Magnetron opto -elektronica, zoals de naam al doet vermoeden, is de kruising van de magnetron enopto -elektronica. Microgolven en lichtgolven zijn elektromagnetische golven, en de frequenties zijn vele ordes van grootte verschillend, en de componenten en technologieën die op hun respectieve gebieden zijn ontwikkeld, zijn heel verschillend. In combinatie kunnen we van elkaar profiteren, maar we kunnen nieuwe toepassingen en kenmerken krijgen die respectievelijk moeilijk te realiseren zijn.
Optische communicatieis een goed voorbeeld van de combinatie van magnetrons en foto -elektronen. Vroege telefoon- en telegraaf draadloze communicatie, de generatie, verspreiding en ontvangst van signalen, alle gebruikte magnetronapparaten. Lage frequentie elektromagnetische golven worden in eerste instantie gebruikt omdat het frequentiebereik klein is en de kanaalcapaciteit voor transmissie klein is. De oplossing is om de frequentie van het verzonden signaal te verhogen, hoe hoger de frequentie, hoe meer spectrumbronnen. Maar het hoge frequentiesignaal in het verlies van de luchtvoortplanting is groot, maar ook gemakkelijk te blokkeren door obstakels. Als de kabel wordt gebruikt, is het verlies van de kabel groot en is langeafstandstransmissie een probleem. De opkomst van optische vezelcommunicatie is een goede oplossing voor deze problemen.Optische vezelHeeft een zeer laag transmissieverlies en is een uitstekende drager voor het verzenden van signalen over lange afstanden. Het frequentiebereik van lichtgolven is veel groter dan dat van magnetrons en kan veel verschillende kanalen tegelijkertijd verzenden. Vanwege deze voordelen vanoptische transmissie, Optische vezelcommunicatie is de ruggengraat geworden van de informatietransmissie van vandaag.
Optische communicatie heeft een lange geschiedenis, onderzoek en toepassing zijn zeer uitgebreid en volwassen, hier wil niet meer zeggen. Dit artikel introduceert voornamelijk het nieuwe onderzoeksgehalte van magnetronopto -elektronica in de afgelopen jaren anders dan optische communicatie. Microgolfopto -elektronica gebruikt voornamelijk de methoden en technologieën op het gebied van opto -elektronica als drager om de prestaties en toepassing te verbeteren en te bereiken die moeilijk te bereiken zijn met traditionele elektronische componenten van de microgolf. Vanuit het perspectief van de toepassing bevat het voornamelijk de volgende drie aspecten.
De eerste is het gebruik van opto-elektronica om krachtige, lage-ruismicrogolfsignalen te genereren, van de X-band tot aan de THz-band.
Ten tweede, magnetron signaalverwerking. Inclusief vertraging, filtering, frequentieconversie, ontvangen, enzovoort.
Ten derde, de transmissie van analoge signalen.
In dit artikel introduceert de auteur alleen het eerste deel, het genereren van microgolfsignaal. Traditionele magnetronmillimetergolf wordt voornamelijk gegenereerd door III_V micro -elektronische componenten. De beperkingen zijn de volgende punten: ten eerste, tot hoge frequenties zoals 100 GHz boven, traditionele micro -elektronica kan steeds minder vermogen produceren, naar het hogere frequentie THz -signaal, ze kunnen niets doen. Ten tweede moet het oorspronkelijke apparaat, om faseluis te verminderen en de frequentiestabiliteit te verbeteren, in een extreem lage temperatuuromgeving worden geplaatst. Ten derde is het moeilijk om een breed scala aan frequentiemodulatiefrequentieconversie te bereiken. Om deze problemen op te lossen, kan opto -elektronische technologie een rol spelen. De belangrijkste methoden worden hieronder beschreven.
1. Door de verschilfrequentie van twee verschillende frequentielasersignalen wordt een hoogfrequente fotodetector gebruikt om microgolfsignalen te converteren, zoals weergegeven in figuur 1.
Figuur 1. Schematisch diagram van microgolven gegenereerd door de verschilfrequentie van tweelasers.
De voordelen van deze methode zijn een eenvoudige structuur, kunnen een extreem hoge frequentie millimetergolf en zelfs THz -frequentiesignaal genereren, en door de frequentie van de laser aan te passen, kan een groot bereik van snelle frequentieconversie, sweepfrequentie uitvoeren. Het nadeel is dat de lijnbreedte of faseruis van het verschilfrequentiesignaal dat wordt gegenereerd door twee niet -gerelateerde lasersignalen relatief groot is en de frequentiestabiliteit niet hoog is, vooral als een halfgeleiderlaser met een klein volume maar een grote lijnbreedte (~ MHz) wordt gebruikt. Als de vereisten van het systeemgewicht niet hoog zijn, kunt u lasers met lage ruis (~ kHz) gebruiken,Vezellasers, externe holtehalfgeleider Lasers, enz. Bovendien kunnen twee verschillende modi van lasersignalen die in dezelfde laserholte worden gegenereerd, ook worden gebruikt om een verschilfrequentie te genereren, zodat de prestaties van de microgolffrequentiestabiliteit sterk zijn verbeterd.
2. Om het probleem op te lossen dat de twee lasers in de vorige methode onsamenhangend zijn en de gegenereerde signaalfase -ruis te groot is, kan de coherentie tussen de twee lasers worden verkregen door de injectiefrequentie vergrendelingsfase -vergrendelingsmethode of de negatieve feedbackfase vergrendelingscircuit. Figuur 2 toont een typische toepassing van injectie -vergrendeling om magnetron veelvouden te genereren (figuur 2). Door direct hoogfrequente stroomsignalen in een halfgeleiderlaser te injecteren, of met behulp van een linbo3-fasemodulator, kunnen meerdere optische signalen van verschillende frequenties met gelijke frequentieafstand worden gegenereerd, of optische frequentiekammen. Natuurlijk is de veelgebruikte methode om een brede spectrum optische frequentiekam te verkrijgen het gebruik van een modus vergrendelde laser. Elke twee kammen signalen in de gegenereerde optische frequentiekam worden geselecteerd door respectievelijk te filteren en geïnjecteerd in laser 1 en 2 om respectievelijk frequentie en fasegrendeling te realiseren. Omdat de fase tussen de verschillende kammen-signalen van de optische frequentiekam relatief stabiel is, zodat de relatieve fase tussen de twee lasers stabiel is en vervolgens volgens de methode van verschilfrequentie zoals eerder beschreven, kan de multi-voudige frequentiemicroronsignaal van de optische frequentiekammen worden verkregen.
Figuur 2. Schematisch diagram van de microgolffrequentie verdubbelingssignaal gegenereerd door injectiefrequentie -vergrendeling.
Een andere manier om de relatieve faseluis van de twee lasers te verminderen, is door een negatieve feedback optische PLL te gebruiken, zoals weergegeven in figuur 3.
Figuur 3. Schematisch diagram van OPL.
Het principe van optische PLL is vergelijkbaar met dat van PLL op het gebied van elektronica. Het faseverschil van de twee lasers wordt omgezet in een elektrisch signaal door een fotodetector (equivalent aan een fasedetector), en vervolgens wordt het faseverschil tussen de twee lasers verkregen door een verschilfrequentie te maken met een referentiemicrowave signaalbron, die wordt versterkt en vervolgens wordt afgedwongen naar de frequentiecontrole -eenheid van een van de lasers (voor semiconductor lasers, het is de injectiestroom). Door een dergelijke negatieve feedbackbesturingslus wordt de relatieve frequentiefase tussen de twee lasergignalen vergrendeld aan het referentiemicrogolfsignaal. Het gecombineerde optische signaal kan vervolgens door optische vezels worden overgedragen naar een fotodetector elders en worden omgezet in een microgolfsignaal. De resulterende faseruis van het microgolfsignaal is bijna dezelfde als die van het referentiesignaal binnen de bandbreedte van de fase-vergrendelde negatieve feedback-lus. De faseruis buiten de bandbreedte is gelijk aan de relatieve fasegerruis van de oorspronkelijke twee niet -gerelateerde lasers.
Bovendien kan de referentiemicrogolfsignaalbron ook worden omgezet door andere signaalbronnen door frequentie verdubbeling, divisiefrequentie of andere frequentieverwerking, zodat het lagere frequentie microgolfsignaal kan worden multidoubled of worden omgezet in hoogfrequente RF, THZ-signalen.
In vergelijking met het vergrendelen van injectiefrequentie kan alleen frequentie verdubbeling verkrijgen, zijn fase-vergrendelde lussen flexibeler, kunnen bijna willekeurige frequenties produceren en natuurlijk complexer. De optische frequentiekam die door de foto-elektrische modulator in figuur 2 wordt gegenereerd, wordt bijvoorbeeld gebruikt als de lichtbron en de optische fase-lock-lus wordt gebruikt om de frequentie van de twee lasers selectief te vergrendelen naar de twee optische kammen en vervolgens een micro-signalen te genereren door de verschilsignalen door de verschilsignaal van de twee. N*FREP+F1+F2 kan worden gegenereerd door de verschilfrequentie tussen de twee lasers.
Figuur 4. Schematisch diagram van het genereren van willekeurige frequenties met behulp van optische frequentiekammen en PLL's.
3. Gebruik modus-vergrendelde pulslaser om het optische pulsignaal om te zetten in het magnetronsignaal doorfotodetector.
Het belangrijkste voordeel van deze methode is dat een signaal met een zeer goede frequentiestabiliteit en zeer lage faserruis kan worden verkregen. Door de frequentie van de laser te vergrendelen voor een zeer stabiel atoom- en moleculair overgangsspectrum, of een extreem stabiele optische holte, en het gebruik van zelfdoubling frequentie-eliminatiesysteemfrequentieverschuiving en andere technologieën, kunnen we een zeer stabiel optisch pulssignaal verkrijgen met een zeer stabiele herhaling frequentie, om een microves te verkrijgen met ultra-low-fase-ruis. Figuur 5.
Figuur 5. Vergelijking van relatieve faseruis van verschillende signaalbronnen.
Omdat de pulsherhalingssnelheid echter omgekeerd evenredig is met de holte lengte van de laser, en de traditionele modus-vergrendelde laser groot is, is het moeilijk om hoogfrequente microgolfsignalen direct te verkrijgen. Bovendien beperken de grootte, het gewicht en het energieverbruik van traditionele gepulseerde lasers, evenals de harde eisen van het milieu, hun voornamelijk laboratoriumtoepassingen. Om deze moeilijkheden te overwinnen, is onderzoek onlangs begonnen in de Verenigde Staten en Duitsland met behulp van niet-lineaire effecten om frequentie-stabiele optische kammen te genereren in zeer kleine, hoogwaardige chirp-modus optische holtes, die op hun beurt hoogfrequente low-frequentie magnetron-microgolfsignalen genereren.
4. Opto elektronische oscillator, figuur 6.
Figuur 6. Schematisch diagram van foto -elektrische gekoppelde oscillator.
Een van de traditionele methoden voor het genereren van magnetrons of lasers is om een zelf-feedback gesloten lus te gebruiken, zolang de versterking in de gesloten lus groter is dan het verlies, kan de zelf-geëxciteerde oscillatie microgolven of lasers produceren. Hoe hoger de kwaliteitsfactor Q van de gesloten lus, hoe kleiner de gegenereerde signaalfase of frequentieruis. Om de kwaliteitsfactor van de lus te vergroten, is de directe manier om de luslengte te verhogen en het voortplantingsverlies te minimaliseren. Een langere lus kan echter meestal het genereren van meerdere oscillatiemodi ondersteunen, en als een smal-bandbreedte-filter wordt toegevoegd, kan een enkelfrequentie low-ruismicrogolf oscillatiesignaal worden verkregen. Foto -elektrische gekoppelde oscillator is een microgolfsignaalbron op basis van dit idee, het maakt volledig gebruik van de lage propagatieverschilkarakteristieken van de vezel, met behulp van een langere vezel om de lus Q -waarde te verbeteren, kan een microgolfsignaal produceren met zeer lage faserruis. Omdat de methode in de jaren negentig werd voorgesteld, heeft dit type oscillator uitgebreid onderzoek en aanzienlijke ontwikkeling ontvangen, en er zijn momenteel commerciële foto -elektrische gekoppelde oscillatoren. Meer recent zijn foto -elektrische oscillatoren ontwikkeld waarvan de frequenties over een breed bereik kunnen worden aangepast. Het grootste probleem van microgolfsignaalbronnen op basis van deze architectuur is dat de lus lang is en dat de ruis in zijn vrije stroom (FSR) en de dubbele frequentie aanzienlijk zal worden verhoogd. Bovendien zijn de gebruikte foto -elektrische componenten meer, de kosten zijn hoog, het volume is moeilijk te verminderen en is de langere vezel gevoeliger voor omgevingsstoornissen.
Het bovenstaande introduceert kort verschillende methoden voor het genereren van foto -elektronen van microgolfsignalen, evenals hun voor- en nadelen. Ten slotte is het gebruik van foto-elektronen om magnetron te produceren een ander voordeel is dat het optische signaal kan worden verdeeld door de optische vezel met zeer laag verlies, langdurige transmissie naar elke gebruiksterminal en vervolgens omgezet in microgolfsignalen, en het vermogen om elektromagnetische interferentie te weerstaan is aanzienlijk verbeterd dan traditionele elektronische componenten.
Het schrijven van dit artikel is voornamelijk ter referentie en gecombineerd met de eigen onderzoekservaring en ervaring van de auteur op dit gebied, er zijn onnauwkeurigheden en onbegrijpelijkheid, begrijp het alsjeblieft.
Posttijd: Jan-03-2024