Сверхширокополосная аналоговая линия связи СВЧ диапазона Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

уДК 621.391 63.0296 в. А. АРЖАНОВ

А. А. БЕЛОУСОВ Д. В. САПОЖНИКОВ Д. В. ФЁДОРОВ

Омский государственный технический университет

СВЕРХШИРОКОПОЛОСНАЯ АНАЛОГОВАЯ ЛИНИЯ СВЯЗИ СВЧ ДИАПАЗОНА

Рассмотрены возможности создания сверхширокополосных аналоговых линий связи диапазона СВЧ с использованием методов и средств радиофотони-ки. Приведены характеристики аналоговых волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Показана реализация специализированных аналоговых ВОЛС.

Ключевые слова: аналоговая линия передачи, аналоговый сигнал, ВОЛС, лазер, СВЧ.

В последние десятилетия волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) получили широкое распространение в самых различных областях науки и техники, и прежде всего, в области телекоммуникаций.

Области практического применения ВОЛС чрезвычайно широки. В зависимости от протяженности они условно делятся на объектовые протяженностью от 1 до 100 м (внутриобъектовые), городские протяженностью до 50—100 км (межгородские протяженностью до 200 — 300 км, зоновые) и магистральные протяженностью свыше 300 км [1].

Необходимо отметить, что в подавляющем большинстве случаев используются цифровые ВОЛС. Но существует ряд технических задач, для решения которых необходимы аналоговые ВОЛС, например, для передачи аналоговых сверхширокополосных СВЧ сигналов (от 0 до 40 ГГц) на расстояния до нескольких десятков метров и более. Использование в данном случае «классических» коаксиальных кабелей не представляется возможным из-за больших потерь в таких кабелях. Например, у одного из лучших коаксиальных кабелей типа ЬЬ160

Рис. 1. Структурная схема РЛС с использованием ВОЛС

производства фирмы Harbour Industries [2] погонные потери на частоте 40 ГГц составляют примерно 2,4 дБ/м. Следовательно, потери в линии длиной 100 м, реализованной с использованием такого кабеля, на частоте 40 ГГц составят порядка 240 дБ, что на практике невозможно компенсировать даже самыми малошумящими усилителями. Поэтому для решения именно таких технических задач и может быть использована аналоговая ВОЛС.

По сравнению с другими линиями связи ВОЛС имеют ряд преимуществ:

— широкая полоса пропускания: от постоянного тока до 110 ГГц и выше;

— высокая помехозащищенность;

— низкие погонные потери: от 0,2 до 3,8 дБ/км;

— отсутствие проблем с электромагнитной совместимостью;

— дальность передачи сигналов до 70 км, а при использовании оптического волокна со смещенной ненулевой дисперсией длина ВОЛС может достигать 150 км;

— высокое качество передаваемого сигнала;

— длительный срок эксплуатации: более 25 лет;

— малый вес и объем;

— взрыво-пожаробезопасность;

— экономичность (в настоящее время стоимость оптического волокна и медной пары соотносится как 2:5).

Недостатками ВОЛС на сегодняшний день являются:

— подверженность волоконных световодов радиации, за счет которой появляются пятна затемнения, возрастает затухание (но существуют и ра-диационно-стойкие волокна, которые имеют более высокую стоимость);

— дороговизна приемопередающего оборудования для ВОЛС;

— потребность в специальном оборудовании и инструменте;

— требования специальной защиты волокна.

Однако преимущества, получаемые от замены

традиционных «медных» линий на ВОЛС, настолько значительны, что, несмотря на перечисленные выше недостатки, ВОЛС все шире используются для передачи аналоговых сигналов.

В аналоговых, как и в цифровых ВОЛС, в основном используют прямую модуляцию и внешнюю [3].

Принцип прямой модуляции заключается в следующем: на вход лазерного диода с прямой модуляцией поступает СВЧ сигнал, который модулирует выходной оптический сигнал лазерного диода. Про-модулированный оптический сигнал по оптоволоконной линии передается на приемный оптоэлек-тронный модуль, в котором преобразуется в СВЧ сигнал.

Принцип внешней модуляции заключается в том, что на электрооптический модулятор с полупроводникового лазерного модуля поступает оптический сигнал, который модулируется входным СВЧ сигналом. Промодулированный оптический сигнал по оптоволоконной линии передается на приемный оптоэлектронный модуль, в котором преобразуется в СВЧ сигнал.

ВОЛС с прямой модуляцией имеет ряд недостатков по сравнению с ВОЛС с внешней модуляцией. Самыми существенными недостатками являются ограниченная полоса пропускания [4] и значительные нелинейные искажения передаваемого сигнала [5].

Поэтому при реализации специализированных аналоговых систем с диапазоном рабочих частот до 40 ГГц и выше рекомендуется использовать внешнюю модуляцию.

На рис. 1 представлена структурная схема пассивной РЛС, в которой принимаемый антенным постом сигнал передается на центральный пост при помощи аналоговой ВОЛС. Потенциальный диапазон рабочих частот данной аналоговой ВОЛС, в отличие от коаксиальной линии, может достигать нескольких десятков и даже сотен гигагерц при малых потерях (до 0 дБ).

Необходимо отметить, что в аналоговых ВОЛС СВЧ имеет место взаимодействие оптических и СВЧ сигналов. Изучением таких взаимодействий занимается относительно новая область науки и техники — радиофотоника (зарубежный аналог — микроволновая фотоника [3]). Использование методов и средств радифотоники не ограничивается только аналоговыми ВОЛС.

Так, например, на рис. 2 приведена схема структурная радифотонного мгновенного волномера (или мгновенного измерителя частоты) с использованием решетки Брэгга. Методы и средства радио-(микроволновой) фотоники могут использоваться для создания и других аналоговых процессоров

Рис. 2. Структурная схема мгновенного определения частоты с использованием решетки Брэгга

Таблица 1

Параметр Мин. Сред. Макс. Ед. измер.

Длина волны излучения ДМПО155-21 1,52 1,55 1,57 мкм

Ширина огибающей спектра 6 нм

Ток накачки лазерного диода 25 50 70 мА

Оптическая мощность на выходе ВОК 1 5 мВт

Фототок встроенного фотодиода 20 мкА

Напряжение встроенного фотодиода 4,5 5,0 5,5 В

Диапазон частот модуляции 0,1 6000 МГц

Коэффициент передачи * -35 -25 дБ

Относит. интенсивность шума ИЖ * -140 дБ/Гц

Сопротивление терморезистора 22.5 кОм

Макс. ток микроохладителя 1,0 А

Макс. напряжение микроохладителя 7,0 В

СВЧ, а также СВЧ автогенераторов с рекордными характеристиками по уровню фазовых шумов, сверхширокополосных АЦП диапазона СВЧ, защитных устройств для входных трактов приемных устройств [3] и других устройств СВЧ с более высокими характеристиками, чем у традиционных, чисто «электронных» устройств.

Более подробно рассмотрим технические характеристики двух видов модуляции: прямой и внешней.

Для примера ВОЛС с прямой модуляцией разберем разработку фирмы НПФ «Дилаз», состоящей из передающего модуля ДМПО155-21 (технические характеристики приведены в табл. 1) и фотодетектора ДФДМШ40-16 (технические характеристики приведены в табл. 2, предельные значения в табл. 3).

Модуль ДМПО155-21 (рис. 3) предназначен для использования в СВЧ аналоговых и цифровых линиях связи, антенных решетках, радиолокационных устройствах, волоконно-оптических линиях задержки и т.д.

Конструктивно модуль выполнен в прямоугольном корпусе с 8-ю электрическими выводами, ВЧ электрическим соединителем СРГ-50-751ФВ, кабельным одномодовым волоконным выходом, оканчивающимся оптическим разъемом типа БС/ЛРС с малым уровнем обратного отражения излучения.

В состав модуля входят: фотодиод обратной связи, микроохладитель, терморезистор, используемые для стабилизации оптических и электрических параметров лазерного диода, ВЧ плата согласования

Таблица 2

Модель Фоточувствительная площадка, мкм Спектральная чувствительность, А/Вт Темновой ток, нА Неравномерность АЧХ, дБ Полоса пропускания (-3 дБ, 50 Ом), ГГц Обратные оптические потери, дБ

1300 нм 1550 нм мин макс тип мин макс макс

тип тип

ДФДШМ40-16 40 0,3* 0,35* 10 50 ±2 0,01 16 -45

Таблица 3

Параметр Значение

Напряжение обратного смещения 20 В

Обратный фототок 4 мА

Прямой ток 5 мА

Рабочая температура -40...+60°C

Температура хранения -40...+70°C

Рис. 3. Модуль ДМПО155-21 с оптическим волокном диаметром 0,9 мм

(50 Ом входной импеданс) для передачи информационного сигнала от электрического ВЧ соединителя к лазерному диоду с узлом развязки по постоянной и переменной составляющим тока накачки лазерного диода. Наработка на отказ составляет не менее 50 000 часов. Диапазон рабочих температур минус 40... + 60 °С.

Микроволновый InGaAs PIN фотодетектор ДФДШМ40-16 (рис. 4) разработан для прямого преобразования оптических импульсов пикосекунд-ного диапазона и оптических сигналов с высокочастотной модуляцией до 16 ГГц в электрический выходной сигнал. Конструкция фотодетектора ДФДШМ40-16 содержит встроенный 50 Ом широкополосный согласующий резистор, эффективно сглаживающий частотную характеристику фотоприемника и обеспечивающий низкую величину КВСН во всём рабочем частотном диапазоне. ДФДШМ40-16 чувствителен на 1300 нм и 1550 нм. Оптический разъём типа FC/APC применяется для устранения обратного отражённого оптического сигнала для улучшения отношения С/Ш особенно в СВЧ-аналоговых линиях передачи данных. Вывод электрического сигнала — через малогабаритный СВЧ-разъём, напряжение смещения подаётся на фотодиод через встроенный фильтр питания.

Достоинства при использовании прямой модуляции в аналоговой ВОЛС:

— дешевизна (нет дополнительных затрат на дополнительный излучающий диод, дополнительные соединения);

— простота изготовления.

Также при использовании прямой модуляции существуют и недостатки:

— узкая полоса пропускания до 20 ГГц;

— большие уровни шумов, примерно от 30 до 50 дБ;

— необходимо постоянно поддерживать температуру;

Рис. 4. Фотодетектор ДФДМШ40-16

— большой потребляемый ток элементом охлаждения (элемент Пельтье).

Для примера ВОЛС с внешней модуляцией разберем систему состоящей из:

— лазера Ос1аго ТЬ5000БСЛ;

— модулятора С1дОрИх ЬХ8901;

— фотодетектора Ш: ХРБУ3120Я;

— усилитель СВЧ Б&7 Б7-00104000-500827-252525.

Краткие технические характеристики элементов ВОЛС с внешней модуляцией, представлены в табл. 4.

Результаты измерений спроектированной ВОЛС приведены на рис. 5 — 7. Для компенсации потерь использовался усилитель СВЧ Б&7 Б7-00104000-500827-252525 [6].

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

— использование методов и средств радио-(микроволновой) фотоники позволяет:

Таблица 4

Наименование Рабочая длинна волны, нм Рвых.опт., дБм Рвх.опт., дБм Диапазон частот СВЧ (по -3дБ), ГГц

Лазер Ос1аго Т15000БС1 1528-1563 + 13 - -

Модулятор ИдОрИх ЬХ8901 1528-1610 - + 13 до 60

Фотодетектор Ш ХРБУ3120И 1480-1620 - + 13 до 75

Усилитель СВЧ Б&2 Б2-00104000-500827-252525 - - - до 40

-30,0

-35,0

-40,0

-45,0

-50,0

-55,0

-50,0

-65,0

-75,0

-80,0

-85,0

-90,0

-95,0

-100,0

105,0

-110,0

-115,0

Ч

1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 В,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0 15,0 15,0 17,0 13,0

Г, ГГц

Рис. 5. АЧХ 1-18 ГГц линии ВОЛС с внешней модуляцией (Рвх = —49дБм)

Рис. 6. АЧХ 18-40 ГГц линии ВОЛС с внешней модуляцией (Рвх = —49дБм)

Рис. 7. КСВН до 20 ГГц

а) создавать сверхширокополосные линии передачи аналоговых СВЧ сигналов в виде ВОЛС с более высокими характеристиками, чем у традиционных «медных» линий передачи. Данные ВОЛС наиболее целесообразно использовать в качестве бортовых линий связи летательных аппаратов самолетов и вертолетов;

б) создавать новые изделия с качественно более высокими электрическими параметрами и новыми функциональными возможностями.

Поэтому необходимость проведения поисковых работ по исследованию потенциальных возможностей радиофотонных устройств СВЧ очевидна.

Библиографический список

1. Винсент, У. Дж.-мл. Основы микроволновой фотоники / У. Винсент Дж.-мл., Д. МакКинни Джейсон, Дж. Вильямс Кейт. — М. : Техносфера, 2016. - 376 с. - ISBN 978-5-94836-445-2.

2. Harbour Industries. — Режим доступа : http://www. harbourind.com. — Загл. с экрана (дата обращения: 30.05.2016).

3. Кривальцевич, С. В. Современные проблемы радиофизики и радиотехники : сб. докл. науч.-техн. семинара / С. В. Кривальцевич ; отв. ред. С. В. Кривальцевич. — Вып. 1. — Омск : Изд-во ОНИИП. — 2012. — 96 с.

4. 22-GHz Modulation Bandwidth of Long Cavity DBR Laser by Using a Weakly Laterally Coupled Grating Fabricated by

Focused Ion Beam Lithography. — Режим доступа : http://porto. polito.it/1400870/1/1400870.pdf. - Загл. с экрана (дата обращения: 01.06.2016).

5. Модуляция излучения источников электромагнитных волн оптического диапазона. — Режим доступа : http:// s1921687209.narod.ru/7sem/course101/lec4.htm. — Загл. с экрана (дата обращения: 14.06.2016).

6. B&Z Technologies, BZ-00104000-500827-252525. — Режим доступа : http://www.bnztech.com/datasheets/BZ-00104000-500827-252525.pdf. — Загл. с экрана (дата обращения: 15.06.2016).

АРЖАНОВ Валерий Андреевич, кандидат технических наук, доцент кафедры радиотехнических устройств и систем диагностики (РТУ и СД). БЕЛОУСОВ Алексей Александрович, аспирант кафедры РТУ и СД.

Адрес для переписки: [email protected] САПОЖНИКОВ Дмитрий Владимирович, аспирант кафедры РТУ и СД.

ФЁДОРОВ Дмитрий Владимирович, аспирант кафедры электрической техники.

Статья поступила в редакцию 16.06.2016 г. © В. А. Аржанов, А. А. Белоусов, Д. В. Сапожников, Д. В. Фёдоров