Для отправки ваших публикаций, пожалуйста, зарегистрируйтесь.

Если Вы уже зарегистрированы, то авторизуйтесь на сайте.


  1. Вход или регистрация
  1. Подписка

Волоконно-оптические линии задержки
20 марта 2008             

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ЗАДЕРЖКИ

Рассмотрены существующие линии задержки. Предложено использование в качестве линии задержки отрезка оптического волокна. Приведены основные формулы для расчета параметров волоконно-оптической линии задержки. Показано, что волоконно-оптические линии задержки обеспечивают высокую стабильность времени задержки при широкой полосе пропускания для высокочастотных сигналов.


ВВЕДЕНИЕ

Для задержки на заданное время t зад произвольной последовательности импульсов без существенного изменения их формы применяют линии задержки.

Линии задержки, сохраняющие свои параметры даже в сложных условиях эксплуатации, необходимы для применения:

- в контрольно-измерительной аппаратуре, для уменьшения "мертвой" зоны области измерения;

- в аппаратуре связи, для временного уплотнения передаваемой информации;

- в аппаратуре радиоэлектронной борьбы, для формирования сигналов ложной цели.

В общем случае устройство задержки представляет собой четырехполюсник, выходной сигнал которого по форме близок к входному сигналу, но задержан на время t зад относительного входного. Требования к линиям задержки базируются на общем условии неискажающей задержки сигнала. Четырехполюсник, удовлетворяющий таким требованиям, должен иметь постоянную амплитудно-частотную характеристику K (ω) и линейную фазо-частотную характеристику φ(ω) . Это можно записать как:

www.i-Mash.ru. Открытый машиностроительный интернет ресурс. Машиностроение. Новости, статьи, проблемы и решения.(1)

При выполнении равенств (1) переходная характеристика четырехполюсника выражается запаздывающей ступенчатой функцией:

www.i-Mash.ru. Открытый машиностроительный интернет ресурс. Машиностроение. Новости, статьи, проблемы и решения.(2)

При подаче на вход четырехполюсника сигнала U вх ( t ) произвольной формы, выходной сигнал U вых ( t ) запишется как:

www.i-Mash.ru. Открытый машиностроительный интернет ресурс. Машиностроение. Новости, статьи, проблемы и решения.(3)

Но реальные четырехполюсники не соответствуют (1) во всем диапазоне частот (0≤ω≤∞), поэтому ограничиваются выполнением (1) только в полосе частот, охватывающей активную ширину спектра сигнала U вх ( t ) .

Можно определить время задержки четырехполюсника по данным его φ(ω) при какой-нибудь частоте ω=ω 1 . Тогда задержка четырехполюсника будет равна:

www.i-Mash.ru. Открытый машиностроительный интернет ресурс. Машиностроение. Новости, статьи, проблемы и решения., (4)

где φ(ω 1 ) – угол сдвига фаз между гармоническими колебаниями на входе и выходе четырехполюсника.

Для задержки электрических импульсов применяют линии задержек следующих типов:

-   распределенные (коаксиальные или полосковые);

-   с сосредоточенными параметрами (построенные на L, C цепочках);

- ультразвуковые (волноводные проволочные, волноводные ленточные, на объемных акустических волнах, на поверхностных акустических волнах);

- электронные цифровые (кремниевые или гибридные).

Полосковые линии задержки с погонной индуктивностью L1 и погонной емкостью С1 отличаются высокой стабильностью и широкополосностью. Волновое сопротивление такой линии W не зависит от частоты, является чисто активным и определяется только реактивными параметрами линии по формуле

www.i-Mash.ru. Открытый машиностроительный интернет ресурс. Машиностроение. Новости, статьи, проблемы и решения., (5)

где L0 = l  ×  L1, - суммарная индуктивность;

C0 = l  ×  C1, - суммарная емкость;

l – длина линии.

Задержка сигнала t зад будет определяеться по формуле:

www.i-Mash.ru. Открытый машиностроительный интернет ресурс. Машиностроение. Новости, статьи, проблемы и решения.. (6)

Непременным условием работы такой линии задержки является согласование ее сопротивлений на входе и выходе. При импульсных сигналах на входе линии задержки проблема согласования становится непростой из-за наличия на входном и выходном концах линии паразитных емкостей. Рассогласование линии ведет к паразитным переотражениям сигнала от концов линии и искажению передаваемого сигнала.

Другим недостатком такой линии задержки является трудность расчета ее параметров, так как геометрические размеры линии зависят от передаваемой длины волны электрического сигнала . В случае же с импульсными сигналами имеем дело не с одной длиной волны излучения, а целым спектром длин волн.

Коаксиальные линии задержки применяют для задержки электрических сигналов, но при использовании коаксиальной линии задержки также встает вопрос о согласовании волнового сопротивления коаксиального кабеля в широкой полосе передаваемых частот. Реактивные параметры кабеля практически не зависят от частоты гармонических колебаний, а активные зависят. Из-за этого затухание сигнала в коаксиальном кабеле, и, следовательно, модуль его коэффициента передачи зависят от частоты сигнала. Затухание сигнала для частоты равной 100 МГц (соответствует длительности фронта импульсов порядка 10 нс) около 0,1 дБ/м. Происходит уменьшение величины выходного импульса и искажение его формы. Исходя из вышесказанного, такие линии задержки целесообразно применять в аппаратуре наносекундного диапазона.

Линии задержки с сосредоточенными параметрами (на L, C или R,C цепочках) обладают следующими недостатками:

- L, C цепочки искажают форму импульсных сигналов;

- R,C цепочки приводят к быстрому затуханию сигнала и также искажают форму импульсных сигналов (затягивают фронт).

Ультразвуковые линии задержки также применяются для задержки электрических сигналов. Частотный диапазон таких линий задержки определяется частотными свойствами преобразователей электрические колебаний в акустических, звукопровода и преобразователей акустических колебаний в электрические. Ширина полосы пропускания такой линии задержки существенно зависит от степени согласования акустических волновых сопротивлений звукопровода и преобразователей. Ультразвуковые линии задержки обеспечивают полосу пропускания не более 10 МГц  и обеспечивают высокую стабильность времени задержки. Допустимая нестабильность времени задержки t зад не превышает долей процента, но для этого необходимо применять термостатирование конструкции линии задержки или применять термостабильные сплавы.

Электронные цифровые линии задержки могут быть выполнены на дискретных элементах (ждущих мультивибраторах), интегральных элементах (гибридных и кремниевых). Наиболее стабильными параметрами из перечисленных обладают кремниевые интегральные линии задержки. Наибольших успехов в их производстве добилась фирма Dallas Semiconductor. Фирма выпускает интегральные кремниевые линии задержки типа DS1000 – DS1045 c временем задержки от 4  нс до 500 нс. Коэффициент нестабильности времени задержки во всем температурном диапазоне и диапазоне питающих напряжений составляет 1% .


ПРИМЕНЕНИЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ ЗАДЕРЖКИ

Для достижения высокой стабильности времени задержки при воздействии внешних дестабилизирующих факторов в качестве устройства задержки предлагается использовать отрезок оптического волокна, заданной длины.

Волоконно-оптические линии задержки можно условно разделить на пассивные (ВОЛЗ) и активные (ВОЛЗА). ВОЛЗ - предназначены для задержки оптического сигнала на заданное время, используя для задержки оптическое волокно. ВОЛЗА предназначены для задержки высокочастотных сигналов на заданное время. ВОЛЗА состоят из следующих основных узлов:
- преобразователя радиосигнала в оптический сигнал (передающего оптоэлектронного модуля),
- волоконно-оптического элемента задержки оптического сигнала (волоконно-оптической катушки),
- преобразователя оптического сигнала в радиосигнал (приемного оптоэлектронного модуля).

Материалы, применяемые для изготовления оптических волокон, обладают высокой термостабильностью, что обеспечивает повышенную стабильность времени задержки. Показатель преломления сердцевины оптического волокна зависит от температуры и деформаций в соответствии с формулой :

www.i-Mash.ru. Открытый машиностроительный интернет ресурс. Машиностроение. Новости, статьи, проблемы и решения., (7)

где n – показатель преломления сердцевины оптического волокна;

D n – изменение показателя преломления;

www.i-Mash.ru. Открытый машиностроительный интернет ресурс. Машиностроение. Новости, статьи, проблемы и решения.– частная производная по температуре, характеризующая изменение плотности кварцевого стекла;

d n – изменение показателя преломления за счет фотоупругости.

Рассчитаем изменение времени задержки в отрезке оптического волокна длиной 2 км (соответствует t зад = 10 мкс ).

Первый член формулы (7) учитывает изменение плотности стекла, второй член – эффект фотоупругости, обусловленной деформацией волокна.

Рассмотрим более подробно первый член формулы (7) учитывающий изменение плотности кварцевого стекла в зависимости от температуры. Предполагая, что деформаций нет, перепишем (7) в следующем виде:

www.i-Mash.ru. Открытый машиностроительный интернет ресурс. Машиностроение. Новости, статьи, проблемы и решения., (8)

где D n – изменение показателя преломления сердцевины оптического волокна за счет изменения температуры;

n – показатель преломления сердцевины оптического волокна;

D Т – изменение температуры.

Знак минус говорит о том, что при увеличении температуры плотность плавленого кварца уменьшается.

Пусть температурный диапазон эксплуатации волоконно-оптической линии задержки составляет от -20 до +70 о С, а длина линии задержки равна 2 км, тогда:

www.i-Mash.ru. Открытый машиностроительный интернет ресурс. Машиностроение. Новости, статьи, проблемы и решения..

Изменение времени задержки за счет температурных флуктуаций показателя преломления будет составлять: www.i-Mash.ru. Открытый машиностроительный интернет ресурс. Машиностроение. Новости, статьи, проблемы и решения.(9)

С другой стороны, при увеличении температуры окружающей среды, длина отрезка оптического волокна увеличивается за счет температурного расширения. Коэффициент температурного расширения для плавленого кварца равен 0,4 × 10 -6 о С -1. При изменении температуры на 90 о С задержка сигнала в отрезке оптического волокна длиной 2 км увеличится на Δ t зад = 0,36 нс.

Таким образом, общая задержка в отрезке оптического волокна длиной 2 км, при изменении температуры окружающей среды на 90 о С изменится на Δ t зад = -0,25 нс.

В случае использования активной линии задержки совместная нестабильность задержек фотоприемника (фотодиода с трансимпедансным усилителем) D t ф и полупроводникового источника оптического излучения D t uu составляет величину не более 1 нс.

На ширину полосы пропускания такой ВОЛЗА влияют только технические характеристики применяемых приемо-передающих модулей. Реально достижимая полоса пропускания фотоприемника 1   ГГц, что значительно превосходит характеристики ультразвуковых линий задержки.

На рис. 1 представлены габаритный чертеж катушки со стандартным оптическим волокном длиной 400м, время задержки 2 мкс.

www.i-Mash.ru. Открытый машиностроительный интернет ресурс. Машиностроение. Новости, статьи, проблемы и решения.

Рис.1. Чертеж общего вида базовой конструкции волоконно-оптической линии задержки

1 – розетка, 2 – корпус, 3 – катушка с оптическим волокном

Основными элементами любой ВОЛЗ является катушка с оптическим волокном, помещенная в защитный корпус, закрывающийся сверху крышкой и две розетки, прикрепленные к входному и выходному концу катушки с оптическим волокном.

Для того, чтобы свести к минимальным значениям величину оптических потерь, возникающих на границе воздух-волокно, применяют розетки типа FC / APC . При применении таких розеток можно снизить величину потерь на отражение до 60 дБ.

Оптическая схема подключения волоконно-оптической линии задержки к внешним устройствам показана на рисунке 2.

Внешними устройствами служат приемо-передающие оптические модули, преобразующие электрический сигнал в оптическое излучение и обратно.

www.i-Mash.ru. Открытый машиностроительный интернет ресурс. Машиностроение. Новости, статьи, проблемы и решения.

Рис.2. Оптическая схема подключения волоконно-оптической линии задержки к внешним устройствам

Требования, предъявляемые к габаритным размерам ВОЛЗ, ограничивают максимальную длину применяемого для задержки оптического волокна. Максимальная длина используемого оптического волокна с одной стороны ограничена внутренним диаметром катушки, размер которого не может быть меньше критического радиуса изгиба применяемого оптического волокна, а с другой – ограничена максимальным внешним диаметром катушки. Также максимальная длина используемого оптического волокна в катушке ограничена максимально-возможной длиной вала катушки. Для использовании в жестких условиях эксплуатации и для устойчивости витков катушки к произвольному спаданию при вибрациях и ударах (ускорениях) производится фиксирование витков волокна.

www.i-Mash.ru. Открытый машиностроительный интернет ресурс. Машиностроение. Новости, статьи, проблемы и решения.

Рис.3. Конструкция катушки

Максимальный внешний диаметр D катушки и длина вала катушки H выбиралась, исходя из требований к внешним габаритным размерам ВОЛЗ. Минимальный внутренний диаметр катушки d, обусловлен применением конкретного оптического волокна. Для сохранения предъявленных характеристик необходимо, чтобы намотка катушки осуществлялась с постоянным заданным натяжением. Это требуется для постоянства характеристик оптического волокна вдоль всей катушки и недопустимости появления локальных неоднородностей, которые вызывают искажение передаваемого сигнала.

В рамках требуемых характеристик было сконструировано автоматическое намоточное устройство, позволяющее одновременно осуществлять намотку оптического волокна на катушку, с последующей его заливкой специальным герметизирующим составом, склеивающим витки катушки и формирующим демпфирующий внешний каркас катушки.

При значительных длинах оптического волокна на искажение формы передаваемого сигнала влияют его дисперсионные характеристики. За счет дисперсии происходит уширение входного импульса Δt вх на выходе линии задержки. Конечная ширина импульса на выходе линии задержки выражается через его начальную ширину Δt вх соотношением:

www.i-Mash.ru. Открытый машиностроительный интернет ресурс. Машиностроение. Новости, статьи, проблемы и решения.(10)

где D – коэффициент дисперсии,

L – длина волокна,

Δλ – ширина спектра сигнала.

Для каждого вида дисперсии рассчитывается свой коэффициент дисперсии. При использовании оптического волокна Corning SMF-28e коэффициент хроматической дисперсии будет составлять величину для длины волны 1200 нм ≤ λ ≤ 1625 нм:

www.i-Mash.ru. Открытый машиностроительный интернет ресурс. Машиностроение. Новости, статьи, проблемы и решения., (11)

где λ 0  – длина волны нулевой дисперсии (λ 0  =1317 нм),

S 0   – Наклон кривой дисперсии в точке обращения в ноль ( S 0   = 0,086 пс/(нм 2 км)).

Для уменьшения влияния дисперсии могут быть использованы компенсаторы дисперсии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ВОЛЗ отличаются высокой стабильностью времени задержки, широкой полосой пропускания и могут найти применение в различных устройствах, эксплуатируемых в жестких условиях эксплуатации.

Авторы:
В.А. Кузнецов , В.Н. Куцанов, М.Я. Яковлев
121108, Москва, Ивана Франко ул., д.4, ЗАО ЦНИТИ "Техномаш-ВОС"
Источник: www.i-Mash.ru (Открытый машиностроительный интернет ресурс)


Обсудить статью на Форуме Машиностроителей






Все комментарии
kulb 
Литература
Доброго времени суток!
А нельзя ли узнать источники литературы, которые использовались при написании данной статьи?
Заранее благодарен.
{c_navigation}

Написать комментарий

Другие публикации по теме





Автоматизация промышленных предприятий Автоматизация промышленных предприятий
Диспетчеризация производства, идентификация и прослеживаемость, управление КПЭ (KPI)...
(495) 662-43-70
Rodcraft (Родкрафт), Deprag, Stahlwille (Штальвиль), инструмент Atlas Copco (Атлас Копко), Iscar (Искар), Sandvik Coromant (Сандвик Коромант), Mitsubishi (Митсубиси). Маркировка труб, горячего металла в металлургии. Промышленное оборудование и инструмент
Rodcraft (Родкрафт), Deprag, Stahlwille (Штальвиль), инструмент Atlas Copco (Атлас Копко), Chicago Pneumatic (Чикаго Пневматик), Fuji (Фуджи), Desoutter, Iscar (Искар), Sandvik Coromant (Сандвик Коромант), Mitsubishi (Митсубиси), Korloy (Корлой), Seco tools, SGS tools, Onsrud, Fette, Guhring и пр. Оборудование для маркировки. Маркировка труб, горячего металла в металлургии. Фаскосниматели (фаскорезы, кромкорезы), ручные фрезеры по металлу. Пневмодвигатели (пневматические двигатели, пневмомоторы).
(495) 668-13-58
ИРОК-2М. Купить. Инструкция.
Инструмент ИРОК-2М от производителя. Купить. Скачать инструкцию и другие документы. Прочий электромонтажный инструмент и электрокомпоненты.
(495) 668-13-58 доб. 4
Реклама на сайте и-Маш Реклама на сайте и-Маш      
pr()i-mash.ru