Способ построения широкодиапазонного преобразователя частоты радиосигналов и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к приборам генерации и анализа сигналов от высокочастотного (единицы и менее мегагерц) до терагерцевого (100 и более гигагерц) диапазона.

Современный этап мирового развития измерительной техники сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона характеризуется заменой многоблочного принципа построения приборов с переключением частотных блоков, каждый из которых работает в полосе не более одной октавы, на одноблочный принцип на базе универсального блока частотного преобразования (БЧП), работающего в многооктавной полосе. Такой подход позволил при сохранении ключевых технических показателей улучшить массогабаритные характеристики и экономические показатели, что дало возможность значительно расширить сервисные функции современной измерительной аппаратуры.

Типичным примером являются промышленные линейки генераторов сигналов (ГС) и анализаторов спектра (АС) ведущего мирового разработчика и производителя измерительной аппаратуры: фирмы Keysight Technologies. Согласно спецификации (http://www.keysight.com/ru/pdx-x202237-pn-E8257D/psg-analog-signal-generator-100-khz-to-67-ghz?nid=-32488.1150403.00&cc=RU&lc=rus) схема современного ГС модели PSG E8257D содержит базовый блок частотой до 20 ГГц. Дальнейшее увеличение частоты генерации осуществляется при помощи встроенных повышающих преобразователей частоты (ПВПЧ). Перечень опций E8257D представлен в виде таблицы на фиг. 1. Как видно из таблицы, верхняя частота генерации составляет 67 ГГц. Схема современного АС модели PSA Е4448А (http://www.keysight.com/ru/pdx-x201712-pn-E4448A/psa-spectmm-analyzer-3-hz-to-50-ghz?pm=spc&nid=-32514.1150244&cc=RU&lc=rus) построена по тому же принципу, включая базовый блок и встроенные понижающие преобразователи частоты (ПНПЧ). Верхняя частота анализа составляет 50 ГГц. Появление на рынке таких широкодиапазонных приборов стало возможно благодаря интенсивному развитию в последние десятилетия схемотехники устройств преобразования частоты и расширению рабочего диапазона сверхширокополосных по природе коаксиальных и интегральных СВЧ трактов передачи, на базе которых они построены.

Как известно, современный вектор мирового развития телекоммуникационной промышленности направлен в сторону повышения скорости передачи аппаратуры радиосвязи до 100 и выше Гбит/с (P. Smulders. The Road to 100 Gb/s Wireless and Beyond: Basic Issues and Key Directions, IEEE Communications Magazine, December 2013, pp. 86-91), что неизбежно повлечет за собой расширение ее полосы рабочих частот вплоть до терагерцевого диапазона. Следуя ему, рядом зарубежных фирм уже выпускаются внешние приставки к этим приборам в относительно узкополосном волноводном исполнении СВЧ тракта, в которых для построения ПВПЧ либо ПНПЧ используется стандартный способ на базе электронного смесителя и электронного гетеродинного генератора фиксированной частоты.

Упрощенная схема, поясняющая известный способ построения преобразователя частоты радиосигналов (прототип), представлена на фиг. 3 (S.A. Maas. Nonlinear Microwave and RF circuits. - Artech House, 2002, 608 pp.) (принято в качестве прототипа). В данной схеме опорный сигнал от базового блока прибора подается на частоте ƒ_оп на вход узла умножения частоты 1, в котором осуществляется многокаскадное и многократное умножение частоты опорного сигнала с последующим резонансным усилением для компенсации потерь при умножении. На выходе узла 1 формируется гетеродинный сигнал, частота которого ƒ_г кратна опорной частоте. Гетеродинный радиосигнал поступает на соответствующий вход узла смесителя частот 2, на другой вход которого подается входной сигнал на одной либо нескольких частотах рабочего диапазона прибора Δƒ_с. Благодаря их взаимодействию в узле 2 на его выходе появляется сигнал полосы промежуточных частот Δƒ_пч. Оба варианта (ПВПЧ или ПНПЧ) рассматриваемого преобразователя частоты строятся по идентичной схеме и отличаются только местоположением на частотной шкале полосы Δƒ_пч, которая в случае ПВПЧ соответствует сумме частоты гетеродина ƒ_г и выбранной частоты из полосы входного сигнала Δƒ_с, а в случае ПНПЧ - модулю их разности.

Основные недостатки известного решения состоят в принципиальных узкополосности и узкодиапазонности, а также ухудшении за счет необходимости применения большого числа отдельных приставок (фиг. 2) общих экономических, массогабаритных и эксплуатационных характеристик прибора.

В качестве примера устройства для осуществления известного способа на фиг. 2 в виде таблицы представлены модели приставок ПВПЧ фирмы Farran, Ирландия. Как видно из таблицы, основная проблема для пользователя заключается в необходимости покупки большого числа опций с соответствующим набором элементов волноводных трактов для их соединения, что существенно увеличивает общую стоимость прибора и ухудшает его эксплуатационные характеристики. Помимо вышеуказанных в описанном выше способе построения ПВПЧ и ПНПЧ возникает техническая проблема, серьезность которой возрастает по мере расширения рабочего диапазона частот прибора. Причиной ее является необходимость использования в схемах ПВПЧ и ПНПЧ местного СВЧ генератора, что приводит к значительному повышению общей стоимости приставки вследствие высоких требований к кратковременной и долговременной стабильности его частоты. Чтобы удовлетворить им с помощью традиционных электронных средств, необходимо применять, например, комбинированную схему с использованием параметрической стабилизации высокодобротным резонатором, электрической стабилизации при помощи системы фазовой автоподстройки частоты с высокостабильным опорным кварцевым резонатором и температурной стабилизации (Котов А.С. Высокостабильные малошумящие транзисторные СВЧ-генераторы с комбинированной стабилизацией частоты. Радиотехника, 2007, №3, с. 26-32). Известное решение, применяемое в существующих приставках, состоит в использовании для этой цели опорного сигнала с отдельного выхода базового прибора, однако невозможность перестройки при этом частоты гетеродина принципиально ограничивает общий рабочий диапазон прибора (см. фиг. 2).

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по совершенствованию способа построения и схем реализации широкодиапазонного преобразователя частоты радиосигналов и созданию нового способа построения повышающего и понижающего преобразователей частоты радиосигналов на базе перспективной радиофотонной технологии с выполнением операций переноса частоты радиосигналов в оптическом диапазоне.

При этом технический результат заключается в упрощении способа построения повышающего и понижающего преобразователей частоты радиосигналов на базе перспективной радиофотонной технологии за счет формирования дискретно перестраиваемого по частоте гетеродинного сигнала на базе оптического генератора решетчатого сигнала (ОГРС) и в упрощении общей схемы.

Это позволит улучшить общие экономические, массогабаритные и эксплуатационные характеристики ГС и АС при одновременном расширении их рабочего диапазона и упростить требования к стабильности частоты местного гетеродинного сигнала.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе построения широкодиапазонного повышающего либо понижающего преобразователя частоты радиосигналов для измерительного генератора либо анализатора спектра СВЧ диапазона, содержащего электронный смеситель сигналов и электронный гетеродинный генератор фиксированной частоты, частотная стабильность которого обеспечивается путем умножения частоты дистанционно подаваемого от базового прибора высокостабильного опорного сигнала существенно низшей частоты, с целью расширения рабочего диапазона и улучшения общих экономических, массогабаритных и эксплуатационных характеристик прибора применяется радиофотонный подход с переносом операций формирования и обработки радиосигналов в оптический диапазон, причем операция электрооптического преобразования осуществляется посредством первого однополосного оптического модулятора с подавленной несущей, выделяющего верхнюю либо нижнюю боковую полосу модулированного оптического сигнала, операция смешения оптических сигналов и оптико-электрического преобразования - посредством сверхширокополосного фотодетектора, а операция формирования перестраиваемого гетеродинного сигнала - посредством местного оптического генератора решетчатого сигнала с использованием высокостабильного полупроводникового лазерного излучателя и рециркуляционного контура, содержащего устройство частотного сдвига на базе второго однополосного оптического модулятора с подавленной несущей, выделяющего соответственно нижнюю либо верхнюю боковую полосу модулированного лазерного излучения.

Указанный технический результат достигается тем, что в широкодиапазонном преобразователе частоты радиосигналов, содержащем блок умножения частоты опорного сигнала для получения на выходе гетеродинного сигнала, частота которого кратна частоте опорного сигнала, блок смесителя частот с одним входом для гетеродинного сигнала и другим входом для дополнительного входного сигнала на одной либо нескольких частотах для получения на выходе блока смесителя полосы промежуточных частот, в качестве опорного сигнала использован оптический сигнал полупроводникового лазерного излучателя, который поступает на оптический направленный ответвитель для разделения сигнала на первую ветвь для формирования оптического модулированного сигнала в полосе, соответствующей рабочему диапазону в СВЧ диапазоне за счет подачи оптического сигнала этой ветви на вход однополосного оптического модулятора, являющегося блоком смесителя частот и выход которого связан с оптическим сумматором, а сигнал другой ветви, используемой для формирования последовательного набора оптических гетеродинных сигналов, поступает на вход оптического разветвителя оптического генератора решетчатого сигнала в виде рециркуляционного контура, являющегося блоком умножения частоты опорного сигнала и включающего в себя устройство частотного сдвига на базе второго однополосного оптического модулятора с подавленной несущей, выделяющего соответственно нижнюю либо верхнюю боковую полосу модулированного опорным радиосигналом лазерного излучения, и оптический полосовой фильтр для ограничения набора оптических гетеродинных сигналов в соответствии с рабочим частотным диапазоном преобразователя, выход генератора решетчатого сигнала связан с оптическим демультиплексором для фильтрации, выход которого связан с управляемым многопозиционным оптическим переключателем, при этом выход указанного переключателя связан с упомянутым оптическим сумматором, выход которого соединен с входом сверхширокополосного фотодетектора для выполнения операций смешения и оптико-электрического преобразования.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

Настоящее изобретение поясняется конкретным примером реализации ПВПЧ, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.

На фиг. 1 представлен перечень опций современного генератора радиосигналов E8257D, построенного на базе известного способа;

на фиг. 2 в качестве примера устройства осуществления известного способа представлены модели современных приставок повышающего преобразователя частоты для расширения рабочего диапазона измерительного генератора сигналов;

на фиг. 3 представлена типовая функциональная схема преобразователя частоты радиосигналов, поясняющая стандартный электронный способ его реализации - прототип;

фиг. 4 поясняет способ построения повышающего и понижающего преобразователей частоты радиосигналов на базе радиофотонной технологии согласно изобретению;

фиг. 5 иллюстрирует пример спектрограммы оптических сигналов на входе фотодетектора;

фиг. 6 представляет схему радиофотонного повышающего преобразователя частоты с полосой выходного сигнала 10 МГц - 100 ГГц согласно предложенному способу.

В настоящем изобретении предлагается новый радиофотонный способ построения широкодиапазонного преобразователя частоты радиосигналов для измерительных приборов следующих поколений, технические преимущества которого заключаются в переносе операций формирования и обработки радиосигналов в оптический диапазон, где они осуществляются с высокими качеством и скоростью при мгновенной полосе измеряемого сигнала до терагерцевого диапазона. Применение предложенного способа также обеспечивает улучшение общих экономических, массогабаритных и эксплуатационных характеристик прибора за счет возможности универсального конструктивного исполнения вместе с экономичным базовым блоком при отсутствии проблем электромагнитной совместимости входящих узлов и уменьшении общей массы прибора за счет соединения их с помощью оптического волокна, масса которого гораздо меньше по сравнению с коаксиальным кабелем или металлическим волноводом.

Данный способ основан на том, что построение широкодиапазонного преобразователя частоты радиосигналов используется преимущественно для измерительного генератора либо анализатора спектра СВЧ диапазона, который содержит электронный смеситель сигналов и электронный гетеродинный генератор фиксированной частоты, частотная стабильность которого обеспечивается путем умножения частоты дистанционно подаваемого от базового прибора высокостабильного опорного сигнала существенно низшей частоты.

В этом способе операции формирования и обработки радиосигналов осуществляют в оптическом диапазоне путем использования оптического сигнала от лазерного излучателя в качестве опорного сигнала, подаваемого на оптический направленный ответвитель для разделения этого сигнала на две ветви.

В первой ветви осуществляют электрооптическое преобразование посредством первого однополосного оптического модулятора с подавленной несущей, выделяющего верхнюю или нижнюю боковую полосу модулированного оптического сигнала, для формирования оптического модулированного сигнала в полосе, соответствующей рабочему диапазону в СВЧ диапазоне.

Во второй ветви осуществляют формирование перестраиваемого гетеродинного сигнала в рециркуляционном контуре, содержащем устройство частотного сдвига на базе второго однополосного оптического модулятора с подавленной несущей, выделяющего соответственно нижнюю или верхнюю боковую полосу модулированного лазерного излучения

Смешение оптических сигналов двух ветвей осуществляют посредством сверхширокополосного фотодетектора.

Схема, поясняющая предложенный способ построения преобразователя частоты радиосигналов, представлена на фиг. 4. В данной схеме опорный оптический сигнал частотой ƒ₀ задается посредством высокостабильного полупроводникового лазерного излучателя 3 с шириной линии излучения не более десятков килогерц. Выходной сигнал излучателя 3 с помощью оптического направленного ответвителя 4 делится на две ветви. Назначением верхней ветви является формирование оптического модулированного сигнала в полосе Δƒ_c, соответствующей рабочему диапазону прибора в СВЧ диапазоне, для чего с помощью выделяющего верхнюю либо нижнюю боковую полосу модулированного оптического сигнала первого однополосного оптического модулятора 5 с подавленной несущей осуществляется операция электрооптического преобразования входного радиосигнала. Назначением нижней ветви является формирование последовательного набора оптических гетеродинных сигналов, разность частот которых в оптическом диапазоне соответствует полосе Δƒ_c, а число которых N определяется по формуле: . Данная операция выполняется посредством подсоединенного к ветви при помощи оптического разветвителя 6 оптического генератора 7 решетчатого сигнала в виде рециркуляционного контура, принципиальными элементами которого являются устройство частотного сдвига 8 на базе второго однополосного оптического модулятора с подавленной несущей, выделяющего соответственно нижнюю либо верхнюю боковую полосу модулированного опорным радиосигналом ƒ_оп лазерного излучения, и оптический полосовой фильтр 9, назначение которого состоит в ограничении набора оптических гетеродинных сигналов в соответствии с рабочим частотным диапазоном измерительного прибора. Опорный радиосигнал фиксированной частоты может формироваться на месте либо, как и в прототипе, подаваться от базового блока прибора. Сформированный генератором 7 решетчатого сигнала набор оптических гетеродинных сигналов фильтруется в оптическом демультиплексоре 10, число выходных каналов которого равно N, а разнос центральных частот фильтров - полосе Δƒ_c. Нижняя ветвь оканчивается управляемым от базового блока прибора оптическим переключателем 11, число позиций переключения которого равно N. Выходные сигналы верхней и нижней ветвей объединяются в оптическом сумматоре 12 и поступают на вход сверхширокополосного фотодетектора 13, посредством которого выполняются операции смешения и оптико-электрического преобразования.

Для пояснения принципа функционирования предложенного способа фиг. 5 иллюстрирует пример спектрограммы оптических сигналов на входе фотодетектора, где показано положение на частотной шкале полосы преобразованного в оптический диапазон входного радиосигнала Δƒ_c и набора оптических гетеродинных (опорных) сигналов ƒ₀…ƒ_N. Как видно из спектрограммы, сигнал полосы промежуточных частот Δƒ_пч формируется на выходе сверхширокополосного фотодетектора 13 как разность между рабочей частотой входного радиосигнала из полосы Δƒ_с и частотой соответствующего оптического гетеродинного сигнала из набора ƒ₀…ƒ_N. Описанная схема пригодна для реализации как повышающего, так и понижающего преобразователей частоты радиосигнала. Отличие заключается только в требованиях к полосе пропускания устройств электрооптического и оптико-электрического преобразований. А именно, в случае ПВПЧ рабочему частотному диапазону прибора должна соответствовать полоса пропускания сверхширокополосного фото детектора 13, а в случае ПНПЧ - полоса пропускания первого модулятора 5.

Таким образом, можно вывести конструктивный алгоритм схемного построения широкодиапазонного преобразователя частоты радиосигналов. В этой схеме в качестве опорного сигнала использован оптический сигнал полупроводникового лазерного излучателя, который поступает на оптический направленный ответвитель для разделения сигнала на первую ветвь для формирования оптического модулированного сигнала в полосе, соответствующей рабочему диапазону в СВЧ диапазоне за счет подачи оптического сигнала этой ветви на вход однополосного оптического модулятора, являющегося блоком смесителя частот и выход которого связан с оптическим сумматором.

Сигнал другой ветви, используемой для формирования последовательного набора оптических гетеродинных сигналов, поступает на вход оптического разветвителя оптического генератора решетчатого сигнала в виде рециркуляционного контура, являющегося блоком умножения частоты опорного сигнала и включающего в себя устройство частотного сдвига на базе второго однополосного оптического модулятора с подавленной несущей, выделяющего соответственно нижнюю либо верхнюю боковую полосу модулированного опорным радиосигналом лазерного излучения, и оптический полосовой фильтр для ограничения набора оптических гетеродинных сигналов в соответствии с рабочим частотным диапазоном преобразователя.

Выход генератора решетчатого сигнала связан с оптическим демультиплексором для фильтрации, выход которого связан с управляемым многопозиционным оптическим переключателем, при этом выход указанного переключателя связан с упомянутым оптическим сумматором, выход которого соединен с входом сверхширокополосного фотодетектора для выполнения операций смешения и оптико-электрического преобразования.

Настоящее изобретение промышленно применимо, может быть реализовано на базе серийно выпускаемых фотонных и радиофотонных элементов и узлов, широко используемых в современной аппаратуре телекоммуникационных волоконно-оптических систем. Для подтверждения этого фиг. 6 представляет пример схемы радиофотонного повышающего преобразователя частоты с полосой выходного сигнала 10 МГц - 80 ГГц согласно предложенному способу, назначением которого является расширение рабочего частотного диапазона серийного ГС E8257D фирмы Keysight Technologies. В данной схеме в качестве полупроводникового лазерного излучателя 3 использован одночастотный полупроводниковый лазерный излучатель (ПЛИ) частотой ν₀=193,3 ТГц с шириной линии около 100 кГц и мощностью 100 мВт модели PS-LM производства фирмы Teraxion, Канада, в качестве электрооптического преобразователя (первого оптического модулятора 5) - однополосный модулятор, настроенный на подавление оптической несущей и нижней боковой полосы (ЭОМ-ВБП), с полосой пропускания 20 ГГц модели MXIQ-LN-40 производства фирмы Photline, Франция, в качестве оптико-электрического преобразователя (фотодетектор 13) - pin-фотодиод (ФД) с полосой 100 ГГц модели XPDV4121R производства фирмы Finisar, США. Требуемые пассивные оптические элементы схемы: демультиплексор 10, оптический переключатель 11 (имеющий четыре положения: I - 0,01-20 ГТц, II - 20-40 ГГц, III - 40-60 ГТц, IY - 60-80 ГТц), ответвитель 4, оптический разветвитель 6 и оптический сумматор 12 реализованы в одномодовом волоконном исполнении на базе соответствующих изделий фирмы Opneti, Китай. В структуре оптического генератора 7 решетчатого сигнала для периодического сдвига частоты оптического опорного сигнала (устройство частотного сдвига 8) применен однополосный модулятор той же модели, что и модулятор 5 с подавленной несущей, но настроенный на подавление оптической несущей и верхней боковой полосы (ЭОМ-НБП). Также в схеме рециркуляционного контура генератора использованы серийно выпускаемые оптический полосовой фильтр (ОПФ) с полосой около 100 ГТц в С-диапазоне (оптический полосовой фильтр 9), пропускающий только три первых оптических гетеродинных сигнала, и волоконный усилитель 14 (ЭВУ), компенсирующий оптические потери за 4 прохода в модуляторе (устройство частотного сдвига 8) и фильтре 9. Для предотвращения возбуждения по замкнутой петле после ЭВУ введен оптический аттенюатор 15 (Атт). Как следует из схемы, преобразователь частоты работает от самой экономичной опции 521 (фиг. 1), содержащей только базовый блок без встроенного ПВПЧ, сигнал которого может также использоваться в качестве опорного радиосигнала, модулирующего ЭОМ-НБП, что улучшает общие экономические характеристики прибора.

Настоящее изобретение промышленно применимо, может быть реализовано с использованием известных технологий по созданию электронных приборов и позволяет не только упростить конструкцию преобразователя частоты радиосигналов, но и упрощает построение повышающего и/или понижающего преобразователей частоты радиосигналов на базе перспективной радиофотонной технологии за счет формирования дискретно перестраиваемого по частоте гетеродинного сигнала на базе оптического генератора решетчатого сигнала. При этом обеспечивается расширение рабочего диапазона и улучшение общих экономических, массогабаритных и эксплуатационных характеристик прибора.