 720 с
5. Востриков Е.В.,Литвинов Е.В.,Волковский С.А.,Алейник А.С.,Польте Г.А.Применение радиофотоники в волоконно-оптических измерительных приборах // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2020. Т. 1. № 1. С. 1-23. doi:10.17586/2226-1494-2020-20-1-1-23
6. Р. П. Быстров, С. А. Соколов, В. А. Черепенин. Системы и устройства на основе радиофотоники применительно к радиолокации. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2017 №6.
