基于微波光子學的寬帶大延時射頻信號傳輸系統研究

張靜 戴澤璟 梁會娟 張業斌 趙恒 崇毓華

摘要：文章針對寬帶大延時射頻信號傳輸系統進行相關研究，詳細說明了寬帶大延時射頻信號在傳輸過程中遇到的問題，重點設計了基于電域混頻模式的主動式穩相傳輸方案，研制了一套62?km寬帶大延時射頻信號傳輸系統，具有300?μs的延時量。同時采用主動式穩相技術，鏈路的時延穩定性達到≤6°/s，工作頻率覆蓋Ku頻段，具有很好的工程應用前景。

關鍵詞：微波光子學??寬帶大延時??主動式穩相??電域混頻

Research?on?the?Broadband?Long-Delay?Radio?Frequency?Signal?Transmission?System?Based?on?Microwave?Photonics

ZHANG?Jing1??DAI?Zejing1??LIANG?Huijuan1??ZHANG?Yebin1??ZHAO?Heng1

CHONG?Yuhua2

（1.The?38th?Research?Institute?of?China?Electronics?Technology?Group?Corporation;2.?Anhui?Province?Engineering?Laboratory?for?Antennas?and?Microwave，?Hefei，?Anhui?Province，?230088China）

Abstract?：?This?paper?studies?the?broadband?long-delay?RF?signal?transmission?system，?details?the?problems?encountered?in?the?transmission?of?broadband?long-delay?RF?signals，?focuses?on?designing?the?active?phase-stable?transmission?scheme?based?on?the?electric?domain?mixing?mode，?and?develops?a?62km?broadband?long-delay?RF?signal?transmission?system.?It?has?a?delay?of?300?μs?and?adopts the?active?phase-stable?technology，?the?delay?stability?of?the?link?reaches≤6°/s，?and?the?working?frequency?covers?the?Ku?band，?which?has?a?good?engineering?application?prospect.

Key?Words：?Microwave?photonics;?Broadband?long-delay;?Active?phase?stability;?Electric?domain?mixing

微波光子學就是一門將微波技術與光電子技術結合而產生的一門交叉學科。它充分利用了光纖傳輸頻帶寬、信號衰減小、保密性好、抗電磁干擾等優點。光電子技術解決了傳統微波技術中難以解決的[1-2]大延時傳輸、寬帶信號處理等問題。大延時[3]光載射頻傳輸系統在導航、雷達標校、預定延時等領域有著廣泛的應用。但是在大延時傳輸系統中，光纖受到外界的溫度、振動、壓力的擾動，從而使得其內部傳輸的信號的延時發生波動。同時色度色散對大延時光纖鏈路的RF性能會有顯著影響。色散會造成射頻功率的周期性衰落。相位穩定性和色散問題制約了大延時傳輸系統的工程應用[3]，開展相關問題的研究很有必要?；谏鲜鲱I域的需求，文章設計了一種大延時寬帶光載射頻系統，鏈路的相位穩定性達到≤6°/s，延時量達到300?μs，頻率覆蓋Ku頻段。

1?大延時光載射頻系統穩相原理及方案

1.1?溫度對光纖的擾動原理

信號在普通單模光纖中的傳輸延時為可表示為

其中，L為單模光纖長度，n為光纖折射率，c為光在真空中傳播速度。當光纖所處外界環境的溫度和壓強發生變化時，折射率和長度會發生變化。從式（1）可以看出，對應的傳輸延時也會發生相應變化。光纖長度L和折射率n，都會隨著外界溫度變化和機械振動而發生相應的變化，進而導致鏈路的傳輸延時發生變化，使得光載射頻信號的相位也隨之發生變化。溫度對光纖延時的影響可用式（2）表示[3]：

其中，K稱為光纖的熱延遲系數，其定義為單位溫度、單位長度引起的光纖傳輸延時的變化，單位為ps/（km?℃）。式（2）右邊括號中的第一項表示光纖長度隨溫度變化而產生的延遲變化，第二項表示由光纖折率隨溫度變化而產生的延遲變化。對于光纖通信傳輸常用的G.652.D光纖，延時隨溫度變化的總體系數為35?ps/（km?℃）。為了抑制這種信號在光纖中傳輸所導致的信號相位波動，需要引入光纖穩相傳輸技術。

1.2?遠距離傳輸色散補償研究

對于外調制直接檢測（IMDD）鏈路，隨著光纖長度的增加，傳輸距離的延長，射頻輸出功率會逐漸減小，并呈周期性變化。為了保證遠距離傳輸射頻輸出功率穩定，需要對傳輸鏈路的色散進行補償，鏈路總色散殘留越少，對射頻功率影響越小?？梢圆捎脝文９饫w與色散補償光纖熔接的模式，單模光纖的色散系數約為18?ps/（nm?km），色散補償光纖色散系數約為180?ps/（nm?km），單模光纖與色散補償按照10﹕1的長度定制。

1.3?穩相控制設計方案

穩相控制主流的方案是電域混頻的方法，提取經過鏈路輸出的射頻信號與本地參考信號的相位差，通過反饋控制調節光路長度的方式，預補償光纖鏈路因外界環境變化產生的額外相位差，實現相位穩定。電域混頻的方法又包括被動式穩相和主動式穩相。被動式穩相，它利用混頻相消的原理，對光纖鏈路的抖動進行消除。缺點是一次只能實現單個頻率信號的傳輸，若待傳射頻信號的頻率發生改變，則需要更換相應的帶通濾波器等，且對微波源與相關電子器件的性能要求較高。

主動式穩相[4-5]利用鑒相器將光鏈路抖動引起的相位誤差提取出來，并根據誤差信號來進行反饋控制，實現相位穩定控制。主動式穩相反饋控制的方法有移相器、可調延時線[6]、壓控振蕩器、光纖拉伸器、光纖溫控技術、利用色散理論通過改變激光器的波長進行延遲的調節。

文章采用主動式穩相傳輸技術，在所傳輸的電信號中加入一個低頻的信號（導頻信號），通過該低頻信號在光纖中的傳輸來解算出相應的光纖中的光程的波動，進而通過反饋控制技術來抑制光纖受到的外界干擾[4]。系統中需要高精度相位檢測和基于PID原理的反饋裝置，將檢測的相位信息反饋控制可調光延時線，完成相位控制。通常來說，相位的控制需要混頻器、鑒相器、可調光延時線、帶通濾波器等器件。鑒相器采用AD公司鑒相芯片，該芯片為AD公司推出的高集成度的幅度和相位測量的單片集成電路，能測量從DC～2.7GHz頻率范圍內2個輸入信號間的幅度比和相位差。

在相位控制部分，系統采用PID控制方法，根據經鑒相器提取的測量結果，利用編程軟件實現PID[7]算法控制，合理設置P、I、D參數，獲取需要補償的延時量然后通過串口控制高精度的可調光延時線工作，實現系統相位控制。比例系數Kp越大，調節能力越強。但是Kp越大受到擾動后回到穩態后的穩態誤差越大，Kp大到一定程度，會使系統產生振蕩，實際應兼顧“快”和“穩”兩個指標。當Kp值相同時，Kd越大，系統進入穩態時間越短，進入穩態后穩態誤差越小，這是因為微分系數調節在系統引入一個有效的早期修正信號，可以減少系統調節時間。

2?系統測試與結果分析

按照如圖1所示搭建實驗系統。系統主要包括激光器、鈮酸鋰強度調制器、波分復用器、可調光衰減器、長光纖、解波分復用器、光放大器，光環形器、可調光延時線、探測器。激光器選用I-TUT?C34、C42波長，輸出光功率為19?dBm，調制器通過偏壓控制使其工作在正交工作點處，光插損為7?dB。波分復用器和解波分復用器按照激光器波長設置。長光纖長度為62?km，色散殘留量保證在±10?ps/nm以內?？烧{光延時線的調節范圍為0～1?120?ps。導頻信號選擇2?GHz射頻信號，通過功分器一分為二，一路加載到強度調制器上，一路作為鑒相的參考信號。調制后的光信號通過波分復用器與傳輸路信號合成傳輸到長光纖中。導頻信號經過長光纖傳輸后經解波分復用器經探測器還原成電信號，電信號經過低噪聲放大后與原始信號進入混頻器，此時由于溫度帶來的光纖折射率和長度的變化引起的相位變化信息就可以通過AD采集卡采集，通過LabVIEW程序控制可調光延時線的長度來實時補償相位變化實現穩相功能。

在常溫實驗室環境下，監測該系統，在18?GHz處相位如下圖所示。監測方法：矢網單點頻模式（18?GHz）相位值，每300?ms采集一次，共監測44?min。

從圖2可以看出未加穩相系統時，18?GHz頻點處相位5h漂移14?000°。從圖3中可以看出相位漂移指標滿足≤6°/s。

3?結語

寬帶大延時射頻信號傳輸系統在雷達、電子對抗、無線通信等方面有著廣闊的應用前景。本文分析了溫度對光纖傳輸延時的影響，遠距離傳輸射頻功率周期性衰落問題。通過在系統中加入導頻信號，利用PID控制原理，實現了系統的相位控制。該系統同時具有工作頻帶寬、增益平坦度高等優點，對工程應用有一定的指導意義。

參考文獻

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