射頻光傳輸設備及其在核電磁脈沖防護中的應用

衷海兵 毛 建

引言

20世紀80年代后期，號稱“電磁殺手”的電磁脈沖炸彈問世了。這種炸彈爆炸后產生的高強度電磁脈沖，覆蓋面積大，頻譜范圍寬，幾乎能夠攻擊其殺傷半徑內所有帶電子部件的武器系統。它產生的強電磁脈沖可以通過暴露在地面上的天線、饋線等設備產生感應電流，破壞地下防護工程內的電子通信設備。癱瘓整個通信系統。通過近年來發生的幾場高技術條件下的局部戰爭，我們可以看到，電磁脈沖炸彈已投入實戰使用，并已成為控制信息權的“殺手锏”，嚴重地威脅到無線通信的發展。如何提高抗電磁摧毀能力已是各國在通信發展中遇到的一個嚴峻問題。

電纜傳輸和光纖傳輸囊耗與距離的比較

與電纜傳輸相比，光纖傳輸具有無電磁輻射、傳輸帶寬寬、不受電磁脈沖干擾、傳輸損耗小等特點。采用光纖傳輸方法代替傳統的電纜傳輸方法，具有以下優點。

·增強無線通信設備抗電磁毀傷能力。由于光纖是絕緣體，光纖代替金屬線，切斷傳導性耦合通路，防止強電磁脈沖產生的感應電流破壞通信工程內的相關通信設備。

·采用光傳輸使天線能夠遠距離使用。一般電纜傳輸方法最大傳輸距離約S00-1000m，光傳輸方法最小可達25公里，實現無線通信遠距離隔離保護。

·大大減小信號傳輸過程中的衰耗(見表1)，提高通信接收信號質量。

射頻信號光傳輸系統

射頻信號光傳輸的基本組成如圖1所示。在發送端，射頻信號通過射頻信號放大、濾波等(具體根據實際需求處理)，再通過電光轉換，將射頻信號轉換成光信號在光纜中傳輸：接收端接收光信號，首先進行光電轉換，將光信號轉換成電信號，通過放大和濾波處理后輸出射頻信號。

光發射設備

在激光發射機中，激光器的性能好壞決定了發射機的性能好壞，因此對激光器的線性要求特別苛刻：

(1)要求激光器器件的自身噪聲極低，動態范圍要大。

(2)系統使用的特殊環境要求設備適應性要強，也就要求激光器器件的溫度適應范圍要寬。

(3)輸入信號的特殊性要求激光器必須有很好的線性指標，即：CSO(組合二次)、CTB(組合三次)和C／N(載噪比)指標，避免自身的非線性產物的大量產生，影響系統工作穩定及對有用信號造成干擾等等。

光發射機的核心是DFB激光器組件，此外還有電源、激光器偏置電路、功率控制電路、光檢測電路(光檢測器用于光功率檢測與自動功率控制)。光發射機通過自動溫度控制(ATC)、自動光功率控制(APC)電路穩定輸出光功率：信號輸入后采用寬帶放大，然后通過光調制技術將射頻信號轉換為光信號(見圖2)。

光功率自動控制電路

由于半導體激光器對溫度的變化很敏感，要獲得穩定的光輸出，就要有自動控制電路。溫度的變化和器件的老化給激光器帶來的不穩定主要在表現在以下幾個方面。

·激光器的閥值電流隨溫度變化呈現為指數規律變化，并隨器件的老化而增加，從而使輸出光功率發生很大的變化。

·隨溫度的升高和器件的老化，激光器的電光轉換效率降低，使輸出光功率發生變化。

·隨著溫度的升高，激光器的發射波長的峰值位置移向長波。控制電路的作用就是消除溫度變化和器件老化對輸出光功率的影響，穩定輸出光功率。由于激光器的閥值電流和光電轉換效率都會隨溫度和器件的老化而發生變化，因此，要精確控制激光器的輸出光功率，應從兩個方面考慮：控制激光器的偏置電流，使其自動跟蹤閥值的變化，使激光器總是偏置在最佳的工作狀態：控制激光器的調制電流的幅度，使其自動跟隨光電轉換效率的變化而變化。

在通常情況下激光器的光電轉換效率隨溫度的變化不是很敏感。在不增加成本的情況下，簡化控制電路，采用直接檢測激光器的平均輸出光功率來控制偏值電流，從而維持輸出光功率的穩定。

自動溫度控制(ATC)

自動溫度控制電路由小型致冷器、熱敏元件及控制部分組成。熱敏元件監測激光器的結溫，與設定的基準溫度相比較，放大后驅動致冷器的控制電路，改變致冷量，從而保證激光器工作在恒定的溫度下。為了提高致冷效率和控制精度，激光器的溫度控制常采用內制冷方式，也就是將致冷器和熱敏電阻封裝在激光器管殼內，熱敏電阻直接探測結區溫度，致冷器直接和激光器的PN結接觸。這種方式可以控制激光器結溫在±0.5℃的范圍內，從而使激光器有較恒定的輸出光功率和發射波長。但是，溫度控制方式不能控制由于激光器老化而產生的影響。溫度控制電路的控制精度不僅取決于外圍電路的研制，而且受到激光器的封裝技術的影響。熱敏電阻能不能反映結區的溫度、致冷器與PN結的熱接觸是否好等都直接影響到溫度控制電路的控制精度。

為了激光器的穩定工作，ATC是必須的，一般把LD芯片的溫度控制在25℃，激光器的光發射功率和非線性失真依賴于偏置電流，因此偏流控制是光發射機的關鍵部件。由于半導體激光器對溫度變化很敏感，因此必須通過自動功率控制單元穩定激光器的輸出，自動功率控制單元是通過控制激光器的偏置電流使其自動跟蹤閥值的變化，使激光器總是偏置在最佳的工作狀態，同時控制激光器的調制電流的幅度，使其自動跟隨光電轉換效率而變化。

光纖傳輸系統由于要傳輸寬帶射頻信號，而且在這個頻段內，空中所接收到的信號幅度差別很大，因此對激光器的線性和調制靈敏度要求特別苛刻：首先，要求激光器器件的工作頻帶要寬，本底噪聲要極低，動態范圍要大；其次，由于系統使用的環境特殊，故要求設備適應性要強，也就要求激光器器件的溫度適應范圍要寬；另外，由于輸入信號的特殊性，要求激光器必須有很高的調制靈敏度和很好的線性指標，即：CSO(組合二次)、CTB(組合三次)和C／N(載噪比)指標，避免自身的非線性產物的產生，影響系統工作穩定等。

光接收設備

接收機主要由兩大部分組成，即激光探測器光電轉換部分、寬帶高效高阻-低阻抗的阻抗變換輸出處理部分(見圖3)。激光探測器光，電轉換部分及控制監測部分為有源器件組成。光接收機的核心是PIN管，此外還有電源、功率控制電路、光檢測電路、射頻信號的放大處理電路等。光接收機通過PIN管將光信號轉換為電信號：光接收機有接收光功率指示功能：放大電路的增益應適當，保證接收到的電信號的失真盡可能小，也需要有一定的幅度便于后級的信號的處理。

由于在光發射機中未采用RF放大器，因此系統的傳輸增益(接收機光功率-2dB輸入時)要降低10-15dB左右。為了不使系統的傳輸增益過低，在不增加放大器降低系統噪聲系數動態和可靠性的前提下，可采用改變光接收機接收光功率的方式來補償由于不采用放大器帶來的傳輸增益的降低，即高出高進的模式，光發射機高功率輸出，接收機輸入光功率大于+2dBm，彌補上系統降低的6dB增益。

結語

試驗證明，采用此方案系統的各項技術指標均能達到要求，也能夠滿足用戶的使用要求。因此采用射頻光傳輸的方法，能夠有效地增強地下防護工程內通信系統的抗電磁毀傷能力，這已經在系列工程應用中得到驗證。