авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

И.Ю.Денисюк, Л.Н.Аснис, М.И. Фокина Н.О. Собещук

Применение элементов фотоники в специальной

аппаратуре

Учебное

пособие

s

Санкт-Петербург

2008

Министерство образования Российской федерации

Санкт-Петербургский Государственный университет информационных

технологий, механики и оптики

Применение элементов фотоники в специальной аппаратуре Учебное пособие С-Петербург 2008 2 И. Ю. Денисюк, Л.Н.Аснис, М.И. Фокина Н.О. Собещук СПб;

СПб ГУ ИТМО, 2008, - с.

Применение элементов фотоники в специальной аппаратуре В учебном пособие рассмотрены возможности применения элементов фотоники, в том числе в интегрально-оптическом исполнении, в перспективных радиолокационных системах с фазированными антенными решетками Пособие предназначено для бакалавров и магистров, обучающихся по направлению «Фотоника и оптоинформатика», а также студентов других оптических и информационных специальностей.

Одобрено на заседании Совета факультета «Фотоники и оптоинформатики» Санкт Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики 2008 (протокол № ).

© И.Ю. Денисюк, Л.Н.Аснис, М.И. Фокина Н.О. Собещук © Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, 1. Введение Лучом системы когерентных излучателей можно управлять, изменяя распределение фаз на излучателях. Одна из первых антенн с немеханическим управлением диаграммой направленности была построена для трансатлантической радиотелефонной линии связи в 1937 году. Эта антенна, обладая довольно высокой направленностью, позволяла изменять направление приема лучей в вертикальной плоскости и таким путем выбирать направление прихода лучей, наименее ослабленных при отражении от ионосферы. Так как благодаря направленным свойствам антенны осуществлялся прием только одного отраженного луча, то резко уменьшались замирания сигнала. Эта антенна представляла собой систему ромбических антенн, расположенных вдоль прямой на участке длиной около 1,5 км. Управление диаграммой направленности осуществлялось изменением фазовых соотношений между токами в отдельных ромбах. Высокой скорости управления лучом системы ромбических антенн не требовалось.

Развитие радиолокации поставило задачу управления диаграммой направленности антенны в течение интервалов времени, измеряемых вначале миллисекундами, а затем микросекундами и даже долями микросекунды.

Насколько можно судить по известным публикациям, первая антенна с электронным сканированием для применения в радиолокации была осуществлена в Ленинградском электротехническом институте (ЛЭТИ) в 1955 году в группе под руководством проф. Ю.Я. Юрова (1914-1955). В основу принципа действия антенны было положено управление фазами волн в нескольких излучателях антенны с помощью фазовращателей, содержащих ферритовые элементы. Как раз в те годы в электронике различных частот началось широкое применение ферритов - железосодержащих окислов металлов, которые являются диэлектриками, но обладают магнитными свойствами, близкими к свойствам железа. Работы по радиолокационному использованию антенн с электронным сканированием велись и в США. Первая публикация о фазовращателе на основе феррита, предназначенном для применения в антенне с электронным сканированием, появилась в конце 1954 года, а публикации по самой антенне - в 1956-1957 годах.

Проблема разработки антенны с электронным сканированием слагается из двух составных частей:

1) выбор числа излучателей и конфигурации их размещения;

разработка фазовращателей, управляющих фазой 2) электромагнитной волны в излучателях.

Впервые фазированные антенные решетки были применены на истребителях МИГ-16. Благодаря этому самолет мог одновременно вести до 16 целей, благодаря чему стал лучшим истребителем своего времени.

Фазированные антенные решетки чрезвычайно сложны в изготовлении.

Качество системы напрямую зависит от качества исполнения излучателей.

Необходимо получить максимально идентичные параметры у всех излучателей, а это очень трудно технологически. Вследствие этого ФАР до сих пор остаются самыми дорогими, но самыми эффективными в системах наведения, антеннами.

Фазированные антенные решетки нашли широкое применение в радиолокации, радиоастрономии, технике связи. Достаточно сказать, что радиолокаторами кругового обзора оснащены все аэропорты. Широко применяются АФАР в радиолокаторах в военной технике для контроля обстановки на суше, водной поверхности и в воздухе, в радиоастрономии (рис.1, 2).

Рис.1. Локатор с фазированной решеткой на Аляске Рис.2. Корабельные локаторы с фазированными антенными решетками В перспективе, при удешевлении производства ФАР, они найдут применение и в не военных областях деятельности человека. Например, ФАР - эта следующая ступень развития приемных антенн спутникового телевидения. Такую антенну не надо направлять на спутник, ее можно размещать и под значительным углом к источнику сигнала. Антенна самостоятельно обнаружит все интересующие спутники, запомнит направления на них и с легкостью сможет между ними переключаться. Пользователь даже не заметит момент переключения между спутниками. Так же будет устранена проблема вибраций приемной антенны. В настоящее время, сильный ветер может отклонить параболическую антенну в сторону. Из-за этого произойдет ухудшение качества телевизионного изображения или полная потеря сигнала. Фазированная антенная решетка самостоятельно обнаружит смещение источника сигнала и подкорректирует свою диаграмму направленности. В результате чего ухудшения качества принимаемого сигнала не произойдет.

Элементы фотоники давно и наиболее полно применяются в волоконно оптических линиях связи, оптических датчиках, в оптических системах обработки информации и других информационных системах.

В последние годы фотонику стали интенсивно внедрять в радиолокаторы с фазированными антенными решетками. Применение интегральных элементов фотоники существенно улучшает технические характеристики локаторов, обеспечивая:

- уменьшение весо-габаритных характеристик систем и стоимости, - увеличение скорости сканирования диаграммы направленности антенны, обеспечивая работу систем практически в реальном времени, - увеличение помехоустойчивости систем, - увеличение средней мощности и разрешения радиолокаторов.

В локаторах с фазированными решетками используют как аналоговые, так и цифровые оптические технологии. Основными элементами фотоники для этих систем являются оптическое волокно, модуляторы, фазовращатели, оптические разветвители и мультиплексоры, дифракционные решетки различного вида, фотодетекторы и лазеры.

Особенностью элементов для таких систем является необходимость обеспечения стабильности фазы и фазовой задержки сигнала, управляющего элементами антенны, так как она обеспечивают высокую точность работы локаторов.

В большинстве радиолокационных систем применяют чисто электронное управление фазированной антенной решеткой, однако в ряде случае (при необходимости использования малогабаритных локаторов, например, на различных носителях) целесообразно для формирования диаграммы направленности антенны использовать аппаратуру на основе фотонных элементов.

.Технология развития оптических элементов, в том числе, электронно управляемых и активных элементов, позволяет в настоящее время перейти на качественно новый уровень управления фазированными антенными решетками.

2. Принцип работы фазированных антенных решеток Фазированная антенная решетка (ФАР) является антенной решеткой с множеством идентичных элементов-излучателей с управляемыми фазами или амплитудно-фазовым распределением.

Простейшими антенными элементами электромагнитных волн являются вибраторы, щели, рупоры и т.д. Совокупность отдельных элементов представляет собой антенную решетку. Каждый элемент решетки излучает когерентные сигналы, а также осуществляет прием сигналов. Для осуществления когерентности сигналов, излучаемых отдельными элементами, как правило, возбуждение антенных элементов осуществляется от одного источника электромагнитных волн, а на приеме производится суммирование сигналов от отдельных элементов решетки.

Диаграмма направленности антенной решетки определяется интерференционным сложением электромагнитных волн, излучаемых каждой решеткой (аналогично на приеме). Если элементы решетки одинаковы, одинаково ориентированные и излучают синфазно, то антенная решетка является изотропным излучателем. При изменении фазы изучения в каждом элементе появляется возможность изменения волнового фронта излучения, т.е. изменения направленности излучения и приема излучения с этого направления при неподвижной антенне. Ширина лепестка излучения определяетcя отношением длины волны излучаемых электромагнитных волн к размеру антенны.

Поскольку управление фазой происходит электронными методами, управление направлением излучения носит практически мгновенный характер в отличие от механических систем сканирования, где время измеряется в миллисекундах и даже в секундах (при размерах антенн около 10 м).

Осуществление фазового сдвига для изменения диаграммы направленности антенны может быть при изменении возбуждающей частоты (частотное сканирование) или при применении перед каждым элементом специального фазовращателя (фазовый способ управления).

Возможно и сочетание этих способов.

В зависимости от требуемой диаграммы направленности и необходимого пространственного сектора сканирования в ФАР применяют различное взаимное расположение элементов (вдоль прямой линии, вдоль дуги, по плоскости, по сфере, в заданном объеме и т.д.). Форма излучающей поверхности (раскрыва) определяется конфигурацией объекта, на котором устанавливается антенная решетка.

Фазированная антенная решетка имеет дискретность антенных элементов, поэтому они имеют дискретность распределения фазового поля излучателей. При одинаковом расстоянии между элементами в раскрыве ФАР называются эквидистантными. Направленность излучения в значительной степени зависит от расстояния между излучателями (необходимо его делать меньше – длины волны излучения). Для уменьшения боковых лепестков в диаграмме направленности антенны иногда элементы антенны располагают на неодинаковом расстоянии друг от друга (неэквидистантные ФАР). При соответствующих условиях в этом случае можно получить более высокий коэффициент направленности, чем в ФАР с большим количеством элементов.

Режим работы ФАР может определяться как непрерывным, так и дискретным изменением разности фаз.

Многолучевые ФАР содержат несколько излучателей, возбуждаемых от нескольких входов, что позволяет создавать в пространстве несколько сканирующих лучей. Когда к каждому излучателю подключен управляемый по фазе передатчик (или приемник), то такие устройства называются активными (АФАР). Управление фазой в АФАР может осуществляться в трактах промежуточной частоты, в цепях управления передатчика, гетеродинных схемах приемников, т.е. в активных ФАР фазовращатели могут работать на частотах, отличных от рабочих частот, что существенно облегчает построение фазовращателей. В настоящее время наиболее часто в диапазоне СВЧ для изготовления фазовращателей применяются ферритовые (железосодержащие окислы металлов), сегнетоэлектрики или полупроводниковые материалы с быстродействием в микросекунды и потерями мощности около 20%.

Фазовращатели можно разделить на две группы:

- аналоговые фазовращатели (фазовый сдвиг представляет непрерывную функцию управляющего воздействия);

- цифровые (дискретные) фазовращатели.

В аналоговых фазовращателях используются, в основном, ферритовые материалы. Недостатками ФАР с плавным изменением фазы являются высокие потери в ферритах при большой скорости сканирования, сложность управляющих схем, трудность обеспечения высокой идентичности и стабильности работы ферритовых устройств, в том числе при изменении температуры.

В цифровых фазовращателях дискретными элементами являются ключи на полупроводниковом pin-диоде или транзисторе. Простейший коммутационный фазовращатель состоит из N постоянных фазовращателей и N коммутаторов, при включении которых фаза скачком изменяется на 0, /2, 3/2 и т.д. В отличие от аналоговой системы такая система легко электронно управляется и сопрягается с электронно-вычислительными комплексами, а также имеет большую стабильность параметров и, соответственно, большую точность диаграммы направленности.

Нашли применение различные схемы построения ФАР в зависимости от требований к системе. Пространственный способ возбуждения (называемый еще распределителем оптического типа) допускает два варианта антенн:

отражательную ФАР (рис.3) и проходную ФАР (рис.4).

Фидерный способ возбуждения (распределитель закрытого типа) допускает последовательное, параллельное, двоично-этажное (елочки) питание излучателей и фазовращателей и их комбинации. Находят применение гибридные антенны совместное использование ФАР и антенн оптического типа. Сочетание радиолинзы с ФАР или применение направленных излучающих элементов ФАР (зеркал, подрешеток и т. д.) позволяет получить те же результаты: уменьшение числа управляемых фазовращателей при ограниченном секторе сканирования.

Рис.3. Пространственный способ возбуждения.

Отражательная решетка.

Рис.4. Пространственный способ возбуждения.

Проходная решетка.

Сочетание линзы с ФАР расширяет сектор сканирования плоской ФАР.

Одновременно с этим происходит ухудшение других характеристик антенной системы.

Цилиндрическая решетка излучателей, подключаемая коммутаторами (с фазовращателями или без них) к возбуждающей системе полосковых линий, волноводов, радиальных волноводов и других элементов, позволяет сканировать в широком секторе углов.

Возможно применение многолучевых антенн, формирующих с одного излучающего раскрыва несколько диаграмм направленности (ДН), каждой из которых соответствует входной тракт антенны.

Многоканальный коммутатор, подключенный к входам многолучевой антенны, позволяет дискретно перемещать луч в пространстве в соответствии с характеристиками многолучевой антенны.

Необходимость использования многолучевого режима в радиотехнических системах приводит к созданию ФАР с несколькими независимыми сканирующими лучами. Возможный путь решения таких задач состоит в совмещении многолучевых антенн с системой управляемых фазовращателей и возбуждаемых через направленные ответвители магистральных волноводов.

Каждая из приведенных схем построения ФАР имеет свои преимущества и недостатки, и выбор той или иной схемы определяется поставленными требованиями к радиотехнической системе, последующей обработкой СВЧ сигнала, а также элементной базой.

Элементная база ФАР включает: излучатели, фазовращатели, коммутаторы, сумматоры (делители) мощности и линии передач СВЧ.

Центральным элементом - "кирпичиком", из которого строится ФАР. служит фазовращатель. Его важнейшими характеристиками являются мощности потерь, управления и предельно допустимая рабочая полоса частот, быстродействие, зависимость фазового сдвига от управляющего воздействия, габариты и стоимость. Волноводное, коаксиальное, полосковое, микрополосковое исполнение фазовращателя определяет выбор не только тракта СВЧ, но и тип излучателя. В диапазоне СВЧ нашли широкое применение полупроводниковые (p-i-n-диодные) и ферритовые фазовращатели, которые принято разделять на проходные или отражательные, взаимные и невзаимные, дискретные или плавные, с памятью фазового сдвига и без запоминания. Проходной фазовращатель - это четырехполюсное согласованное устройство СВЧ, вносящее дополнительный фазовый сдвиг от 0 до 360° - в зависимости от управляющего сигнала. Отражательный фазовращатель - это двухполюсное устройство (короткозамкнутый отрезок лини СВЧ), у которого фаза отраженной волны также управляется. Короткое замыкание выходных клемм в проходном фазовращателе преобразует его в отражательный.

Отражательный фазовращатель может быть преобразован в проходной за счет применения мостового устройства. Взаимный фазовращатель обладает одинаковым вносимым фазовым сдвигом при прямом и обратном направлении распространения волны, невзаимный этим свойством не обладает. Невзаимный фазовращатель, как правило, использует в электрически управляемой среде невзаимный эффект, например эффект Фарадея в феррите. Взаимный отражательный фазовращатель с Y-циркулятором образует проходной невзаимный фазовращатель.

Дискретный фазовращатель изменяет фазу выходного сигнала дискретно 360 (скачками) на =. Величину М для удобства управления ЭВМ выбирают M равной двум в целой степени, т. е. M = 2 p, где p = 1,2,3 - разряд фазовращателя.

Дискретный фазовращатель вносит максимальную величину фазовой ошибки.

= Нашли применение фазовращатели с - двухразрядные, = 45 - трехразрядные, = 22,5 - четырехразрядные и с меньшими дискретами.

Серийно выпускаются (как готовые изделия) полупроводниковые и ферритовые дискретные фазовращатели с использованием прямоугольной петли гистерезиса (ППГ). Они обладают элементом памяти, т. е. сохраняют внесенный фазовый сдвиг после снятия управляющего воздействия. Аналоговые фазовращатели - с плавным изменением фазы от управляющего тока (напряжения) - могут иметь дискретность фазирования при сопряжении с системой управления лучом антенны ЭВМ. Нашли широкое применение ферритовые взаимные и невзаимные фазовращатели, проходные и отражательного типа для различных поляризаций волны.

Разработаны фазовращатели на различные уровни мощности, рабочие диапазоны и разрядности. Ферритовые фазовращатели на длинах волн короче см могут обладать меньшими потерями, чем полупроводниковые.

Полупроводниковые фазовращатели имеют большее быстродействие и меньшие массу и габариты, но стоимость их выше. Увеличение разрядности приводит к дополнительным потерям, большей стоимости и увеличению мощности управления.

(0,5K 0,7 ) Размещение в плоской решетке с шагом излучателей с фазовращателями, элементами крепления и управляющими цепями, накладывает жесткие ограничения на их размеры. Эти трудности растут с уменьшением рабочей длины волны, и в миллиметровом диапазоне волн (особенно в коротковолновой части) приводят к новым конструктивным решениям электрически сканирующих антенн: электрически управляемым линзам, голографическим управляемым транспарантам и др. Одним из важнейших критерием выбора фазовращателя является его стоимость, в значительной степени определяющая стоимость всей ФАР.

В диапазонах KB и УКВ нашли применение в качестве устройств фазирования управляемые линии задержки - коммутируемые отрезки линии с волной Т длиной порядка половины раскрыва ФАР. Такие фазовращатели, называемые "тромбонными", обеспечивают работу в широком диапазоне частот.

Известны СВЧ-фазовращатели, использующие сегнетоэлектрики и газоразрядную плазму, но ненашедшие практического использования из-за низкой температурной стабильности и других неудовлетворительных характеристик.

Вторым важнейшим элементом ФАР СВЧ-диапазона является излучатель, в качестве которого используют вибраторы, открытые концы волноводов, диэлектрические стержневые, спиральные, щелевые и печатные излучатели и другие слабонаправленные антенны. Выбор типа излучателя определяется рабочим диапазоном и полосой частот, излучаемой мощностью, требуемой поляризацией, сектором сканирования луча и конструктивным исполнением фазовращателя и тракта СВЧ. В рабочей полосе частот и секторе сканирования излучатель должен иметь ДН в системе без провалов и быть согласован.

Оптимальная ДН излучателя плоской решетки, при которой излучатель будет во время сканирования согласован, а коэффициент направленного действия (КНД) cos, где - угол, отсчитываемый от нормали максимален, представляется как к раскрыву для произвольной плоскости. Это легко показать следующим образом.

Допустим, что излучатели в секторе сканирования согласованы, т. е. входные сопротивления неизменны. Следовательно, излучаемая мощность P у при отклонении луча неизменна. Из теории решеток и излучающих апертур известно, что при отклонении луча КНД падает по закону cos, т.е D0 () = D0 cos. Так 4r 2 Em как D0 =, где =, и поле антенны E m есть сумма полей элементов, P т.е. Emi ( ) = Em (0) cos. Это справедливо для эквидистантных больших решеток, в которых можно не учитывать краевые эффекты. Отличие ДН излучателя от идеальной, приводит к падению КНД и соответствующему рассогласованию тракта.

ДН элемента в решетке зависит от параметров излучателя, шага и конфигурации решетки, наличия конструктивных элементов крепления, укрытия и т. д. Улучшение ДН элемента и, следовательно, согласование можно достигать благодаря применению дополнительных элементов: многослойных диэлектрических покрытий, направляющих элементов (директоров, рефлекторов), диэлектрических заполнении, импедансных поверхностей и т. д.

В последние годы были проведены обширные теоретические и экспериментальные исследования перечисленных излучателей ФАР с целью поиска наилучших результатов. В теории были разработаны физические и математические модели для численных методов решения соответствующих краевых электродинамических задач. Созданы программы расчета характеристик и их оптимизации, которые позволяют по заданным требованиям к ФАР выбрать излучатели различных типов.

К элементной базе ФАР относятся система распределения мощности СВЧ на различных линиях передачи: мостовые устройства, направленные ответвители, двухканальные и многоканальные системы распределения мощности, поляризаторы и другие элементы трактов СВЧ антенн. Потребность в этой элементной базе зависит от выбранной схемы построения поляризационных характеристик. При пространственном способе возбуждения моноимпульсной ФАР используется несколько мостов СВЧ, с помощью которых формируются суммарно-разностные ДН. Фидерный способ возбуждения или создание ФАР с управляемой поляризацией резко усложняет систему распределения мощности СВЧ.

Широкоугольное сканирование в выпуклых ФАР или управление поляризацией поля дополняет элементарную базу коммутаторами СВЧ.

2.1. Характеристики ФАР Расчет характеристик ФАР по сравнению с расчетом ранее рассмотренных антенн значительно усложняется, так как требуется определять эти характеристики в секторе сканирования, т. е. ряде положений луча в пространстве и рабочей полосе частот, а также учитывать возможные различия в фазовом распределении и размещении излучателей. Прямые численные методы суммирования полей элементов ФАР малопригодны для выявлений основных закономерностей. Поэтому в теории ФАР развиты приближенные, но достаточно точные методы анализа и расчета, позволяющие установить последовательно влияние дискретности размещения и управления, полосы частот и сектора сканирования на основные характеристики.

2.1.1. Сектор сканирования и число управляющих элементов ФАР Пространственный сектор сканирования ФАР может быть задан предельным отклонением луча по азимуту ± c и месту ± c или телесным углом обзора c в стерадианах. Зная требуемую рабочую длину волны, направленность действия (ширину луча 2 0.7 E и 2 0.7 E или КНД) D0 можно установить минимальное число управляющих элементов N. Размер антенны L связан с шириной луча соотношением 2 0.7 E = L. Ширина ДН элемента ФАР по нулевому уровню должна быть больше 2 c по крайней мере на 2 0.7 E, т.е. - размер элемента Lэл определяется как:

2 сх + 2 0.7 E (1).

Lэл Приближенно число управляемых элементов:

L 2 сх = + 1, N Lэл 2 0.7 E (2) и при двухмерном сканировании:

2 сх 2 сх N = + 1 + 1.

2 2 (3) 0.7 E 0.7 E Известны и другие подходы к определению N, например на основе КПД:

сх N= D0. (4) Практически число управляемых элементов в ФАР превышает найденное по формулам (3) и (4) и связано с допустимым уовнем бковых лепестков (УБЛ) и изменением направленности в секторе сканирования. В плоской АР при движении луча изменяется его ширина, УБЛ и соответственно КНД, что ограничивает используемый на практике сектор сканирования до ± (45... 60)°. Для получения больших секторов сканирования возможно применение системы плоских решеток или выпуклой ФАР.

Необходимое число управляющих фазовращателей в плоской ФАР будет найдено из условия дискретизации излучающего раскрыва.

Полоса пропускания ФАР. Рассмотрим частотные свойства, связанные с построением ФАР, в предположении, что элементная база (фазовращатель, излучатель, линия передачи и т. д.) не ограничивает полосу пропускания. В ФАР с параллельным питанием линиями равной электрической длины начальное фазовое распределение не зависит от частоты и может быть равномерным.

Широкополосные (диапазонные) фазовращатели создают фазовые сдвиги, также независимые от частоты. При отклонении луча от нормали с плоской решеткой на гл необходим угол фазовый сдвиг между двумя произвольными излучателями, отстоящими друг от друга на d в плоскости сканирования, 2d sin гл определяемый по формуле = Изменение длины волны, на величину приведет к отклонению луча на гл, определяемому из условия:

2d sin ( гл + гл ) 2d sin гл = =. (5) + Отсюда находится частотный ход луча:

гл = tg гл, (6) который не зависит от размера антенны и растет с отклонением луча гл.

В результате этого изменяется направленность действия: растет УБЛ и падает КНД. Задавшись допустимым изменением характеристик, можно найти рабочую полосу. Если принять, что смещение луча не должно превышать половины его ширины, то:

tg гл (7).

2 2 L cos Если задаться допустимым падением КНД на 1 дБ в секторе ± 60°, то расчеты позволяют установить простую связь между рабочей полосой частот в процентах и шириной диаграммы направленности антенны в градусах:

f (8) % 2 0, 7 E.

f В качестве критерия рабочей полосы может быть принято изменение уровня боковых лепестков (УБЛ). При определении полосы необходимо также учитывать характеристики сигналов (очень короткие импульсы, длинные импульсы с меняющейся частотой и т. д.). Переход к пространственному или последовательному возбуждению элементов АР мало изменяет полосу пропускания. Незначительная рабочая полоса и уменьшение ее с ростом направленности является существенным недостатком ФАР.

Известны два способа построения широкополосных ФАР. В первом случае фазовращатели в ФАР заменяют управляемыми линиями задержки: отрезками линий с волной типа Т, плавно (дискретно) изменяющими длину в пределах половины длины раскрыва антенны ("тромбонными" фазовращателями). В такой антенне разность хода лучей компенсируется длиной питающих линий. Такие устройства реализуются в КВ-диапазоне и мало пригодны на СВЧ.

Второй способ основан на использовании выпуклых ФАР. Как следует из соотношений (6) и (7), расширение полосы пропускания достигается уменьшением гл. В этих ФАР широкоугольное сканирование обеспечивается коммутацией излучающей части антенны, а формирование луча происходит в условиях, близких к излучению по нормали в плоских АР. В осе-симметричных выпуклых ФАР удается не только ослабить или устранить частотный ход луча в широкой полосе частот, но и уменьшить частотное изменение ширины ДН.

Однако конструкция таких антенн значительно усложняется по сравнению с конструкцией плоских антенн, так как кроме фазовращателей необходима система коммутаторов, управляющая излучающим сектором, и растет число управляемых элементов ФАР.

2.1.2. Дискретность фазирования и расположение излучателей Управление фазовым распределением в ФАР возможно с помощью фазовращателей, дискретных или непрерывных с плавным изменением фазы.

Применение тех или других фазовращателей приводит к появлению фазовых ошибок в раскрыве ФАР и ухудшению КНД, УБЛ и точности установки луча. В непрерывных фазовращателях эти ошибки вызваны различными деста билизирующими факторами (старением, повышенной температурой, флуктуацией управляющих токов, напряжением и т. д.). Для борьбы с ними требуются специальные меры. Это является основным недостатком непрерывных фазовращателей.

Указанные недостатки в значительной степени устраняются применением дискретно-коммутационного способа сканирования, предложенного профессором МАИ Л. Н. Дерюгиным в 1960 г. В этом способе фазирование осуществляется с помощью коммутаторов или дискретных фазовращателей, имеющих фиксированные значения фазы, устойчивых к различным дестабилизирующим факторам, что достигается применением в полупроводниках, ферритах и других управляемых средах соответствующих режимов работы, при которых используются устойчивые (крайние) участки их характеристик (насыщения, гистерезиса и т. д.). Управление лучом в этом случае сводится к простейшим операциям включения или выключения отдельных коммутаторов. Этот способ сканирования приводит к появлению коммутационных фазовых ошибок, равных половине дискрета изменения фазы в фазовращателе, т. е.. Коммутационные фазовые ошибки вызывают снижение КНД, увеличение УБЛ и дискретность движения луча при сканировании. Аналогичное ухудшение направленности имеет место в ФАР с непрерывными фазовращателями в результате дискретности фазирования от сопряжения с системой управления лучом ЭВМ, тоже дискретной.

Влияние коммутационных ошибок на характеристики антенны зависит от начального фазового распределения в ФАР, положения точки начала отсчета фаз и числа излучателей. При начальном фазовом распределении ( x ) = const для направления луча гл, при котором требуемый фазовый сдвиг между соседними ' = kd sin 'гл =, излучателями кратен дискрету фазирования, т. е.

где - целое число, фазовые ошибки в ФАР и ухудшение характеристик 'гл, при которых имеет ' отсутствуют. Для направлений луча место = kd sin 'гл = + ' возникают максимальные фазовые ошибки, периодически повторяющиеся по раскрыву. В этом случае резко (зачастую недопустимо) возрастает один из боковых лепестков и значительно падает КНД. В теории коммутационных антенн была показана возможность уменьшения УБЛ путем размывания их в широком секторе углов при различных положениях луча. Это достигается в плоских АР квадратичным начальным фазовым распределением:

n2 m н = +. (9) 2N M Здесь n, m - номера излучателей с прямоугольным размещением излучателей в решетке из N столбцов и Q строк и с n = m = 0 в центре АР. Из-за наличия коммутационных фазовых ошибок КНД антенны уменьшается:

sin D = D0 (10), где D0 - КНД эквивалентной антенны без коммутационных фазовых ошибок.

Уровень бокового излучения (по полю) обусловлен коммутационными фазовыми ошибками плоской АР с равномерным распределением поля:

q= (11).

NQ Дискретность изменения фазы приводит к скачкообразному перемещению луча в пространстве и определяет точность установки луча. На точность влияет положение начала отсчета фазы (в центре или крайний излучатель). Среднее значение дискретного перемещения луча при расположении начала отсчета фазы в центре:

2 0.7 E (12) гл =.

2N Разрядность фазовращателя, т. е. дискретность фазирования, может быть установлена из условия максимума коэффициента усиления антенны G = D, где - КПД антенны, включающий потери в фазовращателе. Увеличение разрядности дискретного фазовращателя приводит к увеличению потерь, т. е. падению но возрастанию КНД. В зависимости от рабочего диапазона частот, уровня технологии, требований к УБЛ, гл и т. д. могут использоваться фазовращатели с разрядностью от 2 до 5. Значение разрядности определяется в каждом конкретном случае.

Квантование амплитудного распределения в раскрыве связано с размещением излучателей в апертуре антенны. Квантование по амплитуде, как и по фазе, обусловливает нарушение непрерывности распределения поля, которое может носить периодический характер и вызывать возникновение дополнительного уровня боковых лепестков, аналогичных по структуре дифракционным лепесткам ДН. Исходным фактором дискретизации излучающего раскрыва является практически реализуемый шаг в решетке. Размеры поперечного сечения фазовращателя с элементами крепления и управляющими цепями в СВЧ-диапазоне оказываются такого же порядка, как допустимый шаг, определяемый из режима однолучевого сканирования в коротко-волновые частоты КВЧ и на более высоких частотах. Возможно увеличение в раза шага в решетке с треугольной сеткой размещения излучателей, при которой условие имеет вид:

d (13).

3 1 + sin гл max Второй возможный путь увеличения шага излучателей - применение неэквидистантного размещения излучателей. В остронаправленной антенне допустимый шаг может быть также увеличен путем ограничения сектора сканирования гл max этом случае применяется направленный элемент АР с шириной ДН 2 гл max в качестве которого может быть использована направленная антенна (апертурный излучатель) или группа синфазновозбужденных слабонаправленных элементов, называемая подрешеткой и управляемая одним фазовращателем.

Размеры Lx, y подрешеток выбираются в соответствии с заданным сектором сканирования и допустимым уровнем дифракционных максимумов высших порядков. Последнее можно пояснить следующим образом. При отклонении луча ФАР к краю сектора сканирования начинается возрастание уровня дальнего бокового лепестка, вызванное наличием в множителе решетки с большим шагом побочных главных лепестков и излучением за пределы сектора сканирования элемента АР.

' Размеры подрешеток Lx, y вдоль осей х, у соответственно можно определить из соотношения:

L'x, y = (14) (1 + )(sin гл max ), где - допустимый УБЛ дальнего бокового лепестка (дифракционного максимума высшего порядка). Зная Lx, y или, соответственно, шаг излучателей и размеры раскрыва, можно найти число управляемых элементов плоской ФАР.

Для получения малых УБЛ необходимы, как известно, плавные, спадающие к краю раскрыва амплитудные распределения. Изменение амплитудного распределения в АР производится дискретно и зависит от шага размещения и формы апертуры излучателя. Дискретность обусловливает появление дополнительных боковых лепестков квантования, которые могут быть уменьшены треугольной сеткой расположения и частичным перекрытием апертур элементов.

2.1.3. Изменение характеристик направленности в секторе сканирования В рабочем диапазоне частот и секторе сканирования происходят изменения ширины ДН, КНД и уровня боковых лепестков. В антеннах с круговой или управляемой поляризацией изменяется поляризационная характеристика.

Наиболее важным для радиотехнической системы является коэффициент усиления (КУ) ФАP в секторе сканирования. КУ является интегральным параметром, учитывающим все изменения направленности и все тепловые потери в фазовращателях, излучателях и системе возбуждения. На стадии проектирования ФАР произвести точный расчет ожидаемого КУ в секторе сканирования и диапазоне частот оказывается затруднительно. Это связано с трудностями нахождения в фидерной системе возбуждения тепловых потерь и рассогласования, а при пространственном способе возбуждения - дополнительных потерь на рассеивание облучателем и коллекторной решеткой. Можно приближенно оценить изменение КУ в секторе сканирования из соотношения:

2 sin 2 G ( гл ) = 2 F ( гл ) SK ИП (15) Здесь S - площадь изучающего раскрыва;

K ИП - апертурный коэффициент F 2 ( гл ) - ДН использования, учитывающий амплитудное распределение;

излучателя в решетке с учетом взаимодействия элементов;

- КПД ФАР, учитывающий все потери в излучателях, фазовращателях и системе возбуждения.

ДН излучателя в решетке F ( ) существенно отличается от идеальной ДН F ( ) = cos наличием провалов в ДН для некоторых направлений и меньшим КПД для углов 45°. Эти обстоятельства приводят к значительному падению КУ при отклонении луча. Провалы в ДН элемента (парциальной ДН) вызывают так называемое "ослепление" ФАР для определенных направлений луча. Это сопровождается резким возрастанием УБЛ. Ослепление ФАР недопустимо, поэтому для исключения этого явления проводится оптимизация парциальной ДН с помощью выбора типа излучателя, его размещения, диэлектрического заполнения или укрытия и т. д.

КПД ФАР существенно зависит от рабочего диапазона длин волн (УКВ, СВЧ, КВЧ и т. д.) и элементной базы. В СВЧ потери могут составлять в фазовращателях приблизительно 1...1,5 дБ;

потери в системе возбуждения, включая формирователи суммарноразностных ДН антенны, такого же порядка.

В результате КПД может составить 50...60%.

Для определения уровня достигнутых результатов при проектировании и изготовлении ФАР их характеристики направленности сравнивают с эквивалентной зеркальной антенной, которая является эталоном.

2.1.4. Характеристики управления и общетехнические характеристики Темп обзора пространства, время установки луча в произвольную точку сектора сканирования, точность установки луча (или нуля разностной ДН моноимпульсной антенны) и потребляемая мощность управления лучом относятся к характеристикам управления ФАР. Эти характеристики в свою очередь зависят от параметров фазовращателей, выбранной схемы построения, принятых конструктивных решений и системы управления лучом. Между этими характеристиками имеется взаимосвязь. Так, например, быстродействие фазовращателя может быть увеличено за счет большей мощности управления.

При движении луча требуемая скорость переключения фазовращателей зависит от начальной точки фазирования. При выборе ее в центре раскрыва скорость уменьшается в два раза по сравнению с начальной точкой фазирования на краю, точность установки луча тоже может быть изменена выбором начальной точки фазирования или алгоритмом управления. Алгоритмы фазирования системы управления лучом зависят от размещения излучателей в решетке, схемы построения, конструктивных решений и т. д. Так;

например, размещение излучателей в узлах прямоугольной сетки координат допускает строчно-столбцовый способ управления лучом по двум угловым координатам.

Неэквивалентное размещение излучателей приводит к поэлементному управлению фазовращателями, что может уменьшить быстродействие. Удаление от фазовращателей системы управления лучом влияет на ее характеристики. В полотне ФАР с плотным размещением элементов, не допускающем расположения между фазовращателями элементов системы управления, последняя удалена от ФАР и связана с ней системой линий передач управляющих команд. Это обстоятельство ухудшает рассматриваемые характеристики и усложняет ФАР.

Отражательная решетка лишена этих недостатков, так как позволяет разместить систему управления на обратной стороне отражающего полотна. Отмеченные взаимосвязи, хотя и влияют на характеристики управления, но зависят от быстродействия фазовращателя, мощности управления и дискрета фазирования.

Так, на стадии предварительного проектирования время установки луча находится как время переключения фазовращателей с учетом системы управления.

Основная часть мощности управления потребляется фазовращателями. Хотя мощность управления одним фазовращателем может быть от долей до единиц ватт, мощность, поступающая к полотну ФАР от системы управления, достигает киловатт. Эта мощность плюс мощность потерь СВЧ в ФАР определяют температурный режим. В передающих ФАР возникает необходимость системы теплоотвода. Изменение температуры полотна при работе влияет на характеристики ФАР.

Точность установки луча (нуля разностной ДН) может быть достаточно высокой при большом числе излучателей N, как это следует из (12). Точность определения угловых координат целей радиотехнической системой зависит от дальнейшей обработки сигнала.

ФАР, как и любая другая радиосистема, имеет следующие общетехнические характеристики: стоимость, габариты, массу, надежность, боевую живучесть, ремонтопригодность, условия эксплуатации, электромагнитную совместимость и т. д. Эти системные характеристики зависят как от антенны, так и от всей системы;

технологии, производства, развития элементной базы и т. п. Однако можно выделить ряд параметров ФАР, наиболее влияющих на рассматриваемые характеристики. Так, стоимость ФАР в первую очередь определяется стоимостью фазовращателя с управляющим элементом и их числом в решетке.

Массогабаритные характеристики зависят от используемой элементной базы, которая может состоять из волноводов, полосковых, микрополосковых линий, интегральных схем СВЧ и т. д. Схема построения (проходная, отражательная, с фидерным возбуждением и т. д.) и конструктивное исполнение отдельных элементов и всей системы определяют надежность, ремонтопригодность, живучесть и т. д. Излучатели с фазовращателями или их группа могут быть выполнены в виде отдельных устройств - модулей (или печатных плат). Такое модульное исполнение имеет ряд преимуществ, например простоту замены вышедшего из строя элемента.

2.1.5. Совмещенные ФАР Функциональные возможности ФАР расширяются с помощью так называемых совмещенных ФАР, в которых, как и в многолучевых (матричных или многоканальных) антеннах (МА), из одного раскрыва формируются два (или больше) независимых луча. Независимое электрическое сканирование в совмещенной ФАР обеспечивается работой на разнесенных частотах для каждого луча. Частотное разделение входов (выходов) совмещенной ФАР может быть дополнено размещением излучателей и поляризационным разделением каналов. В качестве примера, показывающего необходимость построения подобных антенн, можно привести ФАР, устанавливаемую в носовой части самолета. Эта ФАР должна обеспечивать работу носового радиолокатора, управление полетом, опознавание ("свой-чужой"). Совмещение работы на нескольких частотах в остронаправленных антеннах впервые стали применять в больших дорогостоящих зеркальных антеннах. Так, например, в радиотелескопе РТ-22 использовали совмещенный облучатель, работающий в миллиметровом, сантиметровом и дециметровом диапазонах волн. В настоящее время наиболее распространены двухчастотные совмещенные ФАР в СВЧ-диапазоне.

Остановимся на возможных принципах построения этих совмещенных ФАР диапазона СВЧ. Совмещаемые решетки можно расположить одна над другой на некотором расстоянии. Причем верхняя решетка является вибраторной, и излучателями нижней решетки могут быть волноводы, щели, вибраторы и др.

Совмещение решеток можно выполнить в одном излучающем раскрыве, размещая излучатель одного диапазона между излучателями другого диапазона.

Такое совмещение удобно проводить для щелевых, волноводных и вибраторных излучателей. Имеется принципиальная возможность повторения совмещенных ФАР на одной излучающей решетке, обладающей широкополосными свойствами, достаточными для работы на частотах f1, f2. Однако здесь возникает проблема размещения в решетке системы направленных частотно-разделительных фильтров, помимо фазовращателей для каждого диапазона. Известны и другие принципы построения этих антенн с различными гибридными антеннами.

Совмещение двух решеток одна над Другой или одна в другой приводит к ухудшению их электродинамических характеристик. Проведенные исследования таких антенн показывают, что совмещение приводит к падению усиления, увеличению УБЛ и ограничению сектора сканирования. При соотношении частот f1 f 2 2 K 4 наиболее ухудшаются характеристики высокочастотной решетки.

Разработаны различные методы ослабления взаимного влияния при совмещении и расчете совмещенных ФАР.

2.1.6. Активные ФАР ФАР и построенные на их основе антенные системы с пространственно временной обработкой сигнала обладают большими функциональными возможностями и находят широкое применение. Одним из существенных недостатков ФАР являются значительные потери. В бортовых ФАР применение полосковой техники позволяет снизить стоимость, повысить надежность и уменьшить массу и габариты.

Полосковые и микрополосковые устройства применяются для канализирующих систем, делителей мощности, направленных ответвителей, излучателей, фазовращателей и т. д. Существенным недостатком полосковой техники являются значительные потери в сантиметровом диапазоне и особенно в коротковолновой его части, которые еще более увеличивают общие потери в ФАР. Включение активного элемента (генератора, усилителя, преобразователя частот) в тракт СВЧ-излучателей ФАР позволяет не только устранить потери, но и существенно изменить систему возбуждения, формирования луча и его управления. Активный элемент (или прибор) в тракте возбуждения превращает антенную решетку из пассивного взаимного устройства в активную фазированную решетку, в которой при приеме и передаче используют различные активные элементы. Последнее объясняется невзаимностью активных элементов.

Нашли практическое применение приемные, передающие и приемопередающие АФАР, имеющие одну антенную решетку с антенными переключателями или циркуляторами для каждого излучателя.

Наличие активного элемента в передающих АФАР позволяет поднять КПД и достичь очень больших мощностей излучения, упростить требования к фазовращателям, поднять надежность и получить ряд других преимуществ.

Активный элемент в приемных АФАР позволяет не только понизить шумовую температуру антенны (поднять чувствительность), но и провести обработку сигнала или на частотах принимаемого сигнала, или на более низкой промежуточной либо более высокой частоте при голографических методах обработки. При этом можно в приемной АФАР проводить пространственно временную обработку сигнала, используя аналоговые, цифровые, корреляционные, радиооптические и другие известные методы обработки сигнала. Становится также возможным существенное улучшение некоторых требуемых антенных характеристик. Однако следует особо подчеркнуть, что это будет связано с ухудшением других характеристик.

С применением оптических методов формирования и детектирования сигналов значительно повышается помехоустойчивость систем, главным образом, за счет уменьшения паразитных электрических наводок, создается возможность управления ФАР практически в реальном времени. Все это стало возможным с развитием методов волоконной оптики и сверхвысокочастотной модуляции оптического излучения, появлением новых быстродействующих оптических сред, развитием методов интегральной оптики на базе нанополимерных технологий и интегральной кремниевой электронной технологии.

С одной стороны, оптические и оптоэлектронные компоненты специально для локационных систем с АФАР пока окончательно не разработаны. С другой стороны, системы с АФАР перспективны для применения во многих отраслях народного хозяйства, космической и военной технике. Поэтому тенденция развития систем с АФАР (особенно малогабаритных систем) связана с применением оптических методов управления фазой АФАР и разработкой специализированных оптических элементов.

Практическая реализация систем с АФАР с оптическим трактом передачи, обработки и распределения сигнала по отдельным излучателям началась за рубежом с 1990-х годов. Реализация систем велась, в основном, на базе оптоэлектронных и оптических элементов, предназначенных для оптических волоконных систем связи.

3. Основные оптические схемы АФАР Для осуществления управления элементами антенной фазированной решетки применяют два метода обеспечения сдвига фаз на элементах – метода изменения фазы с помощью фазовращателей и метода обеспечения фазового сдвига путем фиксированной временной задержки управляющих сигналов, при этом линии задержки могут сочетать в себе и большое и малое время.

Как та, так и другая схемы имеют преимущество и недостатки. Важным преимуществом схем с фазовращателями является их относительная простота, большой диапазон изменения фазового сдвига, плавность перестройки, возможность использования большого количества элементов антенн. Недостатком является трудность осуществления линейного режима регулировки фазы, зависимость от длины волны света. Преимуществом систем с временными линиями задержки является возможность построения схем с задержкой, независимой от длины волны. Недостатком – дискретность задержек, трудность осуществления стабильности коротких линий задержки.

В системах АФАР применяются как те, так и другие схемы.

В работе [1] рассмотрена система АФАР, структура которой повторяет традиционную АФАР с электронным каналом СВЧ обработки радиосигнала (рис. 5).

Антенна предназначена для использования в диапазоне 400 - 450 МГц.

Поскольку в то время отсутствовали некоторые компоненты, разработанные позднее, в данном проекте были использованы компоненты, разработанные для телекоммуникации, а также варианты тех же компонентов, улучшенные в ходе выполнения проекта. В ходе выполнения двухгодичного проекта TRP (The Analog Optoelectronic Module Technical Reinvestment Project) на базе имеющихся коммерчески доступных компонентов цифровой фотоники были разработаны специализированные компоненты для аналоговой фотоники. В двух таблицах ниже приведены характеристики компонентов, существовавших до проекта (Таблица 1) и после проведения проекта (Таблица 2).

Рис. 5. Испытание подрешетки с фотонной обработкой радиосигнала в Лаборатории Линкольна Таблица 1. Влияние оптической развязки на линию с прямой модуляцией Параметр Ortel Fujitsu Lasertron MRV Тип устройства DFP DFP FP FP Контроль Скошенное Изолятор Нет Нет отражения волокно, низкая эффективность связи Усиление (дБ) -31 -6 -27 - Коэффициент 39 26 58 шума (дБ) Цена ($) 300-500 10.000 740 250- Таблица 2. Вычисленные параметры линии (3 ГГц) на основе характеристик индивидуальных компонент Параметры компонент До TRP После TRP Мощность фотодетектора (мВт) 8 Чувствительность детектора (А/Вт) 0,8 0, Полуволновое напряжение 16 модулятора (В) Вносимые потери модулятора (дБ) 4 Шумы лазера (дБ/Гц) -165 - Усиление -27,0 -14, Коэффициент шума (дБ) 43,3 34, Радар, разработанный в проекте, также представлял собой ранее имевшуюся РЛС, в которой канал передачи СВЧ сигнала и фазовращатели были заменены на соответствующие элементы фотоники. На рис. 6 и 7 приведена классическая система АФАР с СВЧ системой распределения сигнала и та же система после введения в нее фотонного тракта обработки радиосигнала.


Рис. 6. АФАР с традиционным подведением СВЧ сигнала с помощью коаксиального кабеля.

Рис. 7. АФАР после замены СВЧ элементов на элементы фотоники На рис. 8 приведена схема приемной и передающей системы с фазированной антенной решеткой и оптическими линиями задержки. В качестве источника излучения может быть использован или один лазер с разветвителем на N-каналов или N индивидуальных лазеров с любой длиной волны.

элементы антенной решетки решетка модулированных фотодетекторы лазерных диодов оптич.

оптич.

линии линии процессор процессор задерж.

задерж.

фотодетектор СВЧ 1xN анализ модулятор сигнала лазер Передатчик Приемник Рис. 8. Схема приемной и передающей части микроволновой системы с фазированной решеткой и оптическими линиями задержки Рассмотрим работу тракта приема/передачи АФАР с фотонной системой обработки сигнала с использованием структуры канала, приведенного в цикле работ [2,3]. Передающий тракт АФАР приведен на рис. 9.

Рис. 9. Передающий тракт АФАР. На схеме представлен один управляемый оптоэлектронный элемент распределенной решетки передающей АФАР При передаче СВЧ радиочастотный сигнал, сформированный в блоках РЛС, модулирует оптическое ИК излучение лазера (1,3 мкм) с использованием электрооптического модулятора. ИК излучение, промодулированное СВЧ сигналом, передается по оптоволокну через циркулятор и распределяется через разветвители на элементы антенной решетки 1,2…n. Для демодуляции ИК излучения и выделения СВЧ сигнала служат фотодиоды. Далее сигнал поступает на усилители и излучатели антенной решетки. Важным элементом являются линии задержки сигнала, предназначенные для создания фазовых сдвигов между сигналами, излучаемыми элементами решетки и поворота индикатрисы направленности излучения. До настоящего времени не имеется оптимальной конструкции линии задержки. Используются различные конструкции, включающие каскадные линии задержки и векторные сумматоры, а также другие элементы, обеспечивающие калиброванные величины задержек. В рассматриваемом тракте в качестве управляемых линий задержки используются катушки оптоволокна L и перестраиваемый лазер с управляемой длиной волны излучения. Использовано оптоволокно с большой дисперсией, каждая катушка состоит из двух кусков волокна с разной дисперсией. В начале задержки в катушках одинаковы (длина выбрана в соответствии с этим требованием). При изменении длины волны излучения лазера (увеличения) задержки распространения сигнала в катушках увеличиваются от катушки 1 к катушке n, в результате изменяется и фазовый сдвиг СВЧ сигнала.

В о л о к он н а я Ц и р ку л ят о р ы р е ш ет к а пр и з м О д н ом о д о во е в ол ок н о О пт и ч е с к и й р а зд ел и те л ь у г о л п о во р о т а Рис. 10. Принципиальная схема тракта передачи с линиями задержки на базе брэгговских фильтров Вариант подобной схемы приведен в работе [3];

использована подобная схема линий задержки - лазер с управлением длиной волны излучения и брэгговские фильтры, нанесенные на оптоволокно в качестве линий задержки (рис. 10).

В данной схеме брэгговские решетки, нанесенные на оптоволокно, являются отражателями света. Например, лазер излучает длину волны 1, тогда отражение света происходит от конца оптоволокна (на рис. 10 - 1) и задержка максимальна.

Если излучение лазера сдвинуть на 13, то отражение происходит от точки 13 и задержка минимальна. В таблице 3 приведена величина задержки в зависимости от номера элемента брэгговской решетки.

На рис. 11 приведены индикатрисы направленности излучения антенны при изменении задержки вышерассмотренным способом.

Таблица 3. Измеренное время задержки для трех микроволновых частот Участки Теоретическое Экспериментальное время задержки (пс) Решетка решетки время 2 ГГц 4 ГГц 6 ГГц 10 ГГц (мм) задержки (пс) G1 -22.8 -228 -232 -226 -235 - G2 -18.9 -189 -180 -193 -199 - G3 -15.6 -156 -138 -139 -172 - G4 -12.3 -123 -112 -120 -129 - G5 -9.3 -93 -80 -92 -100 - G6 -5.1 -51 -52 -49 -52 - G7 0 0 0 0 0 G8 6.0 60 59 60 59 G9 9.6 96 94 94 92 G10 12.2 122 122 136 112 G11 15.0 150 144 150 141 G12 17.4 174 182 194 163 G13 21.3 213 203 219 211 Рис. 11. Индикатрисы направленности излучения антенны при изменении задержки Приемный тракт АФАР действует на подобном принципе [4], при этом используется перестраиваемый по длине волны лазер и линии задержки, основанные на оптоволокне с повышенной дисперсией (рис. 12). Изменение длины волны лазера накачки приводит к синхронному изменению задержек во всех линиях, которые определяются как произведение nk, где n – величина, зависящая от длины волны, а k – постоянная, индивидуальная для каждой линии задержки. Далее на импульс света лазера накладывается модуляция ИК излучения радиосигналом. При совпадении импульса ИК и пришедшего с антенны импульса СВЧ происходит суммирование сигналов в сумматоре. Далее сигнал демодулируется и обрабатывается радиочастотной схемой (на рисунке не показана).

Рис. 12. Приемный тракт АФАР После когерентного сложения приходящих сигналов с разными длинами волн выходной сигнал с приемного процессора представлял вид, указанный на рис. 13, где по наклону прямолинейного участка определялся угол прихода пары длин волн.

Рис. 13. Демонстрация экспериментального «считывания» углов при перестройке длины волны лазера Рассмотренные выше системы в качестве фазосдвигающего компонента используют оптоволокно с заданной величиной дисперсии и полупроводниковый лазер с изменяемой длиной волны излучения. Данная система весьма проста для реализации, но имеет существенный недостаток - невозможность регулируемой компенсации небольших фазовых сдвигов между отдельными излучателями, что необходимо в связи с некоторой неидентичностью каналов, а также невозможностью свободного формирования многих независимо действующих индикатрис и лучей решетки. Поэтому в последнее время разработки были сосредоточены на системах, использующих индивидуальные фазосдвигающие элементы в каждом излучателе, обеспечивающие более гибкое управление АФАР.

Такие фазовращатели основаны обычно на векторном сумматоре, т.е.

устройстве, обеспечивающим суммирование синусоидальных синфазных сигналов со сдвигом фазы и управлением по амплитуде для получения сигнала с заданной управляемой величиной сдвига фазы. Основной элемент такого фазовращателя – устройство, обеспечивающее управляемое изменение пропускания оптического сигнала. В качестве такого устройства обычно используют жидкокристаллический модулятор либо электрооптический модулятор. Рассмотрим работу оптического векторного фазовращателя подробнее.

В работе [5] рассмотрен принцип действия подобного устройства на базе жидкокристаллического аттенюатора света (рис. 14).

Рис. 14. Элемент передающей антенны с фазосдвигающим элементом на базе жидкокристаллических аттенюаторов В данной схеме оптический сигнал, промодулированный радиосигналом, распространяется по оптоволокну и поступает на элементы, каждый из которых имеет фиксированную линию задержки в виде катушки оптоволокна и управляемый жидкокристаллический аттенюатор.

Работа системы базируется на следующем простом принципе: Если сложить (с учетом фазы) два синусоидальных сигнала с амплитудами А1 и А2 и фазами 1 и 2 результирующий синусоидальный сигнал будет иметь фазовый сдвиг относительно входного сигнала.

(16) Для f1 = 0о и f2 = 90о мы получим:

(17) При сложении сигналов со сдвигами фаз f1 = 0о, f2 = 90о, f3 = 180о, f4 = 270о и управлении амплитудами А1 - А4 от нуля до максимума мы получим плавное управление фазой сигнала от 0 до 360 градусов. В ортогональных координатах сигнал можно рассматривать как вектор, являющийся суперпозицией векторных суммируемых сигналов (рис. 14, справа). Таким образом, векторный фазовращатель обеспечивает управляемый сдвиг фазы радиочастотного сигнала, наложенного на несущую ИК излучения без искажений огибающей.

Данная схема векторного фазовращателя, реализованного на оптических элементах, обеспечивает заданную величину фазового сдвига сигнала в соответствии с поданным управляющим напряжением на аттенюатор.

Для использования в качестве аттенюатора в настоящее время наиболее простым решением является использование жидкокристаллической ячейки, также как это рассмотрено в примерах выше. Однако ЖК ячейка имеет ряд существенных недостатков - большое время переключения - несколько миллисекунд и ограниченный температурный диапазон работы – 10 + 300 С.

Система АФАР, основанная на изменении фазы сигнала с помощью векторных фазовращателей, аналогичных использованным выше, но основанных на электрооптических аттенюаторах, не имеет указанных выше недостатков.

Электрооптические элементы на базе электрооптического полимера могут работать на частоте до 1,6 ТГц, что обеспечивает наносекундный диапазон переключения фазовых сдвигов с большим запасом. Температурный диапазон работы этих материалов также весьма широк и обеспечивает их работоспособность в диапазоне температур - 50 +600 С.

Основными элементами оптической схемы АФАР на электрооптических элементах, являются лазер, оптическое волокно, модулятор, обеспечивающий наложения радиочастотного сигнала на оптическую несущую, оптический фазовращатель, управляющий фазой СВЧ сигнала, детектор излучения.

В настоящее время имеется несколько различных схем реализации системы АФАР с оптическим управлением и распределением сигнала. Системы с активными индивидуально управляемыми оптическими фазовращателями демонстрируют несомненные преимущества такие как: возможность расширения/сужения индикатрисы направленности излучения, динамическое изменение числа лучей, подстройки величины задержки индивидуально для каждого элемента в реальном времени. Такая система требует управляющих элементов для изменения фазового сдвига радиосигнала, что может быть реализовано с использованием либо жидкокристаллической ячейки либо электрооптического модулятора / фазовращателя. Жидкокристаллические светоуправляющие ячейки имеют недостатки - большое время переключения - мс и более, а также недостаточный диапазон температур эксплуатации - 10 …. + 400С, что не позволяет применять их во многих случаях.


4. Основные элементы оптических схем АФАР 4.1 Фазовращатели Первые оптические фазовращатели для однокоординатной фазированной решетки были выполнены на основе электрооптических кристаллов ниобата лития и танталата лития. В процессе развития интегрально-оптической технологии появились электрически управляемые структуры волноводов, на основе которых оказалось возможным управление результирующей фазой сигнала оптической фазированной решетки. Технику управления фазой оптического сигнала можно перенести на управление фазой электрического сигнала для СВЧ фазированных решеток. Поворот индикатрисы РЛС осуществляется изменением фазы управляющего СВЧ сигнала вследствие изменения фазы в оптических фазосдвигающих устройствах каждого канала.

Одна из схем фазовращателя может быть создана на основе схемы сдвоенного интерферометра Майкельсона (рис. 15) [6].

Рис. 15. Схема сдвоенного интерферометра Майкельсона Малый нтерферометр представляет одно из плеч большого интерферометра.

В плечи малого интерферометра включены электрооптические модуляторы, питающиеся сигналами СВЧ, сдвинутыми на 900, и в одном из плеч осуществляется дополнительный фазовый сдвиг. В другом плече большого интерферометра осуществляется электронно-управляемый фазовый сдвиг между сигналами двух плечей этого интерферометра. В результате когерентного сложения оптических сигналов интерферометра на выходе можно получить сигнал на частоте модуляции, фаза которого определяется величиной электрического сигнала управления фазового сдвига. В зависимости от управляющего напряжения можно получать сдвиг фазы как в аналоговом, так и в дискретном режиме.

Принцип работы управляемого оптического фазовращателя состоит в следующем.

Обозначим частоту и амплитуду СВЧ сигнала через и Vm, оптический входной сигнал Ein = Ei cos(t), – дополнительный постоянный сдвиг фаз во втором плече, отношение / – отношение электрических полей плеч на входе интерферометра.

При = 900 на выходе получается одна боковая частота ( + ), и выражение для электрического поля плеч на выходе интерферометра:

Ei cos(t + sin t ) + cos t + + cos t.

E ' = (18) 2 (19) E" = E i cos(t + dc ), где Vm = и, (20) V Vdc – постоянное управляющее напряжение, V – полуволновое управляющее напряжение.

Когда = =, напряженность электрического поля на выходе интерферометра:

(E '+ E") = Ei 1 [cos(t + sin t ) sin (t + cos t )] + cos(t + dc ). (21) Eout = 2 2 2 Для интенсивности света на частоте модуляции:

Ei [2 cos( sin t dc ) 2 sin ( cos t dc ) + sin ( sin t cos t )]. (22) I ~ Из этого выражения можно выделить отдельно постоянную составляющую и интенсивность света на частоте модуляции:

{[ ( 2 )+ 4 J ( )sin ]sin t [ ( 2 )+ 4 J ( )cos ]}, Ei I = (23) 2 J1 2 J 1 dc 1 dc где J1 – функция Бесселя первого порядка. При = 2,71 величина ( ) 2 = 0.

J При этом уравнение (23) переходит в следующее:

Ei J 1 (2,71)cos(t + dc + ) (24) I = Для Vm = 0,86V, которое соответствует = 2,71, фазовый сдвиг линеен по отношению к управляющему напряжению. Для относительно малых сигналов условие (22) приводит к следующему выражению:

Ei Adc cos(t + dc + ), (25) I = где 1 + 2 sin dc dc = tan 1, (26) 1 + 2 cos dc (1 + 2 sin dc )2 + (1 + 2 cos dc )2 (27) Adc =.

Можно было бы предположить J1() /2. На рис. 16 показана зависимость фазового сдвига модуляции от управляющего напряжения при = 2,71 (пунктирная кривая) и = 0,52 (сплошная кривая).

Таким образом, на выходе оптической интерферометрической схемы получается сигнал на частоте СВЧ, фаза которого изменяется напряжением, прикладываемым ко второму плечу интерферометра.

Устройство сдвига фазы с двумя независимыми каналами на одном модуляторе было продемонстрировано в [7] (рис. 17).

Практически в схему оптического фазовращателя с одним каналом добавлено второе плечо управления фазой сигнала и добавлены волоконные разветвители.

Рис. 16. Зависимость фазового сдвига модуляции от управляющего напряжения при = 2,71 (пунктирная кривая) и = 0,52 (сплошная кривая) Рис. 17. Устройство сдвига фазы с двумя независимыми каналами на одном модуляторе В качестве модуляторов были применены фазовые модуляторы бегущей волны на новом полимерном материале CLD2/ISX. Управляемый сдвиг фазы достигал 1500 в каждом канале при полуволновых управляющих напряжениях треугольной формы -3,2 3,2В и, соответственно, полный фазовый сдвиг мог составлять 3600. Длина волны излучения была 1,55 мкм.

На рис. 18 представлена зависимость вычисленного фазового сдвига и относительной мощности СВЧ сигнала от управляющего напряжения в таком фазовращателе.

Рис. 18. Зависимость вычисленного фазового сдвига и относительной мощности СВЧ сигнала от управляющего напряжения На рис. 19 представлены экспериментальные значения фазового сдвига (а) и относительной мощности сигнала (в) в зависимости от управляющего напряжения.

В настоящее время так же ведется разработка фазосдвигающего устройства с 4 независимыми каналами. В этом диапазоне существуют несколько достаточно эффективных ЭО материалов c высоким ЭО коэффициентом (теллурид кадмия, ниобат лития, DAST, электрооптические полимеры PMMA/DRI, NAEC-PMMA, CLD2-ISX и др.) Рис. 19. Экспериментальные значения фазового сдвига (а) и относительной мощности сигнала (b) в зависимости от управляющего напряжения Усилия многих зарубежных фирм направлены на уменьшение стоимости оптоэлектронных высокочастотных компонентов (программа TRP и др.) и возможности их массового производства Шагом к созданию дешевых оптоэлектронных схем для решения большого количества задач СВЧ диапазонов длин волн является разработка технологии создания полимерных управляемых структур для фазосдвигающих устройств.

Преимуществом полимерных устройств является высокая технологичность изготовления, низкая стоимость, низкая величина диэлектрической постоянной и, соответственно, высокое быстродействие. На основе электрооптических полимерных волноводов могут быть созданы фазосдвигающие управляемые чипы для схем АФАР.

В настоящее время схемы модуляторов на основе интерференционных схем на полимерных электрооптических волноводах достигли частот модуляции 1,6 ТГц при управляющих мощностях единицы-десятки мВт [8].

4.2 Оптическое волокно Длина волны излучения 1,31 мкм находится в одном из диапазонов длин волн, утвержденных Международным союзом телекоммуникаций (ITU). Для этого диапазона длин волн (1260 нм 1675 нм) оптимизировано обычное одномодовое кварцевое волокно типа Corning SMF-28. Оно имеет на этой длине волны практически «нулевую» дисперсию, что приводит к малым изменениям коэффициента преломления в широком диапазоне частот модуляции и, соответственно, к малым изменениям фазы.

Оптические потери на этой длине волны составляют 0,34 dB/км и немного более, чем на длине волны 1,55 мкм, где они составляют 0,24 dB/км. Но для небольших расстояний (десятки метров) это не имеет существенного значения.

Температурная зависимость потерь составляет в диапазоне температур - 600С +850С 0,05 dB/км (по данным фирмы Corning).

Одномодовое волокно следует применять также с целью устранения межмодового взаимодействия в волокне, которое приводит к нестабильности как амплитуды, так и фазы света.

Оптическое волокно SMF-28 используется в отечественных оптических кабелях (ОКЛ – 01, 02;

ОКЛК – 01,02 и др.). Это волокно является наиболее технологически отработанным, имеющим высокое оптическое качество и наиболее распространенным в мире.

Введение в оптическое волокно добавок (Ge и др.) для получения новых свойств волокна, например, для смещения длины волны «нулевой» дисперсии приводит к изменению показателя преломления кварца, которое может составлять величину до 10%, а также большей температурной зависимости.

Существенное значение для стабильности фазы является мощность пропускаемого оптического излучения. Повышение выходной мощности более – 10 мВт приводит к нелинейным эффектам в волокне и самомодуляции фазы света вследствие зависимости показателя преломления волокна от интенсивности света.

4.2.1 Оценка температурного ухода фазы модуляции при распространении в волокне На условия распространения оптического излучения в волокне могут влиять различные факторы: деформация оптического волокна, изгибы в волокне, механические колебания, температура, гамма-радиация и т.д.

Эти явления вызывают изменение фазы света, проходящего через волокно.

В связи с тем, что приемо-передающие линии находятся, как правило, в открытой атмосфере, важным является температурная стабильность параметров модулированного оптического сигнала, которая в ряде случаев определяет точностные параметры системы.

В системах АФАР этим параметром является фаза модуляции. Изменение температуры окружающей среды вызывает как изменение коэффициента преломления волокна, так и дополнительное удлинение волокна вследствие теплового расширения. Это приводит к изменению фазы света и, соответственно, к изменению фазы модуляции прошедшего через волокно излучения.

Проведена оценка стабильности фазы модуляции при изменении температуры и ее экспериментальное исследование при передаче СВЧ модулированного лазерного излучения (в S-диапазоне) через волокно.

Экспериментальные исследования проводились двумя методами: прямым методом измерения ухода фазы модуляции на частоте 1,97 ГГц в температурном диапазоне -500 +700С и косвенным методом по измерению ухода фазы модуляции света интерферометрическим методом в диапазоне температур +250 +60оС и пересчетом на уход фазы модуляции. Проводилось сравнение полученных данных.

4.2.2 Оптический метод определения ухода фазы модуляции излучения, прошедшего через оптическое волокно при изменении температуры окружающей среды В данной работе будет рассмотрено влияние температуры на параметры проходящего света через волокно с показателем преломления n и длиной l.

= nl, где Фаза света на выходе характеризуется величиной - постоянная распространения света в вакууме, равная = 2nl (o – длина волны света в вакууме).

Следовательно, фаза света равна:

2nl =. (28) Внешние условия среды, которые могут изменить n и l ведут к изменению фазы проходящего через волокно света.

Фотодетекторы регистрируют интенсивность падающего на них света. Для измерения фазы света применяют специальные схемы, в частности, схемы интерферометров. Если через интерферометр пропустить когерентное излучение, то на выходе интерферометра происходит когерентное сложение световых колебаний двух плеч интерферометра. Интенсивность выходного сигнала зависит от разности фаз световых колебаний. Соотношение оптической мощности на входе и выходе интерферометра определяется выражением Pвых 1 (29) = (1 + cos ), Рвх где = 0 +, o – начальная фаза, обусловленная первоначальной установкой и конструктивными особенностями, – изменение фазы вследствие изменения nl.

Если при условии отсутствия других воздействий изменяется температура одного из плеч интерферометра, на выходе интерферометра наблюдается периодическое чередование светлых и темных полос. Фактически такой интерферометр является датчиком температуры. Максимум интерференционной картины достигается при условии = 2m, где m – целое число, а минимум при = 2 (m + 1 2), где m = 0,1,2…, – длина волны света.

Изменение фазы света на выходе составит = (nl ), где (nl) = nl + nl и может быть экспериментально определено по подсчету числа интерференционных полос или теоретически по справочным данным изменения коэффициентов преломления и линейного теплового расширения для используемого оптического волокна.

В данной работе изменение фазы света под воздействием температуры измерялось с помощью волоконного интерферометра Маха-Цандера. Волоконный интерферометр был образован двумя ответвителями, которые имеют один вход и два выхода. Ответвитель представляет собой два волокна, которые на некотором участке L располагаются так близко (расстояние d между ними составляет 2- мкм), что часть излучения из одного волокна переходит в другое. Этот эффект обусловлен обменом оптической энергии между волокнами через пространственные моды излучения.

Если вводится оптическое излучение интенсивностью Io, то интенсивность, вводимая в другой волновод, равна:

I0 2c d ) + 1, ( I = cos c d L (30) ( 2c d ) + 1 где – разность постоянных распространения света, cd – коэффициент передачи мощности из одного волновода в другой, зависящий от d и L.

Используемые в данной работе ответвители имели коэффициент деления примерно 1:1. Схема измерений показана на рис. 20.

Излучение от п/п лазера 1 через волокно направляется в схему волоконного интерферометра 2, участок одного из плеч подвергается нагреву с помощью печки 6. На выходе интерферометра происходит когерентное смешение излучения, прошедшего через сигнальное и опорное плечо интерферометра, и интенсивность выходного сигнала попадает на фотодетектор 3 и регистрирующий прибор 4.

1 2 3 Рис. 20. Схема измерений температурной фазовой стабильности оптического сигнала:

1 – п/п лазер с волоконным выходным разъемом, работающий на длине волны 1,33мкм от оптического тестера ОТМ-1 с выходной мощностью 5 дБм, 2 – волоконный интерферометр Маха-Цендера на основе одномодового волокна SMF-28, 3 –фотодетектор ФД-9К, 4 – регистрирующий микроамперметр М- или осциллограф.

При понижении и увеличении температуры плеча интерферометра на выходе регистрирующего прибора наблюдается чередование максимумов и минимумов.

Измеряя изменение температуры и количество интерференционных сменяющихся полос можно определить изменение фазы света при изменении температуры на один градус и на единицу длины волокна.

Теоретическая оценка изменения фазы модуляции при изменении температуры проводилась, принимая во внимание следующие данные:

- коэффициент преломления сердцевины кварцевого стекла n = 1, ( =1,33 мкм) и n = 1,4675 для эффективной групповой скорости на этой длине волны - длина волны o = 1,31 мкм - коэффициент линейного расширения в диапазоне в диапазоне температур -600 +200 = 2·10-7, +200 +500 = 4·10-7, + 200 +1200 = 5·10-7, в работе [1] для удлинения волокна SMF-28 используется величина 0,5·10-6 0С-1.

- среднее приращение показателя преломления при повышении температуры на 10С (термооптический коэффициент) для SMF-28 составляет 9,210-6, измеренный на = 1,55 мкм [9].

Следует отметить, что изменение термооптических коэффициентов в волокне вносит вклад в изменение фазы света на порядок больше, чем удлинение волокна.

Расчетное значение изменения фазы излучения при изменении температуры на 10С при длине волокна 1 м составило около 15.

Экспериментальное измерение фазы излучения при изменении температуры на 1 градус составило по результатам 5 измерений 15,5, что хорошо согласуется с расчетными данными.

на 500С и длине волокна длиной 5м При изменении температуры экспериментальное изменение фазы света составило 11533 рад. Тогда изменение фазы модуляции света с частотой около 2 ГГц во столько раз меньше, во сколько длина волны модуляции больше длины волны света и составит 5,780. Эта величина достаточно хорошо согласуется с экспериментом по прямому измерению ухода фазы модуляции с температурой.

4.2.3 Прямой метод измерения температурного ухода фазы модуляции Экспериментальная схема измерений представлена на рис. 21.

Излучение лазера ДМПО 131-23 (1,31 мкм) модулировалось СВЧ сигналом от измерителя комплексных переходных характеристик Р4-23. Излучение лазера, модулированное СВЧ около 2 ГГц, проходило через волокно, 5 метровый участок которого помещается в климатическую камеру типа 3101-01. Температура в камере изменялась от комнатной до +700С примерно за 3,5 часа в один день и от комнатной температуры до -500С в другой день и измерялась по датчику температуры климатической камеры. Одновременно с измерением температуры измерялась фаза модуляции выходного сигнала с волокна и сравнивалась с фазой управляющего сигнала.

Лазер Климатическая ФПУ ДМПО камера с ВФВМШ 40- 131-23 волокном Измеритель комплексных коэффициентов передачи Рис. 21. Экспериментальная схема прямых измерений температурной фазовой стабильности частоты модуляции Через волокно модулированное излучение поступало на вход фотоприемного устройства ФПУ ВФМШ 40-012. СВЧ сигнал модуляции с выхода фотоприемного устройства сравнивался по фазе с СВЧ модулирующим сигналом в канале измерителя фазы.

Сдвиг фазы модуляции, град.

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 - Р - - - Температура, град.С Рис. 22. Экспериментальные измерения сдвига фазы модуляции от температуры График изменения фазы модуляции света от температуры для трех типов волокон представлен на рис. 22. Для удобства построения за «нулевую» точку»

отсчета на графиках принята комнатная температура. Абсолютная фаза модуляции при смене волокна изменялась вследствие некоторой разности длин оптических волокон разного типа.

Результаты исследований показали, что температурная зависимость изменения фазы модуляции для волокна SMF-28 близка к расчетной и измеренной оптическим методом и составляет в выбранном температурном интервале -500 +700С около 60. Температурный ход изменения фазы модуляции для отечественных (разработка НИТИОМ) волокон обоих типов мало отличается.

Однако уход фазы для них значительно увеличивается по сравнению с волокном SMF-28 на краях диапазона, особенно в высокотемпературном интервале.

Методы компенсации температурных уходов фазы модуляции следующие:

1. Включение последовательно с волокном информационного канала оптического волокна такой же длины, уложенного в небольшой термостат, температура которого автоматически меняется при изменении температуры окружающей среды на противоположную по знаку. В связи с тем, что температура окружающей среды не может изменяться быстро, такой метод фазовых компенсаций практически реален.

2. Включение в информационную линию волокна с положительной термооптической постоянной. Недостаток – неотработанность технологий и трудности точной компенсации.

3. Разработка новых типов специальных термостабильных волокон.

Вряд ли они будут лучше чистого кварцевого стекла.

4. Компенсация температурных фазовых уходов при разработке программного обеспечения управления АФАР.

Первый и последний способ представляются наиболее перспективными и дающими возможность создания оптической системы для управления АФАР в ближайшем будущем.

4.3 Лазеры В настоящее время в качестве источников излучения для ВОЛС широко применяются инжекционные светоизлучающие диоды (СИД) и полупроводниковые лазерные диоды (ЛД). Для использования в АФАР предпочтение отдается ЛД, т.к. СИД имеют низкую выходную оптическую мощность в непрерывном режиме (–5….30 мВт). Современные ЛД на гетероструктурах обеспечивают выходную оптическую мощность в непрерывном режиме до 200 мВт. Относительная интенсивность шума RIN= -130…-150 дБ/Гц, что удовлетворяет требованиям доплеровских РЛС.

Для создания схем оптических каналов фазовращателей антенных фазированных решеток целесообразно выбрать длину волны света в ближнем ИК диапазоне, где оптические потери оптического волокна минимальные и существуют волокна с нулевой дисперсией (1,31мкм -1,55 мкм).

В качестве лазеров могут быть использованы как п/п лазеры, так и твердотельные лазеры с диодной накачкой. Преимуществом п/п лазеров является тот факт, что СВЧ модуляция может быть осуществлена в самом лазере.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.