Оптоелектронний спосіб перетворення спектра сигналу

Оптоелектронний спосіб перетворення спектра сигналу з використанням нелінійного елемента, здатного змінювати частотний спектр вхідного сигналу, який розміщують між поляризатором і аналізатором світлового променя, які розташовані між джерелом світла і фотоприймачем, який відрізняється тим, що як нелінійний елемент використовують прозорий магнітооптичний кристал, який поміщають в котушку, на яку подають вхідний електричний сигнал, напруга якого періодично залежить від часу, та створюють магнітне поле, під дією якого миттєву амплітуду напруги вхідного сигналу перетворюють на кут повороту площини поляризації променя джерела світла, що пропускають через кристал, при цьому як джерело світла використовують світлодіод, а потім аналізатором модулюють його за інтенсивністю за законом Малюса та перетворюють фотоприймачем на вихідний електричний сигнал зі зміненим спектром. Винахід належить до області радіотехніки і може бути використаний для перетворення сигналів у радіопередавальних і радіоприймальних пристроях і в пристроях вимірювальної техніки. Відомі методи перетворення спектра сигналів: множення частоти, гетеродинування, амплітудна і фазова модуляція тощо. Усі вони ґрунтуються на використанні нелінійної характеристики діода, тригера. Нелінійні характеристики існуючої елементної бази не можуть бути цілком універсальні, їх можна використовувати для рішення певної, конкретної задачі з обмеженими параметрами і можливостями [1]. Як приклад розглянемо окремий метод перетворення спектра сигналу - множення частоти. Гармонійний сигнал спотворюється нелінійним елементом, а потім вузькосмуговим фільтром виділяється необхідна гармоніка. Недоліком цього методу є низька ефективність перетворення вхідного сигналу у вихідний сигнал. В ідеалі бажано одержати стовідсоткове перетворення. Низька ефективність всіх існуючих методів перетворення спектра пов'язана з формою вольтамперної характеристики електронно-вакуумних і напівпровідникових елементів (фіг. 1) тріода (а), діода (б), діодів у режимі двопівперіодного випрямлення (в). Для метрологічного вимірювання ці характеристики обмежують точність, оскільки не мають абсолютно симетричної характеристики перетворення сигналу. Відомий нелінійний оптоелектронний перетворювач сигналів [2], який дозволяє перетворювати спектр сигналів радіоелектронних пристроїв шляхом множення вхідної частоти в 2, 4 і 6 разів в залежності від амплітуди вхідної напруги. В основу винаходу поставлена задача одержання нелінійної характеристики, яка відрізняється від відомих тим, що дозволяє розширити кількість і різноманітність способів перетворення спектра сигналів. UA (11) 95363 (13) (21) a200912857 (22) 11.12.2009 (24) 25.07.2011 (46) 25.07.2011, Бюл.№ 14, 2011 р. (72) СКРИПЕЦЬ АНДРІЙ ВАСИЛЬОВИЧ, ТРОНЬКО ВОЛОДИМИР ДМИТРОВИЧ, СЛОБОДЯН ОЛЕКСАНДР ПЕТРОВИЧ (73) СКРИПЕЦЬ АНДРІЙ ВАСИЛЬОВИЧ, ТРОНЬКО ВОЛОДИМИР ДМИТРОВИЧ, СЛОБОДЯН ОЛЕКСАНДР ПЕТРОВИЧ (56) Скрипец А.В., Тронько В.Д., Слободян А.П., Енчев С.В. Спектральное преобразование радиосигнала оптоэлектронным методом. Електроніка та системи управління: 36. наук. пр. - К.: НАУ, 2005. - Вип. 4, С. 21-29. Тронько В.Д., Скрипець А.В., Слободян О.П., Оптоелектронний перетворювач спектра радіосигналу інфра- та низькочастотного діапазону. Ж. Автошляховик України. Окремий випуск. Вісник Північного наукового центру ТАУ, вип. 9, 2006. - С. 154-158. SU 531031, 24.12.1976 RU 2066922 C1, 20.09.1996 C2 2 (19) 1 3 95363 Поставлена задача вирішується шляхом використання магнітооптичного ефекту Фарадея в прозорих в оптичному діапазоні феримагнітних кристалах, в основу якого покладено застосування магнітооптичного оптрона [2] в так званому широкодіапазонному обертанні кута повороту площини поляризації світла. Такий режим дозволяє створити новий тип характеристики перетворення вхідного сигналу у вихідний. Отримана характеристика зображена на фіг. 2. Спосіб, що заявляється, реалізується за допомогою використання прозорих для світла феримагнітних кристалів, що мають великий ефект Фарадея, що дозволяє повертати площину поляризації світла на кілька сотень градусів (до тисячі градусів) [3] при керуванні струмом в декілька десятків міліампер. Залежність кута повороту площини поляризації світла  від струму I у підмагнічуючій котушці наведено на фіг. 3. Дійсно, якщо магнітооптичний кристал помістити між поляризатором і аналізатором, то інтенсивність світла на виході аналізатора визначається законом Малюса 2 I=I0cos [0+(Uвх)], (1) де І0 - початкова інтенсивність світлового потоку; 0 - початковий кут між поляризатором і аналізатором; (Uвх) - кут повороту площини поляризації світла магнітооптичним зразком у залежності від вхідної напруги Uвх. Проаналізуємо пропонований спосіб за схемою, зображеною на фіг. 4. Світловий промінь від фотодіода 1 проходить через поляризатор 2, магнітооптичний зразок 3, аналізатор 4 і перетворюється фотоприймачем 5 у вихідну напругу Uвиx. Вхідна напруга Uвх подається на підмагнічуючу котушку 6, що створює магнітне поле, яке керує намагніченістю зразка, а, отже, і кутом повороту площини поляризації світла. 4 Інтенсивність світла на виході оптрона І перетворюється фотоприймачем у вихідну напругу Uвиx. Функція перетворення (апаратна функція) такого пристрою в загальному вигляді дорівнює 2 Uвих=U0cos [0+(Uвх)], (2) де Uвих - відповідно вихідна напруга з фотоприймача; U0 - амплітудне значення вихідної напруги; Uвх - вхідна напруга, що подається на вхід оптрона, (підмагнічуючу котушку 6). Реальний опір підмагнічуючої котушки дорівнює декільком десяткам Ом (наприклад, 20 Ом). Тому завжди по підмагнічуючому струму І можна розрахувати значення вхідної напруги Uвх (див. фіг. 2). Залежність вихідної напруги від вхідної (див. фіг. 2) визначалася за формулою (2) при нормованому значенні U0=1В, 0=0°, і отриманому експериментальному графіку (див фіг. 3). Слід також зазначити, що залежність (І) можна змінювати в широких межах, змінюючи довжину магнітооптичного зразка або кількість витків у підмагнічуючій котушці. Таким чином, якщо вхідний сигнал періодично залежить від часу, то можна записати Uвх  t     an cos nt  bn sin nt . (3) n0 Тоді і залежність (t) буде періодичною, тобто може бути розкладена в ряд Фур'є Uвх t     A n cos nt  Bn sin nt . (4) n0 Підставивши (4) у (2), одержимо періодичну залежність Uвиx(t), коефіцієнтами Фур'є в цьому випадку будуть функції Бесселя:       Uвих t   U0 1   j2 j FA n ,Bn t cos 2 jt   j2 j 1FA n ,Bn t sin2 j  1t  . (5)  j 1  j 1   Для деяких окремих випадків ряд (5) можна записати конкретно і знайти нові функціональні залежності [4, 5]. Спрощення ряду (5) надасть можливість його аналізувати, щоб застосовувати в приладах конкретної техніки. Слід зазначити, що феримагнетики прозорі для радіохвиль, прозорі й в оптичному діапазоні для електромагнітних хвиль [6]. В даний час вони синтезовані у вигляді плівок (хвилеводів) [6] для створення фарадеєвських комірок в інтегральному виконанні. Це дозволить поповнити елементну базу радіотехніки й електроніки. Джерела інформації: 1. Радіотехніка. Енциклопедичний навчальний довідник за ред. Ю.Л. Мазора, Є.А. Мачуського, В.І. Правди / - К.: Вища школа, 1999. - 608 с. 2. Куванов Р.И. Нелинейный оптоэлектронный преобразователь сигналов. Описание изобретения к патенту RU № 2066922 С1, Н03К5/156, Н03В19/00 от 20.09.1996 г. 3. Тронько В.Д., Шиманская Н.В. Оптрон. Описание изобретения к авторскому свидетельству № 531031, G02F3/00, БИ 37 от 05.10.1976 р. 3. Кузнецов Ю.А., Тронько В.Д. Фарадеевский умножитель частоты. Ж. Приборы и техника эксперимента, № 6. - М.: 1973. - С. 104-106. 4. Скрипец А.В., Тронько В.Д., Слободян А.П., Енчев С.В. Спектральное преобразование радиосигнала оптоэлектронным методом. Електроніка та системи управління: 36. наук. пр. - К.: НАУ, 2005. - Вип. 4, С. 21-29. 5. Тронько В.Д., Скрипець А.В., Слободян О.П., Оптоелектронний перетворювач спектра 5 радіосигналу інфра- та низькочастотного діапазону. Ж. Автошляховик України. Окремий випуск. Вісник Північного наукового центру ТАУ, вип. 9, 2006. – С. 154-158. 95363 6 6. Тронько В.Д. Линейные и параметрические явления в магнитоупорядоченных кристаллах. Докторская диссертация. -К.: 1977. 7 Комп’ютерна верстка Мацело В. 95363 8 Підписне Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601