11. Радиооптические антенные решетки (роар)

11.1. Основные понятия

Широкому внедрению сканирующих фазированных антенных решеток (ФАР) в радиолокации, связи, радиоастрономии препятствует их сложность и высокая стоимость как управления, так и эксплутационных расходов.

В последнее время в связи с интенсивным развитием оптоэлектроники сформировалось новое научное направление – радиооптические антенные решетки(РОАР),которые позволяют упростить систему управления АР средствами когерентной оптики и голографии. При этом удается реализовать некоторые задачи, которые трудно решить традиционными электронными методами, например, панорамный обзор в широком диапазоне частот и углов вреальном масштабе времени (РМВ).

Основной особенностью РОАР является то, что собственно АР работает в радиодиапазоне (СВЧ), а система управления ее элементами осуществляется в оптическом диапазоне.

Основными методами оптического управления ФАР являются: управление задержками в РМВ, использование гибридных оптических Фурье – процессоров и «экзотические» методы управления [7,8].

На этих же принципах строятся и гидроакустические оптические антенные решетки.

11.2. Оптическое управление задержками свч - сигналов

11.2.1. Принцип оптического управления задержками СВЧ сигналов основан на том, что при прохождении по ВОЛС оптического сигнала с частотой f_опт,промодулированного СВЧ сигналом с частотойF_СВЧ,временные задержкиt_опт ,t_СВЧ этих сигналов связанны (по аналогии с работой ФАР управляемых на промежуточной частоте [9]) соотношением:

, (11.1)

откуда набег фаз для оптического сигнала и для его огибающейодинаковы, т.е.. Таким образом, управляяt_опт(длиной отрезка ВОЛС) мы можем управлять набегом фаз СВЧ сигнала.

Передающая радиооптическая активная ФАР (АФАР) использует фазовый метод сканирования за счет переключаемых отрезков ВОЛС задержки (рис.11.1,а) [8].

Рис. 11.1. Передающая радиооптическая активная ФАР

Излучение лазерного диода (ЛД) – 1 модулируется СВЧ сигналом модулятором – 2, разветвляется на N– каналов в разветвителе – 3 и поступает в когерентный оптический процессор – 4, в котором в каждом канале обеспечивается требуемая фаза и амплитуда. Амплитуда обеспечивается любым оптическим модулятором, а фаза за счет переключаемых отрезков. На рис. 11.1,б показан один из вариантов подключения трех модуляторов – переключателей на основе двухканальных направленных ответвителей. Например, при подаче управляющего напряжения, если, то обеспечивается отключение второго канала ответвителей и задержка обусловлена полной длиной отрезка – петли длиной ... Без управляющего напряжения (или при другом напряжении) энергия передается во второй канал ответвителей, минуя петлю. Набор длин отрезков и их количество определяется из тех же соображений, что и при использовании дискретных фазовращателей на СВЧ.

Для уменьшения количества каналов управления апертура ФАР делится на Мподрешеток сКэлементами каждая:N = M K. В этом случае вместоN отдельных задержек в оптимизированной конфигурации используется толькоM + K –2задержек. Например, приN= 10000 получимM + K –2= 198.

11.2.2. Передающая или приемная РОАФАР с диаграммообразующей схемой (ДОС) использует амплитудный способ сканирования. При этом возможны оптические аналоги схем Ротмана, Батлера, Бласса [9] используемых на СВЧ.

На рис. 11.2. представлена схема РОАФАР, являющаяся волоконно-оптическим аналогом схемы Ротмана для работы в режиме приема [7]. Принятый каждым элементом (n = 1…N) СВЧ сигнал после усиления модулирует свой ЛД. Модулированное оптическое излучение поступает на разветвитель (мультиплексор) – 1 после которого разветвляется наМканалов одномодовых ВОЛС с длинами, обеспечивающими линейное распределение фазы. Эти ВОЛС подходят кМсумматорам (демультиплексорам) – 2 таким образом, что с каждого направления сигналы синфазно приходят на определенный выход. С выходов сумматоров оптические сигналы поступают на фотодиоды, с которых СВЧ сигналы после усиления поступают на выходы1…М.

На рис. 11.2. показан случай, когда M = N, но возможна оптимизация схем с применением быстрого преобразования Фурье, позволяющая уменьшить число сумматоров и разветвителей. Для режима передачи активные элементы на входах и выходах меняются местами, а передающие модули работают от коммутатора. Для одновременной работы в режиме передачи и приема нужна коммутация в каждом элементе. Как уже указывалось, временные задержки принятых сигналов обеспечиваются подбором длинВОЛС. При этом точностьзависит отF_СВЧ.

11.2.3. Схема ФАР с оптической ДОС в виде волоконной дисперсионной призмыпоказана на рис.10.3 [8]. В этой схеме реализованчастотный метод сканирования в оптическом диапазоне. Для этого используется перестраиваемый лазер или несколько лазеров с разной частотой. После модуляции СВЧ сигналом перестраиваемое излучение разветвляется наNканалов, каждый из которых состоит из двух отрезков одномодовых ВОЛС с низкой и высокой дисперсией и определенным образом подобранными длинами.

Рис. 11.2. Приемная РОАФАР с ДОС

Рис. 11.3. РОАФАР с ДОС в виде волоконной дисперсионной призмы

На центральной частоте полные временные задержки в каждом канале равны, так что парциальные ДН направлены по нормали к апертуре АФАР. На частотах больших или меньшихкаждое высокодисперсное волокно добавляет или вычитает задержку, пропорционально его дисперсии, в результате изменяется наклон фазового распространения, и луч смещается в сторону убывания фазы.

Другим аналогом схемы с частотным методом сканирования является использование отрезков специального, чувствительного к ультрафиолетовому излучению, оптического волокна, на сердцевине которого с помощью ультрафиолетового излучения создана (записана) продольная зависимость показателя преломления с линейно изменяющимся периодом. Такое волокно играет роль Брэгговской решетки. Попадающая в него оптическая несущая отражается назад от определенного места и с определенной задержкой, зависящих от частоты, т.е. тоже используется дисперсия. Отрезок такого волокна играет роль дисперсного отражательного фазовращателя, набор из которых может использоваться в ДОС [8].