RU2760107C1 - Быстродействующее радиофотонное устройство сканирования антенных решеток - Google Patents
Быстродействующее радиофотонное устройство сканирования антенных решеток Download PDFInfo
- Publication number
- RU2760107C1 RU2760107C1 RU2021109248A RU2021109248A RU2760107C1 RU 2760107 C1 RU2760107 C1 RU 2760107C1 RU 2021109248 A RU2021109248 A RU 2021109248A RU 2021109248 A RU2021109248 A RU 2021109248A RU 2760107 C1 RU2760107 C1 RU 2760107C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- outputs
- inputs
- amplifiers
- radio
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
- G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
- G02F1/13306—Circuit arrangements or driving methods for the control of single liquid crystal cells
- G02F1/13312—Circuits comprising photodetectors for purposes other than feedback
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/21—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour by interference
- G02F1/212—Mach-Zehnder type
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
- Optical Communication System (AREA)
Abstract
Изобретение относится к радиолокационной технике и технике радиосвязи на основе радиофотоники. Радиофотонное устройство сканирования антенных решеток основано на широкополосном источнике оптического сигнала, многоспектральных демультиплексорах и полупроводниковых оптических усилителях (SOA), применяемых в качестве усилителей с программируемым усилением и одновременно быстродействующих переключателей оптических линий задержки. Изобретение обеспечивает повышение быстродействия, уменьшение потерь сигнала, габаритов и энергопотребления. 2 ил.
Description
Изобретение относится к радиолокационной технике и технике радиосвязи на основе радиофотоники, а более конкретно к быстродействующим системам сканирования широкополосных активных фазированных антенных решеток (АФАР) и радиооптических фазированных антенных решеток (РОФАР) для скоростного сканирования их луча (лучей) в широком диапазоне углов [1,2].
Существует большое число устройств сканирования, на основе фотоники и радиофотоники для радиолокации, связи и систем навигации, причем для обеспечения функционирования таких систем в широкой полосе частот применяется временной метод, за счет изменения задержки сигналов [2-5].
1. В устройстве [3] временной метод сканирования реализован по параллельной радиофотонной схеме, в которой видеоимпульсный сигнал с радиочастотным спектром подается параллельно на 4 гетеролазера, осуществляя их непосредственную модуляцию, далее промодулированный видеоимпульсами с радиочастотным спектром оптический сигнал с 4-х гетеролазеров подается одновременно на 4 входа 4-х канальной оптической линии задержки, в каждом из каналов которой приобретает свою индивидуальную задержку. Затем оптические сигналы поступают на входы оптического разветвителя 4×8, с выходов которого сигналы поступают на входы 8-ми канальной оптической линии задержки, где приобретают дополнительные индивидуальные задержки, с выходов которых поступают на линейку из 8-ми быстродействующих фотодиодов, где преобразуются в электрические видеоимпульсные сигналы, причем выбор сигнала с необходимой в данный момент временной задержкой на общем выходе устройства осуществляется подключением соответствующего фотодиода с помощью быстродействующих ключей на полевых транзисторах, включенных в цепь смещения (питания) каждого из фотодиодов. Таким образом осуществляется 5-ти разрядное временное сканирование широкополосной антенной решетки.
Такие схемы сканирования просты и имеют высокую широкополосность и достаточное быстродействие (десятки нс), ограниченное в первую очередь быстродействием ключей, управляющих выбором того или иного фотодиода и, следовательно, временной задержкой сигнала.
Однако, в силу своей параллельности, при которой оптические сигналы одновременно разветвляются в оптическом разветвителе и присутствуют на всех входах линейки фотодиодов, причем в каждый момент времени работает только один фотодиод, энергетическая эффективность таких схем крайне мала. Например, в описываемой схеме сканирования потери сигнала составляют более 45 дБ.
Наличие 4-х гетеролазеров на входе (или 4-х оптических модуляторов), как вынужденная мера для обеспечения приемлемой энергетики и коэффициента шума такого устройства, серьезно снижает технологичность его изготовления из-за необходимости подбора и прецизионной относительной стабилизации их динамических и статических характеристик.
Эти недостатки становится почти неразрешимой проблемой, при необходимости увеличения разрядности сканирования с 4-5 до 7-8 и более, что является типичным требованием для современных антенных решеток, при которой потери сигнала могут превышать 60 дБ.
2. Известна радиофотонная схема сканирования на основе резонаторов на модах шепчущей галереи (МШГ) (фиг. 3 источника [4]), состоящая из лазеров питания, модуляторов Маха-Цендера, оптических разветвителей, устройств оптической связи с МШГ-резонаторами, МШГ-резонаторов, источников СВЧ сигнала (антенн), устройств связи СВЧ сигнала с модуляторами Маха-Цендера, системы управления, фотодетекторов.
Здесь переключение задержек происходит за счет теплового переключения МШГ-резонаторов, играющих роль миниатюрных оптических линий задержки, встроенных в топологию оптических разветвителей.
По сути, эта схема сканирования повторяет предыдущую, но имеет большие возможности по работе с многоэлементными антенными решетками и может быть реализована в интегральном исполнении.
Однако, тепловой способ переключения таких оптических линий задержки сильно ограничивает быстродействие системы сканирования миллисекундным уровнем [5], при высокой потребляемой мощности (до 26 Вт на одну 3-х битовую секцию), что является неприемлемым для большей части радиоэлектронных систем. Причем потери сигналов в схеме сканирования достигают значений более 55 дБ [5].
3. Известна радиофотонная схема сканирования на основе многоспектрального демультиплексирования и полупроводниковых оптических усилителей (в анг. аббревиатуре SOA) в качестве управляемых оптических линий задержки (фиг. 2а и 2б источника [6]), состоящая из источников СВЧ сигнала (антенн), лазеров накачки модуляторов Маха-Цендера, оптических демультиплексоров и мультиплексоров, оптических усилителей, оптических линий задержки, системы управления, фотодетекторов.
Здесь изменение задержек происходит за счет изменения мощности оптических сигналов на входах полупроводниковых оптических усилителей, играющих роль управляемых оптических линий задержки, в которых каждому значению входной мощности соответствует своя задержка, благодаря эффекту изменения дисперсии на резонансах поглощения на соответствующих длинах волн (так называемый «медленный» и «быстрый» свет).
Эта схема сканирования имеет значительно большее быстродействие и позволяет работать с многоэлементными антенными решетками в многолучевом режиме, а также может быть реализована в интегральном исполнении.
Однако, такой способ сканирования на эффекте «медленного» и «быстрого» света в полупроводниковых оптических усилителях имеет малые реальные задержки сигналов (максимально достижимы задержки менее 100 пс [6]), что является неприемлемым для большей части сканирующих антенных решеток метрового и дециметрового диапазонов.
Задача, на решение которой направлено данное изобретение - одновременное достижение высокого уровня комплекса основных характеристик системы сканирования для радиооптических активных фазированных антенных решеток (РОФАР), таких как высокое быстродействие (несколько нс), малые потери сигнала, высокая разрядность, широкий диапазон задержек. Сопутствующие преимущества - малые аппаратурные затраты, габариты и энергопотребление.
Для этого предлагается радиофотонное устройство сканирования широкополосных антенных решеток на основе многоспектрального демультиплексирования и полупроводниковых оптических усилителей в качестве усилителей с программируемым усилением и одновременно быстродействующих переключателей отдельных оптических линий задержки. Антенная решетка включает множество таких радиофотонных устройств сканирования широкополосных антенных решеток, для примера два из них (одно имеет обозначение «Вход» справа от обозначения антенны 1 и «Выход 1», другое обозначение «Вход» справа от обозначения антенны М» и «Выход М») представлены схематично на фиг. 1.
Радиофотонное устройство сканирования состоит из источников СВЧ сигнала (антенн), суперлюминесцентных диодов в качестве широкополосных источников оптического излучения для накачки оптических модуляторов Маха-Цендера, оптических демультиплексоров и мультиплексоров, переключаемых полупроводниковых оптических усилителей, оптических линий задержки, системы управления, фотодетекторов.
Сущность изобретения заключается в радиофотонной реализации быстрого выбора необходимой в данный момент задержки широкополосного сигнала для системы сканирования широкополосных антенных решеток (в том числе и конформных РОФАР).
Принцип работы радиофотонного устройства сканирования широкополосных антенных решеток на основе многоспектрального демультиплексирования и полупроводниковых оптических усилителей в качестве усилителей с программируемым усилением и одновременно быстродействующих переключателей оптических линий задержки проиллюстрирован на его упрощенной схеме (фиг. 1).
Из источника широкого оптического спектра (здесь N - количество оптических мод, а λi - соответствующие им длины волн), которым является суперлюминесцентный диод (СЛД) 2 с шириной оптического спектра до 100 нм [7], оптическое излучение подается в малошумящий оптический усилитель (МШОУ) 3, а с его выхода через одномодовое оптическое волокно (ОВ) с сохранением поляризации на оптический модулятор Маха-Цендера (ОМ) 4, где модулируется широкополосным радиочастотным сигналом (U мод), приходящем с антенны 1, затем промодулированный радиочастотой оптический сигнал с широким оптическим спектром подается на демультиплексор (ДЕМ) 5, посредством которого весь спектр промодулированного оптического излучения одновременно проходит поканальную селекцию (фиг. 2 источника [8]) и направляется по соответствующим выходам (ветвям) λ1 - λN демультиплексора, каждой λi соответствует определенная выходная ветвь, к которой подключен свой полупроводниковый оптический усилитель (ОУ) 6, который управляется в режиме включен-выключен, причем включается ОУ каждый раз с необходимым в данный момент усилением за счет программируемого изменения его накачки. К выходу каждого ОУ подключена соответствующая отдельная оптическая линия задержки (ОЛЗ) из массива: ОЛЗ1, ОЛЗ2, ОЛЗ3,…, ОЛЗN 7 с соответствующими временами задержки τ1, τ2, τ3,…, τN, которая может быть реализована на микрорезонаторах на модах шепчущей галереи (ММШГ-резонаторах).
Далее оптический сигнал подается на один из входов обратно включенного оптического разветвителя (ОР) 8 и канализируется на его единый выход с которого подается на фотодиод (ФД) 9 и преобразуется в электрический сигнал. Затем, при необходимости, перед обработкой сигнал может усиливаться широкополосным электронным усилителем (ШП УС) 10.
Таким образом, каждому антенному элементу радиофотонного устройства сканирования в каждый момент времени соответствует определенная однозначная задержка τi и амплитуда Ai сигнала на его выходе.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, одновременно выражается в следующем:
1. в повышении быстродействия за счет реализации быстрого включения-выключения ОУ управляющим электрическим сигналом (на фиг. 1 обозначен как U упр);
2. в возможности реализации не только временного, но и амплитудного распределения по антенной решетке при временном сканировании;
3. в уменьшении зависимости потерь сигнала от разрядности для временного сканирования широкополосных приемных и передающих трактов АФАР и РОФАР за счет реализации параллельно - последовательной схемы;
4. в повышении динамического диапазона за счет уменьшения усиления либо исключения электронных усилителей в трактах устройства;
5. в снижении аппаратурных затрат, особенно при реализации высокой разрядности сканирования.
Например, возможно реализовать 6 - 12 разрядное сканирование антенных решеток (см. фиг. 2, где показаны практически идентичные характеристики 64-х канального демультиплексора - это Figure 3 в источнике [8]).
Указанный технический результат при осуществлении изобретения (фиг. 1) достигается тем, что по сравнению с известным устройством (рисунки 2а и 2б источника [6]), являющимся наиболее близким аналогом к заявляемому, с общими признаками: наличие источников СВЧ сигнала (антенн), устройств связи СВЧ сигнала с модуляторами Маха-Цендера, оптических источников излучения для накачки модуляторов Маха-Цендера, оптических демультиплексоров и мультиплексоров, полупроводниковых оптических усилителей, оптических линий задержки, системы управления (на фиг. 1 не показана), фотодиодов, отличающаяся тем, что введены источники широкого оптического спектра - суперлюминисцентные диоды 2, полупроводниковые оптические усилители 3, отдельные оптические линии задержки 7, оптические разветвители 8, причем выходы источников широкого оптического спектра - суперлюминисцентных диодов 2, соединены с оптическими входами малошумящих оптических усилителей 3, выходы которых соединены с входами оптических модуляторов Маха-Цендера, выходы которых соединены с входами демультиплексоров 5, выходы которых соединены с входами соответствующих полупроводниковых оптических усилителей 6, выходы которых соединены с соответствующими оптическими линиями задержки 7, выходы которых соединены с входами обратно включенных оптических разветвителей 8, выходы которых соединены с фотодиодами 9, выходы которых соединены с широкополосными электронными усилителями 10.
Источники информации
1. Приемно-передающий оптоэлектронный модуль АФАР: Патент России RU 2298810 / Д.Ф. Зайцев. - №2005130539; Заявл. 4.10.2005.
2. Д.Ф. Зайцев. Нанофотоника и ее применение - Монография, М.: Изд. «АКТЕОН», 2012 г., 445 с., с илл. ISBN 978-5- 91142-045-1.
3. Lee J.J., Loo R.Y., Livingston S. et all. Photonic Wideband Array Antennas // IEEE Trans. Antennas and Propagation. - 1995. - V. 43, №9, p. 966-982.
4. Electronically-steered KU-band array antenna comprising an integrated photonic beamformer: US 20130194134 A1/W.P. Beeker, C. G.H. Roeloffzen, L. Zhuang, J.W. Eikenbroek, P. Klatser, P. W.L. van Dijk, Int. C1. H0Q 3/2682; US C1, 342/375; 01.08. 2013.
5. Meijerink A., Roeloffzen C. G.H., Meijerink, R. et al. Novel Ring Resonator-Based Integrated Photonic Beamformer for Broadband Phased Array Receive Antennas - Part II: Experimental Prototype // Journal of Lightwave Technology. - 2010. - V. 28, №l, p. 19-31.
6. Multibeam radio frequency photonic beamformer using a multi-signal slow light time delay unit: US 20170063461 A1/ P. Pruchnal, M. Chang, J. Chang, Int. C1. H04B 10/2575; H04B 7/06 US; H04B 10/112; US C1, H04B 10/25752; H04B 10/1123; H04B 7/0617; 02.03. 2017.
7. Temperature - Controlled (Cooled) Single - Mode Fiber - Pigtailed SLD-761-LP-PM / Data Sheet https://www.superlumdiodes.com/products.htm.
8. Arrayed waveguide grating (AWG). Application Note / FHV Research. - 2010.
9. The Enhanced Functionalities of Semiconductor Optical Amplifiers and their Role in Advanced Optical Networking. Application Instruction 001/InPhenix, Inc. - 2008. - https://www.inphenix.com/pdfdoc/Application_Notes_for_SOAs.pdf.
Claims (1)
- Быстродействующее радиофотонное устройство сканирования антенных решеток, содержащее источники СВЧ сигнала - антенны, источники оптического излучения, модуляторы Маха-Цендера, оптические демультиплексоры, оптические усилители, оптические линии задержки, системы управления, фотодиоды, отличающееся тем, что введены источники широкого оптического спектра, полупроводниковые оптические усилители, отдельные оптические линии задержки, обратно включенные оптические разветвители, причем выходы источников широкого оптического спектра соединены с оптическими входами малошумящих оптических усилителей, выходы которых соединены с входами оптических модуляторов Маха-Цендера, радиочастотные входы которых соединены с антеннами, а оптические выходы соединены с входами демультиплексоров, выходы которых соединены с входами полупроводниковых оптических усилителей - SOA, выходы которых соединены с внешними оптическими линиями задержки, выходы которых соединены с входами обратно включенных оптических разветвителей, выходы которых соединены с фотодиодами, выходы которых соединены с широкополосными электронными усилителями.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021109248A RU2760107C1 (ru) | 2021-04-05 | 2021-04-05 | Быстродействующее радиофотонное устройство сканирования антенных решеток |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021109248A RU2760107C1 (ru) | 2021-04-05 | 2021-04-05 | Быстродействующее радиофотонное устройство сканирования антенных решеток |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2760107C1 true RU2760107C1 (ru) | 2021-11-22 |
Family
ID=78719370
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2021109248A RU2760107C1 (ru) | 2021-04-05 | 2021-04-05 | Быстродействующее радиофотонное устройство сканирования антенных решеток |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2760107C1 (ru) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20090027268A1 (en) * | 2006-08-15 | 2009-01-29 | Coward James F | Multi Beam Photonic Beamformer |
WO2019034919A1 (en) * | 2017-08-18 | 2019-02-21 | Telefonaktiebolaget Lm Ericsson (Publ) | THREE-DIMENSIONAL RADIO FREQUENCY ELECTRONIC-PHOTONIC INTEGRATED CIRCUIT WITH ANTENNAS AND INTEGRATED TRANSCEIVERS |
US10224628B2 (en) * | 2015-04-20 | 2019-03-05 | Instituto De Telecommunicações | Photonic beamforming system for a phased array antenna receiver |
-
2021
- 2021-04-05 RU RU2021109248A patent/RU2760107C1/ru active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20090027268A1 (en) * | 2006-08-15 | 2009-01-29 | Coward James F | Multi Beam Photonic Beamformer |
US10224628B2 (en) * | 2015-04-20 | 2019-03-05 | Instituto De Telecommunicações | Photonic beamforming system for a phased array antenna receiver |
WO2019034919A1 (en) * | 2017-08-18 | 2019-02-21 | Telefonaktiebolaget Lm Ericsson (Publ) | THREE-DIMENSIONAL RADIO FREQUENCY ELECTRONIC-PHOTONIC INTEGRATED CIRCUIT WITH ANTENNAS AND INTEGRATED TRANSCEIVERS |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9689968B2 (en) | Wholly optically controlled phased array radar transmitter | |
CN110174661B (zh) | 一种基于偏振复用的光学相控阵二维激光雷达扫描芯片 | |
US8326154B2 (en) | Multiwavelength transmitter | |
WO2021128666A1 (zh) | 一种用于相控阵系统的集成微波光子收发前端 | |
US10790909B1 (en) | Efficient multi-channel coherent optical system | |
US20190386765A1 (en) | Method and apparatus for weight assignment in beamforming (bf) | |
Tsokos et al. | True time delay optical beamforming network based on hybrid InP-silicon nitride integration | |
US11177900B2 (en) | Integrated WDM optical transceiver | |
CN114531205B (zh) | 一种可编程二维同时多波束光控相控阵接收机芯片及多波束控制方法 | |
CN114157391A (zh) | 波束赋形装置及其波束赋形方法 | |
Chen et al. | Photonic crystal fiber beamformer for multiple $ X $-band phased-array antenna transmissions | |
KR20210152381A (ko) | 위상 배열 안테나를 이용한 광학식 빔포밍 장치 및 이의 동작 방법 | |
CN211880393U (zh) | 一种阵元数量低的平面稀疏光控相控阵发射天线系统 | |
RU2760107C1 (ru) | Быстродействующее радиофотонное устройство сканирования антенных решеток | |
CN116865900A (zh) | 一种全光同时多频段多波束相控阵发射机及其方法 | |
CN115826319A (zh) | 基于片上克尔光频梳的二维光学波束形成网络 | |
CN116388818A (zh) | 一种基于波长选择开关的收发共用波束形成网络 | |
CN115508958B (zh) | 一种基于光学神经网络的光子芯片 | |
US6587256B2 (en) | RF combiner based on cascaded optical phase modulation | |
Kanesan et al. | Dual pump brillouin laser for RoF millimeterwave carrier generation with tunable resolution | |
WO2022083056A1 (en) | Systems and methods for fast wavelength selection in an optical network | |
Burla et al. | On-chip, CMOS-compatible, hardware-compressive integrated photonic beamformer based on WDM | |
Banchi | Multi-channel Microwave-Photonic link for Antenna remoting in Multifunctional Phased-Array Radar | |
Lavrov et al. | Application of the fiber-optic communication system components for ultrawideband antenna array beamforming | |
Liu et al. | Wideband Microwave Photonic Beamformer Based on a Spiral Bragg Grating Waveguide |