Спосіб формування оптичного або нвч сигналу з каліброваними частотними параметрами

Способ формирования оптического или СВЧсигнала с калиброванными частотными параметрами (значение, стабильность, величина изменения), в котором формируют высококогерентный оптический или СВЧ-сигнал методами, в которых частота сигнала определяется эффективной (оптической) длиной резонатора генератора, управляют частотой этого сигнала посредством измерения эффективной (оптической) длины резонатора генератора, выделяют сигнал, частота кото 42807 вает частоту сигнала биений Δ3 с калиброванной частотой дополнительного сигнала. 9. Формируют высококогерентный одномодовый сигнал частотой V3 с помощью ОКГ. Частота V3 примерно в 2 раза меньше частоты V4. 10. Умножают частоту V3 в 2 раза на кристалле LiNbO3. 11. Смешивают удвоенную частоту 2V3 с частотой V4 на фотодиоде. 12. Выделяют сигнал биений радиочастотного диапазона частотой, равной Δ2=V4-V3 с помощью фотодиода. 13. Формируют дополнительный сигнал с калиброванной частотой Δ2. 14. Стабилизируют частоту V3 путем управления длиной резонатора ОКГ с помощью системы автоподстройки частоты, которая сравнивает частоту сигнала биений Δ2 с калиброванной частотой Δ2 дополнительного сигнала. 15. Формируют высококогерентный одномодовый сигнал частотой с помощью ОКГ. 16. Формируют высококогерентный одномодовый сигнал со стабильной калиброванной частотой V1. Причем значения частот V1и V2 близки друг другу и подобраны так, что 3V1+2V2 близки по значению V3. 17. Смешивают частоты V1, V2 и V3 на нелинейном МДМ диоде. 18. Выделяют частоту VB=V3-(3V1+2V2) на этом же МДМ диоде. Частота VB лежит в радиодиапазоне. 19. Измеряют значение частоты VB. 20. Формируют сигнал частотой Vm близкой разности V2-V1 с помощью клистрона стабильной частоты. Частота Vm примерно равна 62 ГГц. 21. Измеряют частоту Vm. 22. Определяют калиброванное значение частоты V5 пo формуле: V5=2V4+Δ3=2{2V3+Δ2}+Δ3= =2{2[3V1+2V2+VB]+Δ2}+Δ3= =2{2[3V1+2(V1+Vm+Δ1)+VB]+Δ2}+Δ3. Недостатком способа является сложность процесса калибровки частоты сигнала V5 и невозможность плавного изменения частоты на заданную величину. Задачей настоящего предложения является упрощение процесса формирования, а также обеспечение плавного изменения частоты на заданную величину. Согласно предложению формируют высоко когерентный оптический или СВЧ сигнал методами, у которых частота сигнала определяется эффективной (оптической) длиной резонатора генератора, управляют частотой этого сигнала посредством изменения эффективной (оптической) длины резонатора генератора, выделяют сигнал, частота которого лежит в радиочастотном диапазоне, формируют двухмодовый или с большим числом мод оптический или СВЧ сигнал, причем частота одной из его мод V¢m известна с абсолютной погрешностью, не превышающей половины частоты межмодовых биений f, выделяют сигнал межмодовых биений, калибруют его требуемые частотные параметры, а точные параметры m й моды сигнала определяют, используя связь Vm =mf, где m - целое положительное число, причем для определения частоты mй моды сигнала вначале определяют приближенное значение V¢m m'= , округляют его до целочисленного знаf чения m и затем, используя это значение m, рассчитывают точное значение частоты m й моды сигнала по приведенной формуле. Такое усовершенствование позволяет упростить процесс формирования оптического или СВЧ сигнала с калиброванными частотными параметрами (значение, стабильность, величина изменения), а также обеспечивает плавное изменение частоты на заданную величину. Предлагаемый способ характеризуется следующими операциями: 1. Формируют высококогерентный двухмодовый или с большим числом мод сигнал, например, с помощью ОКГ. Частота V¢m одной из мод сигнала известна с погрешностью, меньшей чем половина частоты межмодовых биений f/2. (Например, измерена длина волны одной из мод с помощью интерферометра Фабри-Перо). 2. Выделяют частоту межмодовых биений. 3. Формируют дополнительный сигнал со стабильной калиброванной частотой f близкой частоте межмодовых биений. 4. Стабилизируют частоту межмодовых биений путем управления длиной резонатора ОКГ с помощью системы ФАПЧ по дополнительному с калиброванной частотой f сигналу, и тем самым калибруют частоту биений и стабилизируют частоты мод. 5. Уточненное значение частоты m й моды определяют, используя связь между частотой биений f и частотой Vm mй моды Vm=mf. Перед этим V¢ вычисляют отношение m , округляют результат m до ближайшего целого числа и по полученному целочисленному значению m вычисляют значение Vm по приведенной формуле. 6. При необходимости изменения частоты Vm на калиброванную абсолютную величину ΔVm V + DVm или на относительную величину dVm = m Vm изменяют частоту межмодовых биений на абсоDVm или на относительлютную величину Df = m DVm f+ m путем изменения длины резоную df = f натора, что достигается изменением в системе ФАПЧ частоты дополнительного сигнала на те же величины Δf или df. Приведена структурная схема устройства, реализующего данный способ: 1 - двухмодовый (двухчастотный) He-Ne оптический квантовый генератор - ОКГ (лазер); 2 - преобразователь частоты; 3 - узел фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ); 4 - генератор сигнала радиочастотного диапазона. С помощью оптического квантового генератора 1 формируют высококогерентный двухмодовый оптический сигнал, частота которого известна с 2 42807 Гц с относительной погрешностью, близкой к погрешности калибровки частоты f. Обоснуем приведенный способ. Вначале покажем, что частоты лазерных мод кратны частоте межмодовых биений. Одним из необходимых условий возникновения колебаний в генераторах на длинных линиях, например, в газовых ОКГ [4] является кратность длины резонатора половине длины волны. Тоесть, колебания в резонаторе длиной d возникают с такой длиной полуволны l/2, которая укладывается в резонаторе целое число раз. Реально колебания в резонаторе возникают в том диапазоне частот, который способен генерировать активный элемент для СВЧ устройств, а в газовых ОКГ - в "Доплеровском контуре". Допустим, что колебания в резонаторе возникли на длине полуволны lm/2, которая укладывается в резонаторе m раз. Можно записать: l d = m m ; или 2d=mlm. 2 Для соседней более высокой моды, длину волны которой обозначим lm+1, справедливо равенство 2d=(m+1) lm+1. Правые части можно приc равнять mlm=(m+1)lm+1; учитывая, что lm = и Vm Vm +1 - Vm . (Например, длина 2 волны измерена с помощью интерферометра Фабри-Перо. Основной сигнал оптического квантового генератора 1 используют для внешних измерений, а сигнал с другого конца резонатора, прошедший через "глухое" зеркало, используют для калибровки частотных параметров сигнала ОКГ. Этот сигнал направляют на преобразователь частоты 2. В этом преобразователе 2 выделяется сигнал межмодовых биений частотой й ¢ ¢ ¢ = Vm+1 - Vm . Здесь Vm +1 и V¢m - частоты (m+1) и f' й m мод, соответственно, до момента срабатывания системы ФАПЧ. Сигнал с частотой межмодовых биений подают на одно плечо узла ФАПЧ-3, на другое плечо ФАПЧ-3 подают сигнал от генератора 4. Частоту генератора 4 устанавливают такой, какой хотят получить частоту межмодовых биений. На выходе узла ФАПЧ-3 формируется управляющий сигнал соответствующий по знаку и величине разности фаз между сигналом генератора 4 и сигналом межмодовых биений, поступающего с преобразователя частоты 2. Управляющий сигнал с выхода узла ФАПЧ подают на пьезокерамический элемент резонатора ОКГ 1. Под действием управляющего сигнала, длина резонатора ОКГ 1 устанавливается такой, при которой частота межмодовых биений равна частоте генератора 4. Перед началом измерений калибруют стабильность и значение частоты f генератора 4. После срабатывания ФАПЧ происходит калибровка значения частоты межмодовых биений. Определяют приблизительное значение отV¢ ношения m = m' . Округляют его до целочисленf ного значения m и рассчитывают значение частоты mй моды, используя формулу Vm =mf. Если в процессе работы возникла необходимость изменить частоту сигнала ОКГ на калиброванную величину ΔVm (или в калиброванное число V ± DVm раз dV = m , то меняют частоту межмодоVm вых биений путем изменения частоты генератоDVm ра 4 на абсолютную величину Df = (или в m DVm f± m число раз). df = f Пример Допустим, что значение частоты одной из мод, измеренное известными способами Vm =500000244000000 Гц. При этом частота генератора 4 и соответственно частота межмодовых биений f=500000000 Гц. Тогда приблизительное значение m¢=500000244000000:500000000= =1000000,4. Поскольку m - целое число, то, округлив m', получим истинное значение m=106; и калиброванное значение Vm =500000000´106=5´1014 погрешностью DVm £ c , где с - скорость распространения Vm +1 электромагнитных волн в резонаторе, Vm и Vm+1 частоты mй и (m+1)й мод, соответственно, можно c c = (m + 1) ; m×Vm+1=(m+1)Vm и записать: m Vm Vm+1 получаем Vm =m(Vm+1-Vm ). Так как Vm+1-Vm есть частота межмодовых биений f, то можно записать Vm =mf. Отсюда следуют важные выводы: 1. Частоты мод кратны частоте межмодовых биений. 2. Во сколько раз увеличится частота межмодовых биений, во столько раз увеличатся частоты мод. 3. Застабилизировав частоту межмодовых биений, получают стабильные частоты мод. lm +1 = Источники информации 1. Авторское свидетельство СССР № 1364187, кл. Н01S3/13. Стабилизированный газовый лазер, автор Е.В. Голикова. 2. Андрусенко А.М., Данильченко В.П., Прокопов А.В. и др. Методы и средства лазерной прецизионной дальнометрии. - М.: Изд-во стандартов, 1987. - С. 12-14. 3. Д.А. Дженингс, К.М. Эвенсон, Д. Дж. Э. Найт. Измерение частот в оптическом диапазоне. ТИИЭР Труды институтов по электронике и радиотехнике, 1986, № 1, т. 74, с. 189-199. 4. Ищенко Е.Ф., Климков Ю.М. Оптические квантовые генераторы. – М.: "Советское радио", 1968. - С. 88-89. 3 42807 Фиг. __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ __________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 __________________________________________________________ 4