CC BY
8ВКВ0-2023- РАДИОФОТНИКА И ФИС
РАДИОФОТОННЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПОВЫШЕНИЯ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ РЛС НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ С ВБР ДИСКРИМИНАТОРОМ
Иванов А.А., Степура А.В., Мальцев А.В., Морозов О.Г.*
Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ, г. Казань * E-mail: ogmorozov@kai.ru DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-131-132
При разработке радиофотонных систем для измерения мгновенных микроволновых частот предъявляются все более высокие требования к их диапазону, точности и разрешению, которые могут быть удовлетворены только путем создания новых устройств и принципов работы [1]. Одной из проблем указанных радиофотонных систем является их малое разрешение в области низких частот (для диапазона УВЧ), что вызвано наличием достаточно плоской спектральной характеристики избирательного элемента, например, волоконной брэгговской решетки (ВБР), применяемой как дискриминатор в симметричных схемах. Ранее нами были предложены варианты устранения этого недостатка, связанные с применением ВБР с фазовым сдвигом [2] и предварительным разнесением несущей, умножением измеряемой частоты [3]. Некоторые авторы [4] использовали для устранения указанного недостатка нелинейные волокна с четырехволновым смешением в них.
В настоящей работе предложено использовать умножение и полигармоническое преобразование измеряемой мгновенной частоты, основанные на особенностях поведения функций Бесселя первого рода в амплитудных электрооптических модуляторах Маха-Цендера. При этом в первом случае повышение разрешения будет кратно коэффициенту умножения, а во втором - силу используемых гармоник измеряемой мгновенной частоты.
Умножение измеряемой мгновенной частоты. Спектрально чистое двухчастотное излучение с разностной частотой, равной измеряемой микроволновой частоте, было получено нами с использованием последовательного радиофотоного звена на основе лазерного диода и тандемного амплитудно-фазового модулятора (ТАФМ) [5].
Амплитудный электрооптический модулятор Маха-Цендера модулятор (АМ) работает в точке квадратуры, фазовый модулятор (ФМ) коммутирует фазу полученного АМ-излучения на 180° при каждом прохождении его огибающей минимума. На выходе звена получены составляющие, с амплитудами, определяемыми функциями Бесселя первого рода 1-го и 3-го порядков Ji(z)=0,64, J3(z)=0,06, где z это модуляционный параметр. Максимальный коэффициент преобразования первой полезной составляющей равен 0,64. Если Jj(z)=0,58 третью гармонику можно не учитывать. Есть еще два важных момента, которые необходимо отметить, равенство амплитуд спектральных составляющих и противоположность их фаз, вне зависимости от расположения рабочей точки, и простота перестройки частоты, что объясняется использованием одного модулирующего сигнала.
Поэтому на выходе второго каскада будет получена частота, умноженная на два, при компенсации внутренних составляющих за счет разности их фаз, а амплитуды внешних составляющих будут равны. Для генерации более высоких разностных радиочастот может быть использована конфигурация с применением большего числа каскадов ТАФМ.
Микроволновый сигнал измеряемой частоты подается на каждый каскад с некоторой фазовой задержкой Дф, связанной с распространением света в модуляторах и преобразованием поляризации внутри них. Таким образом, каскады ТАФМ с поляризатором-анализатором обеспечивают реализацию безфильтрового умножения частоты на базе амплитудного модулятора интенсивности, условие смещения рабочей точки которого может быть определено углом поляризации поляризатора-анализатора и состоянием угла поляризации входного света, и фазового коммутатора, в котором созданы условия для подавления внутренних частот излучаемой пары оптических компонент с заданной разностной частотой, лежащей в радиодиапазоне.
Реализация каскадов на фотонных интегральных схемах представляет собой достаточно компактное устройство с высокой устойчивостью к изменениям внешней температуры.
Основное назначение модуляторов на основе ниобата лития LiNbO3 - работа в полосе частот до 40-60 ГГц, частотный диапазон работы можно оценить, как до 100 ГГц для GaAs и свыше 100 ГГц для InP. Таким образом, с использованием схемы умножения на LiNbO3 или его тонких пленках можно получить разностные частоты соответственно 12, 24 и 32 ГГц для исходных частот 1,25, 3 и 4 ГГц (при умножении на 8). Погрешность измерения частоты по принципу работы частотомера для полученных частот будет в 8 раз меньше, чем для исходных.
ВКВО-2023- РАДИОФОТОНИКА И ФИС
Кроме того, увеличение коэффициента умножения может быть найдено при использовании отличных от J1(z) и J3(z) компонент. Например, из характеристик функций Бесселя для J4(z), J12(z) и J20(z), можно отметить, что при га<4,9 и m>7,5 оптическими боковыми полосами 12-го и больше порядка можно пренебречь. Оптические боковые полосы ± 4-го порядка имеют эффективные амплитуды при значениях индекса модуляции в диапазоне 1,5<m<7,5 и достигают максимального значения при m=5,318. Этот случай позволяет достичь 16-кратного умножения частоты.
Полигармоническое преобразование измеряемой мгновенной частоты. Для полигармонического преобразования измеряемой мгновенной частоты выберем следующие параметры, показанные в табл. 1. Максимальное число возможных к получению гармоник в соответствии с табл. 1 и 2 может достигать 7 плюс составляющая на частоте несущей. Полученные полигармонические излучения характеризуются неравномерностью амплитуд и уровнем подавления боковых составляющих.
Таблица 1. Параметры модуляции и выходного излучения по четным гармоникам
Параметры Количество нечетных Параметры Количество четных спектральных
модуляции и спектральных составляющих модуляции и составляющих
амплитуда N=8 амплитуда N=7
z 7,90 Z 6,59
Jl(z) 0,220 Ш 0,27
J3(z) -0,289 J2(z) -0,31
Js(z) 0,210 J4(z) 0,27
J7(z) 0,314 Je(z) 0,31
Для широкополосных измерений нами в [6] предложена двухкаскадная схема модуляции на АММЦ, позволяющая избежать ошибок, вызванных неравномерностью отклика любого из двух модуляторов, реализовать самокалибровку, увеличить диапазон измерения. В применении к нашей задаче будут последовательно будет формироваться АМ излучение с несущей (четные гармоники) и двухполосное излучение с подавленной несущей (нечетные гармоники), полученные на каждом из каскадов по методу Ильина-Морозова [7] в варианте его реализации на базе АММЦ, что позволит минимизировать структуру специального канала для измерения мгновенной частоты в низкочастотном диапазоне. При измеряемой частоте в 0,43 ГГц общая полоса полигармонического излучения составит 6,02 ГГц, при частоте в 2 ГГц - 28 ГГц. Таким образом в данном канале может рассматриваться избирательный элемент-дискриминатор типа ВБР с полосой пропускания по уровню
0.1. равной 30 ГГц. Зачастую такая же ВБР используется и в одноканальных измерителях мгновенной частоты.
Полигармоническое излучение позволяет использовать любую пару сформированных гармоник для анализа в контуре ВБР, даже если частота несущей расстроена относительно ее центральной частоты. Возможно три вида анализа: анализ каждой составляющей в отдельности (дифференциальный анализ), анализ огибающей каждой двухчастотной пары (интегрально-дифференциальный анализ), и анализ по всем компонентам (интегральный анализ). Все эти методы реализуемы и соответствуют одно-, двух- и полигармоническому зондированию ВБР с применением ограниченного числа оптических полосовых фильтров.
По результатам сравнительного анализа было показано, что проблема повышения разрешающей способности измерения мгновенной частоты микроволновых сигналов в симметричных схемах на избирательных элементах может быть решена с использованием радиофотонного умножения и полигармонического преобразования измеряемой частоты на ТАФМ. В числе преимуществ таких решений возможность повышения разрешения измерения частоты микроволновых сигналов в число раз, равное числу каскадов умножения (каждый каскад позволяет умножить частоту в 2 раза) или используемого числа гармоник.
Работа выполнена в рамках программы «Приоритет-2030».
Литература
1. Ivanov A., et al, Photonics. 9, 754 (2022)
2. Ivanov A., et al, Proc. SPIE, 10342, 103421 (2017)
3. Ivanov A., et al, 11th International Conference on Antenna Theory and Techniques, 425-428 (2017)
4. Bui L.A., Progress in Quantum Electronics, 69, 100237 (2020)
5. Morozov O.G., et al. Photon-express, 157, 16-24 (2019)
6. Morozov O.G., et al. Photon-express, 184, 11-15 (2022)
7. Il 'in G.I. et al., Proc. SPIE, 9156, 9156OM (2014)
