BR112015013781B1 - Método para calibrar um sistema de antena rotativo, sistema de antena rotativo, e, meio de armazenamento legível por computador - Google Patents

Abstract

método para calibrar um sistema de antena, sistema de antena, e, meio de armazenamento legível por computador. método para calibrar um sistema de antena (1) incluindo elementos de antena (3) conectado a unidades receptoras de sinal (4) em uma porta de entrada de sinal rf das mesmas compreendendo gerar um sinal de calibração rf (62), aplicar o sinal de calibração r f para a porta de entrada de sinal rf das unidades receptoras de sinal sem aplicar o sinal de calibração via elementos de antena (3). a resposta do sistema de antena para os sinais de calibração medidos, e uma correção de sinal é calculada de acordo com a resposta medida. a correção de sinal é aplicada à resposta do sistema de antena para sinais subsequentemente recebidos nas unidades receptoras de sinal via elementos de antena do sistema de antena.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção relaciona-se a sistemas de antena, e particularmente, mas não exclusivamente, a sistemas de antena giratórios com juntas rotativas.

FUNDAMENTO

[002] A calibração de um sistema de antena tipicamente requer o uso de uma fonte de sinal de calibração de RF externa (radiofrequência) arranjada para transmitir um sinal predefinido de forma conhecida, e para receber esse sinal pelo sistema de antena sendo calibrado.

[003] Comparando a forma conhecida do sinal de calibração transmitido à forma detectada do sinal de calibração recebido, alguém pode calibrar o sistema de antena receptor de acordo com as diferenças entre as duas. Estas diferenças são assumidas serem o resultado, em grande parte, de erros do sistema e características do sistema de antena receptor e podem ser invertidas para determinar um fator de correção ou processo a ser aplicado a sinais recebidos subsequentes. Deste modo, erros do sistema e características podem ser levadas em conta e cancelados, pelo menos até certo ponto, para melhorar a precisão do sistema de antena.

[004] Esta necessidade para calibração é particularmente importante em sistemas de antena giratórios com juntas rotativas, tal como a maioria de sistemas de radar.

[005] Uma junta rotativa típica é um dispositivo eletromecânico que provê a interface de transferência de sinal exigida entre as seções estacionária e giratória de um sistema de antena giratório. Permite a sinais de radiofrequência (RF) serem transmitidos atrás e/ou adiante entre a antena e outros componentes de um aparelho de antena.

[006] Juntas rotativas de RF são usadas em muitas indústrias. Estas indústrias incluem controle de comunicação, satélites, espaço aéreo e tráfego aéreo, sistemas aerotransportados, sistemas a bordo de navios, radar baseado em terra.

[007] Uma junta rotativa é uma linha de transmissão giratória passiva que tem a habilidade para passar sinais de RF com degradação mínima. Porém, quanto mais canais de RF exigidos forem transmitidos, geralmente mais longa deverá ser a junta rotativa. Uma junta rotativa pode ser tão simples quanto um dispositivo de transmissão de um canal que é tipicamente pequeno (alguns cm em comprimento), ou tão complicada quanto, digamos, um dispositivo de transmissão de 73 canais, que é muito mais longo (aproximadamente 5 metros de comprimento).

[008] Juntas rotativas de RF podem ser feitas de cobre, bronze, alumínio, aço inoxidável, aços especiais, prata, e especialmente ligas de revestimento ou bimetálicas. Especificações importantes para juntas rotativas de RF incluem tamanho, comprimento e peso. Claramente, a natureza metálica de juntas rotativas de RF as fazem relativamente pesadas.

[009] Transferir um sinal de radiofrequência (RF) pela junta rotativa de uma antena giratória, tal como um arranjo de antena de radar, pode requerer juntas rotativas de RF grandes e pesadas perto da antena e tipicamente altas em um mastro de antena, por exemplo o mastro de um navio. Este se torna um problema particular ao considerar arranjos de antena tendo muitos canais de RF, requerendo uma junta rotativa de RF longa e pesada.

[0010] A invenção trata isto.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0011] A invenção é para empregar um sinal de calibração de RF gerado internamente, no lugar de um sinal de calibração gerado externamente e transmitido, calibrar um sistema de antena contra erros do sistema e características. Em particular, entretanto, não exclusivamente, a invenção em algumas concretizações preferidas é para modular a potência de um sinal óptico usando um sinal elétrico analógico de um receptor de RF ou fonte de sinal de uma antena a fim de transferir o sinal óptico analógico, carregando a informação de dentro do sinal elétrico de RF, por uma junta rotativa óptica do sistema de antena giratório. Depois de transferir, o sinal óptico analógico modulado pode então ser convertido em um sinal analógico elétrico e subsequentemente pode ser processado digitalmente. Há uma dificuldade aumentada em manter suficientemente de modo preciso a amplitude/potência de sinal óptico de um dado canal de sinal óptico através da gama rotacional completa da junta rotativa. Foi achado que uma variação de ganho/nível geralmente sinusoidal tende a ocorrer em um sinal transferido opticamente através desta gama de azimute. Foi achado efetivo empregar o sinal de calibração "simulado externo" aplicado internamente, que não é aplicado pelos elementos de antena irradiantes, para calibrar o sistema de antena contra erros do sistema e características da junta rotativa óptica.

[0012] Por exemplo, uma unidade de transmissor pode alimentar internamente um sinal de calibração de RF predefinido diretamente (isto é, sem irradia-lo de um local externo) em um receptor da antena do sistema. O sinal de calibração imita o que o receptor "veria" se um sinal de RF externo predeterminado tivesse sido recebido pelos elementos de antena do sistema, e alimentado ao receptor do modo habitual tradicional. A resposta de cada canal de receptor, tal como cada canal óptico no prisma de Dove, pode então ser designado e calibrada de modo contrário. Isto permite que uma calibração controlada seja aplicada a qualquer hora sem a necessidade de uma fonte de RF de calibração externa.

[0013] Em concretizações preferidas, a invenção pode incluir uma calibração de um sinal de RF analógico recebido por uma junta rotativa óptica na qual correções separadas são calculadas para valores separados de posição rotacional da junta rotativa óptica, preferencialmente uma gama de correções é determinada atravessando a gama inteira de posições rotacionais diferentes da junta. As correções podem ser para variações em nível de sinal e/ou fase de sinal, e/ou nível de ruído de sinal (por exemplo, relação de sinal para ruído), que pode variar tudo de acordo com a posição rotacional da junta rotativa óptica.

[0014] Uma correção de duas partes pode ser aplicada em correções que respondem por variações em níveis de ruído de sinal a posições rotacionais variadas da junta rotativa óptica são aplicadas aos sinais ópticos quando em forma analógica - por exemplo, por um processador de sinal analógico, enquanto correções respondendo por variações em níveis de sinal e/ou fase a posições rotacionais variadas da junta rotativa óptica são aplicadas aos sinais ópticos subsequentemente quando em forma digital - por exemplo, por processador notável digital.

[0015] Transmissão de sinal analógico pela junta rotativa óptica remove a necessidade por processadores analógicos para digitais no arranjo de antena. Foi achado possível transferir opticamente dados analógicos dentro de sinais analógicos elétricos, de modo tal que a amplitude do sinal analógico transferido seja transferida precisamente e recuperada quando convertidos de volta em um sinal de saída analógico elétrico, particularmente quando a junta rotativa é calibrada como descrito aqui.

[0016] Este é um resultado surpreendente, no campo técnico da invenção existe uma percepção que a transferência óptica de dados em sistemas de comunicação de RF sempre deveria ser digital desde que sinais de dados digitais em geral são frequentemente menos suscetíveis à perda de dados ou erros durante transmissão, e muito mais propícios a correção de erros. É percebido que haveria dificuldade geralmente insuperável em controlar suficientemente de modo preciso os níveis de amplitude/potência de sinal óptico necessário para alcançar precisão desejada em transferência de dados através de sinais analógicos, especialmente ao transferir múltiplos canais de sinal.

[0017] A invenção em concretizações preferidas emprega preferencialmente um prisma de "Dove", ou um prisma de "Abbe-Kong", ambos também conhecidos como um prisma de reversão dentro da junta rotativa óptica. Quando tal prisma é girado sobre seu eixo geométrico de comprimento, uma imagem vista pelo prisma gira a duas vezes a taxa de rotação de prisma, mas a posição de saída permanece inalterada, e um raio de saída está paralelo com o raio de entrada a todos os ângulos de rotação de prisma.

[0018] Múltiplos canais podem ser transferidos ao prisma de reversão em uma multidão correspondente de fibras ópticas de entrada, ou guias de onda, que giram com a antena, e depois de ter transferido pelo prisma de reversão, cada canal pode então ser produzido do prisma de reversão para outra multidão correspondente de fibras ópticas, ou guias de onda, que não são giratórios.

[0019] Em um primeiro aspecto, a invenção pode prover um método para calibrar um sistema de antena incluindo um elemento(s) de antena conectado a uma unidade(s) de receptor de sinal a uma porta de entrada de sinal de RF compreendida por gerar um sinal de calibração de RF, aplicar o sinal de calibração de RF à porta de entrada de sinal de RF da unidade(s) de receptor de sinal sem aplicar o sinal de calibração pelos elemento(s) de antena, medir a resposta do sistema de antena ao sinal de calibração, calcular uma correção de sinal de acordo com a resposta medida, aplicar a correção de sinal à resposta do sistema de antena a sinais recebidos subsequentemente a ditas unidade(s) de receptor de sinal pelos elemento(s) de antena do sistema de antena.

[0020] O método pode incluir a geração do sinal de calibração de RF usando um transmissor de sinal de RF e a transmissão do sinal de calibração de RF à porta de entrada de sinal de RF diretamente por uma linha de transmissão de sinal conectando o transmissor de sinal de RF à porta de entrada de sinal de RF do receptor de sinal.

[0021] Um valor da correção de sinal pode ser calculado de acordo com o inverso de um valor da resposta medida.

[0022] O método pode ser aplicado a um sistema de antena que compreende uma antena rotativa, e pode incluir, produzir das unidades de receptor de sinal um sinal analógico de RF como uma resposta disso ao sinal de calibração de RF aplicado, receber o sinal de RF analógico a um modulador óptico e modular um sinal óptico com isso para produzir um sinal óptico analógico modulado, transmitir opticamente o sinal óptico analógico modulado para um conversor opto-elétrico por uma junta rotativa óptica incluindo um prisma de reversão, converter o sinal óptico analógico modulado em um sinal elétrico analógico usando o conversor opto-elétrico, e calcular uma correção de sinal de acordo com o sinal elétrico analógico.

[0023] O método pode incluir girar a antena rotativa por 720 graus de ângulo/posição de rotação (por exemplo, azimute), aplicar o sinal de calibração de RF continuamente, ou a intervalos regulares apropriadamente, durante os 720 graus de ângulo/posição de rotação, e calcular uma pluralidade das correções de sinal correspondendo a uma pluralidade dos ângulos/posições de rotação abrangendo os 720 graus. Será apreciado que uma rotação de 720 graus da antena rotativa resulte em uma rotação de 360 graus do prisma de reversão dentro da junta rotativa.

[0024] O método pode incluir converter os sinais elétricos analógicos em sinais elétricos digitais e calcular as correções de sinal de acordo com os sinais elétricos digitais.

[0025] O método pode incluir aplicar uma correção de sinal aos sinais elétricos analógicos para reduzir os efeitos de níveis de ruído nisso, e converter subsequentemente os sinais elétricos analógicos em sinais elétricos digitais. O método pode incluir converter estes sinais elétricos analógicos de ruído corrigido em sinais elétricos digitais e calcular as correções de sinal de acordo com esses sinais elétricos digitais de ruído corrigido.

[0026] Em um segundo aspecto, a invenção pode prover um sistema de antena compreende: um elemento de antena conectado a uma unidade de receptor de sinal a uma porta de entrada de RF de sinal disso incluindo, um transmissor de sinal de RF de calibração arranjado para gerar um sinal de calibração de RF, e para aplicar o sinal de calibração de RF à porta de entrada de sinal de RF das unidades de receptor de sinal sem aplicar o sinal de calibração pelos elementos de antena, um controlador de calibração arranjado para medir a resposta do sistema de antena ao sinal de calibração, calcular uma correção de sinal de acordo com a resposta medida, e aplicar a correção de sinal à resposta do sistema de antena a sinais recebidos subsequentemente a ditas unidades de receptor de sinal pelos elementos de antena do sistema de antena. O controlador de calibração pode ser um processador de sinal, incluindo um processador de sinal digital, ou um processador de sinal analógico ou ambos.

[0027] O transmissor de sinal de calibração de RF está preferencialmente conectado à porta de entrada de sinal de RF diretamente por uma linha de transmissão de sinal conectando o transmissor de sinal de RF à porta de entrada de sinal de RF do receptor de sinal.

[0028] O controlador de calibração pode ser arranjado para calcular um valor da correção de sinal de acordo com o inverso de um valor da resposta medida.

[0029] O sistema de antena preferencialmente inclui uma antena rotativa óptica, e as unidades de receptor de sinal são arranjadas preferencialmente para produzir um sinal analógico de RF como uma resposta disso ao sinal de calibração de RF aplicado para transmissão óptica pela junta rotativa óptica a fim de caracterizar/calibrar a junta. O sistema de antena pode incluir um modulador óptico arranjado para receber o sinal de RF analógico e para modular um sinal óptico com isso para produzir um sinal óptico analógico modulado, um conversor opto-elétrico arranjado para converter os sinais ópticos analógicos modulados em um sinal elétrico analógico, uma junta rotativa óptica incluindo um prisma de reversão arranjado para transmitir opticamente os sinais ópticos analógicos modulados dos moduladores ópticos para o conversor opto-elétrico. O controlador de calibração está preferencialmente arranjado para calcular uma correção de sinal de acordo com os sinais elétricos analógicos. Isto pode ser diretamente processado pelos sinais analógicos com um processador de sinal analógico e/ou processado digitalmente os sinais depois que eles foram convertidos em sinais digitais (por exemplo, depois de um processamento analógico inicial).

[0030] O controlador de calibração está preferencialmente arranjado para aplicar o sinal de calibração de RF continuamente durante uma rotação de 720 graus (por exemplo, ângulo de azimute) da posição angular da junta rotativa, e calcular uma pluralidade de correções de sinal correspondendo a uma pluralidade de posições angulares abrangendo os 720 graus.

[0031] O sistema de antena pode incluir um conversor analógico para digital (A/D) arranjado para converter os sinais elétricos analógicos em sinais elétricos digitais, e o controlador de calibração pode ser arranjado para calcular as correções de sinal de acordo com os sinais elétricos digitais.

[0032] O sistema de antena pode incluir um processador de sinal analógico arranjado para receber os sinais elétricos analógicos, e o controlador de calibração pode ser arranjado para controlar o processador de sinal analógico para aplicar uma correção de redução de ruído ao sinais elétricos analógicos.

[0033] A invenção em outro aspecto pode prover um programa de computação ou pluralidade de programas de computação arranjados tal que quando executados por um sistema de computador façam o sistema de computador operar para controlar um aparelho de transmissão de sinal óptico conforme o método descrito acima, ou um meio de armazenamento legível por máquina armazenando tal programa de computação ou pelo menos um da pluralidade de programas de computação.

[0034] Em um terceiro aspecto, a invenção pode prover um aparelho de transmissão de sinal óptico para um antena giratória incluindo uma pluralidade de moduladores ópticos arranjados para receber uma pluralidade respectiva de sinais de RF analógicos e para modular uma pluralidade respectiva de sinais ópticos com isso para produzir uma pluralidade de sinais ópticos analógicos modulados, uma pluralidade de conversores opto-elétricos para converter um sinal óptico analógico modulado respectivo em um sinal elétrico analógico, em que a pluralidade de moduladores ópticos está acoplada rotacionalmente em comunicação óptica com a pluralidade de conversores opto-elétricos por uma junta rotativa óptica incluindo um prisma de reversão. O prisma de reversão pode ser um prisma de Dove de um prisma de Abbe- Konig.

[0035] Os moduladores ópticos preferencialmente incluem um laser, tal como um laser de onda contínua, para gerar um sinal portador óptico e uma unidade de modulador óptico (por exemplo, um modulador de Mach- Zehnder (MZ)) arranjado para modular o sinal de portadora de acordo com o sinal de RF analógico.

[0036] A unidade de modulador óptico preferencialmente inclui um componente polarizável sendo configurável para ser polarizado pela aplicação de uma tensão de polarização tal que o modulador opere em quadratura.

[0037] O aparelho de transmissão de sinal óptico pode incluir um meio de controle de polarização arranjado para variar a tensão de polarização aplicada ao componente polarizável até que o valor da tensão de polarização seja o valor mais perto a uma tensão de polarização (por exemplo 0 (zero) Volts) à qual o modulador opera em quadratura. Isto permite ao aparelho manter a operação das unidades de modulador óptico com uma característica de transferência de modulação mais consistente, por esse meio mantendo melhor uma precisão desejada em níveis de sinal óptico analógico modulado através de uma maior gama dinâmica.

[0038] O prisma de reversão é preferencialmente acoplado rotacionalmente à pluralidade de moduladores ópticos e à pluralidade de conversores opto-elétricos de modo a ser rotativo relativo a ambas a uma taxa angular de rotação que é substancialmente metade da taxa angular de rotação à qual a pluralidade de moduladores ópticos é rotativa simultaneamente relativa à pluralidade de conversores opto-elétricos. Assim, os moduladores ópticos podem ser arranjados em uma parte rotativa de um conjunto de antena e os conversores opto-elétricos podem ser arranjados em uma parte estacionária do conjunto junto com componentes de processamento de sinal elétrico e componentes de controle do conjunto. Meio de engrenagem pode acoplar um alojamento contendo os moduladores ópticos a um alojamento contendo o prisma de reversão e pode ser arranjado para transferir força motriz rotativa ao alojamento contendo o prisma de reversão do alojamento contendo os moduladores ópticos a substancialmente uma meia (1/2) taxa angular.

[0039] O aparelho de transmissão de sinal óptico pode incluir uma primeira unidade de colimador óptico arranjada para receber e colimar uma dita pluralidade de sinais ópticos analógicos modulados para entrada ao prisma de reversão, e uma segunda unidade de colimador óptico arranjada para receber e colimar a pluralidade de sinais ópticos analógicos modulados produzidos do prisma de reversão, em que a primeira e segunda unidades de colimador compartilham eixos geométricos substancialmente paralelos de colimação. Preferencialmente, a primeira unidade de colimador óptico está arranjada para receber sinais ópticos analógicos da segunda unidade de colimador óptico - isto é, operando reciprocamente, ou como uma instalação de transferência óptica bidirecional.

[0040] O aparelho de transmissão de sinal óptico pode incluir pelo menos 20 moduladores ópticos e 20 conversores opto-elétricos, ou pelo menos 30. Assim, muitos canais de sinal analógico óptico podem ser providos para transferir opticamente pela junta rotativa óptica. A primeira e segunda unidades de colimador óptico pode cada uma incluir um número correspondente de fibras ópticas que terminam nisso e estão em comunicação óptica com um respectivo dos moduladores ópticos e conversores opto- elétricos, respectivamente, do aparelho. Os eixos geométricos ópticos das fibras ópticas nas extremidades terminais disso em cada uma da primeira e segundas unidades de colimador são preferencialmente paralelos ao eixo geométrico óptico do prisma de reversão entre eles. Deste modo, qualquer uma extremidade terminal de fibra óptica em uma da primeira e segunda unidade de colimador é mantida, pelo prisma de reversão, em comunicação óptica com a mesma uma extremidade terminal de fibra óptica na outra da primeira e segunda unidade de colimador, independente do estado de rotação relativa das duas unidades de colimador.

[0041] Em um quarto aspecto, a invenção pode prover um método para transmissão de sinal óptico para uma antena giratória incluindo, receber uma pluralidade de sinais de RF analógicos a uma pluralidade respectiva de moduladores ópticos e modular uma pluralidade respectiva de sinais ópticos com isso para produzir uma pluralidade de sinais ópticos analógicos modulados, transmitir opticamente a pluralidade de sinais ópticos analógicos modulados para uma pluralidade de conversores opto-elétricos por uma junta rotativa óptica incluindo um prisma de reversão, converter cada analógico sinal óptico modulado em um sinal elétrico analógico respectivo usando a pluralidade de conversores opto-elétricos.

[0042] Os moduladores ópticos preferencialmente incluem um laser para gerar um sinal de portadora óptica e uma unidade de modulador óptico (por exemplo, um modulador de Mach-Zehnder (MZ)), e o método preferencialmente inclui modular o sinal de portadora usando a unidade de modulador óptico de acordo com o sinal de RF analógico. O sinal de RF analógico pode ser aplicado à unidade de modulador óptico como um sinal de modulação.

[0043] A unidade de modulador óptico preferencialmente inclui um componente polarizável, e o método preferencialmente inclui polarizar o componente polarizável pela aplicação de uma tensão de polarização tal que o modulador opere em quadratura.

[0044] O método pode incluir variar a tensão de polarização aplicada ao componente polarizável até que o valor da tensão de polarização seja o valor mais perto a uma tensão de polarização (por exemplo 0 (zero) Volts) à qual o modulador opera em quadratura.

[0045] O método pode incluir girar, em uso, a pluralidade de moduladores ópticos relativo à pluralidade de conversores opto-elétricos a uma taxa angular de rotação, e girar simultaneamente o prisma de reversão relativo à pluralidade de moduladores ópticos e à pluralidade de conversores opto-elétricos a uma taxa angular de rotação que é substancialmente metade da taxa angular de rotação.

[0046] O método pode incluir colimar a pluralidade de sinais ópticos analógicos modulados de acordo com um primeiro eixo geométrico de colimação, introduzir a pluralidade colimada de sinais ópticos analógicos modulados ao prisma de reversão, e receber e colimar a pluralidade de sinais ópticos analógicos modulados produzidos do prisma de reversão de acordo com segundo eixo geométrico de colimação substancialmente paralelo ao primeiro eixo geométrico de colimação. O método pode incluir colimação deste modo para transferência óptica em qualquer direção pelo prisma de reversão.

[0047] O método pode incluir receber, modular opticamente, transmitir opticamente e subsequentemente de modular pelo menos 20, ou pelo menos 30, sinais de RF analógicos simultaneamente.

[0048] Em um aspecto adicional, a invenção provê um programa de computação ou pluralidade de programas de computação arranjados tal que quando executados por um sistema de computador façam o sistema de computador operar para controlar um aparelho de transmissão de sinal óptico conforme o método de quaisquer dos aspectos anteriores.

[0049] Em um aspecto ainda adicional, a invenção provê um meio de armazenamento legível por máquina armazenando um programa de computação ou pelo menos um da pluralidade de programas de computação de acordo com o aspecto anterior.

[0050] O aparelho no terceiro aspecto pode incluir o aparelho de acordo com o segundo aspecto da invenção. O método no quarto aspecto pode incluir o método no primeiro aspecto da invenção.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0051] Figura 1 ilustra esquematicamente um sistema de antena de radar incluindo um arranjo de antena de radar acoplado rotacionalmente a um sistema de processamento de sinal de radar por uma junta rotativa óptica;

[0052] Figura 2 mostra um esquemático de seção transversal de uma junta rotativa óptica;

[0053] Figuras 3A e 3B mostram um modulador óptico de Mach- Zehnder, e a funções de transferência de um em modulador óptico;

[0054] Figura 4 mostra esquematicamente o modulador óptico da Figura 3A em combinação com elementos de entrada e controle mostrados na Figura 1;

[0055] Figura 5 mostra graficamente a variação em resposta de dois canais da junta rotativa óptica como uma função de posição rotacional da junta por uma gama angular (azimute) abrangendo 720 graus correspondendo a uma gama rotacional de 360 graus completa do prisma de reversão dentro da junta rotativa;

[0056] Figura 6 mostra esquematicamente um atenuador gradual empregado em um processador de sinal analógico de uma concretização da invenção;

[0057] Figura 7 mostra uma extremidade da primeira e segunda unidade de colimador da Figura 1 ou 2, mostrando um arranjo de 24 canais ópticos de transmissão separados dentro da junta rotativa óptica.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0058] Nos desenhos, mesmos itens são nomeados com os mesmos símbolos de referência para consistência.

[0059] Figura 1 mostra um sistema de radar 1 compreendendo um arranjo de antena 2 tendo quatro elementos de radiação de antena separados 3 (ou sub-arranjos de múltiplos elementos de radiação), cada um servido por uma respectiva de quatro unidades de transmissor/receptor de RF separadas 4. É para ser notado que enquanto só quatro canais de sinal são mostrados aqui, isto é puramente para propósitos ilustrativos, e muitos mais tais canais podem estar presentes em outras concretizações. Cada unidade de transmissor/receptor contém um aparelho de receptor para receber sinais de RF, tais como sinais de retorno de radar (eco), de um elemento de radiação de antena respectivo e para gerar sinais elétricos de RF amplificados tipicamente por um super-heteródino ou similar tal como seria prontamente aparente à pessoa qualificada. Também, cada unidade de transmissor/receptor contém um aparelho de transmissor para gerar sinais de saída de radar de RF para radiação por um elemento de radiação de antena respectivo. Cada um do aparelho de transmissor e receptor está conectado a um elemento de radiação comum por um duplexador (não mostrado) que protege o aparelho de receptor de sinais gerados pelo aparelho de transmissor, e dirige sinais de radar recebidos ao aparelho de receptor. Estes componentes de aparelho podem ser tais como seria prontamente aparente à pessoa qualificada.

[0060] Cada uma das quatro unidades de transmissor/receptor tem uma linha de transmissão de RF de saída analógica de receptor 5 conectada a uma porta de sinal de modulação de entrada de RF de um respectivo de quatro moduladores ópticos de Mach-Zehnder (MZ) 6, que também cada um tem uma porta de entrada de sinal de portadora óptica conectada para receber um sinal de portadora óptica de uma unidade de laser 7 arranjada para gerar quatro sinais de portadora ópticos separados para cada um respectivo dos quatro moduladores ópticos (MZ). A unidade de laser pode incluir uma ou mais fontes luminosas de laser (por exemplo, lasers de estado sólido ou outra forma) controladas para gerar uma saída óptica de intensidade substancialmente constante para uso como um sinal de portadora. Uma tal fonte luminosa de laser pode ser arranjada para gerar um sinal de portadora óptica para dois ou mais moduladores de MZ em comum, e pode ser acoplada opticamente a isso por um divisor de potência óptica tal que dois moduladores de MZ sejam servidos compartilhando/dividindo luz de portadora de uma fonte de laser.

[0061] Cada modulador óptico de MZ está arranjado para modular o sinal de portadora óptica recebido por isto com sinal de tensão de RF analógico recebido pelo modulador de MZ a sua porta de sinal de modulação de entrada de RF, e produzir o sinal óptico analógico modulado em uma fibra óptica 8 respectiva para uma respectiva de quatro portas de entrada de colimador de uma primeira unidade de colimador 9 de uma junta rotativa óptica 10, por uma fibra óptica respectiva. Uma polarização é aplicada a cada modulador de MZ para controlar o modulador de MZ de modo a operar a ou perto de quadratura, como é explicado em mais detalhe abaixo, com referência às Figuras 3A, 3B e 4.

[0062] A junta rotativa óptica inclui uma unidade de prisma 11 contendo um prisma de Dove (outro tipo de prisma de reversão tal como um prisma de Abbe-Kong pode ser usado) que acopla opticamente os sinais ópticos modulados de cada uma das quatro portas de entrada de colimador a uma respectiva de quatro portas de saída de colimador de uma segunda unidade de colimador 12 da junta rotativa óptica. Cada unidade de colimador está arranjada para colimar um sinal óptico modulado recebido por esse meio. O eixo geométrico de colimação da primeira unidade de colimador é paralelo àquele da segunda unidade de colimador. Porém, a primeira unidade de colimador está fixada à cabeça de antena giratória do sistema de radar que está arranjado para girar sobre um eixo geométrico de rotação paralelo ao eixo geométrico de colimação, a uma dada taxa angular de rotação (co) e é, portanto, rotativa, enquanto a segunda unidade de colimador está fixada à parte estacionária do sistema de radar e não gira. A unidade de prisma, localizada intermediária à primeira unidade de colimador rotativa e à segunda unidade de colimador estacionária, está arranjada para girar com a primeira unidade de colimador sobre o mesmo eixo geométrico de rotação, mas à meia taxa angular de rotação (o/2). Assim, a primeira unidade de colimador está arranjada para girar relativa a ambas a unidade de prisma e a segunda unidade de colimador.

[0063] Deste modo, sinais modulados ópticos (analógicos) são transmitidos de um arranjo de elemento de antena giratória para um sistema de processamento de sinal estacionário por uma junta rotativa óptica. Conversão analógica para digital (A/D) de sinais não é requerida antes de transmissão pela junta rotativa óptica e pode ser executada depois de tal transmissão. Deste modo, uma junta rotativa óptica compacta é provida que evita a necessidade para conversores (A/D) na cabeça giratória do sistema de antena.

[0064] A segunda unidade de colimador possui quatro portas de saída de colimador separadas, cada uma dirige um sinal óptico de RF modulado (analógico) colimado por uma respectiva de quatro fibras ópticas 13, a um respectivo de quatro conversores opto-elétricos 14 separados, cada um arranjado para converter um sinal óptico modulado analógico recebido em um sinal elétrico de RF modulado analógico correspondente. Cada conversor opto-elétrico pode incluir um fotodiodo que está polarizado inverso. Luz modulada incidente no fotodiodo é convertida em uma corrente proporcional à intensidade da luz incidente. A saída do fotodiodo está conectada eletricamente em série a um resistor (não mostrado) que gera uma tensão em proporção à corrente de fotodiodo. Em concretizações alternativas, o resistor pode ser substituído com um amplificador de transimpedância que pode prover maior sensibilidade em converter sinais ópticos a valores de tensão.

[0065] Os sinais de RF analógicos modulados elétricos gerados pelos conversores opto-elétricos são cada entrada a um processador de sinal de RF analógico 15 do tipo usado tipicamente em um aparelho de radar para processamento, tal como amplificação, filtragem ou similar, e produzido subsequentemente a um conversor de sinal analógico para digital (A/D) 20 para produção subseqüente a uma unidade de processador de sinal digital 21 para análise, processamento e uso geral, como desejado por um usuário.

[0066] Uma unidade de controle de transmissor 16 é também provida, e está arranjada para gerar sinais de controle digitais para controlar a operação do aparelho de transmissor dentro das unidades de transmissor/receptor, e também sinais para controlar a operação de uma unidade de transmissor de sinal de calibração 61 separada das unidades de transmissor/receptor. A unidade de controle de transmissor está arranjada para produzir sinais de controle de transmissor elétrico digital 17 para uma unidade de conversor de sinal eletro-óptico 18 arranjada para converter os sinais elétricos digitais em sinais ópticos digitais de um modo tal como seria prontamente disponível à pessoa qualificada. Por exemplo, o conversor de sinal eletro-óptico pode ser um diodo laser arranjado para ser excitado por um sinal de excitação contendo os sinais de controle de transmissor/calibração elétricos digitais tal que um sinal óptico digital seja gerado carregando os sinais elétricos digitais em questão. Este sinal óptico digital é entrado à segunda unidade de colimador óptico (estacionária) 12 e é transmitido subsequentemente pelo prisma de Dove 11 para a primeira unidade de colimador óptico 9, ao que é produzido pela primeira unidade de colimador a um conversor opto-elétrico 18 (sendo alguma variedade satisfatória, tal como estaria prontamente disponível e aparente à pessoa qualificada) arranjado para converter os sinais ópticos digitais em sinais elétricos digitais e produzir o resultado. Isto pode incluir um sinal de controle de transmissor 19 para entrada a cada uma das quatro unidades de transmissor/receptor 4 para controlar a operação (por exemplo, potência de transmissor, temporização) das unidades de transmissor pelos sinais de controle de transmissor, ou controlar a operação das unidades de receptor. Alternativamente, pode incluir um sinal de controle de transmissor de calibração 60 para controlar a operação da unidade de transmissor de calibração 61 como descrito abaixo com referência às Figuras 5, 6 e 7.

[0067] Transferência óptica dos sinais de controle pela junta rotativa óptica pode ser como descrito acima em relação à transmissão óptica de sinais de receptor modulados 8, mas em direção inversa por um quinto caminho de transmissão óptica (não mostrado). A primeira e segunda unidades de colimador pode cada uma incluir caminhos de transmissão ópticos adicionais como aqueles ilustrados, para canais ópticos adicionais.

[0068] Figura 2 mostra uma vista de seção transversal esquemática da junta rotativa óptica descrita acima com referência à Figura 1.

[0069] A junta rotativa óptica 10 inclui uma unidade de prisma incluindo um prisma de Dove 22 montado dentro de uma unidade de montagem de prisma 23 fixada dentro da cavidade 25 de uma parte de alojamento de prisma 24. A cavidade da parte de alojamento de prisma é uma cavidade passante que se estende de uma extremidade a parte de alojamento a outra axial mente ao longo do eixo geométrico central 26 do alojamento de prisma. O prisma de Dove é um prisma de reversão trapezoidal definindo um eixo geométrico óptico longitudinal 26 por ele e tendo faces de extremidade opostas 27 que estão dispostas a ângulos opostos, mas iguais (por exemplo, 45 graus) relativo ao eixo geométrico óptico. Como resultado, sinais ópticos 28 emitidos paralelos ao eixo geométrico óptico são recebidos a uma superfície de extremidade angulada (entrada/saída) do prisma de Dove e são refratados para a superfície de base trapezoidal mais longa 29 do prisma, onde eles são refletidos totalmente internamente à segunda superfície de extremidade angulada oposta (entrada/saída) do prisma, ao que eles são refratados quando eles saem do prisma ao longo de uma direção paralela ao eixo geométrico óptico. A superfície básica mais longa do prisma de Dove é planar e paralela ao eixo geométrico óptico do prisma. Cada uma das duas superfícies de extremidade anguladas do prisma de Dove está completamente exposta por, e acessível opticamente por uma respectiva da cavidade passante do alojamento de prisma.

[0070] Uma extremidade do alojamento de prisma está acoplada mecanicamente a uma primeira unidade de colimador 9 contendo um arranjo de quatro extremidades terminais de fibra óptica 30 contidas em arranjo de lado a lado paralelo dentro de quatro cavidades de alojamento de fibra óptica respectivas paralelas 31, cada uma alojando uma extremidade de uma respectiva das quatro fibras ópticas conectadas aos quatro moduladores ópticos de MZ. O eixo geométrico de cada cavidade de alojamento de fibra óptica é paralelo ao eixo geométrico óptico do prisma de Dove, e cada cavidade de alojamento de fibra termina com uma abertura que coloca uma extremidade terminal 32 da fibra óptica nisso devido à superfície de extremidade angulada (entrada/saída) do prisma de Dove, por um lente de colimação convergente 33 alojada dentro da cavidade de alojamento de fibra respectiva entre a extremidade terminal da fibra alojada e o terminal e da cavidade de alojamento de fibra. Cada lente de colimação está arranjada para colimar um sinal óptico saído da fibra óptica dentro da cavidade de alojamento de fibra em um feixe óptico colimado paralelo ao eixo geométrico óptico do prisma de Dove, e também para receber um sinal óptico colimado do prisma de Dove e dirigi-lo na fibra óptica dentro da cavidade de alojamento de fibra, ao transmitir sinais ópticos na direção oposta. Em cada uma das primeiras e segundas unidades de colimador, cavidades de alojamento de fibra óptica adicionais alojam fibras ópticas adicionais e lentes de colimação, mas não são mostradas na vista de seção transversal da Figura 2. Por exemplo, uma quinta cavidade de alojamento de fibra óptica aloja uma quinta fibra óptica e uma quinta lente de colimação, em cada uma da primeira e segundas unidades de colimador, que estão em comunicação óptica pelo prisma de Dove e servem como um canal de transferência óptica para sinais de controle de transmissor (17) enviados às unidades de transmissor (4). Ademais, tais pares ou fibras opticamente comunicantes podem ser providas pelas unidades de colimador em qualquer padrão dentro de ambas as unidades de colimador - compartilhadas por cada uma.

[0071] A outra extremidade do alojamento de prisma está acoplada mecanicamente a uma segunda unidade de colimador 12 contendo um arranjo de quatro extremidades terminais de fibra óptica 34 substancialmente idênticas àquelas da primeira unidade de colimador. As quatro fibras ópticas estão acopladas à segunda unidade de colimador com suas extremidades terminais contidas em arranjo de lado a lado paralelo dentro de quatro cavidades de alojamento de fibra óptica respectivas paralelas 36. O eixo geométrico de cada cavidade de alojamento de fibra é paralelo ao eixo geométrico óptico do prisma de Dove, e cada cavidade de alojamento de fibra termina com uma abertura que coloca uma extremidade terminal da extremidade de fibra óptica nisso devido a outra das superfícies de extremidade angulada (entrada/saída) do prisma de Dove, por uma lente de colimação convergente 37 alojada dentro da respectiva cavidade de alojamento de fibra entre a extremidade terminal da fibra alojada e o terminal e da cavidade de alojamento de fibra. Cada lente de colimação está arranjada para receber sinal óptico colimado transmitido da primeira unidade de colimador pelo prisma de Dove e dirigi-lo na fibra óptica dentro de uma cavidade de alojamento de fibra da segunda unidade de colimador. Reciprocamente, cada lente de colimação pode colimar um sinal óptico saído da fibra óptica dentro da cavidade de alojamento de fibra da segunda unidade de colimador, em um feixe óptico colimado paralelo ao eixo geométrico óptico do prisma de Dove para transmissão a uma fibra óptica dentro da primeira unidade de colimação, ao transmitir sinais ópticos na direção oposta.

[0072] A primeira unidade de colimador está acoplada rotacionalmente à unidade de prisma de modo a ser rotativa sobre o eixo geométrico óptico 26 do prisma de Dove a uma taxa angular selecionada de rotação (w) correspondendo à taxa de rotação do arranjo de antena ao qual a primeira unidade de colimador está acoplada fixamente. A unidade de prisma está acoplada à primeira unidade de colimador de modo a girar à meia taxa angular de rotação (w/2) da primeira unidade de colimador. Este acoplamento é por um elemento abaixador ou outro mecanismo de engrenagem de mudança de velocidade (não mostrado) para transmitir a rotação da primeira unidade de colimador à unidade de prisma a uma velocidade angular metade da velocidade angular da primeira unidade de colimador. Deste modo, a potência mecânica com a qual o arranjo de antena giratória do aparelho de radar é girada é transferida à unidade de prisma na taxa abaixada apropriada pela primeira unidade de colimador de modo a acionar rotação do prisma de Dove na taxa apropriada. A unidade de prisma está acoplada rotacionalmente à segunda unidade de colimador não giratória de modo a ser rotativa sobre o eixo geométrico óptico do prisma de Dove 26 na taxa angular selecionada de rotação (w/2).

[0073] Cada fibra óptica 30 dentro da primeira unidade de colimador está acoplada opticamente, e casada à mesma uma fibra óptica 38 na segunda unidade de colimador, pelo prisma de Dove. Quando o prisma de Dove é girado sobre seu eixo geométrico óptico, a posição de uma fibra óptica dentro da primeira unidade de colimador gira relativa à posição da fibra óptica correspondente (casada) da segunda unidade de colimador, a duas vezes a taxa de rotação de prisma relativa. Porém, acoplamento óptico entre as duas fibras ópticas casadas, provido pelo prisma de Dove, permanece inalterado a todos os ângulos de rotação de prisma. Isto é ilustrado com dois raios ópticos na Figura 2 a uma posição angular.

[0074] Deste modo, sinais ópticos podem ser transmitidos pela junta rotativa óptica.

[0075] Os sinais ópticos transmitidos são sinais ópticos analógicos modulados com um sinal de RF gerado pelas unidades de receptor de antena ilustradas na Figura 3A. Como discutido acima, um modulador de Mach- Zehnder (MZ) provê o mecanismo por meio de qual um sinal de portadora óptica de entrada pode ser modulado com o sinal de radar de RF. Nesta concretização, o modulador óptico é um interferômetro, criado formando um guia de onda óptico em um substrato satisfatório tal como Niobato de Lítio (LiNbO3) ou Arsenieto de Gálio (GaAs) ou Fosfeto de Índio (InP).

[0076] Um guia de onda óptico 40 do modulador de MZ está dividido em dois ramais, 40A e 40B, antes de ser recombinado a um acoplador óptico 41. Um sinal de portadora óptica na forma de um feixe de luz de uma fonte de laser 7 entra em um lado do modulador como indicado por uma seta no lado esquerdo da Figura 3A, e sai do modulador no lado oposto, isto é, no lado direito da Figura 3A, tendo atravessado ambos os ramais, 40A e 40B, do guia de onda.

[0077] Um dos ramais de guia de onda 40A inclui uma assimetria 42 que funciona para introduzir uma diferença de fase entre luz viajando abaixo de ramais respectivos do guia de onda. A diferença de fase é escolhida para ser aproximadamente 90 graus no comprimento de onda de operação, que está tipicamente na região de 1300 ou 1550 nanômetros. Isto induz uma polarização de quadratura onde a potência de saída óptica é nominalmente 50% de seu valor máximo.

[0078] Niobato de Lítio (em comum com outros materiais semelhantes tais como GaAs ou InP) é um material como vidro com uma estrutura cristalina que exibe um efeito eletro-óptico, por meio de que o índice refrativo da estrutura cristalina muda quando uma tensão é aplicada a isso. Em particular, a direção do campo elétrico induzido pela tensão aplicada causa um aumento ou diminuição em índice refrativo. Um índice refrativo aumentado atua para reduzir a velocidade de luz viajando pelo cristal, e um índice refrativo diminuído atua para aumentar a velocidade de luz viajando pelo cristal.

[0079] Como mostrado na Figura 3A, um eletrodo modulador 43 é provido entre os ramais do guia de onda. Quando o eletrodo modulador é energizado por um sinal aplicado (por exemplo, um sinal de radiofrequência), campos elétricos positivos e negativos são estabelecidos entre o eletrodo modulador e, respectivamente, um primeiro 44 e um segundo 45 planos de terra. O eletrodo modulador está projetado como uma linha de transmissão de forma que o sinal de modulação viaje com o sinal de portadora óptica pelo modulador de MZ, por esse meio habilitando altas frequências de modulação a serem alcançadas.

[0080] Os campos elétricos positivos e negativos fazem o índice refrativo dos dois ramais do guia de onda mudar. Um campo positivo causa um aumento em índice refrativo para um ramal, e um campo negativo causa uma diminuição em índice refrativo para o outro ramal, e as velocidades de propagação diferentes resultantes do sinal de portadora óptica por cada ramal causam uma mudança em fase nos sinais produzidos ao combinador óptico 46. Esta mudança de fase causa o nível de potência de saída de luz do combinador óptico mudar. Em efeito, como os campos elétricos experimentados por cada ramal variam com o sinal de RF aplicado ao eletrodo modulador, assim a diferença de fase entre luz passando pelos dois ramais muda e o nível de potência de saída do sinal óptico saído do combinador varia, por conseguinte. O efeito líquido disto é que o sinal de portadora óptica de entrada é modulado com o sinal de RF aplicado ao eletrodo modulador.

[0081] Figura 3B é uma ilustração esquemática (não em escala) mostrando a função de transferência de modulador de MZ. Esta característica de transferência do modulador de MZ é aproximadamente sinusoidal. A modulação mais linear tende a ser alcançada no e ao redor do ponto de quadratura (também simplesmente conhecido como "quadratura"). O ponto de quadratura é o ponto onde há uma relação de fase de 90 graus entre luz viajando por ramais respectivos do guia de onda do modulador de MZ. A função de transferência é uma função repetente, e como tal há muitos pontos de quadratura a tensões de polarização diferentes, mas todos com a mesma saída de potência. Indicado na Figura 3B pelo sinal de referência "Quaid" é um primeiro ponto de quadratura. A este primeiro ponto de quadratura "Quad", a potência de saída está aumentando com tensão de polarização, e conseqüentemente este ponto de quadratura "Quad" é chamado um ponto de polarização de quadratura de declive positivo. Ademais, pontos de quadratura (por exemplo, mostrados como "x" e "y" na Figura 3B) ocorrem em qualquer lado de "Quad" onde a potência de saída está diminuindo com tensão de polarização. Estes pontos de quadratura são cada um chamado pontos de polarização de quadratura de declive negativo.

[0082] Na prática, o deslocamento de fase de 90 graus preferido é alcançado raramente. Para compensar isto, o modulador de MZ de acordo com concretizações preferidas da invenção inclui um componente polarizável 47, como mostrado na Figura 3A. Uma tensão de polarização de CC é aplicada ao componente polarizável para retornar o modulador de MZ para ou perto de um dos pontos de quadratura acima mencionados. No arranjo descrito na Figura 3A, o componente polarizável inclui um eletrodo de polarização discreta (isto é meramente ilustrativo como vários arranjos alternativos são conhecidos às pessoas qualificadas na arte). Por exemplo, uma tensão de polarização pode ser aplicada diretamente ao eletrodo modulador por meio de uma denominada polarização T. Em tal arranjo, a polarização de CC pode ser acoplada ao eletrodo por um indutor, e o sinal aplicado (sinal de RF) seria acoplado ao eletrodo por um capacitor.

[0083] O ponto de polarização, isto é, a tensão que precisa ser aplicada ao componente polarizável para retornar o modulador de MZ para ou próximo ao ponto de quadratura, foi achado ter uma tendência para deslocar com o passar do tempo. Por exemplo, denominadas cargas aprisionadas (por exemplo, que existem nas regiões entre eletrodos, por exemplo em uma camada de buffer de dióxido de silício na superfície do dispositivo) e variações de temperatura podem cada uma causar o ponto de polarização se deslocar a uma taxa de qualquer coisa de alguns milivolts por hora a vários volts por hora. Como tal, é preferível prover um controle de polarização dinâmico para habilitar linearidade de modulador ser mantida através de um período de tempo estendido.

[0084] No domínio analógico, foi achado ser importante habilitar transmissão óptica analógica precisa de sinais de RF.

[0085] Uma unidade de controle de polarização 48 está arranjada com os elementos de antena giratórios para aplicar um método de controlar uma tensão de polarização provida a cada modulador óptico, separadamente. Cada modulador de MZ inclui um componente polarizável 47 que é configurável para ser polarizado por aplicação da tensão de polarização 49 tais que o modulador opere em quadratura. O controlador de polarização está arranjado para prover um objetivo para a potência óptica de saída do modulador de MZ, que é uma potência de saída correspondendo ao modulador operando em quadratura. A unidade de controle de polarização aplica ao componente polarizável uma tensão de polarização tendo um valor inicial de 0V, e depois disso, varia a tensão de polarização até que o valor da tensão de polarização seja o valor que está mais perto ao valor inicial e que polariza o componente polarizável de forma que a potência óptica de saída do modulador esteja dentro de uma gama predefinida da potência de saída visada.

[0086] A unidade de controle de polarização monitora a potência óptica de saída do modulador de MZ e, se a potência de saída do modulador for determinada estar fora da gama predefinida da potência de saída visada, ademais varia o valor da tensão de polarização de modo a trazer a potência óptica de saída do modulador de volta para estar dentro da gama predefinida da potência de saída visada.

[0087] Esta etapa de variar ainda mais o valor da tensão de polarização pode incluir comparar a potência óptica de saída do modulador à potência óptica de saída visada para determinar se a potência óptica de saída do modulador de MZ está tanto mais alta ou mais baixa do que a gama predefinida da potência de saída visada. A unidade de controle de polarização pode determinar uma direção de um declive da potência óptica de saída do modulador relativa (como uma função de) à tensão de polarização aplicada, e dependendo da direção de declive determinada e se a potência de saída do modulador está mais alta ou mais baixa do que a gama predefinida da potência de saída visada, tanto aumenta ou diminui a tensão de polarização por uma quantidade predeterminada (por exemplo, em etapas entre 75mV e 150 m, por exemplo 125 mV).

[0088] O tamanho da quantidade predeterminada pela qual a tensão de polarização tanto é aumentada ou é diminuída pode ser selecionado dependente de quanto tempo o modulador esteve operando em quadratura.

[0089] A etapa de variar a tensão de polarização pode incluir comparar a potência de saída do modulador à potência de saída visada para detectar quando a potência de saída do modulador está dentro da gama predefinida da potência de saída visada (por exemplo, dentro de 5%, ou preferencialmente 2%, ou mais preferencialmente 1%), ou se a potência de saída do modulador é substancialmente igual à potência de saída visada.

[0090] A etapa de variar a tensão de polarização pode incluir começar ao valor inicial, e então varrer a tensão de polarização em um padrão de ziguezague (temporal) com amplitude crescente gradualmente. Quer dizer, por exemplo aplicando tensões de polarização sucessivas de sinal oposto e opcionalmente de magnitude crescente. Este pode ser um padrão assimétrico por meio de que os valores de polarização positivos de tensão de polarização dentro do padrão têm magnitudes que não estão repetidas na magnitude de valores negativos. A variação da tensão de polarização é preferencialmente executada tal que a tensão de polarização seja limitada a estar dentro de uma gama de tensão de polarização predefinida.

[0091] Figura 4 é uma ilustração esquemática (não em escala) de um exemplo de um controlador de polarização como implementado em cada linha transmissão de sinal de RF 8 das quatro unidades de receptor da antena da Figura 1.

[0092] O controlador de polarização 48 está acoplado ao modulador de MZ 6, que é excitado por um laser de onda contínua 7 operável para prover um sinal de portadora óptica com o qual um sinal de RF da unidade de transmissor/receptor é para ser modulado. Neste exemplo, o modulador inclui um eletrodo de polarização separado 47 como mostrado na Figura 3A, porém outros arranjos são possíveis.

[0093] O controlador de polarização inclui um fotodiodo (não mostrado) que está acoplado à saída de modulador por meio de um acoplador de derivação óptica 50. O acoplador de derivação óptica é operável para monitorar o sinal óptico saído do modulador de MZ e passa aproximadamente 1 a 5% daquela saída ao fotodiodo. O fotodiodo está polarizado inverso. A luz incidente no fotodiodo é convertida à corrente, proporcional à luz incidente, que é passada por um resistor (não mostrado). O resistor converte a corrente passada ao resistor a uma tensão. A tensão caída pelo resistor é comparada a uma tensão visada, que é uma tensão que é indicativa de uma potência óptica visada para o modulador para quadratura. Isto é feito para determinar se a tensão de referência (isto é, a tensão provida pelo resistor) é alta demais, baixa demais, ou aceitável relativa à tensão visada. A terminologia "aceitável" pode, por exemplo, ser usada para se referir a tensões de referência dentro de 1% da tensão visada. A terminologia "alta demais" pode, por exemplo, ser usada para se referir a tensões de referência que são maiores que ou iguais à tensão visada mais 1%. A terminologia "baixa demais" pode, por exemplo, ser usada para se referir a tensões de referência que são menos que ou iguais à tensão visada menos 1%. A unidade de controle de polarização varia, como descrito acima, (ou mantém) a tensão de polarização aplicada ao modulador de MZ por conseguinte.

[0094] O sistema de antena pode incluir muitas mais linhas/canais de transmissão de sinal de RF do que as quatro mostradas nas Figuras 1 e 2, e pode incluir pelo menos 20 a 30 moduladores ópticos e 20 a 30 conversores opto-elétricos, com a junta rotativa óptica incluindo primeira e segunda unidades de colimador tendo 20 a 30 cavidades de colimação correspondentes acopladas opticamente pelo prisma de Dove.

[0095] Figura 5 mostras esquematicamente a variação em nível de sinal analógico, 72 e 74, de dois canais de sinal transferidos pela junta rotativa óptica 10, Figuras 1 e 2, e recebido pelo processador de sinal de analógico 15 de um respectivo de dois dos conversores opto-elétricos 14. Cada nível de sinal está desenhado como uma função da posição angular da primeira unidade de colimador 9 relativa à segunda unidade de colimador 12 para uma multidão de posições angulares sucessivas separadas abrangendo a gama de 0 (zero) graus a 720 graus (isto é, duas rotações completas). O prisma de Dove gira completamente uma vez (360 graus) relativo a ambas a primeira e segunda unidades de colimador durante esta rotação de gama de rotação. Foi achado que, embora colimação e comunicação óptica entre extremidades de fibra óptica casada casadas, 32 e 34, dentro da primeira e segunda unidades de colimador seja mantida, existe uma variação na característica de transferência óptica do prisma de Dove ao transferir um sinal óptico de calibração predeterminado entre duas fibras ópticas casadas. Esta característica de transferência varia ambos como um assunto da posição de rotação (por exemplo, ângulo de azimute rotativo) do prisma de Dove, e assim se a junta rotativa, e também como um assunto da posição lateral das fibras ópticas casadas relativa ao eixo geométrico óptico 26 do prisma de Dove, que é coincidente com o eixo geométrico rotacional disso.

[0096] Uma variação quase-sinusoidal em nível de sinal é achada ocorrer em resposta a um sinal de calibração predeterminado, quando o sinal de calibração é aplicado repetidamente através de cada uma de uma multidão de posições de rotação e desenhado como mostrado na Figura 5. O período da variação quase-sinusoidal casa com o período de rotação do prisma de Dove, e se repete para toda rotação completa do prisma de Dove. A amplitude da variação tende a ser maior para fibras ópticas casadas com uma distância lateral maior do eixo geométrico óptico 26 do prisma de Dove. Por exemplo, Figura 7 mostra esquematicamente uma extremidade de uma da primeira unidade de colimador 9 da Figura 1 ou 2, mostrando um arranjo de 24 extremidades de fibra óptica separadas dentro da junta rotativa óptica. O nível de sinal de resposta resultando de um sinal de calibração predeterminado tem uma amplitude maior (curva 74 da Figura 5) em relação a fibras ópticas exteriores, mas é tipicamente de amplitude menor (curva 72) para fibras ópticas mais perto ao eixo geométrico óptico do prisma de Dove.

[0097] Os níveis de sinal de resposta também tendem a exibir um nível de ruído, além da variação quase-sinusoidal sistemática subjacente, 73 ou 71, que varia de acordo com a posição angular do prisma de Dove. Cada posição angular exibe um nível de ruído (por exemplo, a relação de sinal para ruído) que é específico àquela posição angular. Embora o próprio ruído varie aleatoriamente, certamente, o nível de ruído geral não varia aleatoriamente e pode ser considerado ou corrigido de acordo com a invenção em concretizações preferidas. Realmente ambas, a variação quase-sinusoidal sistemática e o nível de ruído aditivo, podem ser corrigidas com uma correção de sinal calculada, descrita abaixo, com o objetivo de produzir um nível de sinal de resposta corrigida 70 tendo muito menos ou substancialmente nenhuma variação sistemática ou variação em níveis de ruído pela gama de posições angulares do prisma de Dove.

[0098] Se referindo à Figura 1, um sinal de calibração predeterminado é gerado gerando um sinal de controle de calibração, 17 e 60, na unidade de controle de transmissor 16 e transmitindo o sinal de controle para a unidade de transmissor de sinal de RF de calibração 61 localizada com as unidades de transmissão/recepção 4 do sistema de antena, pela junta rotativa óptica. Isto é alcançado usando os conversores elétricos/ópticos 18, discutidos acima. A unidade de transmissor de sinal de RF de calibração é responsiva ao sinal de controle de calibração para gerar um sinal de calibração de RF e introduzi-lo diretamente à porta de entrada de RF da unidade de receptor de RF em cada uma das unidades de transmissão/recepção 4 por uma linha de transmissão de sinais de RF, desviando os elementos de radiação de antena 3 completamente. As unidades de receptor de RF são responsivas a este sinal de calibração de RF para gerar um sinal de saída de RF da mesma maneira que se eles tivessem recebido um sinal de rádio pelos elementos de radiação de antena 3. Neste sentindo, o sinal de calibração de RF é um sinal "simulado" que evita a necessidade para gerar um sinal de calibração externamente.

[0099] Os moduladores ópticos 6 de cada canal de sinal respondem à saída das unidades de receptor respectivas gerando e produzindo sinais ópticos modulados nominalmente idênticos 8 para entrada à junta rotativa óptica 10 pela primeira unidade de colimador 9. Os sinais ópticos modulados são transferidos pela junta rotativa óptica pelo prisma de Dove dentro disto, e introduzidos ao processador de sinal de analógico 15 como sinais elétricos modulados pelos conversores opto-elétricos 14 respectivos.

[00100] A unidade de controle de transmissor está arranjada para repetir este processo para cada uma de uma multidão de posições angulares sucessivas da junta rotativa óptica abrangendo 720 graus completos. O resultado de cada repetição deste processo é mostrado esquematicamente para dois canais de sinal.

[00101] O sinal de controle de calibração é preferencialmente um que fará as unidades de receptor das unidades de transmissão/recepção 4 produzir uma forma de sinal de RF facilmente reprodutível simples, tal como um pulso quadrado ou outra forma de pulso simples.

[00102] O processador de sinal analógico está arranjado para aplicar uma atenuação apropriada a cada valor do sinal de resposta medido (72, 74) a uma dada posição rotativa, que é determinada outorgando um nível de ruído detectado nesse sinal.

[00103] Os níveis de ruído são determinados, tipicamente, pela sensibilidade de conversores analógicos para digitais (ADC) empregados para converter sinais analógicos a sinais digitais antes de entrada ao processador de sinal digital. Os ganhos e desempenho de ruído (figura de ruído) de dispositivos intervenientes entre as antenas e o processador de sinal analógico (principalmente, mas não exclusivamente, amplificadores) são conhecidos tipicamente substancialmente e podem ser selecionados/ajustados para transformar o nível de ruído de antena ao nível apropriado de um dispositivo de ADC particular. O nível é preferencialmente menos escolhido como alguns quanta de bit menos significante acima do sinal mais baixo ao qual o ADC responderá. Os ganhos, etc., dos dispositivos intervenientes estão frequentemente sujeitos à variação (ou tolerância) devido a variâncias/tolerâncias industriais. A junta rotativa óptica foi achada tipicamente adicionar em variação adicional como uma função de seu ângulo de rotação. Uma calibração é executada no domínio analógico para remover a variação estática inicial devido aos componentes de receptor (amplificadores, etc.) e uma calibração dinâmica é executada (por exemplo, subsequentemente) para responder pela variação rotacional. Ambas as calibrações podem ser combinadas em uma única operação.

[00104] A atenuação apropriada é aplicada usando um atenuador gradual em relação ao dado canal sendo processado. Figura 6 ilustra esquematicamente o princípio dos atenuadores graduais. Um sinal de resposta de entrada é recebido a uma porta de entrada 83 do atenuador, ao que é dirigido a uma primeira unidade de comutação S1 controlável para conectar a porta de entrada a uma de duas linhas de ramal de transmissão de sinal. Uma primeira linha de ramal contém uma primeira unidade de atenuador de sinal 80 e uma segunda linha de ramal não contém nenhum atenuador. A primeira unidade de atenuador de sinal está arranjada para aplicar 0,25dB de atenuação de sinal. Cada linha de ramal reconecta a outra a uma segunda unidade de comutação S2. A segunda unidade de comutação é controlável para conectar a uma de duas linhas de ramal de transmissão de sinal subsequentes, uma das quais contém uma segunda unidade de atenuador de sinal 81 e a outra de qual não contém nenhum atenuador. A segunda unidade de atenuador de sinal está arranjada para aplicar 0,5dB de atenuação de sinal. Cada linha de ramal reconecta a outra a uma terceira unidade de comutação S3. A terceira unidade de comutação é controlável para conectar a uma de duas linhas de ramal de transmissão de sinal subsequentes, uma das quais contém uma terceira unidade de atenuador de sinal 82 e a outra de qual não contém nenhum atenuador. A terceira unidade de atenuador de sinal está arranjada para aplicar 1dB de atenuação de sinal. Cada linha de ramal reconecta a outra a uma quarta unidade de comutação S4. Este padrão pode ser repetido para acomodar unidades de atenuador para atenuação de sinal de 1dB, 4dB, etc.

[00105] O processador de sinal analógico 15 está arranjado para dirigir sinais que recebe em canais da junta rotativa óptica em um respectivo atenuador gradual tal como é mostrado na Figura 6 e com isso aplicar uma atenuação desejada ao sinal analógico controlando o estado de chave de cada uma da primeira à quarta (ou mais) unidades de chave se o atenuador gradual alcançar o nível de atenuação desejado. Comutando uma dada unidade de chave para conectar a uma linha de ramal de transmissão contendo um atenuador, um nível de atenuação pode ser aumentado, enquanto não será aumentado se a chave for comutada caso contrário. Os atenuadores podem ser tal como seria prontamente aparente e disponível à pessoa qualificada (por exemplo, atenuadores seriais, de escada ou de tipo em derivação, incluindo arranjos de resistores, ou outra forma).

[00106] Uma atenuação associada com um dado canal e uma dada posição/ângulo rotativo pode ser armazenada ou tabulada pelo aparelho de modo a ser aplicada a cada posicionamento rotativo repetido da junta rotativa em uso subseqüente, enquanto níveis de ruído para esse canal e naquela posição rotativa permanecem suficientemente estáveis, pelo menos caso contrário até tal tempo quando uma recalibração é julgada desejável.

[00107] Foi achado ser benéfico controlar níveis de ruído no domínio de sinal analógico deste modo para habilitar processamento de sinal digital subseqüente mais preciso e eficiente como descrito abaixo.

[00108] O processador de sinal analógico está arranjado para produzir ao processador de sinal digital 21, pelo conversor A/D 20, os sinais de ruído reduzido produzidos por esse meio para cada canal recebido da junta rotativa. O processador de sinal digital está arranjado para tabular a variação nos níveis de sinal de resposta recebida para cada canal através da gama de 720 graus de posições rotativas e calcular um valor inverso disso para aplicar assim a sinais recebidos subsequentes por esse meio para inverter o efeito da variação quase-sinusoidal sistemática (71, 73) causada pela junta rotativa óptica.

[00109] As concretizações descritas acima são apresentadas para propósitos ilustrativos e é para ser entendido que variações, modificações e equivalentes a isso tal como seria prontamente aparente à pessoa qualificada estão abrangidos dentro da extensão da invenção.

Claims (13)

1. Método para calibrar um sistema de antena rotativo (1), incluindo um elemento de antena ou elementos de antena (2) conectado(s) a uma unidade de receptor de sinal ou unidades de receptor de sinal (4) em uma porta de entrada de sinal de RF da mesma compreendendo: gerar um sinal de calibração de RF; aplicar o sinal de calibração de RF à porta de entrada sinal de RF da unidade de receptor de sinal ou unidades de receptor de sinal (4) sem aplicar o sinal de calibração por meio do(s) elemento de antena ou elementos de antena (2); produzir um sinal analógico de RF a partir da(s) unidade de receptor de sinal ou unidades de receptor de sinal (4) como uma resposta disso ao sinal de calibração de RF aplicado; medir a resposta do sistema de antena rotativo (1) ao sinal de calibração; calcular uma correção de sinal de acordo com a resposta medida; e, aplicar a correção de sinal à resposta do sistema de antena rotativo (1) a sinais recebidos subsequentemente na(s) unidade de receptor de sinal ou unidades de receptor de sinal (4) pelo(s) elemento de antena ou elementos de antena (2) do sistema de antena rotativo (1); caracterizado pelo fato de que o método compreende ainda: receber o sinal de RF analógico em um modulador óptico ou moduladores ópticos (6) e modular um sinal óptico com isso para produzir um sinal óptico analógico modulado ou sinais ópticos analógicos modulados; transmitir opticamente o sinal óptico analógico modulado ou sinais ópticos analógicos modulados para um conversor opto-elétrico ou conversores opto-elétricos (14) por uma junta rotativa óptica (10) incluindo um prisma de reversão; converter o sinal óptico analógico modulado ou sinais ópticos analógicos modulados em um sinal analógico elétrico ou sinais analógicos elétricos usando o conversor opto-elétrico ou conversores opto-elétricos (14); e, calcular uma correção de sinal ou correções de sinais de acordo com o sinal elétrico analógico ou sinais elétricos analógicos.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que inclui gerar o sinal de calibração de RF usando um transmissor de sinal de RF (61) e transmitir o sinal de calibração de RF (62) à porta de entrada de sinal RF diretamente por uma linha de transmissão de sinal conectando o transmissor de sinal de RF (61) à porta de entrada de sinal de RF do receptor de sinal.

3. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que um valor da correção de sinal é calculado de acordo com o inverso de um valor da resposta medida.

4. Método de acordo com reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que inclui girar o elemento de antena ou elementos de antena (2) do sistema de antena rotativo por 720 graus de ângulo de azimute, aplicar o sinal de calibração de RF (62) continuamente durante os 720 graus de rotação de ângulo de azimute, e calcular uma pluralidade de correções de sinal correspondendo a uma pluralidade dos ângulos de azimute abrangendo os 720 graus.

5. Método de acordo com reivindicação 3 ou 4, caracterizado pelo fato de que inclui converter o sinal elétrico analógico ou sinais elétricos analógicos em sinal elétrico digital ou sinais elétricos digitais e calcular a correção de sinal ou correções de sinais de acordo com o sinal elétrico digital ou sinais elétricos digitais.

6. Método de acordo com reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que inclui aplicar uma correção de redução de ruído ao sinal elétrico analógico ou sinais elétricos analógicos e subsequentemente converter o sinal elétrico analógico ou sinais elétricos analógicos no(s) sinal elétrico digital ou sinais elétricos digitais.

7. Sistema de antena rotativo (1) incluindo: um elemento de antena ou elementos de antena (2) conectado(s) a uma unidade de receptor de sinal ou unidades de receptor de sinal (4) em uma porta de entrada de sinal de RF da mesma ; um transmissor de sinal de RF de calibração (61) arranjado para gerar um sinal de calibração de RF, e aplicar o sinal de calibração de RF à porta de entrada de sinal de RF da unidade de receptor de sinal ou unidades de receptor de sinal (4) sem aplicar o sinal de calibração pelo elemento de antena ou elementos de antena (2), em que a unidade de receptor de sinal ou unidades de receptor de sinal (4) são arranjadas para produzir um sinal de RF analógico como uma resposta do mesmo ao sinal de calibração de RF aplicado; e, um controlador de calibração (15, 16, 21) arranjado para medir a resposta do sistema de antena rotativo (1) ao sinal de calibração, para calcular uma correção de sinal de acordo com a resposta medida, e para aplicar a correção de sinal à resposta do sistema de antena rotativo (1) a sinais recebidos subsequentemente na(s) unidade de receptor de sinal ou unidades de receptor de sinal (4) pelo(s) elemento de antena ou elementos de antena (2) do sistema de antena rotativo (1); caracterizado pelo fato de que compreende ainda: um modulador óptico ou moduladores ópticos (6) arranjado(s) para receber o sinal de RF analógico e modular um sinal óptico com isso para produzir um sinal óptico analógico modulado ou sinais ópticos analógicos modulados; um conversor opto-elétrico (14) arranjado para converter o sinal óptico analógico modulado ou sinais ópticos analógicos modulados em um sinal elétrico analógico ou sinais elétricos analógicos; e, uma junta rotativa óptica (10) incluindo um prisma de reversão arranjado para transmitir opticamente o sinal óptico analógico modulado ou sinais ópticos analógicos modulados a partir do modulador óptico ou moduladores ópticos (6) para o conversor opto-elétrico (14); em que o controlador de calibração (15, 16, 21) está arranjado para calcular uma correção de sinal ou correções de sinal de acordo com o sinal elétrico analógico ou sinais elétricos analógicos.

8. Sistema de antena rotativo (1) de acordo com reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o transmissor de sinal para calibração de RF está conectado à porta de entrada de sinal de RF diretamente por uma linha de transmissão de sinal conectando o transmissor de sinal de RF à porta de entrada de sinal de RF do receptor de sinal.

9. Sistema de antena rotativo (1) de acordo com a reivindicação 7 ou 8, caracterizado pelo fato de que o controlador de calibração (15, 16, 21) está arranjado para calcular um valor da correção de sinal de acordo com o inverso de um valor da resposta medida.

10. Sistema de antena rotativo (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 9, caracterizado pelo fato de que o controlador de calibração é arranjado para aplicar o sinal de calibração de RF continuamente durante uma rotação de 720 graus de ângulo de azimute do elemento de antena ou elementos de antena (2), e para calcular uma pluralidade das correções de sinal correspondendo a uma pluralidade dos ângulos de azimute abrangendo os 720 graus.

11. Sistema de antena rotativo (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 10, caracterizado pelo fato de que inclui um conversor analógico para digital (A/D) arranjado para converter o sinal elétrico analógico ou sinais elétricos analógicos em um sinal elétrico digital ou sinais elétricos digitais, e o controlador de calibração (21) está arranjado para calcular a correção de sinal ou correções de sinal de acordo com o sinal elétrico digital ou sinais elétricos digitais.

12. Sistema de antena rotativo (1) de acordo com reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que inclui um processador de sinal analógico (15) arranjado para receber o sinal elétrico analógico ou sinais elétricos analógicos, e o controlador de calibração está arranjado para controlar o processador de sinal analógico para aplicar uma correção de redução de ruído ao sinal elétrico analógico ou sinais elétricos analógicos.

13. Meio de armazenamento legível por computador, caracterizado pelo fato de que compreende instruções armazenadas em si que, quando executadas por um sistema de computador, fazem o sistema de computador executar o método como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 6.

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