Фотоприемный блок для высокочастотного оптоэлектронного преобразования
|
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ 6
ВВЕДЕНИЕ 7
1 Аналитический раздел 10
1.1 Исходные данные 10
1.2 Формулирование цели и задач 10
2 Обзорно-теоретический раздел 10
2.1 Физические основы РЛС 12
2.1.1 Классификация приемо-передающих антенн 14
2.1.2 Эксплуатационные характеристики антенн 17
2.2 Методы верификации эксплуатационных параметров РЛС 19
2.2.1 Методы с применением имитаторов целей 20
2.2.2 Методы с использованием эталонных устройств 21
2.2.3 Трассовые методы 23
2.2.4 Концепция стенда для верификации радиолокаторов с
применением оптического волокна и элементов радиофотоники 23
2.3 Физические основы приемников оптического излучения 25
2.3.1 Классификация фотоприемников 26
2.3.1.1 PIN-фотодиод 29
1.3.1.2 Фотодиода с барьером Шоттки 30
2.3.1.3 Фотодиод с гетероструктурой 32
2.3.1.4 Лавинный фотодиод 33
2.3.2 Характеристики и параметры фотодиодов 34
2.4 Примеры использования фотоприемных модулей 40
2.4.1 Фотоприемный модуль лидара 40
2.4.2 Фотоприемник для радиолокационного комплекса 40
2.5 Выводы по обзорно-теоретическому разделу 41
3 Расчетный раздел 42
3.1 Разработка функциональной схемы фотоприемного блока 42
3.2 Формирование требований и подбор элементной базы 43
3.2.1 Фотоприемник 43
3.2.2 Малошумящий усилитель 50
3.2.3 Блок питаний 52
3.3 Расчет надежности модуля оптоэлектрического преобразования 53
3.4 Выводы по расчетному разделу 59
4 Конструкторско-технологический раздел 60
4.1 Модель платы управления и питания 60
4.2 Проектирование передающей антенны 61
4.3 Разработка и описание конструкции фотоприемного блока 68
4.4 Выводы по конструкторскому разделу 73
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 74
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 76
Приложения должны быть в работе, но в данный момент отсутствуют
ВВЕДЕНИЕ 7
1 Аналитический раздел 10
1.1 Исходные данные 10
1.2 Формулирование цели и задач 10
2 Обзорно-теоретический раздел 10
2.1 Физические основы РЛС 12
2.1.1 Классификация приемо-передающих антенн 14
2.1.2 Эксплуатационные характеристики антенн 17
2.2 Методы верификации эксплуатационных параметров РЛС 19
2.2.1 Методы с применением имитаторов целей 20
2.2.2 Методы с использованием эталонных устройств 21
2.2.3 Трассовые методы 23
2.2.4 Концепция стенда для верификации радиолокаторов с
применением оптического волокна и элементов радиофотоники 23
2.3 Физические основы приемников оптического излучения 25
2.3.1 Классификация фотоприемников 26
2.3.1.1 PIN-фотодиод 29
1.3.1.2 Фотодиода с барьером Шоттки 30
2.3.1.3 Фотодиод с гетероструктурой 32
2.3.1.4 Лавинный фотодиод 33
2.3.2 Характеристики и параметры фотодиодов 34
2.4 Примеры использования фотоприемных модулей 40
2.4.1 Фотоприемный модуль лидара 40
2.4.2 Фотоприемник для радиолокационного комплекса 40
2.5 Выводы по обзорно-теоретическому разделу 41
3 Расчетный раздел 42
3.1 Разработка функциональной схемы фотоприемного блока 42
3.2 Формирование требований и подбор элементной базы 43
3.2.1 Фотоприемник 43
3.2.2 Малошумящий усилитель 50
3.2.3 Блок питаний 52
3.3 Расчет надежности модуля оптоэлектрического преобразования 53
3.4 Выводы по расчетному разделу 59
4 Конструкторско-технологический раздел 60
4.1 Модель платы управления и питания 60
4.2 Проектирование передающей антенны 61
4.3 Разработка и описание конструкции фотоприемного блока 68
4.4 Выводы по конструкторскому разделу 73
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 74
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 76
Приложения должны быть в работе, но в данный момент отсутствуют
Долгое время единственным приемником оптического излучения являлся глаз человека. Однако с развитием науки и техники в 1800 году Уильямом Гершелем было открыто существование излучения на пределами видимого спектра, вследствие чего возникла необходимость регистрации данного излучения. В 1830 году появились первые приёмники для инфракрасного (ИК) излучения, основанные на принципе работы термопары, в 1880 году появились первые болометры. В начале ХХ века прогресс в науке позволил создать первые фотонные приемники, основанные на внутреннем фотоэффекте, что положило начало таким ПОИ (приемникам оптического излучения) как фотодиоды и фоторезисторы, которые в настоящее время используются во множестве технических устройств и приборов, предназначенных для применения в различных сферах.
Во второй половине ХХ века в результате слияние фотоники и электроники возникло новое направление техники - оптоэлектроника. В процессе развития и актуализации из этой отрасли выделились отдельные направления, одним из которых является радиофотоника [1]. Радиофотоника (в иностранной литературе radio over fiber (ROF)/ radio over glass (ROG)) - современное научное направление, изучающее взаимодействие излучения высокочастотного и оптического диапазонов, используя фотонику, полупроводниковую и радиоэлектронную технику. Преимуществами этой сферы являются высокая скорость передачи информации, малые потери, низкий уровень шума и помех, возможность расширить диапазон используемых частот.
Радиофотоника, как современное и активно развивающееся направление науки, может предложить новые пути решения актуальных технических проблем. Например, проблему отсутствия универсального метода верификации радиолокаторов.
За счет возможности удаленного контроля различных параметров исследуемого объекта метеорологические радиолокационные устройства широко применяются для решения многих задач: дистанционное зондирование атмосферы, измерение скорости и профиля ветра, фиксация опасных для полетов авиационных средств метеоявлений: микропорывов ветра или турбулентных вихрей. Однако, на сегодняшний день существует проблема поверки и верификации их технических и эксплуатационных параметров. Средой распространения излучения радиолокаторов является атмосфера, но создать эталонную трассу не представляется возможным, поскольку нельзя точно воссоздать необходимые параметры, точность которых в 3 и более раз превысила бы точность измеряемой величины. Использование сходных по принципу работы устройств и различных имитаторов целей также обладает рядом недостатков, таких как сложность метрологического обеспечения используемых технических средств, погрешности, вносимые отличиями в работе и оценка каких-либо конкретных параметров, в то время как при работе с атмосферными радарами требуется комплексное рассмотрение нескольких характеристик.
Используя средства радиофотоники, можно создать имитационную оптическую трассу, которая позволит многократно задавать параметры атмосферы и необходимой точностью. Одним из компонентов такой системы являет фотоприемное устройство, осуществляющее оптоэлектронное преобразование получаемого с оптической несущей сигнала и передающее на выход устройства СВЧ-сигнал. Принцип работы данной системы будет рассмотрен в пункте 1.2.4.
Цель работы является предложения варианта технической реализации фотоприемного блока для высокочастотного оптоэлектронного преобразования, входящего в стенд верификации эксплуатационных параметров радиолокаторов с применением элементов радиофотоники и оптоволоконной линий задержки.
Для достижения поставленной цели необходимо выполнить такие задачи, как:
изучение принципов работы РЛС;
классификация методов верификации РЛС;
изучение принципов работы фотоприемников;
подобрать элементную базу на основе проведенных расчетов;
Во второй половине ХХ века в результате слияние фотоники и электроники возникло новое направление техники - оптоэлектроника. В процессе развития и актуализации из этой отрасли выделились отдельные направления, одним из которых является радиофотоника [1]. Радиофотоника (в иностранной литературе radio over fiber (ROF)/ radio over glass (ROG)) - современное научное направление, изучающее взаимодействие излучения высокочастотного и оптического диапазонов, используя фотонику, полупроводниковую и радиоэлектронную технику. Преимуществами этой сферы являются высокая скорость передачи информации, малые потери, низкий уровень шума и помех, возможность расширить диапазон используемых частот.
Радиофотоника, как современное и активно развивающееся направление науки, может предложить новые пути решения актуальных технических проблем. Например, проблему отсутствия универсального метода верификации радиолокаторов.
За счет возможности удаленного контроля различных параметров исследуемого объекта метеорологические радиолокационные устройства широко применяются для решения многих задач: дистанционное зондирование атмосферы, измерение скорости и профиля ветра, фиксация опасных для полетов авиационных средств метеоявлений: микропорывов ветра или турбулентных вихрей. Однако, на сегодняшний день существует проблема поверки и верификации их технических и эксплуатационных параметров. Средой распространения излучения радиолокаторов является атмосфера, но создать эталонную трассу не представляется возможным, поскольку нельзя точно воссоздать необходимые параметры, точность которых в 3 и более раз превысила бы точность измеряемой величины. Использование сходных по принципу работы устройств и различных имитаторов целей также обладает рядом недостатков, таких как сложность метрологического обеспечения используемых технических средств, погрешности, вносимые отличиями в работе и оценка каких-либо конкретных параметров, в то время как при работе с атмосферными радарами требуется комплексное рассмотрение нескольких характеристик.
Используя средства радиофотоники, можно создать имитационную оптическую трассу, которая позволит многократно задавать параметры атмосферы и необходимой точностью. Одним из компонентов такой системы являет фотоприемное устройство, осуществляющее оптоэлектронное преобразование получаемого с оптической несущей сигнала и передающее на выход устройства СВЧ-сигнал. Принцип работы данной системы будет рассмотрен в пункте 1.2.4.
Цель работы является предложения варианта технической реализации фотоприемного блока для высокочастотного оптоэлектронного преобразования, входящего в стенд верификации эксплуатационных параметров радиолокаторов с применением элементов радиофотоники и оптоволоконной линий задержки.
Для достижения поставленной цели необходимо выполнить такие задачи, как:
изучение принципов работы РЛС;
классификация методов верификации РЛС;
изучение принципов работы фотоприемников;
подобрать элементную базу на основе проведенных расчетов;
В настоящей выпускной квалификационной работе «Фотоприемный блок для высокочастотного оптоэлектронного преобразования"» были описаны физические основы работы радиолокаторов, а также приведена классификация антенн, также были рассмотрены физические принципы работы приемников оптического излучения, работающих на внешнем фотоэффекте, описана классификация фотодиодов и проведен анализ из достоинств и недостатков.
Поскольку работа заключается в разработке одного из функциональных модулей стенда верификации радиолокаторов, были описаны наиболее часто применяемые методы поверки РЛС, проведен их анализ, и описан предлагаемый метод поверки с использованием ВОЛС и радиофотоники.
В ходе разработки фотоприемного блока был проведен анализ шумовых параметров фотоприемников, представленных на отечественном и зарубежном рынке, рассчитаны требуемые параметры, на основе чего был осуществлен выбор элементной базы. Полученная мощность сигнала, выходящего из фотоприемного блока, составляет 6,8 дБм.
Рассматривая непосредственно прикладной аспект использования оптоэлектронный преобразователь, входящего в стенд верификации, была учтена перспектива подключения передающей антенны, исходя из чего был произведен ее габаритный расчет и предложена конструкция, сопровождаемая КД. Коэффициент направленного действия предлагаемой антенны составляет
23,5 дБ.
Результатом всего вышеперечисленного является предложенная вариация конструкции фотоприемного блока высокочастотного преобразования, базирующаяся на произведенных теоретических расчётах, и выпущенная сопутствующая конструкторская документация.
Материалы исследований, проведенных и проанализированных в рамках настоящей ВКР опубликованы в сборнике трудов XII научно-практической конференции «Инновационные технологии и технические средства специального назначения» [40], входящем в систему научного цитирования РИЦН, а также в научном журнале «Радиопромышленность», рекомендованном ВАК [41].
Поскольку работа заключается в разработке одного из функциональных модулей стенда верификации радиолокаторов, были описаны наиболее часто применяемые методы поверки РЛС, проведен их анализ, и описан предлагаемый метод поверки с использованием ВОЛС и радиофотоники.
В ходе разработки фотоприемного блока был проведен анализ шумовых параметров фотоприемников, представленных на отечественном и зарубежном рынке, рассчитаны требуемые параметры, на основе чего был осуществлен выбор элементной базы. Полученная мощность сигнала, выходящего из фотоприемного блока, составляет 6,8 дБм.
Рассматривая непосредственно прикладной аспект использования оптоэлектронный преобразователь, входящего в стенд верификации, была учтена перспектива подключения передающей антенны, исходя из чего был произведен ее габаритный расчет и предложена конструкция, сопровождаемая КД. Коэффициент направленного действия предлагаемой антенны составляет
23,5 дБ.
Результатом всего вышеперечисленного является предложенная вариация конструкции фотоприемного блока высокочастотного преобразования, базирующаяся на произведенных теоретических расчётах, и выпущенная сопутствующая конструкторская документация.
Материалы исследований, проведенных и проанализированных в рамках настоящей ВКР опубликованы в сборнике трудов XII научно-практической конференции «Инновационные технологии и технические средства специального назначения» [40], входящем в систему научного цитирования РИЦН, а также в научном журнале «Радиопромышленность», рекомендованном ВАК [41].