На правах рукописи

Демьяненко Александр Викторович

ДЕТЕКТИРОВАНИЕ СВЧ АМПЛИТУДНО-МОДУЛИРОВАННЫХ

ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ СИНХРОНИЗИРОВАННЫМ ГЕНЕРАТОРОМ

НА ЛАВИННО-ПРОЛЕТНОМ ДИОДЕ

Специальность 05.12.07 «Антенны, СВЧ-устройства и их технологии»

Специальность 05.12.04 «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Таганрог 2010

Работа выполнена на кафедре Антенн и радиопередающих устройств Технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Алексеев Юрий Иванович (Технологический институт Южного Федерального университета, г. Таганрог)

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, Филатов Константин Васильевич (Технологический институт Южного Федерального университета, г. Таганрог) кандидат технических наук, старший научный сотрудник Борисов Анатолий Александрович (ФГУП РЗ «Прибор», г. Ростов – на – Дону)

Ведущая организация:

ФГУП "Таганрогский НИИ связи", г. Таганрог

Защита диссертации состоится «1» июля 2010 г. в 1420 часов в ауд. Д-406 на заседании диссертационного совета Д 212.208.20 при Федеральном Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в Технологическом институте ЮФУ по адресу:

пер. Некрасовский, 44, г. Таганрог, Ростовская область, ГСП-17А, 347928.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке Южного федерального университета по адресу:

ул. Пушкинская, 148, г. Ростов-на-Дону, Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью организации, просим направлять по адресу:

ТТИ ЮФУ, ученому секретарю диссертационного совета Д212.208.20, пер. Некрасовский, 44, г. Таганрог, Ростовская область, ГСП-17А, 347928.

Автореферат разослан « 24 » мая 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доц. В.В. Савельев

Общая характеристика работы

В настоящей диссертационной работе предложен альтернативный способ детектирования СВЧ амплитудно-модулированных (АМ) оптических колебаний. Решены основные научно-технические вопросы, открывающие возможность проведения полного цикла разработки детектора СВЧ АМ оптического сигнала на основе генератора на лавиннопролетном диоде (ЛПД), введенного в режим синхронизации демодулируемым сигналом.

Акт уаль ность 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 АМ 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 АМ 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 АМ оптических колебаний.

Согласно опубликованным в открытых источниках данным, исследования, посвященные поискам альтернативных способов детектирования СВЧ АМ 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 С.В. Авериным (Институт радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН, Фрязино).

Область применения предложенного способа СВЧ АМ 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 АМ оптического колебания; определяются импедансные свойства ЛПД; исследуются режимы работы и анализируется устойчивость генератора– демодулятора в режиме детектирования СВЧ АМ оптических колебаний, а также исследуются технические пути практической реализации детектора СВЧ АМ оптических колебаний.

Цель работы и задачи исследований Цель диссертационной работы - разработать практические пути реализации альтернативного способа детектирования СВЧ АМ 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 АМ оптического колебания, и решить следующие задачи:

- определить импедансные свойства ЛПД, находящегося под воздействием СВЧ АМ 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.

- обобщена известная модель ЛПД на случай присутствия на p-n –переходе СВЧ АМ оптического сигнала. На основании предложенной модели получены аналитические выражения для определения импеданса ЛПД, находящегося под воздействием СВЧ АМ оптического колебания;

- на основании эквивалентной схемы генератора–демодулятора составлено и решено уравнение рассматриваемого устройства, с учетом того, что система находится под внешним воздействием СВЧ АМ 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 АМ 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 АМ, пригодные для применения в инженерных расчетах; результаты решения уравнения генератора на ЛПД, находящегося под воздействием СВЧ АМ оптического сигнала;

- результаты анализа устойчивости генератора на ЛПД в режиме демодуляции СВЧ АМ оптических колебаний;

- результаты разработки и экспериментальных исследований генератора–демодулятора, построенного на основе одного из серийных ЛПД трехсантиметрового диапазона длин волн.

- получены аналитические выражения для импеданса ЛПД, находящегося под воздействием СВЧ АМ оптического колебания, и для расчета АЧХ и ФЧХ синхронизированного ЛПД– генератора, пригодные для инженерных расчётов при проведении разработки СВЧ АМ оптических детекторов;

- предложена конструкция СВЧ АМ оптического демодулятора, на основе ЛПД–генератора;

- на основе проведенного в диссертационной работе анализа полученных результатов выработаны рекомендации по практической разработке детекторов рассматриваемого типа.

Внедрени е рез ульт атов 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 рез уль татов 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 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 ИРЭМВТаганрог, 2007; “Излучение и рассеяние ЭМВ ИРЭМВ-2009”, Таганрог, 2009) и всероссийских конференциях (11 докладов), а также на конференциях профессорскопреподавательского состава кафедры Антенн и радиопередающих устройств Технологического института Южного федерального университета 2003-2010 гг.

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.

Содержание диссертации Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи диссертационной работы, приведены основные положения, выносимые на защиту и сделан обзор литературы.

В первом разделе получены выражения, описывающие импедансные свойства ЛПД, находящегося под воздействием СВЧ АМ оптического колебания. Для этого основная система уравнений, описывающих динамические процессы в запорном слое ЛПД, была обобщена на случай облучения p–n-перехода диода оптическим лучом: падающие на p–n-переход фотоны поглощаются с образованием пар носителей заряда, создавая тем самым дополнительные («оптические») носители заряда, которые учитываются в коэффициентах генерации носителей заряда в уравнении полного тока. Результатом решения упомянутой системы уравнений являются аналитические выражения для расчета активной и реактивной составляющих импеданса ЛПД, позволяющие проводить анализ зависимости импеданса ЛПД не только от электрофизических параметров ЛПД и режима питания, но и от параметров воздействующего на ЛПД оптического колебания, что необходимо при анализе режимов работы ЛПД–генератора в режиме детектирования СВЧ АМ оптических колебаний.

Анализ изменения импедансных свойств под воздействием оптического излучения на генерирующий ЛПД проведен в двух направлениях: 1) при облучении ЛПД светом постоянной интенсивности, когда выявляются изменения импеданса под действием на ЛПД дополнительного энергетического воздействия; 2) при облучении ЛПД СВЧ АМ светом, когда выявляются импедансные свойства ЛПД-генератора, возбуждаемого синхронно с присутствующим в АМ-колебании модулирующим СВЧ-сигналом.

Импеданс ЛПД Zд при световом облучении p-n – перехода может быть представлен в виде суммы составляющих вызванных лавинными и пролетными эффектами (Zp-n=Rp-n+jXp-n) и «оптической» добавки (Zопт=Rопт+jXопт), определяемой следующими выражениями:

где Rопт и Xопт – «оптическая добавка» к активной и реактивной составляющим импеданса ЛПД;

– круговая частота; d – угол пролета носителем заряда области дрейфа; C d – емкость области дрейфа; W – ширина запорного слоя; la – ширина эквивалентного слоя умножения;

, л2 2 ; л – лавинная частота; I s 0 –постоянная составляющая фототока; I 0 –ток питания ЛПД; I1 – амплитуда первой гармоники СВЧ-тока; 1 – разность фаз между свободными колебаниями генератора на ЛПД и модулирующим оптическое колебание СВЧсигналом; a – время пролета носителем заряда эквивалентного слоя умножения;

f ( I1 ) 2I1 л2 1 л2 1 I 0 л2 1 – функция, описывающая амплитудную зависимость импеданса; I1 и I0 – функции Бесселя первого и нулевого порядка.

В частном случае, когда отсутствует оптическое воздействие на ЛПД, выражения для расчета импеданса, полученные в настоящей работе, имеют вид:

что соответствует импедансу, опубликованному в литературе. Этот факт подтверждает корректность выкладок при выводе выражений для расчета импеданса.

Проведен расчет импеданса ЛПД, находящегося под воздействием оптического сигнала, на примере серийно выпускаемого ЛПД трехсантиметрового диапазона типа 3А707В.

Результаты расчета частотной зависимости импеданса ЛПД при облучении его оптическим сигналом постоянной интенсивности представлены на рис.1. Для приведенных результатов расчета выбраны длина волны светового облучения 655 нм и мощность оптического сигнала, соответствующая фототокам Is0=1; 5 мА. Расчет импеданса проводился в рабочем диапазоне частот ЛПД типа 3А707В при токе питания 80 мА в режиме малого сигнала. Видно, что активная часть импеданса сильно зависит от уровня оптического сигнала: при фототоке Is0=5 мА абсолютная величина активной части импеданса уменьшается на 10–20%.

Rд, Ом Рис.1 – Частотная зависимость активной (а) и реактивной (б) частей импеданса:

Реактивная часть импеданса (рис.1б) имеет слабую зависимость от мощности облучающего оптического сигнала – при том же фототоке Is0=5 мА она увеличивается по абсолютной величине не более чем на 1,5%, то есть управление частотой колебаний генератора на ЛПД с помощью оптического луча менее эффективно, чем управление мощностью колебаний.

На рис. 2 приведены зависимости активной (рис.2а) и реактивной (рис.2б) составляющих импеданса ЛПД от коэффициента модуляции оптического сигнала, рассчитанные при трех значениях амплитуды СВЧ тока на диоде.

Рис.2. Зависимости активной (а) и реактивной (б) составляющих импеданса ЛПД от коэффициента модуляции m при трех значениях амплитуды СВЧ-тока:

Из рис. 2 видно, что активная составляющая импеданса ЛПД имеет более сильную зависимость от коэффициента модуляции оптического сигнала, чем реактивная. Причем оптический сигнал с фиксированными параметрами оказывает большее влияние на импеданс ЛДП при меньшей амплитуде СВЧ тока.

Результаты первого раздела настоящей работы согласуются с результатами численного моделирования ЛПД, находящегося под воздействием оптического колебания, опубликованными другими авторами, на основании чего полученные выражения можно рекомендовать для практического применения.

Во втором разделе составлено и решено уравнение генератора на ЛПД с учетом присутствия на его p-n – переходе оптического сигнала, содержащего в своем спектре СВЧ сигнал, подлежащий демодуляции. Проведен анализ режимов работы ЛПД–генератора для трех случаев: при отсутствии оптического воздействия, при воздействии немодулированным оптическим колебанием и при воздействии на p-n – переход СВЧ АМ оптическим колебанием.

Результатом решения уравнения генератора явились выражения, описывающие зависимость амплитуды и фазы вынужденных колебаний генератора, находящегося под воздействием СВЧ АМ оптического колебания, которые в частном случае дают выражения для определения изменения частоты и мощности колебаний ЛПД–генератора под действием немодулированного оптического колебания. На рис. 3 приведены зависимости амплитуды (рис.3а) и мощности (рис.3б) колебаний генератора от постоянной составляющей фототока.

Рис.3. Зависимости амплитуды (а) и мощности (б) колебаний ЛПД–генератора от постоянной составляющей фототока Показано, что в зависимости от сопротивления нагрузки и связи с нагрузкой может быть получено как уменьшение выходной мощности генератора – демодулятора, так и ее увеличение.

На рис. 4 приведена одна из полученных в настоящей работе АЧХ синхрогенератора.

Как видно из рис. 4 АЧХ имеет асимметричный относительно резонансной частоты характер, что связано с неизохронностью системы, вызванной нелинейной амплитудной зависимостью реактанса диода. АЧХ имеют «левый» наклон, что характерно для ЛПД. На АЧХ (рис. 4) нанесены области неустойчивости (заштрихованные области), определенные по критериям Рауса-Гурвица.

Установлено, что для увеличения полосы синхронизации необходимо увеличивать коэффициент модуляции и мощность оптического сигнала, усредненную за период модулирующего колебания.

Из проведенного сравнения полученных во втором разделе настоящей работы результатов расчета с экспериментальными результатами авторов, работающих непосредственно в этой области радиоэлектроники, можно сделать вывод об их удовлетворительном совпадении.

Рис.4. Зависимости амплитуды вынужденных колебаний ЛПД–генератора от частоты демодулируемого сигнала В третьем разделе исследована устойчивость ЛПД–генератора в процессе детектирования СВЧ АМ оптического сигнала. Исследование базируется на фундаментальных положениях теории колебаний. Анализ устойчивости проведен универсальным методом ляпуновских величин, предложенным академиком А.А. Андроновым и развитым его научной школой, сложность которого оправдывается возможностью получения конкретных практических рекомендаций для определения условий устойчивости при изменении (на практике необходимом) любого из многочисленных параметров такого необычного детектора.

В результате проведенного анализа найдены области параметров детектируемого сигнала и параметров ГЛПД, в которых может быть осуществлена устойчивая демодуляция СВЧ АМ оптического колебания и определены бифуркационные значения этих параметров.

В третьем разделе установлено, что в рассматриваемой системе могут быть два типа бифуркации: бифуркация Андронова-Хопфа и бифуркация «седло-узел».

Из проведенного в третьем разделе анализа видно, что для особых точек, соответствующих бифуркации Андронова-Хопфа при увеличении коэффициента модуляции или постоянной составляющей фототока (что соответствует увеличению мощности оптического колебания, усредненной за период модулирующего сигнала) динамическая система переходит от неустойчивого к устойчивому состоянию равновесия, то есть амплитуда и фаза колебаний ГЛПД стремятся к значениям амплитуды и фазы вынужденных колебаний синхронизированного генератора по траектории на фазовой плоскости, соответствующей фокусу. Таким образом, при случайном увеличении параметра 1 система не выходит из режима синхронизации, то есть рабочего режима детектирования. Кроме того, при уменьшении коэффициента модуляции или постоянной составляющей фототока динамическая система в особой точке может переходить от устойчивого к неустойчивому фокусу, из которого рождается устойчивый предельный цикл (бифуркация Андронова-Хопфа). На практике это означает, что генератор вышел из режима синхронизации при изменении параметра 1 и в системе будут наблюдаться биения.

В случае особых точек, соответствующих бифуркации «седло-узел» получено следующее поведение исследуемой динамической системы: при увеличении коэффициента модуляции или постоянной составляющей фототока, динамическая система в окрестностях особых точек переходит от неустойчивого к устойчивому состоянию равновесия, то есть амплитуда и фаза колебаний ГЛПД стремятся к значениям амплитуды и фазы вынужденных колебаний синхронизированного генератора по траектории на фазовой плоскости, соответствующей узлу. Это означает, что при случайном увеличении коэффициента модуляции и постоянной составляющей фототока, а также уменьшения частотной расстройки (f=f-fсв) система не выходит из режима синхронизации, то есть рабочего режима детектора. Кроме того, при уменьшении значения параметра 1 динамическая система в окрестности особых точек ведет себя следующим образом: седло и узел сближаются, образовывая в точке бифуркации сложное состояние «седло-узел», которое при дальнейшем увеличении параметра исчезает. При этом рождается устойчивый предельный цикл (бифуркация «седло-узел»). На практике это означает, что, когда генератор вышел из режима синхронизации при изменении параметра 1, будут наблюдаться биения.

Проведено исследование границ области устойчивости на безопасность; выяснено, что все возможные границы области устойчивости в рассматриваемой системе безопасные, то есть имеет место мягкий выход из режима синхронизации (достаточно малое нарушение границ области устойчивости влечет за собой лишь весьма малые и обратимые изменения состояния равновесия системы).

Практическая ценность материалов этого раздела также состоит в том, что при исследовании устойчивости активного детектора параметрическая вариация осуществлялась не случайной проверкой путем задания конкретных значений основных параметров исследуемого устройства, а системно путем вариации параметров с существенно мелким шагом. Нетрудно понять, что при таком подходе к анализу устойчивости фактически исследовалась параметрическая чувствительность системы на предмет ее устойчивой работы.

экспериментальному подтверждению идеи настоящей диссертационной работы.

Для изготовления макета ЛПД–генератора была выбрана микрополосковая конструкция.

По выражениям, полученным в первом разделе настоящей диссертации, были рассчитаны значения активной и реактивной составляющей импеданса ЛПД при токе питания I0=60 мА.

Затем с учетом импеданса ЛПД в рабочей точке был произведен расчет геометрических размеров элементов топологии генератора. Для того чтобы иметь возможность облучать кристалл ЛПД, была удалена часть корпуса диода. Проведенный расчет теплового режима ЛПД позволил выбрать радиатор генератора. Кроме того, был проведен расчет и моделирование ФНЧ цепи питания диода.

На основании расчетов изготовлен макет генератора, который в дальнейшем был подвергнут экспериментальному исследованию. Генератор запускался и устойчиво генерировал СВЧ колебания в диапазоне рабочих токов ЛПД, находящихся в пределах 30 - 70 мА.

Результаты экспериментального исследования электронной перестройки генератора представлены на рис. 5. При экспериментальном исследовании макета генератора был получен диапазон электронной перестройки f=57 МГц, при этом выходная мощность генератора увеличилась от 0,5 до 9,89 мВт. Из рис. 5 видно, что пусковой ток составляет 30 мА. На рис. крестиком обозначено заданное значение мощности, для которого проводился теоретический расчет. Как видно из рис. 5, отличие результатов расчета и экспериментального измерения мощности генератора составляет 0,25 мВт, то есть не более 4%. Кроме того, отличие расчетного и фактически измеренного значения частоты колебаний генератора при токе питания I0=60 мА составило f=121 МГц или 1,3%.

Экспериментально исследовалось влияние воздействия немодулированного оптического колебания на режим работы ГЛПД. Результаты приведены на рис. 6 и 7. В качестве источника оптического сигнала использован инжекционный полупроводниковый лазер с длиной волны =655 нм и выходной мощностью Pопт=150 мВт. Максимальный фототок в ЛПД при освещении кристалла составил 80 мкА. Для уменьшения потерь ввода оптического колебания в кристалл ЛПД была применена фокусирующая линза. Фототок измерялся при нулевом смещении на ЛПД.

Рис. 5 – Электронная перестройка генератора %). При токе питания ЛПД I0=50 мА с Рис. 6– Оптическое управление ГЛПД колебаний ГЛПД к оптическому воздействию уменьшается, что теоретически было предсказано во втором разделе.

Экспериментально получено, что диапазон изменения частоты колебаний генератора при оптическом воздействии на него одинаков для рассмотренных токов питания.

Экспериментальные результаты подтверждают выводы, сделанные во втором разделе: при сопротивлении нагрузки больше оптимального значения с увеличением интенсивности оптического воздействия мощность колебаний генератора уменьшается. Относительное изменение частоты колебаний генератора при оптическом воздействии на него существенно меньше относительного изменения выходной мощности генератора.

В настоящей работе экспериментально наблюдалось уменьшение амплитудных шумов ГЛПД при оптическом воздействии на него. На рис. 7 приведены спектры колебаний ГЛПД без оптического воздействия (рис. 7а) и при оптическом воздействии (рис. 7б) с интенсивностью, вызывающей фототок Is0=50 мкА, при токе питания ЛПД I0=60 мА. Из рис. 7 видно уменьшение пьедестала спектральной линии генератора, что свидетельствует об уменьшении амплитудных шумов генератора.

Для экспериментального подтверждения основной идеи настоящей работы было проведено исследование возможности захватывания колебаний ГЛПД оптическим СВЧ АМ колебанием.

В качестве источника СВЧ АМ оптического колебания для синхронизации ГЛПД было использовано колебание, возникающее в результате взаимодействия на нелинейном элементе двух оптических колебаний постоянной интенсивности. Как известно при воздействии на нелинейный элемент колебаний с частотами f и f+f1, возникают биения с частотой f1, равной разности частот колебаний. Были выбраны два инжекционных полупроводниковых лазера (ИПЛ) с близкими параметрами и исследованы спектры их колебаний. На рис. 8 приведены спектры ИПЛ для четырех токов питания, из которого видно, что крутизна электронной перестройки частоты ИПЛ составила 71,3 ГГц/мА. Таким образом, при небольшом изменении тока питания мы можем управлять частотой колебаний одного из лазеров, управляя при этом частотой биений (частота сигнала подлежащего демодуляции). В течение 20 минут ИПЛ входили в стационарный тепловой режим, когда частота колебаний ИПЛ переставала меняться.

Питание лазеров осуществлялось от двух источников тока (ИП 1 и ИП 2), причем в цепь питания одного из ИПЛ был помещен делитель напряжения (ДН) для плавной регулировки тока питания ИПЛ. Оба лазера были сфокусированы при помощи линзы (Л). Каждый из ИПЛ отдельно друг от друга был отъюстирован по критерию максимального фотоотклика и зафиксирован в таком положении. Затем при помощи анализатора оптического спектра (YOKOGAWA AQ6370) были заданы рабочие точки ИПЛ 1 и ИПЛ 2 таким образом, чтобы разность между центральными составляющими спектральной линии находилась вблизи рабочей частоты ГЛПД. Спектры лазеров показаны на рис. 10. ИПЛ 1 соответствует спектральная линия с большей частотой. Из рис. 10 видно, что относительная ширина спектральной линии ИПЛ составляет f=5,47.10-5, что не хуже генераторов СВЧ диапазона.

ИПЛ 1 была получена частота биений лазеров вблизи спектральной линии колебаний ГЛПД.

Спектрограмма колебаний генератора в этом режиме представлена на рис. 12. Мощность сигнала, подлежащего демодуляции, составила 5,67 нВт, что соответствует амплитуде переменной составляющей фототока Is1=1,5.10-5 А; постоянная составляющая фототока Is0=31, мкА, при этом коэффициент модуляции оптического сигнала составляет M=48%.

Рис. 11– Спектр колебаний ГЛПД при Рис. 13 – Спектр колебаний ГЛПД в отсутствии оптического сигнала присутствии оптического сигнала Рис. 12 – Спектр колебаний ГЛПД в Рис. 14 – Спектр колебаний ГЛПД в присутствии оптического сигнала присутствии оптического сигнала При дальнейшем изменении тока питания ИПЛ 1 был получен режим биений, то есть граничный режим на пороге синхронизации. Спектрограмма колебаний в этом режиме приведена на рис. 13.

При дальнейшем изменении тока питания ИПЛ 1 произошел перезахват колебаний ГЛПД внешним сигналом, содержащимся в спектре оптического колебания, воздействующего на ЛПД. Спектрограмма колебаний в режиме синхронизации приведена на рис. 14, из которого видно, что частота колебаний ГЛПД увеличилась под действием демодулируемого сигнала.

Кроме того о синхронизации свидетельствует тот факт, что “дрожание” спектральной линии ГЛПД прекратилось. При дальнейшем изменении тока питания ИПЛ 1 произошел выход из режима синхронизации. Полоса синхронизации составила примерно 1,7 МГц.

Таким образом, разработан и экспериментально исследован детектор СВЧ АМ оптического сигнала, показавший следующие основные характеристики:

1. Энергетический потенциал 80 дБ (при максимальном токе питания);

2. Мощность продетектированного сигнала 1,1 мВт (при токе питания I0=35мА);

3. Рабочая полоса частот 1,7 МГц (для детектируемого в эксперименте сигнала);

С целью сравнения теоретических результатов, полученных в настоящей работе, с полученными экспериментально был проведен расчет АЧХ генератора – демодулятора по методике, изложенной во втором разделе. В качестве исходных данных к расчету АЧХ были приняты параметры экспериментально исследованного генератора. Расчет АЧХ показал, что теоретически рассчитанная полоса синхронизации составила примерно 1,48 МГц, что отличается от экспериментально полученной не более чем на 14%.

В заключении приведен краткий обзор решенных задач и полученных результатов.

Приложение содержит графики зависимости амплитуды вынужденных колебаний ЛПД–генератора в режиме детектирования СВЧ АМ оптических колебаний, рассчитанные для трех значений токов питания ЛПД, трех значений амплитуды собственных колебаний ГЛПД в трех участках рабочего диапазона ЛПД.

Основные результаты, полученные в настоящей работе:

1. аналитические выражения, описывающие импедансные свойства ЛПД, находящегося под воздействием СВЧ АМ оптического колебания. Рассмотренные частные случаи полученных выражений совпали с ранее известными в литературе. Результаты расчетов импеданса по полученным выражениям с достаточной для практики точностью совпадают с результатами численного моделирования и экспериментального исследования, опубликованными другими авторами, что делает полученные выражения пригодными для инженерных расчетов;

2. аналитические выражения для определения основных характеристик амплитудных детекторов на основе синхронизированного ЛПД–генератора, необходимые при проведении их инженерных разработок;

3. проведенное исследование устойчивости демодулирующей системы показало, что границы области устойчивости безопасные, что свидетельствует о «мягком» выходе из режима детектирования;

4. результаты расчётов генератора–демодулятора по полученным в настоящей работе выражениям подтверждены экспериментально.

Список п убликаций 1) Алексеев Ю.И., Демьяненко А.В. Детектирование оптических амплитудномодулированных колебаний лавинно-пролетными диодами // «Радиоэлектронные системы локации и связи». Коллективная монография под общей редакцией В.А. Обуховца. – М.:

«Радиотехника», 2008. – 208 с.

2) Алексеев Ю.И., Демьяненко А.В. Расчет импеданса ЛПД в малосигнальном режиме // Известия высших учебных заведений. Электроника. – 2005. – №1. – С. 25-28.

3) Алексеев Ю.И., Демьяненко А.В., Малиёв И.В. Экспериментальное определение активного нелинейного СВЧ сопротивления серийного ЛПД //Приборы и техника эксперимента.–2004.

– №4. – С. 64-66. (перевод Yu.I. Alekseev, A.V. Dem’yanenko, I.V. Maliev. Experimental Determination of the Nonlinear Resistance of a Commercial Avalanche Diode at Microwave Frequencies // Instruments and Experimental Techniques. – 2004. – Vol. 47, №6. – P. 778-780.) 4) Алексеев Ю.И., Демьяненко А.В., Нащанский С.А., Малиёв И.В. Экспериментальное определение реактивного нелинейного СВЧ-сопротивления серийного ЛПД // Приборы и техника эксперимента. – 2005. – №6. – С. 37-40. (перевод Yu.I. Alekseev, A.V.Dem’yanenko, S.A. Nashchanskii and I.V. Maliev. Experimental Determination of an Nonlinear Microwave Reactance of a Commercially Produced Avalanche-Iran sit Diode // Instruments and Experimental Techniques. – 2005. – Vol. 48, №6. – P. 734-736.) 5) Алексеев Ю.И., Демьяненко А.В. Определение влияния оптического сигнала на импедансные свойства лавинно-пролетного диода // Известия высших учебных заведений.

Электроника. – 2008. – №3. – С. 58-62.

6) Алексеев Ю.И., Демьяненко А.В. Детектирование оптических амплитудно-модулированных колебаний лавинно-пролетными диодами // Радиотехника. – 2008. – №11. – С. 80-82.

7) Алексеев Ю.И., Демьяненко А.В. Генератор на лавинно-пролетном диоде миллиметрового диапазона // Приборы и техника эксперимента. – 2009. – № 6. – С. 58-59. (перевод Yu. I.

Alekseev and A. V. Dem’yanenko A Millimeter_Wave Oscillator on an Avalanche Diode // Instruments and Experimental Techniques. – 2009. – Vol. 52, №6. – P. 814-815.) 8) Орда-Жигулина М.В., Алексеев Ю.И., Демьяненко А.В. Исследование оптических СВЧмодуляторов как элементов радиопередающих устройств телекоммуникационных систем в энергетике // Известия ТТИ ЮФУ. Актуальные проблемы производства и потребления электроэнергии. – 2010. – №1. – С. 10-15.

9) Алексеев Ю.И., Демьяненко А.В., Малиёв И.В. Исследование усилительных свойств ЛПД миллиметрового диапазона //Петербургский журнал электроники. –2004. –№1(38).– С.41-43.

10) Алексеев Ю.И., Демьяненко А.В., Малиёв И.В. Генератор миллиметрового диапазона на ЛПД // Петербургский журнал электроники. – 2005 – №1(42). – С.105-109.

11) Алексеев Ю.И., Демьяненко А.В. Нелинейный адмиттанс ЛПД миллиметрового диапазона // Петербургский журнал электроники. – 2005. – №3 (44). – С. 108-112.

12) Демьяненко А.В. К вопросу о модуляции оптических колебаний на n-p – переходе генерирующего ЛПД // Петербургский журнал электроники. –2007. –№2. –С. 119-122.

13) Алексеев Ю.И., Демьяненко А.В., Малиёв И.В. Генератор шума на ЛПД // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. – 2007. – №3. – С. 71-74.

14) Алексеев Ю.И., Демьяненко А.В., Малиёв И.В. Некоторые особенности синхронизации ганновских автогенераторов двухсантиметрового диапазона // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. – 2007. – №3. – С.74-77.

15) Алексеев Ю.И., Демьяненко А.В. Твердотельный многофункциональный оптоэлектронный модуль // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. – 2008. – №4. – С.70-74.

16) Алексеев Ю.И., Демьяненко А.В. Широкополосный генератор шума на лавинно-пролетном диоде миллиметрового диапазона // Известия высших учебных заведений России.

Радиоэлектроника. – 2008. – №4. – С. 74-77.

17) Алексеев Ю.И., Демьяненко А.В. Сопоставление генераторных характеристик ганновских диодов сантиметрового диапазона // Известия высших учебных заведений России.

Радиоэлектроника. – 2008. – №5. – С. 69-72.

18) Алексеев Ю.И., Демьяненко А.В., Стребляченко Т.В. Учет неизохронных свойств ганновского автогенератора при его синхронизации // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. – 2008. – №4. – С. 67-70.

19) Алексеев Ю.И., Демьяненко А.В. Расчет импеданса лавинно-пролетного диода в малосигнальном режиме // Материалы международной конференции «Системный подход в науках о природе, человеке и технике»-часть 4. –Таганрог: ТРТУ, 2003. –С.4-9.

20) Алексеев Ю.И., Демьяненко А.В. Определение активной составляющей полного СВЧ сопротивления серийного лавинно-пролетного диода миллиметрового диапазона // Тезисы докладов на «11-й международной НТК студентов и аспирантов». –Москва: МЭИ, 2005, том 1. – С.94-95.

21) Алексеев Ю.И., Демьяненко А.В. Определение импеданса ЛПД миллиметрового диапазона // Труды международной научной конференции «Излучение и рассеяние ЭМВ ИРЭМВТаганрог: ТРТУ, 2005. – С. 212-214.

22) Алексеев Ю.И., Демьяненко А.В., Никифоров Т.В. Характеристики ганновского автогенератора, синхронизированного внешним гармоническим сигналом // Материалы международной конференции «Статистические методы в естественных, гуманитарных и технических науках»-часть 4. – Таганрог: ТРТУ, 2006. – С. 4-7.

23) Алексеев Ю.И., Демьяненко А.В., Поляков Е.Л. Генератор шума на лавинно-пролетном диоде // Материалы международной конференции «Статистические методы в естественных, гуманитарных и технических науках»-часть 4. – Таганрог: ТРТУ, 2006. – С. 7-9.

24) Демьяненко А.В. Влияние оптического излучения слабой интенсивности на импеданс лавинно-пролетного диода // Труды международной научной конференции «Излучение и рассеяние ЭМВ ИРЭМВ-2007». – Таганрог: ТТИ ЮФУ, 2007. – С. 189-192.

25) Алексеев Ю.И., Демьяненко А.В. Влияние оптического воздействия на режим работы генератора на лавинно-пролетном диоде // Труды международной научной конференции «Излучение и рассеяние ЭМВ ИРЭМВ-2009». – Таганрог: ТТИ ЮФУ, 2009. – С. 212-214.

26) Демьяненко А.В. Амплитудная зависимость адмиттанса лавинно-пролетного диода миллиметрового диапазона // Материалы 7-й всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления». –Таганрог: ТРТУ, 2004. – С. 63.

27) Демьяненко А.В. Расчет импеданса лавинно-пролетного диода в малосигнальном режиме // Материалы 7-й всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления». – Таганрог: ТРТУ, 2004. – С. 62.

28) Демьяненко А.В. Экспериментальное определение активного нелинейного СВЧ сопротивления серийного лавинно-пролетного диода // Материалы 7-й всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления». – Таганрог: ТРТУ, 2004. – с. 61.

29) Демьяненко А.В. К вопросу о модуляции оптических колебаний на p-n–переходе генерирующего лавинно-пролетного диода // Материалы 8-й всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления». – Таганрог: ТРТУ, 2006. – С. 53.

30) Демьяненко А.В. Инженерные аспекты возможности амплитудной модуляции оптического излучения при помощи генерирующего ЛПД // Материалы 8-й всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления». – Таганрог: ТРТУ, 2006. – С. 54.

31) Демьяненко А.В. Физические аспекты возможности амплитудной модуляции оптического излучения, проходящего через p-n переход генерирующего ЛПД // Материалы 8-й всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления». – Таганрог: ТРТУ, 2006. – С. 55.

32) Демьяненко А.В., Курганов М.В. Исследование характеристик двух диодов Ганна сантиметрового диапазона в режиме генерации // Материалы международной конференции «Проблемы развития естественных, технических и социальных систем» (ПРС-2007)-часть 5.

– Таганрог: ТТИ ЮФУ, 2007. – С. 18-20.

33) Демьяненко А.В., Блохин В.Н. Твердотельный широкополосный генератор шума миллиметрового диапазона // Материалы международной конференции «Проблемы развития естественных, технических и социальных систем» (ПРС-2007)-часть 5. – Таганрог:

ТТИ ЮФУ, 2007. – С. 21-23.

34) Демьяненко А.В. Импеданс лавинно-пролетных диодов и вопросы его использования при разработке оптико-электронных устройств на их основе // Материалы 8-й всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления». – Таганрог: ТТИ ЮФУ, 2008. – С. 90-91.

35) Демьяненко А.В. Использование генератора на лавинно-пролетном диоде для детектирования амплитудно-модулированных оптических колебаний // Материалы 8-й всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления». – Таганрог: ТТИ ЮФУ, 2008. – С. 92-93.

36) Демьяненко А.В. О возможности управления характеристиками генератора на лавиннопролетном диоде оптическим сигналом // Материалы Всероссийской научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Роль системотехники в инженерных исследованиях». – Таганрог: ТТИ ЮФУ, 2009. – С. 6-7.

В работах, написанных в соавторстве, личный вклад автора настоящей диссертационной работы состоит в следующем: в [1, 2, 5, 6, 11, 19, 21, 24, 25] получены аналитические соотношения и проведены расчеты; в [3, 7, 8, 9, 10, 13-18, 20, 22, 23, 32, 33] проведены экспериментальные исследования макета и обработка результатов, в [4, 20] проведены расчет устройства и сравнение с экспериментальными результатами, в [15] разработана конструкция.

Основные результаты представленной диссертационной работы получены автором лично.

Типография технологического института Южного Федерального университета в г. Таганроге пер.Некрасовский, 44, г.Таганрог, Ростовская область, ГСП-17А, 347928.