Е.В. Богатырев1, Р.Г. Галеев2, К.А. Игнатков3, А.С. Лучинин4, В.Я. Носков5

1,2 АО «НПП «Радиосвязь» (г. Красноярск, Россия)

1 Сибирский федеральный университет (г. Красноярск, Россия)

2 Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева
(г. Красноярск, Россия)

3–5 Уральский федеральный университет (г. Екатеринбург, Россия)

1,2 info@krtz.su, 3 k.a.ignatkov@urfu.ru, 4 r303las@mail.ru, 5 v.y.noskov@urfu.ru

Постановка проблемы. В последние десятилетия в ведущих зарубежных странах бурными темпами развиваются принципы построения РЛС и систем радиосвязи с использованием радиофотонных технологий. Этому процессу способствуют наблюдаемые с каждым годом улучшение характеристик, снижение габаритных размеров, массы и потребляемой мощности, а также стоимости радиофотонных компонентов. Первоначально эти принципы использовались для дистанционной передачи радиосигналов между антенной и приемопередающей аппаратурой. Затем была освоена технология построения радиофотонных активных фазированных антенных решеток. В настоящее время эти принципы широко применяются также в устройствах формирования и обработки радиосигналов, однако возможности использования технологий радиофотоники в системах ближней радиолокации (СБРЛ) пока изучены недостаточно, хотя ожидаемые перспективы улучшения характеристик, расширения функциональных возможностей и области применения СБРЛ, использующих радиофотонные технологии, представляются весьма востребованными как в радиоэлектронных комплексах систем вооружения, так и в гражданском секторе.

Цель. На основе предложенных технических решений и разработанной математической модели показать возможности применения радиофотонных генераторов (РФГ) в качестве источника СВЧ-колебаний для многопозиционных систем связи и
локации, а также нового типа приемопередающих устройств – радиофотонных автодинов (РФА) для перспективных СБРЛ.

Результаты. Показано, что включение в кольцевую схему РФГ делительно-развязывающего устройства (ДРУ), например, циркулятора, к свободному порту которого подключается антенна, превращает РФГ в радиофотонный автодин РФА, который можно использовать в СБРЛ. Выявлено, что отраженное от объекта локации излучение принимается антенной, и, пройдя из второго порта в третий ДРУ, взаимодействует с колебаниями, поступающими на управляющий вход электрооптического
модулятора. В результате этого взаимодействия в автоколебательной системе РФА возникает автодинный эффект, который проявляется в изменениях амплитуды и частоты колебаний в окрестности стационарного режима, а также тока питания усилителя мощности. Для выделения этих изменений в РФА предложено использовать амплитудный детектор на выходе малошумящего усилителя и/или датчик тока в цепи питания усилителя мощности. Установлено, что одним из перспективных направлений, где востребованы технологии радиофотоники, является развитие многопозиционных систем радиолокации.
Отмечено, что в этих системах, в которых составные части могут быть удаленными друг от друга на расстояния до нескольких сотен и тысяч метров, требования к фазовой стабильности опорных СВЧ-сигналов чрезвычайно высоки. Этим требованиям наиболее полно удовлетворяют современные компоненты волоконно-оптических систем, которые обеспечивают как генерирование и формирование опорных СВЧ-сигналов, так и их передачу на большие расстояния с высокой фазовой стабильностью.

Практическая значимость. Полученные значения выигрыша от применения РФГ соответствуют увеличению предельной дальности действия автодинных СБРЛ на порядок, а гомодинных – на два порядка. Улучшение данных параметров указывает на перспективность использования РФГ в СБРЛ, например, в системах обнаружения объектов с малой ЭПР, таких как беспилотных летающих аппаратов, для защиты от которых применение обычных (дальних) РЛС малоэффективно. В некоторых применениях ресурс по дальности можно направить на снижение выходной мощности излучения СБРЛ, что повышает скрытность ее работы. Предложенная многопозиционная система радиолокации может найти применение в системах безопасности территориально распределенных объектов, контроля сближения с иными объектами на борту транспортных средств, измерения параметров движения вагонов на сортировочной горке и иных целей. Кроме того, основные узлы данной системы могут использоваться для построения локальных систем связи.

Богатырев Е.В., Галеев Р.Г., Игнатков К.А., Лучинин А.С., Носков В.Я. Перспективы применения радиофотонных генераторов в системах ближней радиолокации и связи // Успехи современной радиоэлектроники. 2024. T. 78. № 1. С. 19–31. DOI: https://doi.org/10.18127/j20700784-202401-03

1. Roman J.E., Nichols L.T., Williams K.J. et al. Fiber-optic remoting of an ultrahigh dynamic range radar // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1998. V. 46. № 12. P. 2317–2323.
2. Урик Винсент Дж. мл., МакКинни Джонсон Д., Вилльямс Кейт Дж. Основы микроволновой фотоники. М.: Техносфера. 2016.
3. Pan S., Zhang Y. Microwave Photonic Radars // IEEE Journal of Lightwave Technology. 2020. V. 38. № 19. Р. 5450−5484.
4. Berland F., Fromenteze T., Boudescoque D., Di Bin P., Elwan H.H., Aupetit-Berthelemon C., Decroze C. Microwave Photonic MIMO Radar for Short-Range 3D Imaging // IEEE Access. 2020. V. 8. P. 107326–107334.
5. Wang H., Li S., Xue X., Xiao X., Zheng X. Distributed coherent microwave photonic radar with a high-precision fiber-optic time and frequency network // Optics Express. 2020. V. 28. № 21. Р. 31241−31252.
6. Maresca S., Serafino G., Scotti F., Amato F., Lembo L., Bogoni A., Ghelfi P. Photonics for coherent MIMO radar: An experimental multitarget surveillance scenario // 20th IEEE International Radar Symposium (IRS). 2019. Р. 1–6.
7. Bindong Gao, Fangzheng Zhang, Guanqun Sun, Yu Xiang, Shilong Pan Microwave Photonic MIMO Radar for High-Resolution Imaging // IEEE Journal of Lightwave Technology. 2021. V. 39. № 24. P. 7726–7731.
8. Зайцев Д.Ф., Андреев В.М., Биленко И.А. и др. Первая радиофотонная фазированная антенная решетка // Радиотехника. 2021. Т. 85. № 4. С. 153−164. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202104-17.
9. Вольхин Ю.Н., Мандрик А.М., Носов Ю.И. О перспективах использования методов и средств микроволновой фотоники в сверхширокополосной радиолокации и сверхширокополосной радиосвязи // Междунар. науч.-технич. конф. «Радиотехника, электроника и связь» («РЭИС-2011»). Омск: Изд-во ОНИИП. 2011. С. 322–329.
10. Шулунов А. Н.  Применение радиофотоники в радиолокации // Материалы 24-й Междунар. Крымскойконф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2014). Севастополь. 2014. С. 2–5.
11. Быстров Р.П., Соколов С.А., Черепенин В.А. Системы и устройства на основе радиофотоники применительно к радиолокации // Журнал радиоэлектроники. 2017. № 6. URL: http://jre.cplire.ru/jre/jun17/3/text.pdf
12. Голов Н.А., Усачев В.А., Боев С.Ф., Савченко В.П., Шулунов А.Н., Зубарев Ю.Б. Эволюция радиофотоники и перспективы ее применения в радиолокации // V Всерос. науч.-технич. конф. «РТИ Системы ВКО – 2017»: Труды конф. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2018. С. 292–321.
13. Голов Н.А., Савченко В.П., Скосырев В.Н., Усачев В.А. Радиофотоника в перспективных радиолокационных системах // Успехи современной радиоэлектроники. 2020. T. 74. № 12. С. 17–31. DOI: 10.18127/j20700784-202012-02.
14. Уао Х.S., Maleki L. High•frequency optical subcarrier generator // Electronics Letters. 1994. V. 30. № 18. P. 1525–1526.
15. Уао Х.S., Maleki L. Optoelectronic oscillator for photonic systems // IEEE Journal of Quantum Electronics. 1996. V. 32. № 7. P. 1141–1149.
16. Bortsov A.A., Il’in Y.B., Smolskiy S.M. Laser Optoelectronic Oscillators. Springer Nature Switzerland AG, 2020.
17. Патент RU2779887C1. Автодинный приемопередатчик для систем ближней радиолокации / Носков В.Я., Богатырев Е.В., Галеев Р.Г., Игнатков К.А., Шайдуров К.Д. Опубл. 14.09.2022. Бюл. 26.
18. Носков В.Я., Богатырев Е.В., Галеев Р.Г., Игнатков К.А., Шайдуров К.Д. Принцип действия автодинного оптоэлектронного приемопередатчика для систем ближней радиолокации // Ural Radio Engin. Journal. 2022. Т. 6. № 3. С. 269–295.
19. Носков В.Я., Богатырев Е.В., Галеев Р.Г., Игнатков К.А. Радиофотонный автодин – новый объект и инструмент для радиофизических исследований // Взаимодействие сверхвысокочастотного, терагерцового и оптического излучения с полупроводниковыми микро- и наноструктурами, метаматериалами и биообъектами. В сб. 9-й Всеросс. науч. школы-семинара / Под ред. проф. А.В. Скрипаля. Саратов: Саратовский источник. 2023. С. 389–399.
20. Ming Li, Tengfei Hao, Wei Li, Yitang Dai. Tutorial on optoelectronic oscillators // APL Photon. 2021. V. 6. 061101. Doi: 10.1063/5.0050311.
21. Лопарев А.В. Моделирование процесса самовозбуждения оптоэлектронного генератора СВЧ колебаний // Научный вестник МИРЭА. 2010. № 9. С. 41–48.
22. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Радио и связь. 1986.
23. Андреев В.С. Влияние нелинейных свойств прибора с отрицательным сопротивлением на мощность генерируемых колебаний // Радиотехника. 1982. Т. 37. № 8. С. 43–44.
24. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т. 1. М.: Высшая школа. 1970.
25. Носков В.Я., Игнатков К.А., Смольский С.М. Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазонов и их применение. Часть 8. Автодины со стабилизацией частоты внешним высокодобротным резонатором // Успехи современной радиоэлектроники. 2013. № 12. С. 3–42.
26. Усанов Д.А., Скрипаль Ал.В., Скрипаль Ан.В. Физика полупроводниковых радиочастотных и оптических автодинов. Саратов: СГУ. 2003.
27. Носков В.Я., Смольский С.М., Игнатков К.А., Мишин Д.Я., Чупахин А.П. Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазонов и их применение. Часть 10. Основы анализа и расчета параметров автодинов с учетом шумов // Успехи современной радиоэлектроники. 2018. № 3. С. 18–52.
28. Белкин М.Е. Разработка модели оптоэлектронного генератора СВЧ диапазона // Материалы Международной НТК INTERMATIC-2008. М.: МИРЭА. 2008. С. 289–297.
29. Khanna A.P.S. Microwave Oscillators: The State of the Technology // Microwave Journal. 2006. V. 49. № 4. P. 22–26.
30. Микитчук К.Б., Чиж А.Л., Малышев С.А. Двухконтурный оптоэлектронный генератор СВЧ с низким уровнем дискретных составляющих в спектре генерации и сверхнизким фазовым шумом // Сб. статей VII Всероссийской конференции: «Электроника и микроэлектроника СВЧ». 2018. Т. 1. С. 296–301. СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2018.
31. Fedderwitz S. et all. Ultra-broadband and low phase noise photonic millimeter-wave generation. // International Topical Meeting on Microwave Photonics jointly held with the Asia-Pacific Microwave Photonics Conference. 2008. № 10384675. P. 283–286.
32. Микитчук К.Б., Чиж А.Л. и др. Оптоэлектронный гетеродин Х-диапазона со сверхнизким фазовым шумом // Электроника и микроэлектроника СВЧ. 2019. Т. 1. № 1. С. 204–208.
33. Носков В.Я., Игнатков К.А. Шумовые характеристики автодинов со стабилизацией частоты внешним высокодобротным резонатором // Радиотехника и электроника. 2016. Т. 61. № 9. С. 905–918.
34. Белов Л., Хилькевич В. Генераторы с диэлектрическими резонаторами для стабилизации частоты // Электроника: Наука, Технологии, Бизнес. 2006. № 7. С. 54–59.
35. Черняк В.С. Многопозиционная радиолокация. М.: Радио и связь, 1993.
36. Давлеткильдеев Н.А., Никифорова А.О., Мосур Е.Ю., Кривальцевич С.В. Исследование характеристик аналоговой волоконно-оптической линии передачи радиосигналов в ВЧ-, ОВЧ-диапазоне // Техника радиосвязи. 2022. Вып. 1 (52). С. 51–61. DOI: 10.33286/2075-8693-2022-52-51-61.
37. Jian Tang, Tengfei Hao, Wei Li, Ninghua Zhu, Ming Li. An integrated optoelectronic oscillator // International Topical Meeting on Microwave Photonics (MWP). Beijing, China. 2017. № 17415877. 4 p.
38. David Seidel, Anatoliy Savchenkov, Danny Eliyahu, Skip Williams, Andrey Matsko Minituarized Ka-band Photonic Oscillators // International Topical Meeting on Microwave Photonics (MWP). Toulouse, France. 2018. № 18306345. 2 p.
39. Kai Wei, Afshin S. Daryoush Self-Forced Silicon Photonic Integrated Optoelectronic Oscillators using High-Q Filtering Delay Lines // International Topical Meeting on Microwave Photonics (MWP). Matsue, Japan, 2020. No. 20287445. P. 180–183.
40. Патент RU2537450C1. Способ изготовления заготовок для волоконных световодов на основе кварцевого стекла, легированного азотом / Борцов А.А., Ильин Ю.Б., Карачев А.А., Пнев А.Б., Карасик В.Е., Барышников Н.В. Приор. от 10.01.2015. Бюл. № 1.