Радиофотоника

Радиофотонные системы: измерения параметров и характеризация ВЧ/СВЧ-оптических компонентов

Радиофотоника

В последние десятилетия в сфере сверхширокополосных систем передач наблюдается замещение электронных систем на фотонные.

Отсутствие заряда и массы наделяет фотон свойствами, невозможными для электрона, в результате чего фотонные системы не подвержены внешним электромагнитным полям и обладают гораздо большей, в сравнении с электронными, дальностью передачи и шириной занимаемой полосы сигнала.

Что такое радиофотоника

Преимущества, уже реализованные на базе фотоники в сфере телекоммуникаций, дают право говорить о новом отраслевом направлении – радиофотонике, возникшей из слияния радиоэлектроники, интегральной и волновой оптики, СВЧ-оптоэлектроники и ряда других областей науки и промышленного производства.

Другими словами, радиофотоника‒ новое научно-техническое и технологическое направление, изучающее взаимодействие оптического излучения и СВЧ-радиочастотного сигнала в задачах приема, передачи и обработки информации. Направление связано с использованием методов и средств фотоники совместно с радиоэлектронными элементами, узлами и устройствами радиодиапазонов. 

Радиофотоника нашла свое применение в таких областях, как передача с минимальными потерями сигналов спутниковой связи, распределение сигналов на удаленные антенны, линии передачи СВЧ-сигналов внутри крупных объектов, системы радиоэлектронной борьбы (РЭБ), оптические линии задержки и обработки сигналов, системы калибровки радаров и РЛС, фазированные антенные решетки (ФАР).

В английской литературе данное направление получило название radio over fiber (ROF) или radio over glass (ROG).

Суть этих технологий заключается в передаче радиосигнала (на соответствующей несущей, с определенным форматом модуляции, или импульсным сигналом, с ЛЧМ и т.д.

) по оптоволоконному кабелю с помощью двух ключевых элементов: передатчика (TX — transmitter) и приемника (RX — receiver). В основном качество такой системы и определяется этими главными (активными) электрооптическим и оптоэлектронным компонентами (рис.1).

Рис.1. Структура радиофотонной системы

Основные преимущества радиофотонных систем: сверхнизкие потери и дисперсия оптического волокна (менее 0.

2 дБ/км на 1550 нм, оптическая несущая ~200 ТГц); сверхширокополосность (доступная полоса частот оптического волокна ~50 ТГц, полоса частот современных фотодиодов и модуляторов до 100 ГГц и выше); низкий уровень фазовых шумов (процесс прямого оптического детектирования с помощью фотодиода не восприимчив к фазе оптического излучения); высокая фазовая стабильность оптического волокна; невосприимчивость к электромагнитным помехам, не создает помехи; гальваническая развязка фотонных схем; малая масса и размеры оптического волокна; механическая гибкость оптического волокна (облегчает конструктивное исполнение).

Типы компонентов радиофотонных систем

Итак, основные компоненты радиофотонной системы — передатчик и приемник. Конечно, это общие названия.

На практике передатчик является более сложным устройством, содержащим источник лазерного излучения и модулятор, не считая электронные схемы управления, например, микропроцессор.

В качестве приемников используются различные фотодиоды или фотодетекторы, а при необходимости детектирования фазы оптического сигнала — когерентные фотодетекторы со смешением с опорным сигналом (рис.2).

Рис.2. Основные компоненты радиофотонной системы

Конечно, роль пассивных оптических компонентов также высока, и использование качественных оптоволоконных кабелей – залог передачи сигнала с минимальными потерями. Для некоторых типов сигналов и форматов модуляции критичным становится сохранение состояния поляризации по всей длине волокна.

Немало зарубежных компаний предлагают сегодня радиочастотные волоконно-оптические компоненты различного назначения и различных принципов действия (рис.3 и 4).

Сейчас важным направлением развития и сохранения обороноспособности и научного потенциала России является разработка отечественной компонентной базы.

Именно при разработках, исследованиях, опытно-конструкторских работах и производстве компоненты необходимо характеризовать и получать полную информацию в широком рабочем частотном диапазоне.

Рис.3. Примеры модуляторов и лазерных диодов, использующихся в радиофотонных системах

Рис.4. Примеры фотоприемных устройств, использующихся в радиофотонных системах

Метод измерения параметров компонентов — «оптические» S-параметры

Как было сказано выше, компоненты радиофотонных систем необходимо характеризовать и получать полную информацию в широком рабочем частотном диапазоне. Такую информацию несут, как известно, S-параметры для ВЧ/СВЧ-устройств.

В оптических системах передачи данных и связи активные компоненты также можно охарактеризовать в зависимости от соотношений между выходным и входным сигналом и типа этих сигналов. Для оптических компонентов S-параметры несут определенный смысл, отличающийся от S-параметров ВЧ/СВЧ-устройств.

Например, частота отсечки модулирующего сигнала, абсолютная чувствительность, потери на отражение и т.д. К тому же невозможно измерение параметра S12, ввиду невозможности обратного преобразования сигнала в таких компонентах.

Итак, измерение параметров оптоэлектронного приемника состоит из определения отношения силы тока выходного электрического модулированного сигнала к уровню мощности входного оптического модулирующего сигнала. Чувствительность оптоэлектронных устройств описывает, как изменение уровня оптической мощности приводит к изменению электрического тока. Графически это показано на рис.5.

Рис.5. Определение характеристик оптоэлектронных устройств

Прибор должен измерять уровень мощности входного оптического модулирующего сигнала, силу тока выходного электрического модулированного сигнала и отображать отношение этих двух величин в А/Вт.

Процесс измерения параметров электрооптических устройств во многом аналогичен измерению оптоэлектронных устройств.

Анализ электрооптического передатчика включает измерение силы тока входного электрического сигнала модуляции и уровня мощности выходного оптического модулированного сигнала.

Крутизна характеристики или чувствительность (Responsivity Rs (W/A)) используется для описания того, как изменение силы тока на входе приводит к изменению уровня мощности на выходе. Графически это показано на рис.6.

Рис.6. Определение характеристик электрооптических устройств

Прибор должен измерять силу тока входного электрического модулирующего сигнала, уровень мощности выходного оптического модулированного сигнала и отображать отношение этих двух величин в Вт/А в линейном масштабе или децибелах.

Таким образом, используя приведенные методы измерений параметров и характеризации для тестирования компонентов систем передачи радиосигнала по оптическому каналу, а именно электрооптических, оптоэлектронных устройств, компанией Keysight Technologies предложен инновационный прибор — анализатор оптических компонентов (lightwave component analyzer – LCA), построенный на базе векторного анализатора цепей. Концептуальная диаграмма метода анализа оптических компонентов, реализованного на базе векторного анализатора цепей и преобразования радиосигнала в оптический и наоборот, представлена на рис.7.

Рис.7. Концептуальная диаграмма анализатора оптических компонентов

Концептуальная схема реализуется с помощью так называемой «оптической» приставки (рис.

8), в которой происходит преобразование, то есть в ней интегрированы оптический передатчик и оптический приемник, а система фазостабильных кабелей используется для передачи сигналов на векторный анализатор цепей, откалиброванный в плоскости входных каналов последнего. Такое оборудование позволяет определять «оптические» S-параметры в диапазоне частот до 67 ГГц.

Рис.8. Структура анализатора оптических компонентов

Сейчас линейка анализаторов оптических компонентов компании Keysight Technologies состоит из четырех приборов: N4373D, N4375D, N4376D, N4374B (табл.).

В каждой модели опционально можно выбрать необходимый частотный диапазон, конфигурацию векторного анализатора цепей, конфигурацию оптической приставки (например, использование встроенного лазерного излучателя или внешнего — на пользовательской длине волны).

Модели анализаторов оптических компонентов компании Keysight Technologies

МодельЧастотные диапазоныПараметры оптической приставкиМодель векторного анализатора цепей, на базе которого строится прибор
N4374B4,5 ГГцодномодовое волокно, 1310, 1550 нм или внешний источник излученияENA-C, только 2 порта
N4376D26,5 ГГцмногомодовое волокно, 850 нмPNA, 2 или 4 порта
N4375D26,5 ГГцодномодовое волокно, 1310, 1550 нм или внешний источник излученияPNA, 2 или 4 порта
N4373D43,5   50   67 ГГцодномодовое волокно, 1310, 1550 нм или внешний источник излучения (либо многомодовое 850 нм по специальному запросу)PNA, 2 или 4 порта

Управление прибором осуществляется с помощью надстройки к стандартному пользовательскому интерфейсу анализаторов цепей Keysight.

С помощью данной надстройки выбирается длина волны источника излучения, мощность оптического излучения, рабочая точка встроенного лазерного излучателя.

  Таким образом, работа с прибором такого высокого класса интуитивно понятна и не составляет труда, в том числе процесс калибровки и коррекции предыскажений (рис.9).

Рис.9. Интуитивно понятный пользовательский интерфейс анализатора оптических компонентов

Так же анализатор оптических компонентов (при использовании 4-портовой конфигурации анализатора цепей) позволяет проводить балансные измерения устройств с дифференциальными входами или выходами (рис.10). Как и тестирование ВЧ/СВЧ устройств, радиофотонные компоненты можно тестировать на подложке или плате с помощью зондовой станции и специальных пробников (рис.11).

Рис.10. Измерения балансных устройств на примере приемника типа ROSA

Рис.11. Тестирование оптических компонентов на подложке или плате

Еще одним преимуществом метода характеризации ВЧ/СВЧ оптоэлектронных и электрооптических компонентов в частотной области с помощью S-параметров является их интеграция с системами автоматизированного проектирования (САПР).

Так, для моделирования радиофотонной системы можно использовать измеренные на анализаторе оптических компонентов S-параметры передатчика или приемника, загрузить их в соответствующую модель, например, в САПР для моделирования на системном уровне Keysight SystemVue, и модель системы построить на основе реальных параметров, обеспечивая этим полное соответствие и правдоподобность модели (рис.12).

Рис.12. Экстракция измеренных параметров в САПР на примере лазерного передатчика типа VCSEL

Таким образом, компанией Keysight Technologies разработан и предложен метод измерений параметров и характеризации ВЧ/СВЧ оптоэлектронных и электрооптических компонентов в частотном диапазоне до 67 ГГц и решение для его реализации на базе векторных анализаторов цепей компании Keysight серий ENA и PNA.

Источник: https://community.keysight.com/community/keysight-blogs/russia/blog/2016/12/15/%D1%80%D0%B0%D0%B4%D0%B8%D0%BE%D1%84%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B5-%D1%81%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D1%8B-%D0%B8%D0%B7%D0%BC%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F-%D0%BF%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%BC%D0%B5%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%B2-%D0%B8-%D1%85%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%B7%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F-%D0%B2%D1%87%D1%81%D0%B2%D1%87-%D0%BE%D0%BF%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D1%85-%D0%BA%D0%BE%D0%BC%D0%BF%D0%BE%D0%BD%D0%B5%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%B2

Радиофотоника

Радиофотоника

В настоящее время фотонику рассматривают как широкую область знаний включающую разные явления связанные со световым излучением.

В результате соединения оптоэлектроники и сверхвысокочастотной (СВЧ) радиоэлектроники возникла сверхвысокочастотная оптоэлектроника (СОЭ). Для обозначения СОЭ в настоящее время часто применяют термин «радиофотоника».

Чем вызвано возникновение радиофотоники?

Радиофотоника — это относительно новое научно- техническое направление. Объектами рассмотрения этого направления стали:

  • полупроводниковые лазеры;
  • фотодиоды;
  • фототранзисторы;
  • СВЧ диоды;
  • транзисторы с дополнительным оптическим выводом;
  • узлы и модули на основе сочетания элементов, названных выше между собой и с цифровой и аналоговой базой электроники.

Радиофотоника, исследуя взаимодействие световых сигналов и СВЧ излучения, дает возможность конструировать устройства, имеющие параметры, недостижимые, если применять традиционные средства электроники.

Сверхширокополосные аналоговые линии связи, линии задержки, и применяющие элементы радиофотоники фильтры, генераторы и другие устройства СВЧ – диапазона уже нашли применение во многих системах, например, в радиолокации.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Замечание 1

Говорят, что XIX век был веком пара, XX век стал веком электроники, а XXI век станет веком фотоники.

За последнее десятилетие в 50 раз вырос объем передаваемой во всемирной сети информации. При этом 10% от суммарной мировой электрической энергии затрачивается на Интернет, и потребление на эти цели растет с каждым годом.

Планируется к 2020 году скорость передачи информации довести до 100 Тб/с на волокно.

Электроника уже не в состоянии справится с названными выше задачами, ученые считают, что это сможет сделать фотоника.

Развитие фотоники как науки с акцентом на технологии стало современной всемирной задачей.

Фотон имеет иную физическую природу, чем электрон. Фотон не имеет массы покоя, и он электрически нейтрален. Поэтому фотонные системы, если сравнивать их с электронными:

  • не будут испытывать внешние электромагнитные воздействия;
  • имеют большую дальность и скорость передачи;
  • имеют большую ширину пропускания.

Данные преимущества уже применяются в телекоммуникационной сфере при использовании фотоники.

Определение 1

Радиофотоникой называют комплекс научных областей, которые, в основном, занимаются разработкой устройств, осуществляющих передачу, прием и преобразование сигнала при помощи электромагнитных волн СВЧ диапазона, и приборов (систем), основанных на принципах фотоники.

Радиофотоника образована на основе:

  • радиоэлектроники;
  • интегральной оптики;
  • волновой оптики;
  • СВЧ оптоэлектроники;
  • ряда других научных отраслей и промышленного производства.

Цели радиофотоники

Основной целью радиофотоники можно назвать исследование и разработку сверхскоростных активных оптоэлектронных приборов и устройств, имеющих полосу пропускания в диапазоне радиоволн, а также их использование в разных оптических и радиотехнических схемах передачи данных, формирования и обработки сигналов радиочастотного диапазона, используя оптические и оптоэлектронные средства.

Основаниями для совершенствования характеристик радиосредств СВЧ диапазона являются свойства среды (оптоволокно), в которой они распространяются:

  • небольшие потери при передаче;
  • относительно широкая рабочая полоса частот;
  • нечувствительность к электромагнитным полям;
  • хорошие массогабаритные характеристики.

Данные преимущества позволяют повысить тактико-технические показатели и характеристики средств радио передачи.

Применение результатов исследований радиофотоники

  1. Радиофотонные системы планируется использовать в современных системах радиолокации.
  2. Радиофотонные системы возможно применить в распределении сотовых, беспроводных и спутниковых сетях, антеннах на аэродромах, в системах обработки и визуализации сигналов.
  3. Применение радиофотонных систем в беспроводных сетях планируется сделать ключевой технологией обеспечения бесперебойной работы сложных беспроводных сетей нового поколения.
  4. Радиофотоника дает новые возможности к расширению функций СВЧ систем на больших частотах.

    Она позволит соединить эти системы с информационно – коммуникационными системами.

Направления деятельности радиофотоники

Радиофотонным устройством часто называют обособленный функциональный узел, структура которого имеет элементы радио и оптического диапазонов.

Ключевым направлением деятельности фотоники является создание интегральных схем.

Для осуществления цели радиофотоники необходимо создать фотонные блоки в виде микрочипов (фотонных интегральных схем (ФИС)).

Интеграция:

  • делает ФИС надежнее;
  • дает возможность снизить их цену;
  • позволяет сделать ФИС энергоэффективными;
  • улучшает их целостность;
  • решает проблему согласования сигналов отдельных составляющих.

Помимо фотоники интегральные схемы применяются в:

  • оптической связи и обработке сигналов;
  • датчиках.

В перспективе ФИС планируют использовать в:

  • оптических соединениях для центров обработки данных и передачи данных;
  • квантовых компьютерах.

На сегодняшний день большее число ФИС работают в аналоговом режиме. В результате этого происходит накопление ошибок при увеличении числа устройств. В свою очередь это ухудшает сигнал и необходима регенерация сигналов.

Цифровая обработка сигнала может обеспечить значительное улучшение параметров приборов и их функций.

Фактором, который ограничивает применение цифровой обработки сигнала, становится быстродействие и компактность электронных АЦП.

Так, основной задачей радиофотоники на сегодняшний день стал переход от аналоговых к цифровым сигналам.

Следовательно, необходимо создать элементную базу – микрочипов, ФИС блоков АЦП (блока дискретности и блока квантования сигнала). Требуется создать условия для обеспечения максимальной частоты модуляции в компонентах.

Оптоэлектронный генератор

Примером, который отражает преимущество радиофотонного подхода при формировании сигналов СВЧ диапазона, служит оптоэлектронный генератор (ОЭГ) СВЧ сигналов.

В состав ОЭГ входят:

  • Оптический узел.
  • Радиотехнический узел.

Оптический узел имеет:

  • полупроводниковый лазерный модуль;
  • модулятор интенсивности излучения;
  • волоконно-оптический тракт;
  • фотодиодный модуль.

Радиотехнический узел составлен из:

  • предварительного электрического усилителя;
  • полосно-пропускающего фильтра;
  • усилителя мощности;
  • пассивного делителя мощности.

Особенностью работы этого устройства в высокой добротности протяженного волоконного резонатора. Это способствует очень низким фазовым шумам.

Использование оптоэлектронного генератора дает возможность одновременно обеспечить широкую полосу перестройки и низкий уровень шума.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/fotonika/radiofotonika/

Фотонные радары, радиофотоника и стелс-технологии

Радиофотоника

«Фотонный радар на истребителе Су-57 превращает американский истребитель F-35 в очень дорогую воздушную мишень».

На самом деле статья неоднозначная

С напускной грустью, китайский журналист пишет  в ней о том, что «к сожалению, военные проекты России за последние 20 лет, за исключением атомных подводных лодок и ядерных ракет, идут очень плохо: танки Т-90, новые военные корабли постоянно откладываются, что хуже всего, как и новая эра России» . 

Упоминет о том, что «истребитель Су-57 стоил миллиарды долларов, и 20 лет исследований и разработок потерпели неудачу. У российского правительства не было иного выбора, кроме как отвлечь свое внимание и перенести первоначально заказанные заказы Су-57 на Су-35, что составляет половину цены».  И, наконец, радует информацией о «луче света —  микроволновом фотонном радаре».

После перечислений достоинств радара следует вывод: «Если русские смогут воспользоваться этой возможностью, истребитель Су-57 может действительно превратить поражение в победу!»

«Особенность этого типа радаров заключается в том, что он компактный, легкий и имеет большой радиус действия. Он может напрямую отображать силуэт самолета с разрешением в несколько десятков раз выше, чем у обычного радара, вес и объемы нового радара примерно в два раза меньше, чем у нынешних,», – рассказывает  автор статьи.

Оставим мнение о «победах» и «поражениях»  на совести китайского автора и поговорим о фотонном радаре.

По мнению издания, радар можно сделать в форме тонкой пластины, крепящейся к поверхности истребителя, благодаря этому самолет станет легче и получит улучшенные летные характеристики. mil.news.sina.com.cn

РОФАР

Проект РОФАР (радиоптические фазированные антенные решетки) был начат в феврале 2015 года, а заканчивается в июле 2019 года.  «Концерн Радиоэлектронные технологии» (КРЭТ) Госкорпорации Ростех ведет разработку технологии радиофотоники не имеющей аналогов в мире.

Анонсировалось, что новая технология позволит снизить массу радиоэлектронного оборудования боевых кораблей в 5-7 раз), радар нового поколения сможет делать «рентгеновские снимки» самолетов, находящихся на удалении более 500 километров, а радиооптические фазированные антенные решетки значительно расширят возможности современных средств связи и радаров — их масса снизится более чем вдвое, а разрешающая способность увеличится в десятки раз.

Радар на основе квантовой визуализации. engadget.com

«РОФАР позволит нам увидеть самолет, находящийся в 500 километрах, так, словно мы стоим в 50 метрах от него на аэродроме, его портрет в видеодиапазоне.

Более того, если нужно, эта технология позволит заглянуть и в сам самолет, узнать, какие люди и техника в нем находятся, поскольку сигнал может пройти любые препятствия, даже метровые свинцовые стены, благодаря использованию широкого диапазона частот, проникающих на различную глубину внутрь объекта»

КРЭТ писал о том, что радиооптические фазированные антенные решетки значительно расширят возможности современных средств связи и радаров – их разрешающая способность увеличится в десятки раз.

Если у современного локатора частота излучения 10 ГГц, 3 см с шириной спектра 1-2 ГГц, то у РОФАР эта частота может составлять от 1 Гц до 100 ГГц одновременно.

На практике это означает, что РОФАР может давать детализированное, объемное изображение того, что происходит на расстоянии сотен километров от него. К примеру, на дальности 400 км можно не просто увидеть человека, но даже узнать его лицо.

«В отличии от традиционных РЛС заглушить РОФАР традиционными средствами РЭБ не получится физически. Динамический диапазон фотонного кристалла — это примерно 200 Дб.

Современный радиоэлектронный приемник, для сравнения, имеет диапазон 40 — 60 Дб, а мы современными комплексами РЭБ обеспечиваем подачу сигнала на вход радиоприемного устройства – в 70-80 Дб относительно его пороговой чувствительности.

Таким образом, устройство, которое должно принимать сигнал выводиться из работоспособного состояния. Даже после снятия помехи у него внутри еще идут процессы, которые не дают ему работать.

Но на Земле просто нет источника энергии для подачи сигнала мощностью, превышающей 200 Дб, поэтому эта логика в случае с РОФАР просто не работает. Его можно запутать так называемым интеллектуальным противодействием, но это уже совсем другая история.»  

Новой радар российских истребителей. Инфографика: s9.stc.all.kpcdn.net

«Фотоника по сути является аналогом электроники, использующим вместо электронов кванты электромагнитного поля оптической частоты — фотоны.

Радиофотоника является составной частью нанофотоники, изучающей направленное взаимодействие оптических волн с наноструктурами, в то время как радиофотоника изучает направленное взаимодействие оптических волн, промодулированных радиочастотой в специализированных наноструктурах и позволяет создавать радиочастотные устройства с параметрами, недостижимыми для традиционной электроники, благодаря тому, что фотоны, в отличие от электронов, не имеют массы покоя и заряда, что дает потенциально сверхвысокое быстродействие и уникальную помехоустойчивость».

Принцип работы фотонного радара

По западной терминологии «квантовый радар» (quantum radar)  — его принцип работы основывается на особенностях фотонов как квантовых частиц. Сигнал, излучаемый таким радаром очень помехоустойчивый. 

Принцип работы фотонного (квантового) радара.  engadget.com

Идея заключается в использовании для обнаружения цели и получения ее изображения фотонов, имеющих определенную поляризацию. Цель освещается потоком специально поляризованного света, а отраженные от цели фотоны позволяют составить изображение цели.

Но противник может перехватить фотоны, изменить их и отправить назад эти фотоны, которые исказят для радара форму цели и ее местоположение. Такой процесс приведет к изменению квантовых свойств фотонов, в частности, их поляризацию.

Определив поляризацию отраженных фотонов можно не только зарегистрировать сам факт постороннего вмешательства, но и полностью избавиться от него, «выбросив» фотоны с неправильной поляризацией.

Разработанная технология базируется на квантовых свойствах фотонов света, в частности на факте, что любая попытка воздействия на фотон приведет к разрушению его квантовых свойств.

Противодействие сигналам радаров является достаточно сложным делом.

Для этого существует несколько различных методов, таких как, подавление полезного сигнала шумом на частоте работы радара или сброс ложных целей, создающих ложные отражения.

Но современные радарные системы, вооруженные компьютерами и процессорами обработки сигналов, легко справляются с таким противодействием, поэтому подразделениям радиоэлектронной борьбы приходится применять все более и более сложные методы.

Одним из таких сложных методов является перехват сигнала радара и его изменение таким образом, который дает ложную информацию о самой цели и ее местоположении. И с таким методом противодействия бороться намного труднее.

Стелс-технологии

Если осветить поляризованным светом самолет и проверить измерения количества отраженных фотонов, имеющих ошибочную поляризацию, то данных от фотонов, имеющих правильную поляризацию, будет вполне достаточно для того, что бы составить четкое и узнаваемое изображение самолета.

Исследователи обнаружили, что природа фотонов позволяет справиться даже с самыми продвинутыми стелс-технологиями. Если стелс-самолет попытается перехватить поток фотонов или исказить свое местонахождение каким-либо образом, то тем самым выдаст себя с головой, изменив свойства фотонов.

Используемый в работе системы принцип похож на тот, что лежит в основе квантовых криптографических систем с разделенной передачей ключа: любая попытка вклиниться в передачу ключа влияет на его квантовые характеристики и сразу выдает присутствие интервента. 

Радиофотонный локатор не будет стоять отдельным модулем в носу самолета, это будет распределенная система. sdelanounas.ru/blogs/96305
 

Простыми словами

В работе используется непрерывный стабилизированный лазер, амплитудные модуляторы и узкополосные оптические фильтры для преобразования радиолокационного сигнала в диапазон низких частот. Оптическая несущая и одна из боковых полос могут быть подавлены с помощью оптических полосовых фильтров на основе, например, микрорезонаторов или волоконных брегговских решеток.

Часть лазерного луча модулируется по амплитуде несущим СВЧ сигналом и также фильтруется для подавления оптической несущей и одной из боковых полос. После этого оптические сигналы, содержащие принимаемый сигнал и сигнал СВЧ несущей, могут быть смешаны на фотоприемнике и оцифрованы медленным электронным АЦП.

Для современных оптических элементов отношение сигнал/шум на выходе преобразователя может достигать 60-70 дб и более для СВЧ сигнала с несущей в десятки гигагерц и полосой 100 МГц и выше.

Работа радиофотонного приемного канала с оптическим гетеродинированием может быть использованы в исследованной схеме для ее применения в качестве универсального приемного канала, обеспечивающего ширину полосы до 100 МГЦ (длительность сигналов до 10 нс) с частотой несущей в десятки ГГц при отношении сигнал/шум, равном 60-70 дб (10-11 эффективных бит оцифрованного сигнала). Перспективным может быть также применение режима подавления несущей оптической частоты в модуляторах приемного канала. В этом случае в несколько раз повышается отношение сигнал/шум, а также не требуется использовать узкополосные оптические фильтры в схеме.

Радиофотоника, изучающая взаимодействие оптических и СВЧ-сигналов, позволяет создавать электронные устройства с параметрами, недостижимыми традиционными средствами.

На основе экспериментального образца построен излучатель и приемник. Все это работает, ведет локацию. В эксперименте излучается СВЧ- сигнал (сверхвысокочастотный), который отражается назад,  его принимают и обрабатывает, получая радиолокационную картинку объекта.  sdelanounas.ru/blogs/96305

Основные преимущества радиофотонных устройств:

  • Сверхнизкие потери и дисперсия оптического волокна (менее 0.2 дБ/км на 1550 нм, оптическая несущая ~200 ТГц).
  • Сверхширокополосность (доступная полоса частот оптического волокна ~50ТГц, полоса частот современных фотодиодов и модуляторов до 100 ГГц и выше).
  • Низкий уровень фазовых шумов (процесс прямого оптического детектирования с помощью фотодиода не восприимчив к фазе оптического излучения (к фазе и фазовым шумам оптической несущей).
  • Высокая фазовая стабильность оптического волокна. Невосприимчивость к электромагнитным помехам, не создает помехи.
  • Гальваническая развязка фотонных схем.
  • Малая масса и размеры оптического волокна.
  • Механическая гибкость оптического волокна (облегчает конструктивное исполнение).

Родом из СССР

Из книги Радиооптические антенные решетки Воскресенского Д.И. (Год издания:1986):
«Описаны методы формирования пространственных характеристик направленности приемных антенных решеток (АР) произвольной формы с использованием средств когерентной оптики и голографии.

Рассмотрены когерентные оптические процессоры АР. обладающие различными функциональными возможностями, приведены результаты экспериментальных исследований.

Для инженерно-технических работников, специализирующихся в области оптической обработки информации, антенной техники, радио- и гидролокации».

Радиооптические антенные решетки / Воскресенский, Д. И.; Гринев, А.Ю. ; Воронин, Е.Н. Место издания:Москва : Радио и связь Год издания:1986

От автора

Так как исследования и разработки по радиофотонным технологиям проводят и США, и ЕС, и Япония, и Южная Корея и Китай стоит смотреть шире и помнить, что использование систем радиооптических фазированных антенных решеток (РОФАР) в перспективе даст возможность построения сети уникальных синхронизированных космических и наземных радиотелескопов, а также покрыть фюзеляж самолетов и вертолетов «умной» обшивкой нового типа.

Фотоника может также эффективно применяться в ЖКХ, например, в городских и поселковых системах теплоснабжения, где вместо горячей воды энергоносителями будут выступать фотоны, распространяющиеся в фотоннокристаллических волокнах толщиной с человеческий волос почти без потерь, энергия которых будет преобразовываться в тепло с почти 100% КПД в устройствах, вмонтированные в квартирные радиаторы.

Также радиофотоника может совершить революцию в метеорологии, качественно улучшив точность прогнозирования погоды на Земле.

Поэтому радиофотоника призвана стать новой цивилизационной ступенью развития всего человечества.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Авиация Россия РОФАР. стелс-технологии Су-57 фотоника фотонный радар

Источник: https://naukatehnika.com/fotonnye-radary-fotonika-stels-texnologii.html

Радиофотоника и китайские

Радиофотоника

В этой статье я устрою ликбез для диванных «академиков», так как уже не первый раз замечаю, что стоит написать какую-нибудь статью по поводу современных технологий, применяемых в военной сфере, как тут же в х появляются представители агрессивного невежества, диванные «академики», разбирающиеся лучше любого учёного во всех современных технологиях. Такую неадекватную реакцию вызвала одна моя статья, в которой я объяснил почему никаких китайских «квантовых» радаров в реальности не существует. Но для персонажей описанных выше, что Радиофотоника, что квантовая запутанность — это примерно одно и то же.

И если с первым типом невежества все более-менее понятно, то вторые способны еще и генерировать наукообразный бред.

Что за каша должна быть в запутанных сознаниях таких персонажей, чтобы заявлять, что РОФАР (радар, построенный с применением принципов радиофотоники: Радиооптическая Фазированная Антенная Решетка) — это и есть «квантовый» радар и там используются эффекты вплоть до квантовой запутанности?

А теперь, собственно Ликбез (ликвидация безграмотности):

1. Радиофотоника и РОФАР не имеют ничего общего с квантовой запутанностью. Вот что представляет собой радар, построенный с применением принципов радиофотоники, с точки зрения Митяшева М.Б — к.т.н., начальника СКБ ОАО «ГСКБ «Алмаз-Антей», с.н.с., доцента кафедры радиолокации, управления и информатики МФТИ:

Основными элементами оптической схемы АФАР являются: полупроводниковые лазеры, одномодовые оптические волокна и кабели, делители и разветвители оптических сигналов, оптические соединители и усилители, модуляторы и фотоприемники.

А вот как принцип действия РОФАР описал советник первого заместителя гендиректора КРЭТ Владимир Михеев:

В обычной радиолокационной станции (РЛС) излучение генерируется электровакуумными или полупроводниковыми приборами, коэффициент их полезного действия относительно низкий — 30-40%. Оставшиеся 60-70% энергии превращаются в тепло. В новом радаре радиолокационный сигнал получается за счет преобразования фотонным кристаллом энергии когерентного лазера в СВЧ-излучение. У такого передатчика коэффициент полезного действия будет составлять не менее 60-70%. То есть большая часть энергии лазера будет преобразовываться в радиолокационную, в результате чего мы можем создать радар большой мощности.

Как видим, тут нет ни слова про «квантовую запутанность»! Просто сигналы в такой АФАР теперь генерируются полупроводниковыми лазерами, передаются по ВОЛС и преобразуются в СВЧ излучение при помощи специальных чипов. Все это позволяет существенно улучшить параметры АФАР.

2. Квантовый локатор — разновидность ЛИДАРа

Квантово-оптическая система в варианте исполнения: лазерный локатор «Сажень-ТМ». Локация космических объектов осуществляется лазерным лучем. Никакой «квантовой запутанности» не используется в виду физической невозможности.LIDAR англ. Light Identification Detection and Ranging «обнаружение, идентификация и определение дальности с помощью света».

В квантовом локаторе используется эффект квантовой запутанности. Вернее должен использоваться и СМИ активно пиарят новость о том, что якобы в Китае такой локатор уже создан. Луч лазера в китайском «квантовом» локаторе разделяется на две части. Одна излучается в сторону цели, а вторая остается в радаре.

Между фотонами в этих лучах якобы существует квантовая запутанность. И когда фотоны первого луча, попадая на поверхность цели, меняют свои квантовые свойства, то благодаря эффекту квантовой запутанности, такие же свойства у фотонов второго луча меняются на противоположные. И измерив эти параметры, можно якобы сделать выводы о характере цели.

Что ж, идея очень красивая. Жаль только, что неосуществимая!

Потому что никаких «квантовых» радаров на основе квантовой запутанности на данном этапе развития технологий не может существовать физически из-за явления «декогеренции». Декогеренция — это процесс нарушения когерентности (от лат. cohaerentio — сцепление, связь), вызываемый взаимодействием квантовомеханической системы с окружающей средой посредством необратимого, с точки зрения термодинамики, процесса. В крупных системах, состоящих из миллиардов квантовых частиц декогеренция происходит практически мгновенно!

Друзья! Канал «Новости и Факты» нуждается в вашей помощи! Вы можете подарить 50 рублей на развитие канала. Помогите проекту!

Ссылки на другие статьи автора по тематике:

Вооружения и Военная техника

Политика, Экономика и Производство

IT и Компьютерная техника

История и Мифы

Источник: https://zen.yandex.ru/media/id/5b44a7246da19500a9f6f038/5d96b15bbd639600b06ba00d

Радиофотоника вместо электроники

Радиофотоника

В последние годы электронные системы все чаще заменяются на фотонные. Связано это в первую очередь с иной физической природой фотона. Что же такое фотон и какие уникальные возможности военной технике предоставит новое направление – радиофотоника?

Быстрее электрона

Фотоника по сути является аналогом электроники, использующим вместо электронов кванты электромагнитного поля – фотоны.

Эти самые распространенные по численности частицы во Вселенной, в отличие от электронов, не имеют массы и заряда.

Именно поэтому фотонные системы не подвержены внешним электромагнитным полям, обладают гораздо большей дальностью передачи и шириной полосы пропускания сигнала.

Фотоника по сути является аналогом электроники, использующим вместо электронов кванты электромагнитного поля – фотоны.

Эти самые распространенные по численности частицы во Вселенной, в отличие от электронов, не имеют массы и заряда.

Именно поэтому фотонные системы не подвержены внешним электромагнитным полям, обладают гораздо большей дальностью передачи и шириной полосы пропускания сигнала.

Как область науки фотоника началась в 1960 году с изобретением первого важного технического устройства, использующего фотоны, – лазера.

Сам же термин «фотоника» начал широко употребляться в 1980-х годах в связи с началом широкого использования волоконно-оптической передачи.

Кстати, у нас в стране первым разработкой таких волоконно-оптических кабелей занялось ОКБ кабельной промышленности, ныне входящее в КРЭТ.

Можно сказать, что эти разработки совершили целую революцию в сфере телекоммуникаций в конце прошлого века и стали основой для развития Интернета. Вообще, примерно до 2001 года фотоника была в значительной степени сконцентрирована на телекоммуникациях.

Сегодня «телекоммуникационная» фотоника помогает созданию нового направления – радиофотоники, возникшей из слияния радиоэлектроники, волновой оптики, СВЧ-оптоэлектроники и ряда других отраслей науки и промышленного производства.

Другими словами, радиофотоника занимается проблемами передачи, приема и преобразования информации с помощью электромагнитных волн СВЧ-диапазона и фотонных приборов и систем. Радиофотоника позволяет создавать радиочастотные устройства с параметрами, недостижимыми для традиционной электроники.

Современная радиочастотная аппаратура переходит в оптический диапазон, и игнорирование этого факта часто приводит к самым серьезным последствиям. Например, первоначально при конструировании информационно-телекоммуникационных, сервисных и технических сетей супераэробуса А380 не были заложены фотонные сети.

Применялся алюминиевый кабель, и длина его составила более 500 км. Это привело к серьезным проблемам на борту самолета. Для их решения потребовалась полная замена всех кабельных бортовых сетей каждого из строившихся А380.

В итоге – два года задержки и почти 5 млрд евро финансовых потерь, и крупнейшая корпорация чудом избежала финансового краха.

Радиофотонный прорыв

В микроэлектронике Россия, как известно, отстает от западных стран. Именно с помощью технологий в области радиофотоники предложено обойти конкурентов. Сегодня российские ученые в сфере оборонных технологий считают возможным отказаться от электронов и обратить внимание на фотоны, которые не имеют массы и летят быстрее.

По оценкам специалистов, серверы, работающие на принципах фотоники, уменьшились бы в сотню раз по сравнению с нынешними, а скорость передачи данных возросла бы в десять раз.

Или, к примеру, наземные радиолокационные станции. Сегодня такая РЛС представляет собой многоэтажный дом, но если начнет работать радиофотоника, то станцию можно будет установить на обычном КАМАЗе.

При этом эффективность и дальность будет точно такая же – на тысячи километров. Нескольких таких мобильных и малогабаритных комплексов можно объединить в сеть, которая увеличит характеристики этих РЛС.

Фотонные технологии значительно расширят возможности и бортовых радиолокационных станций.

Новые разработки в этой сфере более чем вдвое снизят массу существующих антенн и радаров, в десятки раз увеличат их разрешающую способность.

Также у радиофотонных антенн будет уникальная устойчивость к электромагнитным импульсам, которые возникают, например, при близких ударах молний или при солнечных магнитных бурях.

Все это позволит создавать широкополосные радары, которые по уровню разрешения и быстродействию можно назвать радарным зрением. Такие системы планируется применять и в гражданской сфере, например, на высокоскоростных поездах для мгновенного обнаружения препятствий на путях.

Фотоника может также эффективно применяться в ЖКХ, например, в городских и поселковых системах теплоснабжения. Вместо горячей воды энергоносителями будут выступать фотоны. Они будут распространяться в фотоннокристаллических волокнах толщиной с человеческий волос, энергия которых будет преобразовываться в тепло с почти 100% КПД.

Лаборатория будущего

В России радиофотонные технологии развивает КРЭТ.

Сегодня Концерн и Фонд перспективных исследований работают над перспективным проектом «Разработка активной фазированной решетки на основе радиофотоники» (РОФАР).

Проект включает в себя создание специальной лаборатории на базе предприятий Концерна и разработку универсальной технологии, которая будет положена в основу радаров и систем РЭБ нового поколения.

По словам гендиректора КРЭТ Николая Колесова, новейшие технологии позволят уже в 2020 годах создавать эффективные и продвинутые приемно-передающие устройства, радиолокационные станции, системы радиотехнической разведки и радиоэлектронного противодействия нового поколения.

Одним из главных направлений работы станет создание активной фазированной антенной решетки (АФАР) нового поколения, в которой основные элементы созданы с использованием принципов радиофотоники. Они позволят снизить массу аппаратуры в 1,5–3 раза, увеличить в 2–3 раза ее надежность и КПД, а также в десятки раз повысить скорость сканирования и разрешающую способность.

В случае успеха технология откроет новые возможности для улучшения характеристик «умной обшивки», которая будет на российских самолетах последнего поколения, в числе которых и ПАК ФА.

Такая система встроенных элементов по всей площади фюзеляжа позволит экипажу получать в любой момент времени цельную радиолокационную картину в радиусе 360 градусов, обеспечит работу антенных систем в режиме активной и пассивной радиолокации, постановку всех видов помех, скрытную и помехоустойчивую передачу данных, связь с землей и другими воздушными судами, госопознавание и другое.

Кроме того, на основе новых материалов и элементной базы, созданных на базе принципов фотоники, КРЭТ освоит перспективные технологии изготовления мощных фотодетекторов, а также полупроводниковых лазерных модулей.

Источник: https://Professionali.ru/Soobschestva/promyshlennost/radiofotonika-vmesto-elektroniki/

Booksm
Добавить комментарий