Введение к работе
В настоящей диссертационной работе предложен альтернативный способ детектирования СВЧ амплитудно-модулированных (AM) оптических колебаний. Решены основные научно-технические вопросы, открывающие возможность проведения полного цикла разработки детектора СВЧ AM оптического сигнала на основе генератора на лавинно-пролетном диоде (ЛПД), введенного в режим синхронизации демодулируемым сигналом.
Актуальность
В последнее время интенсивно развивается такое направление электроники, как оптическое управление полупроводниковыми устройствами СВЧ. К достоинствам такого способа управления параметрами СВЧ устройств можно отнести широкую полосу рабочих частот, высокие быстродействие, точность определения временной задержки СВЧ сигналов и модуляционные характеристики, связанные с малым временем фотоотклика; высокую степень развязки СВЧ тракта и управляющего сигнала; устойчивость к воздействию внешних электромагнитных колебаний. Кроме того, системы оптического управления СВЧ устройствами совместимы с волоконно-оптической и интегрально - оптической технологиями, что позволяет повысить технические характеристики и снизить себестоимость такой системы.
В связи с этим исследования режимов работы СВЧ устройств, находящихся под действием оптического излучения, приобретают особую актуальность.
Освоение оптического диапазона в интересах систем радиосвязи требует интенсивного развития элементной базы радиопередающих устройств в этом диапазоне, и в первую очередь -разработки оптических СВЧ демодуляторов. Использование традиционного способа детектирования СВЧ AM оптических колебаний затруднено по причине необходимости разработки сверхбыстродействующих фотодиодов, что вызывает определенные технологические трудности. В этой связи разработчики элементной базы радиопередающих устройств оптического диапазона вынуждены искать альтернативные способы демодуляции СВЧ AM оптических сигналов.
Использование механизма работы ЛПД при оптическом СВЧ-детектировании открывает широкие возможности при разработках оптических детекторов, поскольку снимает ограничение на частотный диапазон, свойственное обычному фотодетектору. С учетом вышесказанного становится очевидным, что оптическое СВЧ детектирование на основе синхронизированного ЛПД-генератора возможно в рабочих диапазонах ЛПД, которые, как известно, продвинулись до длин волн короче одного миллиметра. Кроме того, такой способ детектирования имеет большое преимущество - дает выигрыш в мощности демодулированного СВЧ - сигнала, поскольку при использовании фотодиода продетектированный СВЧ - сигнал имеет весьма небольшую мощность, в связи с чем для дальнейшей обработки его необходимо усиливать.
В настоящее время в периодической печати, в том числе и зарубежной, опубликовано достаточно много работ, посвященных оптическому управлению СВЧ устройствами, что, несомненно, свидетельствует о большом интересе ученых к этой интенсивно развивающейся области науки. Несмотря на такой интерес к оптическому способу управления СВЧ устройствами, большинство опубликованных статей к настоящему времени посвящены управлению СВЧ устройствами постоянным оптическим воздействием, что не может быть
использовано для решения проблемы детектирования СВЧ AM оптических колебаний. Согласно опубликованным в открытых источниках данным, исследования, посвященные поискам альтернативных способов детектирования СВЧ AM оптических колебаний, в настоящее время активно ведутся, в том числе и за рубежом: исследованию оптического управления полупроводниковыми устройствами посвящены работы A.J. Seeds и R. Simons (Великобритания), в работах B.N.Biswas и А.К. Bhattachary (Индия) рассмотрена возможность использования ЛПД для детектирования оптических колебаний. Исследования по разработке фотодиодных структур металл-полупроводник-металл ведутся СВ. Авериным (Институт радиотехники и электроники им. В.А.КотельниковаРАН, Фрязино).
Область применения предложенного способа СВЧ AM оптического детектирования -активные фазированные антенные решетки (АФАР), системы связи, построение высокостабильных оптоэлектронных генераторов и волоконно-оптических линий задержки.
Предмет исследований
В диссертационной работе проводится теоретический анализ генератора на ЛПД, находящегося под воздействием СВЧ AM оптического колебания; определяются импедансные свойства ЛПД; исследуются режимы работы и анализируется устойчивость генератора-демодулятора в режиме детектирования СВЧ AM оптических колебаний, а также исследуются технические пути практической реализации детектора СВЧ AM оптических колебаний.
Цель работы и задачи исследований
Цель диссертационной работы - разработать практические пути реализации альтернативного способа детектирования СВЧ AM оптических колебаний в одном из участков СВЧ - диапазона и определить аналитические выражения, пригодные для инженерных расчётов основных технических параметров предложенного устройства.
Для достижения указанной цели необходимо рассмотреть теоретические вопросы, возникающие при анализе ЛПД-генератора, находящегося под воздействием СВЧ AM оптического колебания, и решить следующие задачи:
- определить импедансные свойства ЛПД, находящегося под воздействием СВЧ AM
оптического колебания;
на основании эквивалентной схемы ЛПД-генератора составить и решить дифференциальное уравнение генератора-демодулятора;
получить выражения для расчета АЧХ и ФЧХ синхронизированного ЛПД-генератора;
исследовать устойчивость генератора-демодулятора в режиме детектирования.
Исследования базируются на представлении анализируемой системы в соответствии с принципом пространственно-временной аналогии, а также на радиотехнических методах анализа нелинейных цепей и методах теории колебаний.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- обобщена известная модель ЛПД на случай присутствия на р-n -переходе СВЧ AM
оптического сигнала. На основании предложенной модели получены аналитические выражения
для определения импеданса ЛПД, находящегося под воздействием СВЧ AM оптического
колебания;
- на основании эквивалентной схемы генератора-демодулятора составлено и решено
уравнение рассматриваемого устройства, с учетом того, что система находится под внешним
воздействием СВЧ AM оптического сигнала. Решением такого уравнения является частотная
зависимость амплитуды и фазы вынужденного колебания генератора в полосе синхронизации;
исследована устойчивость колебаний ЛПД-генератора синхронизированного демодулируемым сигналом. Получены выражения для границ области устойчивости, позволяющие определить полосу синхронизации ЛПД-генератора с учетом нелинейной амплитудной зависимости реактивной составляющей импеданса ЛПД, что не всегда представляется возможным классическими методами.
Основные положения, выносимые на защиту На защиту выносятся:
- техническое решение по разработке демодулятора СВЧ AM оптических сигналов,
построенного на основе генератора на ЛПД, введенного в режим оптической синхронизации;
результаты в виде аналитических выражений для активной и реактивной частей импеданса ЛПД, находящегося под действием оптического колебания, в том числе и СВЧ AM, пригодные для применения в инженерных расчетах; результаты решения уравнения генератора на ЛПД, находящегося под воздействием СВЧ AM оптического сигнала;
результаты анализа устойчивости генератора на ЛПД в режиме демодуляции СВЧ AM оптических колебаний;
- результаты разработки и экспериментальных исследований генератора-демодулятора,
построенного на основе одного из серийных ЛПД трехсантиметрового диапазона длин волн.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
получены аналитические выражения для импеданса ЛПД, находящегося под воздействием СВЧ AM оптического колебания, и для расчета АЧХ и ФЧХ синхронизированного ЛПД-генератора, пригодные для инженерных расчётов при проведении разработки СВЧ AM оптических детекторов;
предложена конструкция СВЧ AM оптического демодулятора, на основе ЛПД-генератора;
- на основе проведенного в диссертационной работе анализа полученных результатов
выработаны рекомендации по практической разработке детекторов рассматриваемого типа.
Внедрение результатов работы
Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе на кафедре АиРПУ ТТИ ЮФУ при постановке лабораторных работ и в учебных пособиях по курсам «Физические основы электроники», «Электронные твердотельные приборы и микроэлектроника», «Методы и устройства формирования сигналов», а также на предприятии ЗАО «Бета ИР» г. Таганрог в рамках выполнения ОКР по разработке диагностического оборудования для пилотажно-навигационных комплексов летательных аппаратов.
Обоснованность и достоверность результатов
Подтверждается проведенным экспериментом и корректным использованием методов анализа. Полученные в настоящей работе результаты расчетов хорошо согласуются с результатами численного моделирования, опубликованными в литературе. Кроме того,
сравнение полученных результатов с частными случаями (без оптического воздействия и с немодулированным оптическим воздействием), опубликованными в литературе, также показали хорошее совпадение.
Апробация диссертационной работы
Материалы настоящей диссертационной работы вошли в коллективную монографию «Радиоэлектронные системы локации и связи». Под ред. В.А. Обуховца. - М.: «Радиотехника», 2008.-208 с.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 6 международных конференциях (международная НТК студентов и аспирантов, 2005, Москва; «Системный подход в науках о природе, человеке и технике», Таганрог, 2003; "Излучение и рассеяние ЭМВ ИРЭМВ-2005", Таганрог, 2005; «Статистические методы в естественных, гуманитарных и технических науках», Таганрог, 2005; "Излучение и рассеяние ЭМВ ИРЭМВ-2007", Таганрог, 2007; "Излучение и рассеяние ЭМВ ИРЭМВ-2009", Таганрог, 2009) и всероссийских конференциях (11 докладов), а также на конференциях профессорско-преподавательского состава кафедры Антенн и радиопередающих устройств Технологического института Южного федерального университета 2003-2010 гг.
Объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов основного текста, заключения и одного приложения. Работа содержит 174с, в том числе 143 с. основного текста, 136 рисунков, список литературы из 83 наименований на 7 с. и 24 с. приложения.
