Запропоновано і проаналізовано структуру акустооптичного приймача-частотоміра СВЧ, що використовує в своєму складі дефлектор з протифазної гратами п'єзоперетворювачів і два лазерних джерела світла з різними довжинами хвиль. На відміну від відомих структур запропонована конфігурація приймального пристрою характеризується вдвічі більшою миттєвої смугою аналізу.

Анотація наукової статті з електротехніки, електронної техніки, інформаційних технологій, автор наукової роботи - Шибаев С.С., Волик Д.П., Роздобудько В.В.


Acousto-optic receiver-cymometer based on deflector with anthiphased ultrasound excitation

The acousto-optic SHF cymometer structure, containing deflector with antiphased transducers grating and two laser sources with different light waves, is analyzed. Unlike known acousto-optic receiver configurations the offered one is characterized with twice as much instantaneous analysis band.


Область наук:
  • Електротехніка, електронна техніка, інформаційні технології
  • Рік видавництва: 2008
    Журнал
    Известия вищих навчальних закладів Росії. Радіоелектроніка
    Наукова стаття на тему 'акустооптичні ПРИЙМАЛЬНИК-Частотомір НА ОСНОВІ дефлектори З протифазні ЗБУДЖЕННЯМ УЛЬТРАЗВУКУ'

    Текст наукової роботи на тему «акустооптичні ПРИЙМАЛЬНИК-Частотомір НА ОСНОВІ дефлектори З протифазні ЗБУДЖЕННЯМ УЛЬТРАЗВУКУ»

    ?Системи телекомунікації, пристрої передачі, прийому і обробки сигналів

    УДК 621.37 / 39

    С. С. Шибаєв, Д. П. Волик, В. В. Роздобудько

    Таганрозький технологічний інститут Південного федерального університету

    | Акустооптичні приймач-частотомір на основі дефлектора з протівофазним порушенням ультразвуку

    Запропоновано і проаналізовано структуру акустооптичного приймача-частотоміра СВЧ, що використовує в своєму складі дефлектор з протифазної гратами п'єзоперетворювачів і два лазерних джерела світла з різними довжинами хвиль. На відміну від відомих структур запропонована конфігурація приймального пристрою характеризується вдвічі більшою миттєвої смугою аналізу.

    Акустооптичний СВЧ-дефлектор, протифазний перетворювач, лазерний джерело, смуга аналізу

    В даний час в складі акустооптичних (АО) приймачів-частотомеров (АОПЧ) СВЧ, спектроаналізаторів, демодуляторів частотно-модульованих і фазоко-доманіпулірованних сигналів використовуються в основному технологічно доступні аку-стооптіческіе дефлектори (Егуд) з поверхневим порушенням ультразвуку, зокрема Егуд на основі LiNbOз з пьезопреобразователем у вигляді решітки протифазних електродів (зустрічно-штирьовим перетворювачем (ВШП)) [1], [2].

    Недоліком таких Егуд є те, що в них корисно використовується лише частина генерується ультразвукової потужності через дифракції світла тільки на одному пелюстці (з двох основних пелюсток) діаграми спрямованості (ДН) збуджується ВШП звуку. При цьому сумарні звукові втрати перевищують 3 дБ [3].

    У цій статті представлені результати дослідження конфігурації АОПЧ СВЧ-діапазону довжин хвиль на основі Егуд з ВШП, в якому поряд з розширенням смуги робочих частот забезпечені умови для кращої ефективності акустооптичного взаємодії.

    Егуд зі сканованого акустичним полем. Для застосовуваного в складі АОПЧ дефлектора з ВШП характерні наступні особливості [4], [5]. У светозвукопроводе Егуд (наприклад, кристалі LiNbOз Z-зрізу) діаграма спрямованості ультразвуку в напрямку Z складається з двох основних пелюсток шириною по рівню 4 / п2, рівній Дф = V / / Ь, де V - швидкість об'ємних ультразвукових хвиль; / - частота радіосигналу; Ь - довжина решітки ВШП. Кути відхилення цих пелюсток від нормалі до площини розташування ВШП змінюються з частотою сигналу як ф! = V // е (е - електричний період ВШП). Якщо ввести коефіцієнт до, що задає "краю" ДН збуджується 32 © Шибаев С. С., Волик Д. П., Роздобудько В. В., 2008

    звуку за рівнем sine2 (1 / k) його інтенсивності, то для кожного з пелюсток ДН частотний хід їх нижньої (фн) і верхньої (ФВ) меж може бути представлений у вигляді

    Фн = Ф1 - vlk / L; Фв = Ф1 + vlk / L • С1) При падінні на даний пелюстка лазерного випромінювання з довжиною хвилі в вакуумі X під кутом 0п1, близьким до кута Брегга

    0Б = ± Х // 2nv (n - показник заломлення светозвукопровода) в Егуд виникає режим дифракції, коли в смузі робочих частот А / кут 0п1 "підлаштовується" під

    оптимальний, рівний | ББ |.

    Фв

    Фн

    Ф0

    Ф1

    v \

    А /

    OS

    Л fo

    / т

    Мал. 1

    / 2

    /

    Однак ця автоподстройка кута ф1 до енергетично оптимальному куті 0Б не є повною. Для точного виконання умови, при якому кут падіння світла завжди відповідав би бреггівськими, траєкторія частотного сканування цього пелюстки ДН повинна описуватися функцією ф0 = у / / ой + Х / о / 2уп - X / / 2уп, де / о - задана (обрана) частота найбільш ефективного АТ-взаємодії.

    Залежно фн, ФВ, ф1 і фо від частоти радіосигналу / представлені на рис. 1,

    причому пряма фо = ф (/) проведена через дві характерні точки, одна з яких є точкою оптимального АТ-взаємодії (при / = / о), а друга точка (/ = / т) отримана з умови, що пряма фо = ф ( /), будучи дотичною до залежності фВ = ф (/) в цій точці, визначає максимальний діапазон робочих частот А / = / 2 - / 1 по заданому функціями фн (/) і фВ (/) рівню нерівномірності дифракційної ефективності.

    Значення / т може бути знайдено з рішення рівняння фо (/) -фв (/) = о за умови, що / т є його єдиним коренем: / т = / о + ^ 2 / к (уд / хь / п). Граничні частоти / 1 та / 2 знаходяться з рівняння фо (/) -фн (/) = о:

    / 1,2 = / 0 + К 2 + V2) / Vk] (v / yfiZ,

    n

    Звідси отримаємо розрахункову формулу для смуги робочих частот Егуд:

    А / = 4 \ '/ ^ кХЬ / п, (2)

    а вираз для електричного періоду ВШП, що є гарантією максимуму смуги А / (при заданих X, до, Ь, у, / 1), знайдемо з рішення рівняння фо (/) = ФВ (/):

    й = (2Ь / т) / [1 + (2 \ р2) Д / кт] ,

    де г

    = XL / 0? (Nv2) .

    ф

    0

    Звідси fo визначиться як

    fo = (чЦЩП) [у / 2 / k + (2L / d) - V2k] = (v / V ^) s, (3)

    де s = у / 2 / k + (2L / d) .

    Представлений аналіз, що бере свій початок в роботі [4], справедливий для довільних k; якщо ж нерівномірність АЧХ Егуд задати на рівні 4 / п2 (4 дБ, k = 2), то (2) і (3) переходять в аналогічні формули роботи [5].

    З представленого розгляду випливає, що при виборі електричного періоду ВШП і його протяжності L, а отже, фактичного завдання частотного ходу гіпербол ФВ (f) і фн (f) положення смуги пропускання Егуд на частотної осі і її значення визначаться величинами X і f .

    Останню тезу ілюструється рис. 2, а, на якому функції ФВ (f) і фн (f) побудовані відповідно до (1). Залежно Ф01 (f) = vj (fo \ d) + ^ ifoi / (2vn) -Af / (2vn); Ф02 (f) = vj (fo2d) + A, fo2l (2vn) - A, f / (2vn) побудовані для двох різних Ai, А, і, відповідно, різних foi і fo2. Вирази для останніх випливають з (3): foi = (vyfn / - ^ / AjZ) s; fo2 = (vyfn / ^ 2L) s. При цьому смуги робочих частот A / i 2 поблизу foi і fo2 складуть Afi =; а /, = 4vVn / VkI2L відповідно і будуть огра-

    нічени частотами / ц, fi, і / 2i, / 22 виходячи з заданої нерівномірності АЧХ.

    Ідея одночасного використання двох пелюсток ДН ВШП полягає в тому, що на кожен з них необхідно організувати подачу під кутами Ещ = Aifoi / 2vn, 0Б2 = A, fo2 / 2vn лазерного випромінювання від джерел з довжинами хвиль Ai і А ,. Для того

    0 fu / 01/21/02/12/22

    а

    0/11/01/21 - / 12/02 б

    Мал. 2

    Ф

    Ф

    щоб сумарна смуга робочих частот АОПЧ була безперервною (і максимальної): A /? = А / + А / 2, необхідно вимагати рівності граничних частот / 12 і / 21. Останнє може бути забезпечено, якщо значення і% 2 будуть пов'язані співвідношенням

    VW ^ = [* - (2 - V2) / yik] / [5 - (2 + V2) / yfk] (рис. 2, б).

    Схема АОПЧ. Структурна схема АТ-частотоміра, що використовує в своєму складі Егуд з ВШП, в якому організована дифракція одночасно на двох пелюстках ДН збуджується в його тілі ультразвуку (1 і 2), наведена на рис. 3. Дана схема відрізняється від традиційної тим, що в ній використовуються другий лазер з довжиною хвилі% 2, що відрізняється від довжини хвилі першого лазера, а також друга інтегруюча лінза Л2 і друга лінійка фотоприйомних пристроїв ФПУ2 .

    Оскільки в АОПЧ за схемою на рис. 3 смуги пропускання по кожному з напрямків пропорційні: А / ~ Х-12 і А / 2 ~ а застосовувані ПЗС мають однакову протяжність фоточутливих лінійок, рівну W, фокусні відстані лінз Л \, Л2 повинні вибиратися з умов F \ = Wvj (Х \ А / \); F2 = Wv? (^ 2 ^ / 2). Для реалізації в обох каналах АОПЧ однакового частотного дозволу співвідношення апертур A \? A2

    1/2

    падаючих світлових пучків має становити A \ / A2 = А / 2 / А / = (Х \ /% 2) .

    Приклад розрахунку АОПЧ. Розрахуємо основні параметри АОПЧ, необхідні для реалізації в ньому Afe = 1500 МГц. Вихідні дані для розрахунку виберемо наступними:

    v = 3590 м / с, показник заломлення LiNbU3 n = 2.23; розрахунок проведемо для двох L, рівних 1 і 1.1 мм; приймемо також, що нижня гранична частота АОПЧ може мати значення / 1 = 1000, 1500 і 1750 МГц.

    Залежно A /? (^) І ^ 2 () для зазначених L і / 1 при k = 1.66 (обмеження по нерівномірності -6 дБ) представлені на рис. 4. Суцільними лініями дані залежності

    Вхід

    >

    вихід 1

    Л1

    ФПУ 1 Лазер 2

    A2V< У ^ 02 1 2 A1 ^ 01

    Мал. 3

    Ви хо д 2

    Л2

    ФПУ 2 Лазер 1

    1550 -

    1500-х

    1450

    f1 = 1000 МГц

    1500 1750

    1400

    нм

    350

    300

    250 -

    A / s, МГц \ \. \ / = 1000 мегагерц для L = 1 мм, а штрихпунктирними - для

    L = 1.1 мм. З малюнка видно, що для реалізації діапазону АТ-взаємодії в діапазоні 1000 .. .2000 МГц при L = 1 мм потрібні лазери з довжиною хвилі A = 820 нм і

    % 2 = 328 нм, а при L = 1.1 мм - з довжинами хвиль A = 746 нм і ^ 2 = 298 нм. Для перекриття діапазону 1500.3000 МГц при L = 1 мм необхідні лазери з довжиною хвилі випромінювання A = 718 нм і% 2 = 359 нм, а при L = 1.1 мм - з довжинами хвиль ^ = 652 нм і% 2 = 326 нм. Нарешті, щоб реалізувати діапазон 1750.3250 МГц (таким діапазоном мають широкосмугові Егуд фірми "Brimrose" 1), необхідно мати = 687 нм і% 2 = 370 нм при L = 1 мм ,

    A = 625 нм і% 2 = 336 нм при L = 1.1 мм.

    Експеримент. Експериментального дослідження піддавався АОПЧ, виконан-

    200 | | _ Ненний відповідно до схеми на рис. 3.

    ^ Ь нм В АОПЧ застосовувалися гетеролазери типу KLM з = 657 нм і% 2 = 532 нм. Обидва лазера мали однакову вихідну потужність р = 20 мВт. У складі АОПЧ використовувалися лінійки ПЗС типу ТН7813 фірми "е2у", відмітною особливістю яких є високі чутливість (близько 10 В • см2 / мкДж) і тактова частота знімання інформації, що дорівнює 50 МГц. Інтегрують лінзи Л} і Л2 мали фокусна відстань

    F = 150 мм, що забезпечує умови, при яких діаметр діфрагованого плями світла відповідав 2-3 фотодіодів лінійки ПЗС. У АОПЧ використовувався Егуд на ос-

    про

    нове LiNbU3, описаний в роботі [2], з параметрами v = 3.59-10 м / с; d = 31.24 мкм; L = 1.187 мм. На частоті / = 1525 МГц для = 657 нм значення дифракційної ефективності Егуд склало П1 = 2% / Вт, а на частоті / = 1750 МГц для% 2 = 532 нм воно не перевищувало П2 = 4% / Вт. В діапазоні частот 1.2.2.5 ГГц коефіцієнт стоячої хвилі напруги Кст і на вході Егуд змінювався в межах 2.6.

    Вхідний сигнал на ВШП Егуд подавався через СВЧ-підсилювач, вихідна потужність якого брало = 0.2 Вт в смузі досліджуваних частот підтримувалася постійною. У схемі

    600

    700 800

    Мал. 4

    1 http://www.brimrose.com

    36

    на рис. 3 реєструвалися амплітудно-частотні характеристики АОПЧ в кожному з оптичних каналів. Результати цих вимірювань наведені на рис. 5 (де In - нормована інтенсивність реєстрованого ФПУ світла).

    З зіставлення теоретичних (рис. 6) і експериментальних (рис. 5) даних видно їх гарне кількісне відповідність. Зокрема, теоретичні значення A /?,

    fll, f22, A / l і 4/2 склали 805, 1400, 2205, 596 і 662 МГц відповідно. Ці ж параметри в експерименті виявилися рівними f = 760 МГц, f11 = 1460 МГц, f22 =

    = 2220 МГц, f = 520 МГц, f = 560 МГц.

    При наявності відповідних лазерних джерел в досліджуваній схемі АОПЧ її сумарна смуга робочих частот може бути розширена приблизно до f = 1200 МГц.

    Доцільність проведення наведеного в статті аналізу продиктована відкрилася в даний час можливістю застосування в складі АОПЧ гетеролазери з широким набором довжин хвиль.

    В результаті аналізу показано, що в традиційній конфігурації АОПЧ з використанням звичайної АТ-елементної бази можливе отримання розширених смуг аналізу з одночасним поліпшенням його енергетичних параметрів.

    Доопрацювання звичайних Егуд, необхідних для використання в складі запропонованого АОПЧ, повинна складатися в поліпшенні узгодження його ВШП на СВЧ і додаткового просвітлення робочих граней звукопровода на довжині хвилі випромінювання другого лазера. Оскільки зазначена доопрацювання не є суттєво витратною, а ускладнення традиційної конфігурації АОПЧ не виходить за рамки звичайного удосконалення інженерного рівня, запропонований варіант широкосмугового АОПЧ слід рекомендувати до практичного використання.

    бібліографічний список

    1. Роздобудько В. В. Широкосмугові акустооптичні вимірювачі частотних і фазових параметрів радіосигналів // Радіотехніка. 2001. № 1. С. 79-92.

    2. Роздобудько В. В., Бакарюк Т. В. акустооптичні СВЧ дефлектор з поверхневим порушенням ультразвуку // Прилади і техніка експерименту. 2003. № 16. С. 74-76.

    3. Балакшій В. І., Паригін В. Н., Чирков Л. Є. Фізичні основи акустооптики. М .: Радио и связь, 1985. 280 с.

    Мал. 5

    Мал. 6

    4. Alphonse G. A. Broad-band acousto-optic deflectors using sonic gratings for first-order beam steering // RCA Rev. 1972. Vol. 33, № 3. P. 543-594.

    5. Магдич Л. Н., Молчанов В. Я. Акустооптіческіе пристрої та їх застосування. М .: Радио и связь, 1978. 112 с.

    S. S. Shibaev, D. P. Volik, V. V. Rozdobudko

    Taganrog institute of technology of Southern federal university

    Acousto-optic receiver-cymometer based on deflector with anthiphased ultrasound excitation

    The acousto-optic SHF cymometer structure, containing deflector with antiphased transducers grating and two laser sources with different light waves, is analyzed. Unlike known acousto-optic receiver configurations the offered one is characterized with twice as much instantaneous analysis band.

    Acousto-optic SHF deflector, antiphased transducer, laser source, analysis band

    Стаття надійшла до редакції 29 лютого 2008 р.

    УДК 621.37 / 39

    Б. Н. вольфовской, С. С. Шибаєв, В. В. Роздобудько

    Технологічний інститут Південного федерального університету

    I Алгоритми обчислення частоти в акустооптичних вимірі параметрів радіосигналів

    Запропоновано і проаналізовано два евристичних алгоритму обчислення частоти як абсциси осі симетрії видеоимпульса, зчитує з фотоприймача в акустооптичних вимірі параметрів радіосигналів. Наведено теоретичні та експериментальні оцінки похибок. Експериментально оцінена похибка вимірювання частоти в розширеному динамічному діапазоні рівнів вхідних сигналів не перевищує 10% від кроку сітки частот вимірювача.

    Алгоритм, похибка, акустооптичний вимірювач, розподіл інтенсивності

    У різних за призначенням вимірювачів параметрів радіосигналів інформація про вимірюваний параметр часто характеризується становищем на осі абсцис видеоимпульса, який формується на виході вимірювача. При цьому алгоритм роботи пристрою зводиться до обчислення положення осі симетрії видеоимпульса на фотоприемнике і постановці йому у відповідність вимірюваного параметра. Такі схемні та алгоритмічні рішення використовуються, наприклад в измерителях, призначених для обчислення азимута або кута місця цілі, положення імпульсу на осі часу, положення спектральної функції на осі частот або положення світлового сигналу на фотоприймачі в акустооптичних вимірі частоти [1].

    У цій статті розглянемо два алгоритми вирішення подібних завдань. Перший з них, в якому шукана абсциса осі симетрії видеоимпульса шукається як абсциса точки перетину двох прямих, придатний для лінійного режиму, а другий, в якому використовується властивість симетрії видеоимпульса, - для нелінійного режиму (режиму обмеження) роботи вимірювача.

    38

    © вольфовской Б. Н., Шибаєв С. С., Роздобудько В. В., 2008


    Ключові слова: Акустооптичні СВЧ-дефлектори / ACOUSTO-OPTIC SHF DEFLECTOR / протифазні ПЕРЕТВОРЮВАЧ / ЛАЗЕРНИЙ ДЖЕРЕЛО / LASER SOURCE / ШПАЛЬТА АНАЛІЗУ / ANALYSIS BAND / ANTIPHASED TRANSDUCER

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити