Обзор возможных областей применения радиофотоники в современных инженерных разработках

Радиофотоника является гибридным направлением, изучающим проблемы передачи, приема и преобразования сигнала с помощью направленного взаимодействия оптических и сверхвысокочастотных сигналов, промодулированных радиочастотой в специализированных наноструктурах. В последние десятилетия наблюдается ее активное развитие, благодаря чему появилась возможность создания радиочастотных устройств с параметрами, недостижимыми для традиционной электроники. Это связано с тем, что фотоны, в отличие от электронов, не имеют массы покоя и заряда, что дает эффективность и помехозащищенность обработки радиочастотных сигналов в оптическом диапазоне. Характеристики радифотонных измерительных систем и характеристики традиционных оптоволоконных измерительных приборов практически                                             аналогичны.

Следовательно, данный факт может быть использован как для создания новых измерительных средств, так и для усовершенствования уже существующих.

Рассматриваются основные преимущества, основанные на характеристиках распространяемых фотонов и на характеристиках среды распространения (кварцевое оптическое волокно).

Фундаментальные преимущества радиофотонов [2]:

• 1.    Исходя из основных свойств носителей информации: фотон - это элементарная безмассовая частица, которая может двигаться только со скоростью света. Заряд фотона равен нулю. Это обеспечивает:

• •    повышенную скорость обработки сигнала (до десятков фемтосекунд (1*10^-15 сек));

• •    расширенную полосу пропускания сигнала (до терагерц).

• 2.    Исходя из основных свойств среды распространения (кварцевое оптическое волокно) гарантируются:

• •    низкие потери при передаче (0,2 дБ / км) и их (почти) независимость от частоты модуляции в радиодиапазоне [5];

• •    расширенный рабочий диапазон частот (до 15 ТГц) [5];

• •    значительно лучшие массогабаритные характеристики (оптоволоконный кабель: вес 1,7 кг / км, диаметр 250 мкм; коаксиальный кабель: вес 560 кг / км, диаметр 10 мм) [5];

• •    нечувствительность к электромагнитным помехам: улучшает способность измерительных приборов функционировать при воздействии на них помех, увеличивает возможности устройства по защите от помех;

• •    Значительно лучшие характеристики фазы: стабильность фазы и согласованный прием и обработка сигнала.

В качестве реально достигнутых практических преимуществ можно назвать пример замены радиолокационных узлов на базе активных фазированных антенных решеток (АФАР) на радиофотонные [6].

Основными компонентами радиофотонной системы являются передатчик и приемник [5]. Фактически, во внешних системах модуляции передатчик представляет собой более сложное устройство, содержащее лазерный источник и модулятор в дополнение к электронным схемам управления (микропроцессору). В качестве приемников используются разные высокочастотные фотодиоды, а если необходимо определить фазу модуляции оптического сигнала, используется когерентный фотоприемник (рисунок 1).

Рисунок 1 - Оптические компоненты

Наглядным примером радиофотонных систем могут служить телекоммуникационные системы, линии связи, системы радиоэлектронной борьбы (РЭБ), радиолокационные системы, радиофотонные волоконнооптические измерительные приборы (РФВОИП) [1].

Можно рассмотреть базовую схему построения РФВОИП

(рисунок 2).

Рисунок 2 - Структурная схема радиофотонного волоконно-оптического измерительного прибора: A - амплитуда оптического сигнала; ю - центральная частота оптического сигнала; Q - центральная частота РЧ-сигнала

Основными компонентами РФВОИП, обязательными при их создании являются:

• •    источник оптического излучения (ИОИ), в качестве которого используется лазер;

• •    оптическая система, в качестве которой используется оптическое волокно;

• •    модуль      оптоэлектронного      преобразования      и

• электрооптический модулятор (ЭОМ).

Радиосигнал ультравысокочастотных- и сверхвысокочастотных-диапазонов поступает на ЭОМ, где преобразуется в электроннооптический сигнал. Далее сигнал проходит через оптическую систему, которая описывается передаточной функцией H (ю, в), где при оказании внешнего воздействия изменяются его парамеры (амплитуда, частота, фаза и т.д) [4]. После оказанного воздействия сигнал попадает на модуль оптоэлектронного преобразования, который конвертирует его в сигнал, удобный обработки и измерений.

В большинстве случаев обработка РЧ-сигнала осуществляется с помощью прибора, который анализирует параметры радиоволны [3]. Также можно использовать другие устройства, принцип работы которых основан на одновременной демодуляции РЧ-сигнала.

В ходе рассмотрения данных волоконно-оптических измерительных приборов, целесообразно указать ряд достоинств [5]:

• •    небольшие размеры;

• •    малый вес;

• •    невосприимчивость к электромагнитным помехам;

• •    устойчивость к коррозии;

• •    способность осуществлять измерения по всей длине оптического волокна;

• •    низкий уровень фазовых шумов и др.

С этими преимуществами связано их активное применение во многих областях науки и техники за последние годы (рисунок 3) [6].

Среди областей применения радиофотоники большое количество связанных с передачей радиосигналов на большие (десятки и сотни метров или несколько километров) расстояния [1]. Самые востребованные задачи:

• •    Передача с минимальными потерями сигналов связи;

• •    Передача СВЧ-сигналов внутри крупных объектов [5];

• •    Системы радиоэлектронной борьбы (РЭБ);

• •    Оптические линии задержки и обработки сигналов;

• •    Система калибровки радаров и РЛС;

• •    Фазированные антенные решетки (ФАР).

Рисунок 3 - Области применения радиофотоники

Радиофотоника является развивающимся направлением науки и техники, которое интенсивно совершенствуется в настоящее время. Достоинства данного направления позволяют создавать устройства нового поколения с исключительными функциями. Применение волоконнооптических фотодиодных модулей в системах РЭБ и РЛС позволяет использовать оптические технологии для генерирования и анализа СВЧ-сигналов в широком частотном диапазоне, что сопутствует значительному уменьшению габаритов аппаратуры и повышению надежности таких приборов[1]. Малые оптические потери, невосприимчивость к электромагнитным помехам способствуют активному развитию радиофотонных технологий в различных отраслях, что позволяет модернизировать волоконно-оптические устройства.

Радиофотонные волоконно-оптические измерительные приборы обладают преимуществами оптических и радиочастотных устройств. Исходя из современных способов реализации измерительных механизмов, инженеры могут спроектировать приспособления, параметры которых не только сопоставимы с традиционными волоконно-оптическими устройствами, но и получить более высокие точностные показатели измерительных установок. Кроме того, новейшие исследования позволяют усовершенствовать тактико-техническе характеристики действующих приборов. Опираясь на вышеуказанные преимущества, можно выдвинуть гипотезу о возможной замене традиционных устройств на радиофотонные волоконно-оптические измерительные приборы в различных сферах деятельности.

Радиофотоника является перспективной наукой будущего, поэтому развитие данного направления представляет собой глобальную задачу современности.