RU2725758C1 - Широкодиапазонный интеллектуальный бортовой комплекс связи с применением радиофотонных элементов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к системам радиосвязи, использующим приемопередающие модули (ППМ) на радиофотонных элементах. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей, а именно: работа бортового комплекса связи в дуплексном и симплексном режимах в метровом, дециметровом, сантиметровом и миллиметровом диапазонах. Для этого бортовой комплекс связи содержит: центральный процессор, синхронизирующий процессы обработки в нем и управляющий всеми его узлами, соединенный по локальной вычислительной сети с четырьмя модулями управления аппаратурных частей ППМ, четырех сегментов, состоящих из n гальванически развязанных антенных частей ППМ, формирующих комформную антенну, состоящую из четырех сегментов ФАР с диаграммами направленности по азимуту величиной, равной 90°, а также центральный процессор, четыре аппаратурные части ППМ, четыре сегмента, состоящие из n гальванически развязанных антенных частей ППМ. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к системам радиосвязи, использующим приемопередающие модули (ППМ) на радиофотонных элементах.

Известен комплекс бортовых средств цифровой связи [1], который состоит из трехканального широкодиапазонного модуля связи ДКМВ и МВ/ДМВ1 диапазонов, приемопередатчика ДМВ2 диапазона, приемопередатчика СМВ диапазона, модуля защиты информации, приемо-передающего модуля спутниковой связи, и модуля управления и маршрутизации (МУМ). Модуль спутниковой связи, как и модуль связи ДКМВ диапазона, используется для организации каналов дальней связи. МУМ для информационного обмена с составными частями комплекса связи имеет двухстороннее подключение с каждым из вышеперечисленных модулей по шине командно-информационного обмена, а также имеет дополнительно соединение по шине высокоскоростного информационного обмена с приемопередатчиком СМВ диапазона. Также МУМ имеет двустороннее подключение к приемопередатчикам из состава комплекса связи по аналоговым низкочастотным цепям. Входящий в состав комплекса трехканальный широкодиапазонный модуль связи содержит два усилителя мощности МВ/ДМВ1 диапазона, усилитель мощности ДКМВ диапазона, антенно-согласующее устройство и блок цифровой обработки сигналов, состоящий из устройства управления, цифрового приемовозбудителя ДКМВ диапазона и двух цифровых приемовозбудителей МВ/ДМВ1 диапазона. Высокочастотный выход цифрового приемовозбудителя ДКМВ диапазона соединен с входом усилителя мощности ДКМВ диапазона, выход которого через антенно-согласующее устройство соединен двухсторонней связью с приемопередающей антенной ДКМВ диапазона. Высокочастотные выходы цифровых приемовозбудителей МВ/ДМВ1 диапазона соединены с входами усилителей мощности МВ/ДМВ1 диапазона. Соответствующие выходы устройства управления блока цифровой обработки сигналов соединены независимыми двусторонними шинами управления с соответствующими входами усилителей мощности МВ/ДМВ1 диапазона, входом усилителя мощности ДКМВ диапазона, входом антенно-согласующего устройства. Входы/выходы устройства управления блока цифровой обработки сигналов соединены соответствующими двухсторонними связями с модулем управления и маршрутизации и каждым из цифровых приемовозбудителей.

Недостаток аналога заключается в следующем: при выполнении подвижным объектом маневра с изменением крена или тангажа наблюдается затенение его приемопередающей части конструкцией планера, например, крыльями или фюзеляжем, в направлении прямой видимости с антенн летательного аппарата на наземный комплекс или выбранное для связи воздушное судно, что приводит к резкому снижению мощности принимаемых радиосигналов и соответственно к уменьшению достоверности передаваемой информации в каналах «воздух-земля» МВ/ДМВ диапазонов.

Для устранения вышеописанного недостатка, связанного с затенением, на летательных аппаратах (ЛА) применяются фазированные антенные решетки (ФАР) [2-4].

Известен оптоэлектронный ППМ, входящий в состав ФАР [5, 6], состоящий из секции оптических элементов и секции электрических элементов, в которых содержится оптический демультиплексор, оптические волокна, управляющий модуль, интегрально-оптические модуляторы, оптический ответвитель, оптический разветвитель, фотодетектор, предусилитель, мощные усилители, переключатель прием/передача, малошумящий усилитель, излучатель.

Недостатком известного ППМ является наличие в составе его антенной секции, наиболее близко расположенной к антенным излучателям, мощных электронных усилителей, ограничивающих рабочую полосу частот и габариты, а также создающих проблемы охлаждения и увеличения шумовой температуры, находящегося там же малошумящего усилителя и антенной решетки в целом.

Применение в антенной секции трех последовательно включенных усилителей увеличивает опасность самовозбуждения, ухудшает электромагнитную совместимости оборудования, а необходимость прокладки радиочастотных кабелей для подводки к каждому из ППМ на антенном полотне значительной электрической мощности для их питания и приводит к увеличению массогабаритных параметров, стоимости, трудоемкости монтажа, технического обслуживания, снижению надежности, стойкости к электрическим помехам и электромагнитному излучению (ЭМИ).

Известен оптоэлектронный ППМ для автоматизированной антенной фазированной решетки (АФАР) [7], состоящий из оптической линзы, оптического демультиплексера, фотодетекторов, усилителей, микропроцессора с памятью и декодером, фазовых векторных модуляторов, усилителей, переключателей прием/передача, фильтра, мощного усилителя, излучателя.

Недостатком известного ППМ является наличие в его составе мощного выходного усилителя, ограничивающего рабочую полосу частот и габариты, а также создающего проблемы охлаждения и увеличения шумовой температуры для находящегося там же малошумящего усилителя и антенной решетки в целом.

Применение в модуле мощных усилителей обуславливает необходимость прокладки электрокабелей способных обеспечить подачу значительной мощности при подключении питания к каждому из ППМ на антенном полотне, что приводит к увеличению массогабаритных параметров, стоимости, трудоемкости монтажа, технического обслуживания, снижению надежности и стойкости к электрическим помехам и ЭМИ, а также повышает пожароопасность.

Наличие открытого оптического канала для подачи зондирующего сигнала на вход ППМ делает его работу непосредственно зависящей от условий внешней среды, что существенно снижает его надежность.

Фазовый метод сканирования и примененные в известном устройстве фазовые векторные модуляторы не дают возможности работы АФАР в широкой, а тем более в сверхширокой полосе частот.

Известен оптоэлектронный приемопередающий модуль (ППМ), наиболее близкий по технической сущности аналог [8]. Он является составной частью активной фазированной антенной решетки и состоит из аппаратурной и антенной частей. В него входят первый, второй, и третий оптические модуляторы, первый фотодетектор, малошумящий усилитель, переключатель, управляющий модуль, три оптические линии связи между двумя частями ППМ, излучатель. Данный ППМ не имеет недостатков, заключающихся в величине выделяемой выходными усилителями мощности и их больших габаритов, т.к. он содержит в своем составе первый и второй переключатели, оптическую линию задержки с 32 выводами, управляемую интегральную линейку с 32 фотодиодами, три лазера, второй фотодетектор, схему управления питанием, управляемый аттенюатор. Вход ППМ соединен с первым контактом первого переключателя, второй контакт которого соединен с входом первого оптического модулятора, оптический вход которого подключен к выходу первого лазера, а оптический выход первого оптического модулятора соединен с входом оптической линии задержки. Оптические выходы линии задержки соединены с оптическими входами управляемой линейки фотодиодов, электрический выход которой соединен с входом усилителя. Выход усилителя соединен с входом управляемого аттенюатора, выход которого соединен с первым контактом второго переключателя, второй контакт которого соединен с выходом ППМ. Третий контакт второго переключателя подключен к входу второго оптического модулятора, оптический вход которого соединен с оптическим выходом второго лазера, вход питания второго лазера соединен со схемой управления питанием. Оптический выход второго оптического модулятора соединен через первую оптическую линию связи с первым фотодетектором, выход которого соединен с первым контактом переключателя, второй контакт которого соединен с излучателем, а третий контакт - с входом третьего оптического модулятора. Оптический вход третьего оптического модулятора соединен через вторую оптическую линию связи с оптическим выходом третьего лазера. Вывод питания третьего лазера соединен со схемой управления питанием, а оптический выход через третью оптическую линию связи соединен с входом второго фотодетектора, выход которого соединен с малошумящим усилителем. Выход малошумящего усилителя соединен с третьим контактом первого переключателя. Части ППМ разнесены в пространстве, а управляющие входы управляемой линейки фотодиодов, управляемого аттенюатора, переключателей и схемы управления питанием связаны с соответствующими выходами управляющего модуля.

К недостаткам аналога следует отнести:

- отсутствие возможности работы модуля в режиме дуплексной связи, что значительно снижает его возможности;

- невозможность организации ФАР или комформной антенны путем объединения модулей аналога, функционирующих в соответствии с цифровыми сигналами управления микропроцессора, входящего в его состав, в единую антенную решетку для управления ее диаграммой направленности ввиду отсутствия у модулей аналога внешнего входа/выхода;

- отсутствие гальванической развязки антенной части ППМ от аппаратурной части, так как наличие связи между выходом управляющего модуля и третьим переключателем «прием-передача» негативно сказывается на работе аналога ввиду вероятности возникновения взаимообратных эффектов;

- формирование диаграммы направленности антенны в аппаратурной части происходит только при приеме радиосигналов.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является:

- расширение функциональных возможностей в части возможности работы как в симплексном, так и в дуплексном режиме связи;

- формирование фазированной антенной решетки из четырех приемопередающих модулей для создания круговой диаграммой направленности по азимуту,

- повышение помехозащищенности за счет использования радиофотонных элементов и оптических трактов доведения информации, не подверженных влиянию ЭМИ;

- обеспечение полной гальванической развязки антенной части ППМ от его аппаратурной части с целью обеспечения электромагнитной совместимости оборудования и уменьшения перекрестных помех;

Указанный технический результат достигается тем, что широкодиапазонный бортовой комплекс связи (БКС) с применением радиофотонных элементов содержит приемо-передающие модули, каждый из которых состоит из аппаратурной и антенной частей, соединенных тремя оптическими линиями связи, центральный процессор с внешним входом/выходом, синхронизирующий процессы обработки, управляющий всеми узлами БКС и контролирующий их работоспособность, приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, синхровыход которого соединен с входом центрального процессора, соединенные с центральным процессором двухсторонними связями первый высокочастотный коммутатор, к входу которого подключен передатчик, и второй высокочастотный коммутатор, выходы которого подключены к приемнику, центральный процессор по локальной вычислительной сети двухсторонними связями подключен к каждой аппаратурной части всех ППМ, выход каждой аппаратурной части всех ППМ подключен к соответствующему входу второго высокочастотного коммутатора, а вход каждой аппаратурной части всех ППМ подключен к соответствующему выходу первого высокочастотного коммутатора, при этом для формирования комформной антенны из четырех сегментов фазированной антенной решетки (ФАР) с диаграммами направленности по азимуту 90° ППМ объединены в четыре сегмента, каждый из которых состоит из одного набора n аппаратурных частей ППМ и одного набора n антенных частей ППМ имеющих гальваническую развязку друг от друга, а наборы из n антенных частей каждого сегмента ППМ размещают на обшивке летательного аппарата и сдвигают относительно друг друга на 90°, при этом n - число модулей не менее четырех.

Антенная часть каждого ППМ содержит первый фотодетектор, соединенный с передающим излучателем, и третий оптический модулятор, соединенный с приемным излучателем, аппаратурная часть каждого ППМ содержит последовательно соединенные входной каскад, четвертый оптический модулятор, вторую оптическую линию задержки с 32-мя выводами, вторую линейку с 32-мя фотодиодами, второй переключатель, второй усилитель, второй аттенюатор, первый оптический модулятор, при этом к второму входу четвертого оптического модулятора подключен четвертый лазер, схему управления питанием, первый выход которой подключен к второму лазеру, а второй выход подключен к первому лазеру, выход которого подключен к второму входу первого оптического модулятора, также содержит последовательно соединенные второй фотодетектор, малошумящий усилитель, второй оптический модулятор, первую оптическую линию задержки с 32-мя выводами, первую линейку с 32-мя фотодиодами, первый переключатель, первый усилитель, первый управляемый аттенюатор, выходной каскад, выход которого является выходом аппаратной части ППМ, а вход входного каскада является входом аппаратной части ППМ, управляющий модуль с внешним входом/выходом, соединенный двухсторонними связями с первым управляемым аттенюатором, первым переключателем, вторым переключателем, вторым аттенюатором и схемой управления питанием, при этом выход первого оптического модулятора через первую оптическую линию связи подключен к входу первого фотодетектора, а выход второго лазера через вторую оптическую линию связи подключен к второму входу третьего оптического модулятора, выход которого через третью оптическую линию связи подключен к входу второго фотодетектора.

На фиг. 1 приведена структурная схема ППМ комплекса связи, где введены обозначения:

1 - первый переключатель;

2 - первый оптический модулятор;

3 - первый лазер;

4 - первая оптическая линия задержки с 32-мя выводами;

5 - первая линейка с 32-мя фотодиодами;

6 - управляющий модуль;

7 - первый усилитель;

8 - первый управляемый аттенюатор;

9 - второй переключатель;

10 - второй оптический модулятор;

11 - второй лазер;

12 - первая оптическая линия связи;

13 - первый фотодетектор;

14 - передающий излучатель (передающая антенна);

15 - приемный излучатель (приемная антенна);

16 - третий оптический модулятор;

17 - третий лазер;

18 - вторая оптическая линия связи;

19 - третья оптическая линия связи;

20 - второй фотодетектор;

21 - малошумящий усилитель;

22 - схема управления питанием;

23 - второй усилитель;

24 - второй аттенюатор;

25 - выходной каскад;

26 - выход В аппаратурной части ППМ;

27 - вход А аппаратурной части ППМ;

28 - входной каскад;

29 - четвертый оптический модулятор;

30 - четвертый лазер;

31 - вторая оптическая линия задержки с 32-мя выводами;

32 - вторая линейка с 32-мя фотодиодами;

33 - внешний вход/выход управляющего модуля 6;

34 - аппаратурная часть ППМ;

35 - антенная часть ППМ.

На фиг. 2 приведена структурная схема широкодиапазонного бортового комплекса связи с применением радиофотонных элементов, где введены обозначения:

36 - обшивка летательного аппарата;

37 - центральный процессор;

38 - набор из n аппаратурных частей 34 ППМ;

39 - набор из n антенных частей 35 ППМ;

40 - приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем;

41 - внешний вход/выход управления центрального процессора 37;

42 - второй высокочастотный коммутатор;

43 - первый высокочастотный коммутатор;

44 - приемник;

45 - передатчик;

46 - информационный выход комплекса;

47 - информационный вход комплекса.

Широкодиапазонный интеллектуальный бортовой комплекс связи с применением радиофотонных элементов имеет центральный процессор 37, синхронизирующий процессы обработки и управляющий всеми узлами. Центральный процессор 37 соединен по локальной вычислительной сети (ЛВС) с каждым из четырех наборов 38, состоящих из n аппаратурных частей 34 ППМ.

Каждый ППМ состоит из одной аппаратурной части 34 ППМ, входящей в состав набора 38, и соответствующей ей одной антенной части 35 ППМ, входящей в состав набора 39. Аппаратурная и антенная части каждого ППМ связаны между собой тремя оптическими линиями связи.

На фиг. 2 входы, обозначенные буквой А, и выходы, обозначенные буквой В, имеют индексы, первый из которых указывает на принадлежность к одному из четырех наборов 38, состоящему из n аппаратурных частей 34 ППМ, а второй - к номеру ППМ.

ППМ объединены в четыре сегмента, каждый из которых состоит из одного набора 38 по n аппаратурных частей 34 и из одного набора 39 по n антенных частей 35, при этом n - число модулей не менее четырех. Антенные части ППМ размещают на обшивке летательного аппарата. Наборы из n антенных частей 35 каждого сегмента сдвигают относительно друг друга на 90°. Таким образом сегменты формируют комформную антенну, представляющую собой фазированную антенную решетку (ФАР), состоящую из четырех сегментов ППМ с диаграммами направленности по азимуту 90°.

Работа комплекса заключается в следующем.

Для организации работы в дуплексном режиме БКС состоит из:

- передающего тракта, включающего вход 47, по которому поступает информация для передачи в радиоканал, узлы 45 и 43, а также из следующих частей каждого из четырех сегментов наборов 38 и 39, сгруппированных из n ППМ: вход 27 А, узлы: 28, 29, 30, 31, 32, 9, 23, 24, 2 и 3, 12, 13, 14;

- приемного тракта, включающего выход 46, по которому поступает принятая из радиоканала информация, узлы 42 и 44, а также из следующих частей каждого из четырех сегментов наборов 38 и 39, сгруппированных из n ППМ: выход В 26, узлы 11, 18, 15, 16, 19, 17, 20, 21, 10, 4, 5, 1, 7, 8, 25;

- общих для этих трактов узлов: 6, 22, 34, 35, 37, 40, входы/выходы 33 и 41, соединенные между собой и внешними абонентами.

При работе в симплексном режиме в комплексе обеспечивается блокирование приема радиосигналов на время передачи сообщений с помощью управляющих сигналов центрального процессора 37, передаваемых на управляющий модуль 6 и схему управления питанием 22 на второй лазер 11.

В БКС осуществлено разделение ППМ на аппаратурную часть модуля, в которой происходит основное тепловыделение от активных элементов, и миниатюрную антенную часть с минимальным тепловыделением от пассивных элементов. Причем эти части имеют пространственное разнесение и связь между ними осуществляется с помощью аналоговых волоконно-оптических линий.

Аппаратурная и антенные части 34 и 35 оптоэлектронного ППМ разнесены в пространстве, а управляющие входы первой и второй линейки с 32-мя фотодиодами 5 и 32, первого управляемого аттенюатора 8, переключателей 1, 9 и схемы управления питанием 22 связаны с соответствующим выходами управляющего модуля 6, функционирующего в соответствии с цифровыми сигналами управления от микропроцессора, входящего в его состав.

Благодаря разнесению в пространстве аппаратурной и антенной частей 34 и 35 ППМ с помощью высокоэффективных аналоговых волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), исключению из состава антенной части 35 электронных усилителей, потребляющих значительную мощность, и применению аналоговой фотоники в системе сканирования снимаются основные ограничения на миниатюризацию четырех антенных частей 35 ППМ, решается задача их охлаждения, обеспечивается работа в широкой и сверхширокой полосе частот в реальном масштабе времени, открывается возможность увеличения выходной мощности и коэффициент полезного действия (КПД), снижается масса антенного полотна, повышается стойкость к ЭМИ и улучшается электромагнитная совместимости (ЭМС) бортового оборудования, что позволяет построить плоскую распределенную по обшивке 36 летательного аппарата (ЛА) конформную антенную решетку из четырех сегментов, каждый из которых состоит из одного набора 38 по n аппаратурных частей 34 ППМ и из одного набора 39 по n антенных частей ППМ 35.

В комплексе с помощью центрального процессора 37, оптоэлектронных ППМ и других узлов организован временной параллельный метод сканирования диаграммами направленности (ДН) передающих и приемных элементов антенных частей 35 ППМ на основе аналоговой фотоники с помощью переключаемых оптических линий задержки 31 и 4 [22]. В случае применения временного метода сканирования угол наклона ДН не зависит от частоты, что дает возможность работать в широкой и сверхширокой полосе частот со сверхкороткими импульсами при наличии соответствующих антенных излучателей [23, 24]. В материалах [3] показано, что тепловая нагрузка на пассивную антенную часть 35 ППМ снижается от 3 до 7 раз.

В режиме передачи через информационный вход комплекса 47 на передатчик 45 подается сообщение, которое преобразуется в радиосигнал заданного диапазона частот и через первый высокочастотный коммутатор 43 направляется на входы 27 (A_i) одной из аппаратурных частей ППМ 34, входящих в состав соответствующего (одного из четырех) набора 38 из n аппаратурных частей 34 ППМ. Выбор набора 38 из n аппаратурных частей 34 ППМ осуществляется с помощью сигналов центрального процессора 37, поданных на управляющий вход первого высокочастотного коммутатора 43 на основании навигационных данных приемника 40 сигналов глобальных навигационных спутниковых систем и местоположения вызываемого абонента, известного, например, из принятых от него данных или полученных другими методами, например, радиолокационными [26]. Радиосигнал через входной каскад 28, используемый для согласования между собой узлов 43 и 29, подается на электрический вход четвертого оптического модулятора 29, модулируя непрерывное оптическое излучение от четвертого лазера 30. С оптического выхода четвертого оптического модулятора 29 промодулированный сигнал поступает на вход второй оптической линии задержки 31 с 32-мя выводами, построенной, например, по принципу оптического разветвителя 1:32 с отводами различной (требуемой) длины. Проходя через 32 ее канала различной длины, оптические сигналы получают различную задержку по времени и попадают на вторую линейку с 32-мя фотодиодами 32, выполненную, например, в интегральном исполнении. Требуемая задержка во второй оптической линии задержки 31 каждой аппаратурной части ППМ 34 устанавливается путем выбора положения второго переключателя 9, управляемого центральным процессором 37 через входы/выходы 41, 33, и управляющий модуль 6. На выходе второго переключателя 9 формируется в реальном масштабе времени СВЧ-сигнал с той или иной требуемой задержкой. Затем СВЧ-сигнал с заданной задержкой поступает на второй усилитель 23, с выхода которого поступает на вход второго аттенюатора 24, управляемого центральным процессором 37 через входы/выходы 41, 33 и управляющий модуль 6. С выхода аттенюатора 24, где формируется амплитуда СВЧ-сигнала, он поступает на электрический вход первого оптического модулятора 2, на оптический вход которого подается оптическое излучение от первого лазера 3, например, от мощного гетеролазера. Промодулированный мощный оптический сигнал с заданными задержкой и амплитудой модуляции через первую оптическую линию связи 12 поступает на оптический вход первого фотодетектора 13 в антенной части 35 ППМ, выполненного, например, в виде распределенного фотодетектора бегущей волны для приема мощных оптических сигналов в фотовольтаическом режиме. В нем оптический сигнал преобразовывается в мощный СВЧ-сигнал и подается на передающий излучатель 14. В режиме передачи схема управления питанием 22 по команде центрального процессора 37 через управляющий модуль 6 отключает питание от второго лазера 11, благодаря чему исключается попадание передаваемого сигнала на вход малошумящего усилителя 21, уменьшающего вероятность ошибочного приема в приемном тракте.

При работе комплекса в режиме приема, который в дуплексном режиме осуществляется непрерывно, а в симплексном режиме работы осуществляется в паузах между импульсами, излучаемыми передающим каналом ППМ, принятый из радиоканала СВЧ-сигнал от приемного излучателя 15 поступает на вход третьего оптического модулятора 16, например, выполненного в виде высокочувствительного интегрально-оптического модулятора на эффекте радиооптического резонанса, на оптический вход которого через вторую оптическую линию связи 18 поступает излучение от второго лазера 11, например, выполненного в виде малошумящего одномодового гетеролазера, находящегося в аппаратурной части ППМ 34. Промодулированное принятым радиосигналом оптическое излучение с оптического выхода третьего оптического модулятора 16 по третьей оптической линии связи 19 поступает на вход второго фотодетектора 20 в аппаратурной части ППМ 34. Затем радиосигнал поступает на вход малошумящего усилителя 21, с выхода которого он подается на электрический вход второго оптического модулятора 10, для модуляции непрерывного оптического излучения от третьего лазера 17. С оптического выхода второго оптического модулятора 10 промодулированный принятый сигнал поступает на вход первой оптической линии задержки 4 с 32-мя выводами. Проходя через 32 канала различной длины, оптические сигналы получают различную задержку по времени и поступают в первую линейку 5 с 32 фотодиодами, выполненную, в интегральном исполнении. Требуемая задержка в первой оптической линии задержки 4 каждой аппаратурной части ППМ 34 устанавливается путем выбора положения первого переключателя 1, управляемого центральным процессором 37 через входы/выходы 41, 33 и управляющий модуль 6. На ее выходе формируется СВЧ-сигнал с требуемой задержкой в реальном масштабе времени. С выхода первой линейки 5 с 32-мя фотодиодами радиосигнал через первый переключатель 1, управляемый с помощью узлов 37 и 6, поступает на вход первого усилителя 7. За тем с выхода первого усилителя 7 радиосигнал попадает на вход первого управляемого аттенюатора 8, с выхода которого радиосигнал, пройдя через выходной каскад 25, необходимый для информационно-логического сопряжения между узлами 24 и 42, выход 26 (B_i) одной из частей ППМ 34, второй высокочастотный коммутатор 42, и приемник 44, поступает на информационный выход комплекса 46.

При приеме в симплексном режиме схема 22 управления питанием по команде с узлов 37 и 6 отключает питание от второго лазера 11 всех аппаратурных частей ППМ 34, благодаря чему уменьшается энергопотребление комплекса.

В дуплексном режиме прием осуществляется непрерывно за исключением интервалов времени, в течение которых осуществляется передача радиосигналов, и то только в той аппаратурной части ППМ 34, в которой намечается передача радиосигналов.

Алгоритм работы центрального процессора 37 может быть рассчитан, например, таким образом, чтобы принимать радиосигналы одновременно со всех четырех наборов 39 из n антенных частей 35 ППМ и транслировать их через второй высокочастотный коммутатор 42 и приемник 44 на информационный выход комплекса 46.

Возможен вариант исполнения антенной части 35 ППМ вместе с излучателем, например, предающая часть может быть представлена конструктивно в виде интегрально-оптической схемы, в которой вводное оптическое волокно через фокон (конусообразный элемент, расширяющий оптический пучок до требуемого диаметра,) оптически сопряжен с высокоскоростной фотодиодной матрицей, содержащей распределенные фотодиоды для приема мощного оптического сигнала, выходные контакты которых, например, объединены и подключены к двум полуволновым вибраторам (излучателям).

Передающий и приемный тракты антенной части ППМ 35 разделены конструктивно или экраном. В передающем тракте в качестве источника мощного оптического излучения (первый лазер 3) могут быть использованы высокомощные (более 16 Вт) гетеролазеры с КПД свыше 74% [9] или гетеролазерные линейки (модули) с выходной мощностью свыше 200 Вт в многомодовом оптическом волокне [10]. Для модуляции мощного оптического излучения радиочастотным зондирующим сигналом в качестве третьего оптического модулятора 16 могут быть применены высокоэффективные интегрально-оптические многомодовые модуляторы с малыми внутренними оптическими потерями [11, 12, 25].

Для приема и преобразования мощного промодулированного оптического излучения в электрический сигнал в качестве первого фотодетектора 13 могут быть применены высокоэффективные широкополосные фотодетекторы мощного оптического сигнала с КПД преобразования в фотовольтаическом режиме до 70% и выше в виде интегрально-оптической схемы [13-16].

В приемном тракте в качестве третьего оптического модулятора 16 могут быть применены высокочувствительные, с малым полуволновым напряжением, одномодовые интегрально-оптические модуляторы на эффекте оптического или радиооптического резонанса [17-20, 25].

В сочетании с мощными малошумящими одномодовыми гетеролазерами и эффективными фотодетекторами в режиме приема может быть получен коэффициент шума приемного тракта менее 1 дБ в широкой (1-20 ГГц) полосе частот и менее 0,5 дБ в узкой полосе частот [21]. Схема управления 22 питанием может быть выполнена на базе электронного ключа. В качестве переключателей 1 и 9 могут быть применены высокочастотные коммутаторы, аналогичные узлам 42 и 43. Остальные узлы могут быть реализованы на серийных изделиях, микросхемах и других элементах [25].

Возможность реализации такого комплекса показана в монографии [25, рис. 5.112, лист 367], где приведены потери мощности сигнала в передающем тракте при постоянной выходной оптической мощности кванторазмерного гетеролазера 16 Вт, измеренные экспериментально.

Таким образом, переход от мощных электронных усилителей с ограниченной полосой пропускания и низким КПД к мощным квантовым приборам на основе гетероструктур, а также к высокоэффективным интегрально-оптическим модуляторам с малым полуволновым напряжением может улучшить частотные свойства и энергетику ППМ и комплекса в целом.

Преимущества, которые могут быть получены при реализации предлагаемого изобретения, выражается в следующем:

- возможность работы в дуплексном и симплексном режимах передачи сверхкоротких импульсов в метром, дециметровом, сантиметровом, миллиметровом диапазонах;

- повышение разведзащищенности за счет работы комплекса на передачу только в том секторе, где находится вызываемый абонент;

- гальваническая развязка антенной решетки от аппаратурной части, что повышает электромагнитную совместимость и уменьшает влияние перекрестных помех;

- повышение помехозащищенности за счет отключения приемного оборудования сектора, в котором наблюдается постановщик помех или отклонение главного луча диаграммы направленности (ДН) ФАР от направления постановщика помех, а также за счет сосредоточения энергетического потенциала в каждом из четырех направлений при формировании диаграмм направленности передающей и приемной антенн;

- улучшение ЭМС на борту за счет применения элементов радиофотоники;

- увеличение конструктивной гибкости при размещении антенных частей на различных носителях (летательных аппаратах);

- увеличение дальности устойчивой связи при маневрах летательного объекта;

Литература:

1. Патент РФ №118494.

2. Активные ФАР. Концепция построения и опыт разработки/ Синани А.И., Алексеев О.С., Винярский В.Ф., Антенны, вып. 2 (93), 2005, с. 64-68.

3. Кашин В.А., Леманский А.А., Митяшев М.Б., Скосырев В.Н., Созинов П.А. Проблемы создания АФАР сантиметрового диапазона для мобильных многофункциональных радиолокаторов зенитных ракетных комплексов/ Вопросы перспективной радиолокации/ под. ред. А.В.Соколова. - М.: Радиотехника, 2003. - 512 с.

4. Облик перспективных бортовых радиолокационных систем/ А.И. Канащенков, В.И. Меркулов, О.Ф. Самарин. - М.: ИПРЖР, 2002. - 176 с.: ил.

5. US 5247309.

6. US 5369410.

7. US 5164735.

8. Патент РФ №2298810.

9. Винокуров Д.А., Зорина С.А., 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.

10. Веб-сайт фирмы "Limo", http://www.limo.de, 2004; 2005 г.

11. US 6320990.

12. US 6766070.

13. US 5404006.

14. US 5572014.

15. US 2004145026.

16. Алферов Ж.И., Андреев B.M., Румянцев В.Д. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики // Физика и техника полупроводников. - 2004. - Т.38, вып. 8 - с. 937-947.

17. Cohen D.A., Hossein-Zadeh М., Levi A.F.J. High-Q microphotonic electro-optic modulator // Solid-State Electronics. - 2001. - V. 45, P. 1577-1589.

18. Cohen D.A., Levi A.F.J. Microphotonic millimeter-wave receiver architecture // Electronics Letters. - 2001. - V. 37, No. 1, P. 37-39.

19. Cohen D.A., Hossein-Zadeh M., Levi A.F.J. Microphotonic modulator for microwave receiver// Electronics Letters. - 2001. - V.37, No. 5, P. 300-301.

20. Abies J.H. et al. Resonant enhanced modulator development // R-FLICS Program Review Presentation., Sarnoff Co. - 2001. - Aug., P. 1-31.

21. CoxC., Ackerman E. Steps to the Photonic antenna // Proc. Analog Optical Signal Processing (AOSP) study grup 6, - 2000. - Dec., P. 1-30.

22. Ng W.W., Walston A.A., Tangonan G.L. et al. The first demonstration of an optically steered microwave phased array antenna using true-time-delay// Journ. ofLightwave Technology, - 1991. - V. 9, No. 9, P. 1121-1131.

23. Справочник по радиолокации в 4 т. / под. ред. М.И. Сколника. - М.: Сов. Радио, 1977. - Т.2: Радиолокационные антенные устройства. - 438 с.

24. Stutzman W.L., Buxton C.G. Radiatingelementsforwidebandphasedarrays // MicrowaveJounal, - 2000. - Feb. P. 131-141.

25. Зайцев Д.Ф. Нанофотоника и ее применение. - М.: Фирма АКТИОН, 2011. - 427 с.

Claims (2)

1. Широкодиапазонный бортовой комплекс связи (БКС) с применением радиофотонных элементов, содержащий приемо-передающие модули (ППМ), каждый из которых состоит из аппаратурной и антенной частей, соединенных тремя оптическими линиями связи, центральный процессор с внешним входом/выходом, синхронизирующий процессы обработки, управляющий всеми узлами БКС и контролирующий их работоспособность, приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, синхровыход которого соединен с входом центрального процессора, соединенные с центральным процессором двухсторонними связями первый высокочастотный коммутатор, к входу которого подключен передатчик, и второй высокочастотный коммутатор, выходы которого подключены к приемнику, центральный процессор по локальной вычислительной сети двухсторонними связями подключен к каждой аппаратурной части всех ППМ, выход каждой аппаратурной части всех ППМ подключен к соответствующему входу второго высокочастотного коммутатора, а вход каждой аппаратурной части всех ППМ подключен к соответствующему выходу первого высокочастотного коммутатора, при этом для формирования комформной антенны из четырех сегментов фазированной антенной решетки (ФАР) с диаграммами направленности по азимуту 90° ППМ объединены в четыре сегмента, каждый из которых состоит из одного набора n аппаратурных частей ППМ и одного набора n антенных частей ППМ, имеющих гальваническую развязку друг от друга, а наборы из n антенных частей каждого сегмента ППМ размещают на обшивке летательного аппарата и сдвигают относительно друг друга на 90°, при этом n - число модулей не менее четырех.

2. Широкодиапазонный бортовой комплекс связи с применением радиофотонных элементов по п. 1, отличающийся тем, что антенная часть каждого ППМ содержит первый фотодетектор, соединенный с передающим излучателем, и третий оптический модулятор, соединенный с приемным излучателем, аппаратурная часть каждого ППМ содержит последовательно соединенные входной каскад, четвертый оптический модулятор, вторую оптическую линию задержки с 32 выводами, вторую линейку с 32 фотодиодами, второй переключатель, второй усилитель, второй аттенюатор, первый оптический модулятор, при этом к второму входу четвертого оптического модулятора подключен четвертый лазер, схему управления питанием, первый выход которой подключен к второму лазеру, а второй выход подключен к первому лазеру, выход которого подключен к второму входу первого оптического модулятора, также содержит последовательно соединенные второй фотодетектор, малошумящий усилитель, второй оптический модулятор, первую оптическую линию задержки с 32 выводами, первую линейку с 32 фотодиодами, первый переключатель, первый усилитель, первый управляемый аттенюатор, выходной каскад, выход которого является выходом аппаратной части ППМ, а вход входного каскада является входом аппаратной части ППМ, управляющий модуль с внешним входом/выходом, соединенный двухсторонними связями с первым управляемым аттенюатором, первым переключателем, вторым переключателем, вторым аттенюатором и схемой управления питанием, при этом выход первого оптического модулятора через первую оптическую линию связи подключен к входу первого фотодетектора, а выход второго лазера через вторую оптическую линию связи подключен к второму входу третьего оптического модулятора, выход которого через третью оптическую линию связи подключен к входу второго фотодетектора.

Images