Research of the characteristics of single-loop optoelectronics microwave signal generator

Full Text

В настоящее время актуальна задача разработки новых по своему принципу действия и конструкции компактных, стабилизированных, малошумящих и обладающий широкой спектральной перестройкой измерительных генераторов сантиметрового, миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. Подобные генераторы необходимы при построении современных радиолокационных систем, систем спутниковой и космической связи, а также прецизионной измерительной аппаратуры [1]. Использующиеся в настоящее время генераторы СВЧ сигналов, построенные по традиционным схемам, являются для многих решаемых задач малопригодными ввиду недостаточной стабильности, высокого уровня фазовых шумов или малой перестройки по частоте. Широко распространённые генераторы на диэлектрических резонаторах [2], из-за малой добротности частотозадающего элемента, имеют ограничения как по уровню фазовых шумов (предельно достижимый уровень не лучше минус 125 дБ/Гц при отстройке на 1 кГц при номинальной частоте 10 ГГц), так и по диапазону рабочих частот (в среднем от 8 ГГц до 20 ГГц). Использование в качестве диэлектрического материала лейкосапфира позволяет достичь уровень шума минус 167 дБ/Гц при отстройках на 1 кГц - 10 кГц от несущей, который на сегодняшний день является самым низким [3]. Но генераторы с лейкосапфировым резонатором ограничены по диапазону рабочих частот (от 6 ГГц до 35 ГГц) а также имеют дискретный ограниченный диапазон частотной перестройки, относительно большие размеры и вес резонатора. Кварцевые генераторы с умножением частоты не дают возможности получить достаточно высокие характеристики по спектральной плотности фазового шума и кратковременной стабильности частоты в диапазоне от 8 ГГц до 100 ГГц за счет многократного умножения частоты [4]. Одним из новых и перспективных способов создания перестраиваемых по частоте, сверхмалошумящих автогенераторов в диапазоне частот до 100 ГГц является применение в них стабилизированной малошумящей оптоэлектронной линии задержки с запаздыванием сигнала в ней (от 2 мкс до 50 мкс при полосе частот до 100 ГГц) с малыми потерями СВЧ мощности [4, 5]. В состав волоконно-оптической линии задержки входят последовательно соединенные источник оптического излучения (лазерный излучатель), модулятор интенсивности, волоконно-оптическая система (в простейшем случае одиночный волоконно-оптический световод) и фотоприёмник. В лучших образцах СВЧ генераторов с подобной линией задержки уже достигнута очень низкая спектральная плотность мощности фазовых шумов (минус 153дБ/Гц и менее) при частотных отстройках по частоте от несущей на 1кГц ÷ 10 кГц. Столь малый фазовый шум СВЧ генератора достигается за счет создания на базе оптической линии задержки сверхвысокодобротного резонатора с нагруженной эквивалентной добротностью в пределах от 200·103 до 800·103, зависящей от длины линии. Важным достоинством оптической линии задержки является то, что ее характеристики могут синтезироваться в зависимости от назначения генератора. Изменяя геометрические длины, количество волоконных световодов и виды оптических связей между ними, можно получать необходимые амплитудно-частотные характеристики линии задержки на их основе. Оптоэлектронный генератор СВЧ сигналов в общем случае представляет собой автогенератор с задержанной обратной связью [6]. Базовая структурная схема такого генератора (одноконтурного автогенератора) включает в себя два функциональных блока: радиотехнический (СВЧ усилители, полосовой фильтр, направленный ответвитель, в некоторых случаях аттенюатор) и оптический (лазерный излучатель, модулятор интенсивности оптического излучения, оптическое волокно, фотодетектор) и показана на рисунке 1. Рис. 1. Структурная схема исследуемого одноконтурного оптоэлектронного СВЧ автогенератора. Принцип работы автогенератора в стационарном режиме следующий. Непрерывное излучение лазера (ЛИ) поступает на вход электрооптического модулятора (ЭОМ). В качестве ЭОМ используется электрооптический модулятор бегущей волны на основе интегрального интерферометра Маха-Цандера с полосой частот модуляции до 20 ГГц. Далее модулированное СВЧ-сигналом оптическое излучение проходит волоконно-оптическую линию задержки (ОВ) и поступает на вход фотоприемника (ФД), в котором происходит его демодуляция. Высокодобротный полосовой фильтр ПФ на железо-иттриевом гранате выделяет частоту генерации, подавляя СВЧ-колебания на других частотах. Для стабильной работы ПФ используется источник тока, управляемый напряжением. Демодулированный СВЧ-сигнал усиливается и поступает на направленный ответвитель (НО), который одну часть сигнала направляет в выходной порт автогенератора, а другую часть - на управляющий вход ЭОМ, замыкая тем самым цепь положительной обратной связи. Стационарный режим работы ОЭГ, как и любого автогенератора с обратной связью, достигается за счет усиления в СВЧ усилителях, компенсирующих потери при электрооптическом преобразовании (баланс амплитуд), а также соответствием времени задержки сигнала в цепи обратной связи набегу фаз, равному 2πk, где k = 1, 2,... (баланс фаз). Для оптического тракта использовались: полупроводниковый лазерный модуль EMCORE TTX1994, модулятор интенсивности Optilab IM-1550-20, одномодовое оптическое волокно Corning SMF-28e+ длиной 515 м, и фотодиодный модуль EMCORE 2522B. На рисунке 2 представлена зависимость коэффициента передачи от ВЧ-входа модулятора до ВЧ-выхода фотоприемника в диапазоне частот от 100 МГц до 25 ГГц при непрерывной оптической мощности 10 дБм. Рис. 2. Частотная зависимость коэффициента передачи от ВЧ-входа модулятора до ВЧ-выхода фотоприемника. Из измеренного коэффициента передачи оптического тракта по СВЧ следует, что в СВЧ-тракте необходимо добиться усиления не менее 50 дБ для того, чтобы скомпенсировать потери в тракте «модулятор-фотоприемник», то есть для обеспечения баланса амплитуд. Радиотехнический тракт был выполнен из следующих элементов: два усилителя СВЧ малошумящих (диапазон частот 15 - 22 ГГц; коэффициент усиления 40 дБ), аттенюатор волноводный перестраиваемый, три ферритовых вентиля, и ответвитель направленный. Максимально возможное усиление в радиотехническом узле составило 70 дБ в диапазоне частот 15-22 ГГц. Поскольку СВЧ узел выполнен на базе прямоугольного волновода сечением 11 5,5 мм, то теоретически, низшая частота, начиная с которой может работать данный автогенератор определяется критической частотой основной волны (Н10) данного волновода. Она равна: 13,6 ГГц. Верхняя граничная частота генерации определяется возможностью компенсации потерь в петле обратной связи и зависит от граничной частоты оптического узла (20 ГГц по уровню минус 3 дБ), и верхней частотой СВЧ усилителей (порядка 22 ГГц) так как она меньше, чем граница одномодового режима работы используемых волноводов. Перед сборкой автогенератора был проведен оценочный расчет ожидаемых спектральных характеристик его сигнала по известной методике [5]: - определение времени задержки распространения сигнала в волоконно-оптическом тракте c, где n - показатель преломления световода, для повсеместно используемого кварцевого световода n=1,45; l - длина волоконного световода, в данной работе l=515 м; c - скорость света в свободном пространстве, с= 3 108 м/с. - определение расстояния между двумя соседними модами , (кГц). После объединения двух узлов (оптического и радиотехнического) в единое устройство был исследован спектральный состав выходного сигнала генератора без полосового фильтра с помощью анализатора спектра Rohde & Schwarz FSU50, при этом мощность лазера составляла 10 дБм. Результат исследования представлен на рисунке 3. Рис. 3. Спектральный состав выходного сигнала оптоэлектронного СВЧ автогенератора без полосового фильтра. По результатам экспериментального исследования спектрального состава выходного сигнала расстояние между соседними модами составило 407 кГц, что соответствует теоретическим оценкам. Как известно, эквивалентная добротность линии задержки определяется как , где - центральная частота, - время задержки в петле обратной связи. , откуда , тогда где - расстояние между соседними спектральными составляющими. Значения величин и определим из полученного спектра, представленного на рисунке 3, и вычислим эквивалентную добротность оптической линии задержки . На рисунках 4 а и б представлен спектр выходного сигнала оптоэлектронного СВЧ автогенератора после добавления полосового фильтра ФФЛК2-16 при разных полосах обзора анализатора. а) б) Рис. 4. Спектр автогенератора с полосовым фильтром при разных полосах обзора анализатора спектра: а) при полосе обзора 100 кГц, б) при полосе обзора 1 МГц. Так же была предпринята попытка измерить фазовый шум выходного сигнала. Ввиду того, что шум прибора превышал фазовый шум генератора, измерить последний не удалось, поэтому можем говорить лишь о том, что фазовый шум на частоте f = 21,614 ГГц не хуже минус105 дБ/Гц при отстройке на 1кГц. Заключение В ходе работы исследовалась схема построения СВЧ генераторов, основанная на применении элементов оптоэлектроники, следуя которой в качестве высокодобротного элемента используется отрезок оптического волокна определенной длины. Был изготовлен и экспериментально исследован одноконтурный оптоэлектронный СВЧ автогенератор. Теоретически были оценены ожидаемые спектральные характеристики генератора, которые совпали с результатами эксперимента.

About the authors

V. V Biryukov

V. A Grachev

A. S Raevskii

S. G Lobin

T. S Lukoyanova

References

Supplementary files