Введение к работе
Актуальность темы. Сегодня акустооптические (АО) методы и средства обработки информации подвержены «жесткому теснению» со стороны цифровой техники. Высокие темпы развития вычислительной техники, ее элементной базы и технологии обеспечивают возможность разработки все более эффективных в техническом и технологическом отношениях устройств цифровой техники, в том числе радиотехнического назначения. Однако существует ряд задач, при решении которых цифровые средства уступают акустооптическим. К числу таких актуальных задач относится проблема разработки аппаратуры измерения параметров СВЧ-радиосигналов, обладающей мгновенными полосами анализа 1000 МГц, точностью измерения частоты (0.1-1.0) МГц, частотным разрешением менее (1-5) МГц, способной функционировать в динамическом диапазоне уровней входных сигналов, превышающем 40 дБ. Основную функциональную нагрузку в таких измерителях несут акустооптические дефлекторы (АОД), параметры которых являются определяющими для любой акустооптической аппаратуры.
С точки зрения технологии изготовления АОД СВЧ-диапазона длин волн АОД с поверхностным возбуждением объемных ультразвуковых волн являются наиболее простыми.
Исследованию вопроса возбуждения ультразвуковых волн поверхностными преобразователями (например, системой металлических электродов типа встречно-штыревых – ВШП), потенциально применимых для АОД, посвящены многие работы отечественных и зарубежных авторов. Однако указанные исследования касаются, в основном, элементов на поверхностных акустических волнах, в которых возбуждаемые, наряду с поверхностными, объемные волны являются паразитными.
В ряде технических приложений «паразитные» объемные волны могут быть использованы в полезных целях. Такой областью техники, где упомянутое использование является эффективным, а следовательно актуальным, можно, в первую очередь, считать АО средства измерения параметров радиосигналов; в них, как то отмечалось выше, АОД с поверхностным возбуждением объемных акустических волн несут основную нагрузку. Исследованию таких АОД посвящено единичное число публикаций отечественных исследователей; при этом отсутствуют работы, в которых анализ или расчет частотных, энергетических и других параметров АОД проводился бы с учетом особенностей ВШП как СВЧ-преобразователя, так и с учетом характеристик элементов, входящих в структурную схему АО измерителя: характеристик лазерного источника света, характеристик элементов оптического тракта, конструктивных и фотоэлектрических характеристик используемых фотоприемников. Именно поэтому проведенные исследования и разработка АОД с поверхностными противофазными преобразователями, предназначенными для работы в составе АО измерителей, обладающих совокупностью параметров, задаваемых современными потребностями практики, являются актуальными.
Целью диссертационной работы является разработка методов расчета и проектирования СВЧ АОД с поверхностным возбуждением ультразвука, предназначенных для работы в составе широкополосных измерителей параметров радиосигналов, а также их экспериментальное исследование.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
1. Разработать подход к решению задачи об учете расходимости оптического излучения при расчете полосы частот АО взаимодействия в АОД с поверхностным возбуждением ультразвука на примере акустического поля, сформированного ВШП.
2. Разработать метод расчета основных частотных и энергетических параметров АОД с поверхностным возбуждением ультразвука.
3. Экспериментально исследовать влияние расходимости оптического излучения на частотные и энергетические параметры АОД, выполненных на основе ниобата лития (LiNbO3).
4. Провести экспериментальное исследование разработанных АОД с многоэлементными поверхностными преобразователями.
5. Исследовать возможности улучшения существующих схем АО измерителей параметров СВЧ-радиосигналов на основе АОД с поверхностным возбуждением ультразвука.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Проведен анализ влияния расходимости оптического излучения на основные частотные и энергетические параметры АОД на примере акустического поля, сформированного ВШП. Получены расчетные зависимости полосы частот АО взаимодействия от величины расходимости.
2. Предложена геометрии одного из основных элементов АОД – светозвукопровода, обеспечивающая снижение уровня оптических шумов, увеличение точности позиционирования дифрагированного сигнала, а также увеличение дифракционной эффективности.
3. Предложен метод расчета основных энергетических параметров СВЧ АОД на основе поверхностного преобразователя встречно-штыревого типа.
4. Представлены результаты экспериментальных исследований АОД с поверхностным преобразователем в составе специализированного стенда и в составе АО измерителей параметров радиосигналов.
5. Экспериментально исследованы схемы предложенных акустооптических устройств на основе разработанных АОД, предназначенных для анализа параметров СВЧ-радиосигналов, отличающиеся расширенными полосами рабочих частот и повышенной чувствительностью.
Практическая значимость полученных в работе результатов заключается в следующем:
1. Разработанный и экспериментально опробованный метод расчета частотных и энергетических параметров АОД с поверхностным возбуждением ультразвука СВЧ-диапазона длин волн обеспечивает возможность гарантированной реализации основной совокупности их параметров, а именно: полосы рабочих частот, дифракционной эффективности, ее неравномерности и КСВ.
2. Разработан измерительный стенд для исследования частотных и энергетических параметров АОД диапазона частот (0.7-2.2) ГГц.
3. Экспериментально подтверждена возможность расширения в (1.2-1.4) раза полосы рабочих частот АОД и уменьшения неравномерности их дифракционной эффективности с увеличением расходимости модулируемого лазерного излучения.
4. Разработаны и изготовлены АОД в диапазоне частот (0.7-2.5) ГГц для длин волн света 0.532, 0.633 и 0.657 мкм с полосами пропускания 500 и 1000 МГц, дифракционной эффективностью (1-3) %/Вт, неравномерностью (3-6) дБ и КСВ входа 2.
5. Разработанные и экспериментально исследованные АО измерители параметров СВЧ-радиосигналов, в которых исследуемые АОД несут основную функциональную нагрузку, прошли натурные испытания на территории ряда заинтересованных организаций; по-видимому впервые в отечественной практике заинтересованным потребителям предлагаются АО измерители с мгновенной полосой 1 ГГц, точностью измерения частоты (1-2) МГц, частотным разрешением (2-6) МГц и многосигнальным динамическим диапазоном 40 дБ.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Постановка и решение задачи расчета частотных и энергетических параметров АОД СВЧ-диапазона на основе LiNbO3 с эквидистантными решетками поверхностных преобразователей и ее экспериментальная проверка.
2. Анализ АЧХ изотропных АОД при различных углах падения света на рабочие грани АОД и различных режимах его работы.
3. Результаты теоретического и экспериментального исследования влияния расходимости оптического излучения на частотные и энергетические параметры АОД.
4. Геометрия светозвукопровода АОД на основе ниобата лития, обеспечивающая увеличение точности позиционирования дифрагированного светового сигнала, а также увеличение дифракционной эффективности.
5. Результаты разработки СВЧ АОД с поверхностным возбуждением ультразвука.
6. Результаты экспериментального исследования разработанных АОД в составе АО измерителей параметров СВЧ-радиосигналов.
Внедрение результатов работы. Изложенные в диссертации результаты исследований, относящиеся как к АОД, так и к АО измерителям параметров СВЧ-радиосигналов, получены автором в процессе выполнения ряда НИР и ОКР (х/д-13201 х/д-13210, х/д-13245, х/д-13248) по акустооптической проблематике, задаваемых, в том числе, в рамках Государственных оборонных заказов в соответствии с постановлениями Правительства РФ № 35-2 от 22.01.2003 г. и № 825-50 от 29.12.2005 г.
В частности, в НИР по х/д-13245, выполненной ТРТУ в период 2000-2003 гг. по ТЗ в/ч-21882, г. Москва, использовались АОД диапазонов (0.95-1.2) ГГц и (1.5-2.0) ГГц; в НИР по х/д 13248, выполненной ТРТУ в период 2003-2005 гг. по ТЗ СПП РАН, разработаны и внедрены многоканальные АОД; в НИР по х/д 13203, выполняемой ТРТУ в период 2004-2005 гг. по ТЗ ФГУП ВНИИС, г. Воронеж разработаны и прошли полигонные испытания АО измерители впервые в отечественной практике обеспечившие значение многосигнального динамического диапазона, превышающего 40 дБ.
Разработанные АОД с мгновенной полосой рабочих частот 1.0 ГГц внедрены в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете (в НУЦ «Оптоэлектронные проблемы информатики»), где они используются в составе собственных широкополосных АО измерителей, предназначенных для дистанционного мониторинга состояния озонового слоя Земли.
Законченный в функциональном отношении АО измеритель, в составе которого АОД с полосой рабочих частот 0.5 ГГц нес основную нагрузку, прошел натурные испытания на территории ФГУП «ГКБ «Связь», г. Ростов-на-Дону, обеспечивая возможность автоматического измерения, отображения и накопления реальных сигналов спутниковой системы связи.
Наиболее законченными в конструкторско-технологическом отношении АОД диапазона (1.5-2.0) ГГц и АО измерители, в которых реализовано техническое решение по патенту 55151 РФ (МПК7 G01R 23/17, Акустооптический приемник-частотомер, авторы: Новиков В.М., Пелипенко М.И., Роздобудько В.В.) внедрены в ОКР «Разработка автономного радиотехнического комплекса национальных информационно-измерительных средств судна связи «Маршал Крылов» (шифр «Моренос – РТК – МК», индекс 14Б133). Составная часть упомянутой ОКР выполняется ТТИ ЮФУ по ТЗ ОАО «Радиофизика», г. Москва в соответствии с постановлением Правительства РФ «О государственном оборонном заказе на 2006 г.» от 29.12.2005 г., № 825-50. Внедрение патента нашло отражение в документации на блок обнаружения сигналов (шифр ОБ103) комплекса 14Б133: «Комплект РКД на акустооптический измеритель параметров сигналов СИКЛ.468151.101». (Рабочая конструкторская документация выпущена под децимальными номерами предприятия ОАО «Радиофизика»).
Внедрение результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими актами.
Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры радиотехнической электроники ТТИ ЮФУ, а также конференциях:
– VIII Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», с. Дивноморское, 14-19 сентября 2002 г.;
– IV Международной научно-технической конференции «Электроника и информатика – 2002», г. Москва, 19-21 ноября 2002 г.;
– VIII Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерений физических величин», г. Н. Новгород, 23 декабря 2003 г.;
– IX Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», с. Дивноморское, 12-17 сентября 2004 г.;
– VII International Conference for Young Researchers «Wave Electronics and Its Applications in the Information and Telecommunication Systems», St. Petersburg, Russia, 12-15 September 2004;
– Региональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Высокие информационные технологии в науке и производстве», г. Ростов-на-Дону, 21-24 марта, 2005 г.;
– Молодежной конференции «Первая ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН», г. Ростов-на-Дону, 15-21 апреля 2005 г.;
– XI Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь», г. Воронеж, 12-14 апреля 2005 г.;
– 13-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика – 2006», г. Зеленоград, 19-21 апреля 2006 г.;
– 2-ой Региональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Высокие информационные технологии в науке и производстве», г. Ростов-на-Дону, 25-28 апреля 2006 г.;
– VIII Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления», г. Таганрог, 19-20 октября 2006 г.;
– X Международной научной конференции и школы-семинара «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», с. Дивноморское, 24-29 сентября 2006 г.;
– 14-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика – 2007», г. Зеленоград, 18-20 апреля 2007 г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 30 работ, включающих 10 статей, в том числе 3 статьи в журналах из списка ВАК, 16 тезисов докладов на научно-технических конференциях различного (в том числе международного) уровня, 1 патент РФ на изобретение и 3 патента РФ на полезные модели.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, библиографического списка и приложений. Общий объем диссертации составляет 167 страниц (без приложений), включая 55 рисунков, 17 таблиц и библиографический список из 112 отечественных и зарубежных источников.
