RU2716269C1 - Radio-photonic transmitting path for transmission of powerful broadband signals and efficient excitation of antennae - Google Patents
Radio-photonic transmitting path for transmission of powerful broadband signals and efficient excitation of antennae Download PDFInfo
- Publication number
- RU2716269C1 RU2716269C1 RU2019128951A RU2019128951A RU2716269C1 RU 2716269 C1 RU2716269 C1 RU 2716269C1 RU 2019128951 A RU2019128951 A RU 2019128951A RU 2019128951 A RU2019128951 A RU 2019128951A RU 2716269 C1 RU2716269 C1 RU 2716269C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radio
- output
- photodetector
- signal
- capacitor
- Prior art date
Links
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 title description 12
- 230000005284 excitation Effects 0.000 title description 4
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 29
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 24
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 7
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 3
- 238000003491 array Methods 0.000 abstract description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 101000892301 Phomopsis amygdali Geranylgeranyl diphosphate synthase Proteins 0.000 description 11
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 5
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 4
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- DMYHGDXADUDKCQ-UHFFFAOYSA-N fenazaquin Chemical compound C1=CC(C(C)(C)C)=CC=C1CCOC1=NC=NC2=CC=CC=C12 DMYHGDXADUDKCQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 2
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 1
- 239000003985 ceramic capacitor Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
- H04B10/70—Photonic quantum communication
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к радиофотонике, в том числе к технике передачи мощных широкополосных радиосигналов по волоконно-оптическим линиям связи к антеннам и антенным решеткам. Техническим результатом является расширение сферы применения радиофотонного передающего тракта за счет обеспечения возможности применения в РЛС, использующих сигналы различной длительности, повышение КПД путем увеличения излучаемой мощности за счет согласования элементов радиотракта, повышение разрешающей способности РЛС по дальности, повышение надежности при эксплуатации и снижение стоимости при производстве радиофотонных антенн для РЛС. Для этого в радиофотонный тракт передачи мощных широкополосных сигналов введена дифференцирующая цепь, вход которой соединен с выходом фотодетектора, а выход соединен с излучающим элементом антенной решетки. 2 ил.The invention relates to radio photonics, including the technique of transmitting powerful broadband radio signals over fiber-optic communication lines to antennas and antenna arrays. The technical result is to expand the scope of the radio photon transmission path by providing the possibility of using in radars using signals of various durations, increasing efficiency by increasing the radiated power by matching elements of the radio path, increasing the resolution of the radar in range, increasing reliability during operation and reducing the cost of production radio photon antennas for radar. For this, a differentiating circuit is introduced into the radio-photon transmission path of powerful broadband signals, the input of which is connected to the output of the photodetector, and the output is connected to the radiating element of the antenna array. 2 ill.
Изобретение относится к радиофотонике, в том числе к технике передачи мощных широкополосных радиосигналов по волоконно-оптическим линиям связи к антеннам и антенным решеткам.The invention relates to radio photonics, including the technique of transmitting powerful broadband radio signals over fiber-optic communication lines to antennas and antenna arrays.
Радиофотоника представляет собой новое направление совершенствования в том числе радиолокационных систем за счет осуществления большей части операций по формированию зондирующих и обработке принимаемых сигналов РЛС, в цифровом виде. При этом полностью перейти на цифру и оптический диапазон невозможно – в пространство должны излучаться мощные зондирующие аналоговые СВЧ-радиосигналы, и, соответственно, принимаемые РЛС сигналы также представляют собой аналоговые радиосигналы. Применение оптических локаторов на приземных трассах ограничено областью малых дальностей ввиду сильнейшей зависимости от метеоусловий среды распространения оптического излучения.Radio photonics represents a new area of improvement, including radar systems due to the implementation of most of the operations for the formation of probing and processing of received radar signals in digital form. At the same time, it is impossible to completely switch to the digital and optical ranges - powerful sounding analogue microwave radio signals must be radiated into space, and, accordingly, the received radar signals are also analogue radio signals. The use of optical locators on surface paths is limited to the short range region due to the strong dependence on the weather conditions of the propagation medium of optical radiation.
В этой связи ключевой проблемой создания радиофотонных РЛС является совершенствование узла, отвечающего за преобразование излучения мощного лазера оптического диапазона, промодулированного сигналом, полоса частот которого находится в СВЧ-диапазоне спектра ЭМИ в непосредственно в СВЧ-радиосигнал, предназначенный для излучения в качестве зондирующего радиосигнала РЛС.In this regard, the key problem of creating radio-photon radars is the improvement of the unit responsible for converting the radiation of a high-power laser in the optical range modulated by a signal whose frequency band is in the microwave range of the EMP spectrum directly into a microwave radio signal intended to be emitted as a probe radar signal.
Несмотря на обилие источников информации по радиофотонным РЛС, в том числе разрабатываемым в настоящее время в нашей стране, автору не удалось найти описаний технической реализации узлов преобразования («от оптики до СВЧ»), которые можно было бы указать в качестве аналогов.Despite the abundance of sources of information on radio-photon radars, including those currently being developed in our country, the author was unable to find descriptions of the technical implementation of the conversion units (“from optics to microwave”) that could be indicated as analogues.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому (прототипом), по мнению автора, является радиофотонный передающий тракт для передачи мощных широкополосных сигналов и эффективного возбуждения антенн [1]. Целью изобретения являлось повышение КПД, максимально достижимой мощности, широкополосности (расширение мгновенной полосы передаваемых частот), повышение идентичности каналов, улучшение температурной и временной стабильности, получение энергетической независимости антенн, а также повышение эффективности их возбуждения. Для этого в радиофотонный тракт передачи мощных широкополосных сигналов введен оптический разветвитель, оптическая линия задержки и антенны, причем радиочастотный модулирующий сигнал одновременно с током от источника смещения подается на вход лазера, оптический выход которого соединен с входом волоконно-оптической линии, выход которой соединен с симметричным оптическим разветвителем, оптические выходы которого соединены с оптическими входами первого и второго фотодетекторов, включенных по дифференциальной схеме и работающих в фотовольтаическом (фотогальваническом, т.е. без подачи питания на приборы) режиме, причем на оптический вход второго фотодетектора сигнал подается через оптическую линию задержки, обеспечивающую задержку сигнала на длину импульса по основанию на выходе первого фотодетектора, электрические выходы фотодетекторов являются двухтактными выходами широкополосного радиофотонного передающего тракта, работающего в классе АВ, нагрузкой которого являются антенны.The closest technical solution to the claimed (prototype), according to the author, is a radio photon transmission path for transmitting powerful broadband signals and efficiently driving antennas [1]. The aim of the invention was to increase the efficiency, maximum achievable power, broadband (expand the instantaneous band of transmitted frequencies), increase the identity of the channels, improve the temperature and time stability, obtain the energy independence of the antennas, as well as increase the efficiency of their excitation. To do this, an optical splitter, an optical delay line and antennas are introduced into the radio-photon transmission path of high-power broadband signals, and the radio-frequency modulating signal simultaneously with the current from the bias source is fed to the laser input, the optical output of which is connected to the input of the fiber-optic line, the output of which is connected to a symmetric optical splitter, the optical outputs of which are connected to the optical inputs of the first and second photodetectors, connected by differential circuit and working in phot voltaic (photovoltaic, i.e., without supplying power to the devices) mode, the signal being fed to the optical input of the second photodetector through an optical delay line that provides a signal delay by a pulse length at the base of the output of the first photodetector, the electrical outputs of the photodetectors are push-pull outputs of a broadband radio photon transmission path operating in class AB, the load of which is the antenna.
Автор прототипа отдает отчет, что спектр формируемого на выходе фотодетектора однополярного сигнала представлен в большей своей части постоянной составляющей электрического тока, не пропускаемой антенной на излучение и снижающей КПД устройства (чтобы радиосигнал мог быть излучен, интеграл от функции, описывающей этот сигнал, по времени его существования, должен быть равен нулю).The prototype author reports that the spectrum of the unipolar signal generated at the photodetector output is represented in most of the constant component of the electric current that is not transmitted by the antenna to radiation and reduces the efficiency of the device (so that the radio signal can be emitted, the integral of the function that describes this signal, over time existence must be zero).
Однако для обеспечения гальванической развязки с антенной автор прототипа пошел длинным путем: использованием второго такого же фотодетектора, причем включив его в противоположной полярности и параллельно первому, не подавая на них напряжения питания (гальванический, он же вольтаический, в терминологии автора прототипа, режим), используя другие также вводимые элементы, при помощи которых оптический сигнал на второй фотодетектор начинает поступать с задержкой, равной длительности формируемого первым фотодетектором на выходе электрического сигнала. В результате первый положительный импульс плавно переходит во второй отрицательный импульс. Биполярные импульсы уже эффективно излучаются в пространство, чем и достигаются заявленные автором прототипа цели изобретения.However, to ensure galvanic isolation with the antenna, the prototype author went a long way: using the second of the same photodetector, turning it on in the opposite polarity and parallel to the first, without supplying voltage to them (galvanic, it is also voltaic, in the terminology of the prototype, mode), using other input elements as well, with the help of which the optical signal to the second photodetector begins to arrive with a delay equal to the duration of the electric output generated by the first photodetector signal. As a result, the first positive impulse smoothly passes into the second negative impulse. Bipolar impulses are already effectively emitted into space, which is achieved by the declared by the prototype author of the objectives of the invention.
Вместе с тем прототипу характерны следующие недостатки:However, the prototype is characterized by the following disadvantages:
а) Задержка оптической линией задержки всегда постоянна и определяется длиной оптоволоконной линии от одного выхода оптического разветвителя до входа второго фотодетектора за вычетом длины оптоволоконной линии от другого выхода оптического разветвителя до входа первого фотодетектора. Это обстоятельство накладывает серьезное ограничение вплоть до полной невозможности использования прототипа в РЛС. В современной РЛС длительность зондирующего сигнала меняется в реальном масштабе времени от самой продолжительной при обнаружении удаленных целей до минимальной в интересах получения наибольшей разрешающей способности по дальности. Оперативно поменять длительность зондирующих импульсов не представляется возможным. Да и не в реальном масштабе времени, учитывая, что современные антенные решетки состоят из нескольких тысяч ячеек излучателей, замена всех ячеек излучателей сопряжена с высокой стоимостью и трудоемкостью этой работы.a) The delay by the optical delay line is always constant and is determined by the length of the optical fiber line from one output of the optical splitter to the input of the second photodetector minus the length of the optical fiber line from the other output of the optical splitter to the input of the first photodetector. This circumstance imposes a serious limitation up to the complete impossibility of using the prototype in a radar. In modern radars, the duration of the probing signal varies in real time from the longest when detecting remote targets to the minimum in the interests of obtaining the highest resolution in range. It is not possible to quickly change the duration of the probe pulses. Yes, and not in real time, given that modern antenna arrays consist of several thousand emitter cells, replacing all emitter cells is associated with the high cost and complexity of this work.
Более того. Автор, судя по фиг.1 б), полагает, что половина двухполярного импульса будет как раз равна длительности оптического импульса. Но, судя по [2], это далеко не так. При переводе фотодетекторов из фотодиодного режима в фотогальванический (вольтаический) ухудшаются частотные характеристики фотодетекторов, возрастает постоянная времени приборов по сравнению с их использованием в фотодетекторном режиме [1, С.27], что физически объясняется отсутствием ускоряющего потенциала для электронов, выбитых фотонами. В этой связи утверждение автора прототипа о достижении более высокой широкополосности при использовании двух фотодетекторов в вольтаическом режиме не соответствует действительности. Поэтому в фотогальваническом (вольтаическом) режиме длительность формируемых импульсов фактически не будет зависеть от длительности оптического сигнала и будет определяться внутренними процессами, меняющимися от образца к образцу.Moreover. The author, judging by figure 1 b), believes that half of the bipolar pulse will be exactly equal to the duration of the optical pulse. But judging by [2], this is far from the case. When transferring photodetectors from the photodiode mode to photovoltaic (voltaic), the frequency characteristics of photodetectors deteriorate, the time constant of the devices increases compared to their use in the photodetector mode [1, C.27], which is physically explained by the absence of an accelerating potential for electrons knocked out by photons. In this regard, the statement of the prototype author about achieving higher broadband when using two photodetectors in the voltaic mode is not true. Therefore, in the photovoltaic (voltaic) mode, the duration of the generated pulses will in fact not depend on the duration of the optical signal and will be determined by internal processes that vary from sample to sample.
Да и это еще не все. Если задержка начала работы второго прибора по каким-то причинам изменится, то при уменьшении задержки какую-то часть времени будут работать оба прибора, при этом устройство-прототип выдаст на антенну вдвое увеличенный и сильно зашумленный сигнал; либо при увеличении задержки произойдет резкое снижение КПД устройства, поскольку двухполярный импульс превратится в совокупность разделенных по времени однополярных импульсов, в отдельности обладающих низкой эффективностью в отношении возбуждения излучающего антенного элемента. And that’s not all. If the delay in the start of operation of the second device for some reason changes, then with a decrease in the delay, both devices will work for some part of the time, while the prototype device will issue a twice-increased and very noisy signal to the antenna; or when the delay increases, the efficiency of the device will sharply decrease, since the bipolar pulse will turn into a set of time-divided unipolar pulses, individually having low efficiency with respect to the excitation of the radiating antenna element.
Ну и наконец. Даже если разнополярные импульсы будут формироваться штатно, само положение «нуля» будет нестабильно – складываются сигналы от двух приборов, каждый из которых шумит: пусть матожидание и равно нулю, но дисперсия увеличилась в результате такого вычитания вдвое, что, в итоге, приведет к формированию сильно зашумленного зондирующего сигнала радиофотонной антенной.Well, finally. Even if bipolar pulses are formed normally, the zero position itself will be unstable - the signals from two devices add up, each of which is noisy: let the expectation be zero, but the dispersion will double as a result of such subtraction, which, ultimately, will lead to the formation a very noisy sounding signal with a radio photon antenna.
б) Судя по описанию прототипа, автор не озаботился согласованием прохождения радиоизлучения от выходов фотодетекторов, через коаксиальные радиочастотные фидеры (судя по фиг. 3 прототипа – они присутствуют) до антенных излучателей. На всем пути прохождения СВЧ-сигнала должно соблюдаться согласование импедансов – равенство выходного сопротивления фотодиодов, волнового сопротивления радиочастотных фидеров и волнового сопротивления антенных излучателей. В противном случае формируются стоячие волны, коэффициент стоячих волн (КСВ) будет превышать коэффициент бегущих волн (КБВ), что приведет к ухудшению условий согласований – формируемые стоячие волны приведут и разогреву фидеров и антенны, а доля излучаемой антенной в пространство мощности будет незначительной. При использовании уникальных или проприетарных конструкций антенных излучателей необходимо использовать компьютерную программу Antenna magus, позволяющую произвести полный расчет антенных элементов произвольной конфигурации, включая расчет согласования импедансов.b) Judging by the description of the prototype, the author did not bother to coordinate the passage of radio emission from the outputs of the photodetectors through coaxial radio frequency feeders (judging by Fig. 3 of the prototype, they are present) to antenna emitters. Along the entire path of the microwave signal, impedance matching must be observed - equality of the output impedance of the photodiodes, the wave impedance of the radio frequency feeders and the wave impedance of the antenna emitters. Otherwise, standing waves are formed, the standing wave coefficient (SWR) will exceed the traveling wave coefficient (KBW), which will lead to a worsening of the matching conditions - the generated standing waves will also heat the feeders and the antenna, and the fraction of the antenna radiated into the power space will be insignificant. When using unique or proprietary designs of antenna emitters, it is necessary to use the computer program Antenna magus, which allows a complete calculation of antenna elements of an arbitrary configuration, including the calculation of impedance matching.
в) Вызывает недоумение приведение автором прототипа информации о достигнутом увеличении коэффициента направленного действия антенны в 9,5 раз. Следует отметить, что для правильно спроектированной антенны, работающей в СВЧ-диапазоне длин волн электромагнитного излучения, коэффициент ее направленного действия вообще не зависит от параметров используемого СВЧ-сигнала. Расчет указанной характеристики антенны также целесообразно производить с использованием указанного выше приложения Antenna magus.c) It is puzzling that the author of the prototype provides information on the achieved increase in the directional coefficient of the antenna by 9.5 times. It should be noted that for a correctly designed antenna operating in the microwave range of wavelengths of electromagnetic radiation, the coefficient of its directional action generally does not depend on the parameters of the used microwave signal. It is also advisable to calculate the indicated antenna characteristics using the Antenna magus application indicated above.
г) Формирование коротких зондирующих импульсов СВЧ-диапазона путем преобразования оптического излучения лазера будет прежде всего востребовано в прецизионных РЛС распознавания воздушных целей на основе разрешения совокупности т.н. «блестящих точек» (БТ), составляющих отраженный от летательного аппарата радиосигнал. Взаимное положение в пространстве и индикатриса рассеяния отдельной БТ для каждого типа летательного аппарата характеризуется постоянством, что позволяет с высокой степенью достоверности произвести распознавание типа обнаруженного РЛС летательного аппарата.d) The formation of short probe pulses of the microwave range by converting laser optical radiation will be primarily in demand in precision radar recognition of air targets based on the resolution of the so-called "Brilliant points" (BT), which make up the radio signal reflected from the aircraft. The relative position in space and the scattering indicatrix of an individual BT for each type of aircraft is characterized by constancy, which allows a high degree of certainty to be made for recognizing the type of detected radar of the aircraft.
При этом необходимо иметь в виду, что увеличение продолжительности зондирующего сигнала в два раза приведет к ухудшению в два раза разрешающей способности по дальности радиофотонной РЛС, использующей прототип и соответствующему ухудшению качества распознавания.It should be borne in mind that a doubling of the duration of the probing signal will lead to a twofold deterioration in the resolution of the range of the radio-photon radar using the prototype and a corresponding deterioration in the quality of recognition.
д) Современные РЛС, обладающие возможностью быстрого переброса формируемой диаграммы направленности излучения от одного воздушного объекта к другому, основаны на использовании антенных решеток, в узлах которой находятся антенные излучатели. Общее количество излучателей может составлять несколько тысяч штук. Использование удвоенного количества фотодетекторов в каждом излучателе, в качестве которых предполагается использование импортных мощных фотодиодов типа UTC (Uni-Trevelling-Carrier) с оптимизированной областью поглощения [3], использование других оптических прецизионных элементов в каждом излучателе приведет не только к резкому удорожанию стоимости производства радиофотонной антенны РЛС, но и снижению ее надежности в процессе эксплуатации.e) Modern radars, with the ability to quickly transfer the radiation pattern from one air object to another, are based on the use of antenna arrays, in the nodes of which there are antenna emitters. The total number of emitters can be several thousand pieces. The use of double the number of photodetectors in each emitter, which is supposed to use imported high-power UTC (Uni-Trevelling-Carrier) photodiodes with an optimized absorption region [3], the use of other optical precision elements in each emitter will not only lead to a sharp increase in the cost of production of radio-photon radar antennas, but also reduce its reliability during operation.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в расширении сферы применения радиофотонного передающего тракта за счет обеспечения возможности применения в РЛС, использующих сигналы различной длительности, повышение КПД путем увеличения излучаемой мощности за счет согласования элементов радиотракта, повышение разрешающей способности РЛС по дальности, повышение надежности при эксплуатации и снижение стоимости при производстве радиофотонных антенн для РЛС.The problem to which the invention is directed, is to expand the scope of the radio photon transmission path by providing the possibility of using in radars using signals of different durations, increasing efficiency by increasing the radiated power by matching elements of the radio path, increasing the resolution of the radar in range, increasing reliability during operation and cost reduction in the manufacture of radio photon antennas for radar.
Для этого предлагается радиофотонная линия для передачи мощных широкополосных сигналов с единственной волоконно-оптической линией связи (ВОЛС) и единственным фотодетектором.For this, a radio photon line is proposed for transmitting powerful broadband signals with a single fiber-optic communication line (FOCL) and a single photodetector.
На фиг. 1 показана упрощенная схема радиофотонного передающего тракта.In FIG. 1 shows a simplified diagram of a radio photon transmission path.
Цифрами на фиг. 1 обозначены: 1 - лазер; 2 – ВОЛС; 3 – фотодетектор; 4 – дифференцирующая цепь (ДЦ). Входом устройства является электрический вход лазера 1 («Вход РЧ»); выходом устройства является выход ДЦ («К антенне»).The numbers in FIG. 1 marked: 1 - laser; 2 - FOCL; 3 - photodetector; 4 - differentiating circuit (DC). The input of the device is the electrical input of the laser 1 ("RF Input"); the output of the device is the output of the DC ("To the antenna").
На фиг. 2 показаны эпюры радиосигнала на входе и на выходе ДЦ 4.In FIG. 2 shows the diagrams of the radio signal at the input and output of the DC 4.
Принцип работы радиофотонного передающего тракта заключается в подаче исходного однополярного импульсного радиосигнала наносекундной длительности, предназначенного к передаче по радиофотонному тракту, на электрический вход лазера 1 («Вход РЧ»), модулируя оптическую мощность на его выходе от минимального околопорогового до максимальных значений. На выходе лазера 1 формируется мощный оптический импульс наносекундной длительности. Далее мощный передаваемый импульсный сигнал проходит через ВОЛС 2 и поступает на оптический вход мощного фотодетектора 3, на выходе которого возникает наносекундный однополярный электрический импульс, поступающий на вход ДЦ 4. Пусть, для определенности, полярность включения фотодетектора такова, что обеспечивает формирование положительного импульса, как это показано на фиг. 2. К выходу фотодиода подключен резистор для подачи напряжения смещения при работе в фотодиодном режиме, либо подачи нулевого потенциала для обеспечения работы фотодетектора в фотогальваническом (фотовольтаическом) режиме. ДЦ 4 представляет последовательно соединенные конденсатор и резистор, причем конденсатор подключен к радиосигнальному выходу фотодетектора 3, а не соединенный с конденсатором вывод резистора соединен с шиной нулевого потенциала. Выходом ДЦ 4 является точка соединения конденсатора и резистора, отмеченная на фиг. 1 надписью «К антенне». На выходе ДЦ 4 (фиг. 2), в результате осуществления операции дифференцирования, формируется двухполярный (двухлепестковый) радиоимпульс, причем длительность двухполярного (двухлепесткового) импульса, в отличие от прототипа, соответствует длительности исходного однополярного (однолепесткового) импульса. Если в прототипе начало формирования второго (отрицательного) лепестка – переход через ноль – соответствовало моменту завершения положительного лепестка, формируемого первым фотодетектором, что вдвое увеличивало продолжительность радиосигнала, то в заявляемом изобретении формируется двухполярный (двухлепестковый) сигнал, момент перехода через ноль которого соответствует максимуму (примерно половине по длительности) радиосигнала с выхода единственного фотодетектора 3, а окончание формируемого двухполярного сигнала с выхода ДЦ 4 соответствует окончанию радиосигнала на выходе фотодетектора 3 (фиг. 2).The principle of operation of the radio photon transmission path is to supply the initial unipolar pulsed radio signal of nanosecond duration, intended for transmission via the radio photon path, to the electrical input of the laser 1 (“RF Input”), modulating the optical power at its output from the minimum near-threshold to maximum values. A powerful optical pulse of nanosecond duration is formed at the output of
Единый технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, одновременно выражается в следующем:A single technical result that can be obtained by carrying out the invention is simultaneously expressed in the following:
а) в расширении сферы применения радиофотонного передающего тракта за счет обеспечения возможности применения в РЛС, использующих сигналы различной длительности. Дифференцирующая цепь (ДЦ) производит обработку сигнала (дифференцирует сигнал) инвариантно по отношению к его длительности, в реальном масштабе времени, без задержки фронта сигнала и расширения его протяженности. Формируемые положительный и последующий отрицательный перепады равны по амплитуде, не содержат новых спектральных составляющих, идеально подходят с точки зрения их последующего излучения антенной. ДЦ, в отличие от фотодиода, не генерирует шумы;a) to expand the scope of the radio photon transmission path by providing the possibility of use in radars using signals of various durations. The differentiating circuit (DC) performs signal processing (differentiates the signal) invariant with respect to its duration, in real time, without delaying the signal front and expanding its length. Formed positive and subsequent negative differences are equal in amplitude, do not contain new spectral components, are ideally suited from the point of view of their subsequent radiation by the antenna. DC, in contrast to the photodiode, does not generate noise;
б) в повышении, по сравнению с прототипом, разрешающей способности РЛС по дальности - увеличение продолжительности зондирующего сигнала в два раза в прототипе приведет к ухудшению разрешающей способности по дальности в два раза радиофотонной РЛС, использующей прототип распознавания целей и соответствующему ухудшению качества распознавания. Использование ДЦ в заявляемом изобретении позволяет сформировать двухполярный сигнал без увеличения длительности сигнала на выходе фотодетектора (фиг. 2);b) in increasing, in comparison with the prototype, the resolution of the radar in range - an increase in the duration of the probing signal by a factor of two in the prototype will lead to a deterioration in the resolution in range of twice the radiophoton radar using the prototype for target recognition and a corresponding deterioration in the quality of recognition. The use of DC in the claimed invention allows the formation of a bipolar signal without increasing the duration of the signal at the output of the photodetector (Fig. 2);
в) в энергетической независимости режимов работы фотодетекторов: использование только одного фотодетектора в каждом излучателе не ограничивает его использование работой только в одном фотогальваническом (фотовольтаическом) режиме. Имеется возможность оперативно управлять положением рабочей точки при работе в фотодиодном режиме или даже режим работы фотодиодов сразу всех излучателей антенны, руководствуясь соображениями обеспечения достижения наилучшей разрешающей способности РЛС по дальности, наилучшего отношения сигнал/шум в принимаемом сигнале за счет минимизации шумов антенны, или, руководствуясь соображением экономии электроэнергии, перейти в фотогальванический (фотовольтаический) режим работы фотодатчиков, отключив общий для всех фотодетекторов источник напряжения смещения;c) in the energy independence of the photodetector operating modes: the use of only one photodetector in each emitter does not limit its use to work in only one photovoltaic (photovoltaic) mode. It is possible to quickly control the position of the operating point when operating in the photodiode mode, or even the operation mode of the photodiodes of all antenna emitters at once, being guided by considerations of ensuring the best radar resolution in range, the best signal-to-noise ratio in the received signal by minimizing antenna noise, or, being guided by Considering energy saving, switch to the photovoltaic (photovoltaic) mode of operation of the photosensors, disabling the source common to all photodetectors nickname bias voltage;
г) в повышении надежности при эксплуатации и снижение стоимости при изготовлении. Ввиду большого (несколько тысяч) количества излучателей, входящих в состав антенных решеток современных РЛС, снижение вдвое количества мощных фотодиодов и исключения используемых в прототипе прецизионных оптических элементов приведет к повышению надежности радиофотонной антенны РЛС в процессе эксплуатации и снижению стоимости производства радиофотонных антенн. Вводимые в предлагаемом изобретении резистор и конденсатор по сравнению с мощным фотодиодом являются более простыми и надежными элементами; проверка их исправности может быть осуществлена в режиме радиомаскировки – без выхода РЛС на излучение;d) to increase the reliability during operation and reduce the cost in the manufacture. Due to the large (several thousand) number of emitters that make up the antenna arrays of modern radars, halving the number of powerful photodiodes and eliminating the precision optical elements used in the prototype will increase the reliability of the radar photon antenna during operation and reduce the cost of production of radiophoton antennas. The resistor and capacitor introduced in the present invention are more simple and reliable elements in comparison with a powerful photodiode; verification of their serviceability can be carried out in the radio masking mode - without the radar reaching the radiation;
д) в повышении КПД путем увеличения излучаемой мощности за счет согласования элементов радиотракта – равенство волнового сопротивления (импеданса) на всем протяжении радиотракта от выхода фотодиода до антенного излучателя обеспечивает минимизацию КСВ и достижение максимально возможного значения КБВ. e) in increasing the efficiency by increasing the radiated power due to the coordination of the elements of the radio path - the equality of the wave resistance (impedance) throughout the radio path from the output of the photodiode to the antenna radiator ensures the minimization of the SWR and the achievement of the maximum possible value of the KBW.
Указанный единый технический результат при осуществлении изобретения (фиг. 1) достигается тем, что по сравнению с известным радиофотонным передающим трактом для передачи мощных широкополосных сигналов [1], являющимся, по мнению автора, прототипом к заявляемому, с общими признаками: наличием лазера 1, имеющего радиочастотный вход для амплитудной модуляции оптического излучения в соответствии с поступившим на радиочастотный вход СВЧ-сигналом, ВОЛС 2, фотодетектора 3, причем радиочастотный модулирующий сигнал подается на вход лазера 1, оптический выход которого соединен с входом волоконно-оптической линии 2, выход которой соединен с оптическим входом фотодетектора 3, введена ДЦ 4, представляющая собой последовательно соединенные конденсатор и резистор, причем конденсатор подключен к радиосигнальному выходу фотодетектора 3, не соединенный с конденсатором вывод резистора соединен с шиной нулевого потенциала, а с выхода ДЦ 4, которым является точка соединения конденсатора и резистора, широкополосный радиосигнал через радиочастотный фидер соединен с излучающим элементом антенной решетки.The specified single technical result in the implementation of the invention (Fig. 1) is achieved by the fact that, compared with the known radio photon transmission path for transmitting powerful broadband signals [1], which, according to the author, is the prototype of the claimed, with common features: the presence of
В качестве мощных фотодетекторов могут быть использованы мощные фотодетекторы типа UTC (Uni-Trevelling-Carrier) с оптимизированной областью поглощения [3].As powerful photodetectors, powerful UTC (Uni-Trevelling-Carrier) type photodetectors with an optimized absorption region can be used [3].
В качестве лазеров могут быть применены мощные квантоворазмерные гетеролазеры с непосредственной модуляцией [4].Powerful quantum-well heterolasers with direct modulation can be used as lasers [4].
Такие мощные квантоворазмерные гетеролазеры (с мощностью до нескольких десятков Вт) могут непосредственно промодулированы до частот в несколько ГГц [5].Such powerful quantum-well heterolasers (with a power of up to several tens of watts) can be directly modulated to frequencies of several GHz [5].
В качестве конденсаторов ДЦ 4 целесообразно использовать керамические конденсаторы, обладающие хорошими частотными свойствами и крайне малыми токами утечки.As DC 4 capacitors, it is advisable to use ceramic capacitors with good frequency properties and extremely low leakage currents.
Поскольку изобретение обеспечивает полную гальваническую развязку фидера и антенного элемента с выходом фотодетектора, выходное сопротивление передающего тракта равно номиналу резистора ДЦ 4. Пусть волновое сопротивление (импеданс) излучающего антенного элемента равно волновому сопротивлению фидера и составляет 75 Ом. Тогда для обеспечения согласования элементов радиотракта выбираем номинал резистора ДЦ 4 равным также 75 Ом.Since the invention provides complete galvanic isolation of the feeder and the antenna element with the output of the photodetector, the output resistance of the transmitting path is equal to the value of the DC resistor 4. Let the wave impedance (impedance) of the radiating antenna element equal the wave impedance of the feeder and be 75 ohms. Then, to ensure coordination of the elements of the radio path, we select the value of the DC 4 resistor also equal to 75 Ohms.
Выбор номинала конденсатора осуществляем из следующих соображений. Последовательно соединенные конденсатор и резистор, причем конденсатор подключен к радиосигнальному выходу фотодетектора, не соединенный с конденсатором вывод резистора соединен с шиной нулевого потенциала, а с выхода дифференциальной цепи, которым является точка соединения конденсатора и резистора, мощный широкополосный радиосигнал через радиочастотный фидер поступает на излучающий элемент антенной решетки, будет осуществлять операцию дифференцирования сигнала по времени при выполнении условия: фRC < фсигн, где фRC = RC – постоянная времени дифференцирующей цепочки, состоящей из конденсатора емкостью C и резистора сопротивлением R; фсигн – длительность однополярного электрического сигнала на выходе фотодетектора, при этом результат операции дифференцирования по времени формируется в точке соединения вторых выводов конденсатора и резистора. На практике вполне достаточно, если фRC будет составлять значение, равное 0,3 от величины фсигн. Поскольку мы уже определились с выбором номинала резистора (75 Ом), найдем величину емкости конденсатора, учитывая, что наиболее жесткие условия с точки зрения выполнения приведенного выше неравенства определяются длительностью самых коротких радиоимпульсов, формируемых данной радиофотонной РЛС. Пусть длительность самых коротких формируемых этой РЛС радиоимпульсов равна 1 нс. Для таких условий номинал конденсатора, обеспечивающего дифференцирующие свойства ДЦ 4, составляет 4 пф (пикофарады).The choice of the capacitor value is carried out from the following considerations. A capacitor and a resistor are connected in series, and the capacitor is connected to the radio signal output of the photodetector, the resistor output is connected to the zero potential bus, and from the differential circuit output, which is the connection point of the capacitor and resistor, a powerful broadband radio signal is supplied to the radiating element through the radio frequency feeder antenna array, will perform the operation of signal differentiation in time when the condition is fulfilled: f RC <f signal , where f RC = RC - constant I of the time of the differentiating chain, consisting of a capacitor with a capacitance C and a resistor with a resistance R; f Sig - duration unipolar electrical signal at the output of the photodetector, and the result of differentiation with respect to time is generated at the connection point of second capacitor terminals and a resistor. In practice, it is enough if f RC will be a value equal to 0.3 of the value of f signal . Since we have already decided on the choice of the resistor rating (75 Ohms), we will find the value of the capacitance of the capacitor, given that the most stringent conditions from the point of view of fulfilling the above inequality are determined by the duration of the shortest radio pulses generated by this radio photon radar. Let the duration of the shortest radio pulses generated by this radar be 1 ns. For such conditions, the value of the capacitor providing the differentiating properties of DC 4 is 4 pF (picofarads).
Следует иметь в виду, что слишком малое значение фRC по сравнению с величиной фсигн, хотя и обеспечивает, с математической точки зрения, более качественное выполнение операции дифференцирования, тем не менее, снижает энергоэффективность устройства в целом. Дело в том, что ДЦ представляет собой фильтр высоких частот, и существенное занижение номинала конденсатора сверх расчетного приведет к снижению уровня средних частот, поступающих на антенный излучатель. Поэтому в случае, если радиофотонная РЛС предназначена для излучения радиосигналов в широчайшем диапазоне изменения их длительностей (например, от единиц наносекунд до сотен микросекунд), необходимо предусматривать меры адаптивного изменения постоянной времени ДЦ в соответствии с диапазоном длительностей используемых зондирующих сигналов (например, использовать электронные коммутаторы для параллельного подключения дополнительных конденсаторов в ДЦ).It should be borne in mind that too small a value of f RC compared with the value of f signal , although it provides, from a mathematical point of view, a better performance of the differentiation operation, nevertheless, reduces the energy efficiency of the device as a whole. The fact is that the DC is a high-pass filter, and a significant underestimation of the capacitor rating above the calculated one will lead to a decrease in the level of average frequencies entering the antenna emitter. Therefore, if the radio-photon radar is designed to emit radio signals in the widest range of variation of their durations (for example, from a few nanoseconds to hundreds of microseconds), it is necessary to provide measures of adaptive change in the DC time constant in accordance with the duration range of the probing signals used (for example, use electronic switches for parallel connection of additional capacitors in DC).
Однако эта неуниверсальность не идет ни в какое сравнение с прототипом, работа которого не просто ограничена единственным возможным вариантом длительности формируемого радиосигнала – более того, необходимо экспериментально подбирать величину задержки поступления отрицательного лепестка радиосигнала; при этом недостаточно точный подбор величины задержки вызовет либо мощный шумовой выброс из-за частичного совмещения по времени работы обоих фотодетекторов, либо снижение КПД устройства, поскольку двухполярный импульс превратится в совокупность разделенных по времени однополярных импульсов, в отдельности обладающих низкой эффективностью в отношении возбуждения излучающего антенного элемента.However, this non-universality cannot be compared with the prototype, the work of which is not just limited by the only possible option for the duration of the generated radio signal — moreover, it is necessary to experimentally select the delay value of the negative signal of the radio signal; in this case, an insufficiently accurate selection of the delay value will cause either a powerful noise emission due to the partial combination of both photodetectors in operation time, or a decrease in the device efficiency, since a bipolar pulse will turn into a set of unipolar pulses divided by time, individually having low efficiency with respect to excitation of the radiating antenna item.
При этом, поскольку в составе каждого излучателя находится только один фотодетектор, мы не связаны необходимостью использования только фотогальванического (фотовольтаического) режима; оператор РЛС может оперативно изменять положение рабочей точки или даже режим работы фотодиодов сразу всех излучателей антенны, руководствуясь соображениями обеспечения достижения наилучшей разрешающей способности РЛС по дальности, наилучшего отношения сигнал/шум в принимаемом сигнале за счет минимизации шумов антенны. Или перейти в фотогальванический (фотовольтаический) режим работы фотодатчиков, отключив общий для всех фотодетекторов источник напряжения смещения, руководствуясь соображением экономии электроэнергии.Moreover, since each emitter contains only one photodetector, we are not bound by the need to use only the photovoltaic (photovoltaic) mode; the radar operator can quickly change the position of the operating point or even the operation mode of the photodiodes of all antenna emitters at once, guided by considerations of ensuring the best radar resolution in range, the best signal-to-noise ratio in the received signal by minimizing antenna noise. Or switch to the photovoltaic (photovoltaic) mode of operation of the photosensors by switching off the bias voltage source common to all photodetectors, guided by the consideration of energy saving.
Таким образом, целесообразность использования предлагаемого в данном изобретении нового технического решения очевидна.Thus, the feasibility of using proposed in this invention a new technical solution is obvious.
Источники информации:Sources of information:
1. Патент на изобретение RU 2674074 C1 (прототип).1. Patent for the invention RU 2674074 C1 (prototype).
2. Г.Г. Ишанин, В.П. Челибанов. Физические основы работы фотодиодов в фотогальваническом и фотодиодном режимах. – Известия ВУЗов. Приборостроение, 2012, т.55, № 4, с.22-28.2. G.G. Ishanin, V.P. Chelybanov. Physical fundamentals of photodiode operation in photovoltaic and photodiode modes. - Proceedings of universities. Instrument Engineering, 2012, t.55, No. 4, p.22-28.
3. Li J., Xiong В., Luo Y., Sun С, Hao H., Wang J., Han Y., Wang L. and Li H. High-power, wide-bandwidth modified uni-travelingcarrier photodiodes with an optimized depletion region // Applied Physics Express. - 2016. - V. 9, No. 5, - http://dx.doi.org/10.7567/APEX.9.052203.3. Li J., Xiong B., Luo Y., Sun C, Hao H., Wang J., Han Y., Wang L. and Li H. High-power, wide-bandwidth modified uni-travelingcarrier photodiodes with an optimized depletion region // Applied Physics Express. - 2016. - V. 9, No. 5, - http://dx.doi.org/10.7567/APEX.9.052203.
4. Винокуров Д.А., Зорина C.A., Тарасов И.С. и др. Мощные полупроводниковые лазеры на основе асимметричных гетероструктур раздельного ограничения // Физика и техника полупроводников. - 2005. - Т. 39, вып. 3 - с. 388-393.4. Vinokurov D.A., Zorina C.A., Tarasov I.S. et al. Powerful semiconductor lasers based on asymmetric separate-limiting heterostructures // Physics and Technology of Semiconductors. - 2005. - T. 39, no. 3 - p. 388-393.
5. Зайцев Д.Ф. Исследование частотного потенциала мощных квантоворазмерных гетеролазеров // Антенны. - 2013. - Вып. 8. - с. 50-57.5. Zaitsev D.F. Investigation of the frequency potential of powerful quantum-well heterolasers // Antennas. - 2013. - Issue. 8. - p. 50-57.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019128951A RU2716269C1 (en) | 2019-09-15 | 2019-09-15 | Radio-photonic transmitting path for transmission of powerful broadband signals and efficient excitation of antennae |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019128951A RU2716269C1 (en) | 2019-09-15 | 2019-09-15 | Radio-photonic transmitting path for transmission of powerful broadband signals and efficient excitation of antennae |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2716269C1 true RU2716269C1 (en) | 2020-03-11 |
Family
ID=69898197
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019128951A RU2716269C1 (en) | 2019-09-15 | 2019-09-15 | Radio-photonic transmitting path for transmission of powerful broadband signals and efficient excitation of antennae |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2716269C1 (en) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040203703A1 (en) * | 2002-03-11 | 2004-10-14 | Fischer Larry G. | Distribution of wireless telephony and data signals in a substantially closed environment |
| RU2331157C2 (en) * | 2004-01-15 | 2008-08-10 | Хуавэй Текнолоджиз Ко., Лтд. | Method, device and system for optical communication |
| US20110268452A1 (en) * | 2010-05-02 | 2011-11-03 | Beamon Hubert B | Digital data services and/or power distribution in optical fiber-based distributed communications systems providing digital data and radio frequency (rf) communications services, and related components and methods |
| US20110268446A1 (en) * | 2010-05-02 | 2011-11-03 | Cune William P | Providing digital data services in optical fiber-based distributed radio frequency (rf) communications systems, and related components and methods |
| RU2575859C1 (en) * | 2011-12-02 | 2016-02-20 | Хуавэй Текнолоджиз Ко., Лтд. | Femtocell/wlan communication device |
| RU2674074C1 (en) * | 2018-02-21 | 2018-12-07 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Radiophoton transmission line for transferring powerful broadband signals and effective excitation of antennas |
-
2019
- 2019-09-15 RU RU2019128951A patent/RU2716269C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040203703A1 (en) * | 2002-03-11 | 2004-10-14 | Fischer Larry G. | Distribution of wireless telephony and data signals in a substantially closed environment |
| RU2331157C2 (en) * | 2004-01-15 | 2008-08-10 | Хуавэй Текнолоджиз Ко., Лтд. | Method, device and system for optical communication |
| US20110268452A1 (en) * | 2010-05-02 | 2011-11-03 | Beamon Hubert B | Digital data services and/or power distribution in optical fiber-based distributed communications systems providing digital data and radio frequency (rf) communications services, and related components and methods |
| US20110268446A1 (en) * | 2010-05-02 | 2011-11-03 | Cune William P | Providing digital data services in optical fiber-based distributed radio frequency (rf) communications systems, and related components and methods |
| RU2575859C1 (en) * | 2011-12-02 | 2016-02-20 | Хуавэй Текнолоджиз Ко., Лтд. | Femtocell/wlan communication device |
| RU2674074C1 (en) * | 2018-02-21 | 2018-12-07 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Radiophoton transmission line for transferring powerful broadband signals and effective excitation of antennas |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Радиотехника, Энциклопедия, под ред. Ю.Л. Мазора и др. М., Изд. дом "Додэка-ХХ1", 2009. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Van Exter et al. | High‐brightness terahertz beams characterized with an ultrafast detector | |
| JP6060149B2 (en) | Analog baseband circuit for terahertz phased array system | |
| US12355408B2 (en) | Systems and methods for modular power amplifiers | |
| AU2021296802B2 (en) | Systems and methods for modular power amplifiers | |
| CN110456324B (en) | Integrated phased array laser radar system | |
| CN108896979B (en) | Pulse laser radar receiving circuit and system with ultra-wide single-shot measurement range | |
| CN109884662B (en) | Laser radar system and vehicle | |
| CN108732578B (en) | Range finder system and method for calibrating same and determining distance to external object | |
| CN212905460U (en) | Optical proximity sensor and proximity sensor | |
| Shimizu et al. | Photodiode-integrated microstrip antenna array for subterahertz radiation | |
| WO2017096957A1 (en) | Calibration method based on single-wavelength and double-laser-tube phase measurement, and device thereof | |
| CN113093211A (en) | Driving laser system | |
| CN110806576A (en) | Microwave photonic large-scale autofocus radar imaging system and method | |
| Jiang et al. | A wide-angle time-domain electronically scanned array based on energy-pattern-reconfigurable elements | |
| CN114280588A (en) | Microwave photon multi-band array radar implementation method and system | |
| RU2716269C1 (en) | Radio-photonic transmitting path for transmission of powerful broadband signals and efficient excitation of antennae | |
| US5121401A (en) | Pulsed modulators utilizing transmission lines | |
| CN116338670A (en) | Radar system and radar ranging method | |
| Lidow et al. | GaN-based solutions for cost-effective direct and indirect time-of-flight lidar transmitters are changing the way we live | |
| RU2674074C1 (en) | Radiophoton transmission line for transferring powerful broadband signals and effective excitation of antennas | |
| US20220316843A1 (en) | Frequency and waveform agile microwave devices | |
| US20200092006A1 (en) | Frequency comb generating device and method for generating a frequency comb | |
| CN108957408A (en) | A kind of high-power millimeter wave emission source | |
| RU2722085C1 (en) | Photonic fiber-optic module | |
| CN115479914A (en) | A high-resolution terahertz frequency domain scanning system and method |