ВВЕДЕНИЕ 9
1 Радиолокационные устройства 11
1.1 Принцип действия и характеристики радиолокаторов 13
1.2 Анализ существующих методов поверки радиолокационных
устройств 16
2 Радиолокационные антенны 20
2.1 Параметры и характеристики антенн 22
2.2 Обзор некоторых типов антенн 25
3 Способы модуляции оптической несущей радиочастотным сигналом ... 29
3.1 Физика работы электрооптических модуляторов 31
3.1.1 Электрооптический эффект Поккельса 32
3.1.2 Электрооптический эффект Керра 34
3.2 Виды электрооптических модуляторов 35
3.2.1 Фазовый модулятор 35
3.2.2 Модулятор поляризации 38
3.2.3 Амплитудный модулятор 39
3.2.4 Волноводные модуляторы 44
4 Постановка задачи 48
5 Анализ исходных данных 50
6 Математические модели для оценочных расчетов 53
6.1 Оценка энергетических параметров лазерного источника и
необходимой площади его радиатора охлаждения 53
6.2 Оценка коэффициентов гармонических искажений при модуляции
вблизи точки квадратуры 56
6.3 Методика расчета рупорной антенны и волноводно-коаксиального
перехода 58
6.4 Оценка надежно сти элементов 62
6.5 Оценка потребляемой устройством мощности 64
7 Разработка системы 65
7.1 Расчет и выбор компонентов и элементной базы 65
7.1.1 Сравнительный анализ коммерчески доступных
электрооптических модуляторов 65
7.1.1.1 Сопутствующие компоненты 66
7.1.2 Оценка коэффициентов гармонических искажений при
модуляции 67
7.1.3 Расчет требуемой мощности лазерного диода и сравнительный
анализ доступных моделей лазерных диодов 69
7.1.3.1 Сопутствующие компоненты 70
7.1.4 Конструкция антенны 71
7.1.5 Радиочастотный усилитель 74
7.1.6 Блок питания и плата управления и питания 75
7.1.7 Оценка динамического диапазона 75
7.1.8 Оценка надежности устройства 77
7.2 Компоновка системы 79
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 85
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 87
ПРИЛОЖЕНИЕ
Системы радиочастотных локационных устройств уже длительное время являются одними из наиболее распространенных технических средств, которые применяются для решения обширного круга задач в научно¬технической, оборонной, гражданской и социально-экономической сферах [1, 2]. Радиолокационная (РЛ) разведка и контроль, осуществление управления движением летательных аппаратов, изучения наземного, воздушного и космического пространства, исследование и мониторинг метеорологических параметров атмосферы, дистанционное зондирование с целью распознания и обнаружения удаленных объектов, обеспечение противовоздушной, противокосмической и противоракетной обороны, орнитологический контроль миграции птиц, и другие задачи осуществляются с помощью радиолокационных систем.
Обширное применение радиолокационных устройств непрерывно повышает требования к качеству получаемых с них данных. Для проведения достоверного обнаружения целей, измерения их параметров проводятся оценки основных тактико-технических характеристик радиочастотных локационных систем (РЛС). Такие проверки являются важной частью в процессе производства и эксплуатации РЛС. Несмотря на распространенность РЛ устройств, подтверждение их эксплуатационных параметров и определение погрешности измерений остается трудоемким процессом, который часто индивидуален для различных типов и принципов действия радиолокатора. Все это отражает необходимость увеличения доступных методов верификации параметров РЛС и создания универсального метода.
Осуществление контроля характеристик радиолокационного устройства может быть выполнено за счет методов и элементной базы радиофотоники. Предлагаемый метрологический стенд для верификации параметров содержит устройства переноса сверхвысокочастотного (СВЧ)
сигнала на оптическую несущую, блок волоконно-оптической линии задержки (ВОЛЗ) и устройство оптоэлектронного преобразования (ОЭП). Данная система позволяет решить проблему не универсальности известных методик метрологического обеспечения РЛС.
Блок переноса СВЧ сигнала на оптическую несущую является электрооптическим преобразователем высокочастотного (ВЧ) излучения. Такие устройства в настоящее время относятся к одним из перспективных направлений. ВЧ электрооптическое преобразование (ЭОП) используется в таких сферах как организация широкополосной телекоммуникации, удаленный прием информации РЛС, минимизации потерь в СВЧ кабелях и волноводах, метрология РЛС. За счет значительной разницы величины затуханий в оптическом волокне по сравнению с коаксиальным кабелем, перенос электрического сигнала на оптическую несущую, позволяет увеличить расстояние, на которое может быть передан сигнал. Так затухания в кварцевых волокнах на длине волны 1550 нм находится в пределах 0,18¬0,23 дБ/км, а затухания в коаксиальном кабеле на частоте 20 ГГц имеют значения в пределах 2,1-3,5 дБ/м [3-5].
В данной работе приводятся результаты эскизной проработки системы переноса СВЧ излучения радиолокационного устройства на оптическую несущую. Для осуществления этого были рассмотрены теоретические основы, описывающие возможность переноса радиочастотного (РЧ) импульса радиолокатора на оптическую несущую, изучены физические основы и принципы работы разрабатываемого устройства, а также были проведены расчеты для выбора компонентной базы устройства и расчет приемной антенны.
Проведя анализ поставленной задачи разработки блока переноса СВЧ сигнала радиолокационного устройства на оптическую несущую, были рассмотрены возможности использования методов радиофотоники. Для этого в работе были подробно рассмотрены физические основы и принципы работы радиолокационных устройств, выполнен обзор методов верификации их основных тактико-технических параметров. Также по результатам обзора основных характеристик антенных устройств была проведена их условная классификация, рассмотрены особенности конструкции и функционирования некоторых типов антенн. В рамках разрабатываемой концепции метода верификации параметров РЛС было проведено исследование способов переноса СВЧ излучения на оптическую несущую, рассмотрены физические принципы и математическая модель работы нескольких основных типов электрооптических модуляторов, которые являются наиболее эффективными устройствами для поставленной задачи.
В практической части работы выполнено сравнение характеристик коммерчески доступных электрооптических модуляторов на основе интерферометра Маха-Цендера трех различных производителей. Также была проведена оценка минимальной оптической мощности, которую необходимо обеспечить на выходе из разработанного устройства, на основе которой проводилось сравнение лазерных диодов с различной выходной мощностью. Был произведен подбор компонентов разрабатываемого устройства, подходящих под заданные и оцененные параметры. В ходе работы была разработана приемная пирамидальная рупорная антенна, а также произведены оценочные расчеты коэффициента гармонических искажений модуляции вблизи точки квадратуры, динамического диапазона и надежности устройства. Используя выбранные компоненты, была выполнена компоновка устройства. Также была выпущена конструкторская документация на разработанную систему, комплектность которой представлена в приложении Б.
Разработанная система переноса СВЧ сигнала радиолокационного устройства на оптическую несущую позволяет осуществить электрооптическое преобразование радиоволн в диапазоне от 50 кГц до 25 ГГц. Средняя выходная оптическая мощность устройства электрооптического преобразования составляет 17,06 мВт (12,32 дБм).
В рамках данной выпускной квалификационной работы были опубликованы следующие материалы исследований:
- Н.И. Далбаева, Я.Г. Ибрагимова, О.А. Терешенкова, А.А. Ким «Метод верификации параметров радиолокаторов с применением элементов радиофотоники и оптоволоконных линий задержки». Инновационные технологии и технические средства специального назначения: труды двенадцатой общероссийской научно-практической конференции. Том 1. Балтийский государственный технический университет, Санкт-Петербург, 2020 год;
- Ибрагимова Я.Г., Терешенкова О.А., Ким А.А., Лугиня В.С. «Методы и средства верификации параметров радиочастотных локаторов». Радиопромышленность. Т.30, №2, 2020 год;
- Ибрагимова Я.Г., Далбаева Н.И., Терешенкова О.А., Ким А.А. «Стенд для верификации параметров радиолокаторов с применением элементов радиофотоники и оптоволоконных линий задержки». Молодежь. Техника. Космос: труды XII Общероссийской молодежной научно-технической конференции. Балтийский государственный технический университет, Санкт-Петербург, 2020 год.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
