基于光纖的無線電高度模擬器設計

摘要：在測試無線電測高功能、測高能力和主要性能時，需要有相應的延遲單元配合，組成測試系統，完成特定的性能測試。文章給出了用光纖技術完成用于無線電測高功能閉環聯試模擬飛行高度模擬器的設計思路和方法。

關鍵詞：光纖；光發射；光接收；光纖延遲；光開關

中圖分類號：V241.621 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）08-0106-01

光纖的應用逐漸在光傳感器、光纖通信及微波光學領域興起，利用光纖技術對調制在光波上的微波信號進行傳輸、延遲、分配和處理，因具有損耗低、抗電磁干擾能力強、頻帶寬等獨特的優點，應用前景廣闊，是目前多個學科交叉滲透的熱點。而用光纖傳輸模擬信號，特別是微波信號的研究在國際上十分活躍，通過光纖來傳輸不同形式的微波信號，如遠程雷達和機載雷達系統的微波光纖鏈、CATV的微波光纖鏈、光纖延遲線等均在研究之列。

1 光纖基本概念

光纖是一種傳輸介質，它的完整名稱叫做光導纖維，是一種利用光在玻璃或塑料制成的纖維中的全反射原理而制成的光傳導工具。

光纖按傳輸模分為單模光纖和多模光纖。單模光纖芯徑小（10 um左右），單模光纖中心玻璃芯很細（芯徑一般為9或10 μm），只能傳一種模式的光，其色散小，適用于遠程通訊。多模光纖芯徑較粗（50或62.5 μm），可傳多種模式的光，其模間色散較大，因此，多模光纖傳輸的距離就比較近。光纖的工作波長有0.85 μm、1.31 μm和1.55 μm。

2 信號處理流程

如圖1所示，無線電高度模擬器主要由光發射模塊、光傳輸延遲模塊、光接收模塊組成。

信號的處理過程是射頻信號經過帶有自動功率和溫度控制的電/光轉換單元，完成微波信號的阻抗、噪聲的匹配，預失真補償，噪聲抑制以及電光轉換功能，產生的調制光信號進入延遲模塊進行光纖路徑選擇以得到不同模擬距離，延遲后的光信號由光接收模塊的光/電轉換電路解調出微波電信號，接著信號輸出到后端阻抗匹配處理單元，實現50 Ω的阻抗、噪聲的匹配，完成優化輸出射頻信號的功能，輸出的信號頻譜完全和輸入的微波電信號頻譜相同，只是用光纖作為介質延遲了一段時間。

3 電性能設計

3.1 光發射模塊的設計

光發射模塊在設計時要注意幾點要求：轉換效率、輸入阻抗匹配特性、調制帶寬、工作溫度范圍、體積、功耗及工作波長。高轉換效率的電光調制器可降低電光轉換帶來的插入損耗，從而提高組件的工作動態范圍。良好的輸入阻抗匹配不僅是實現組件好的幅度平坦度的重要條件，也可在一定程度上降低組件的額外插入損耗。

本系統的光發射模塊由激光器、直流偏置電路、阻抗匹配電路、光功率檢測電路、溫度控制電路以及光隔離器等組成，完成將射頻信號轉成光信號的功能。具有線路結構簡單、射頻驅動功率低，總的鏈路損耗低等優點

3.2 光接收模塊的設計

光接收模塊的任務是以最小的附加噪聲及失真，恢復出光纖傳輸后由光載波所攜帶的信息，因此光接收的輸出特性綜合反映了整個系統的性能。它主要包括光探測器、驅動放大、阻抗匹配、隔離器等。

光探測器的主要作用是利用光電效應把光信號轉變為電信號。對光電探測器的要求是靈敏度高、響應快、噪聲小、成本低和可靠性高。常用的光電檢測器是PIN光電二極管，在本設計中，光信號被PIN光電二極管探測到，并被它轉變回電流，探測器中的PIN光電二極管的響應度約為0.85 mA/MW，射頻響應帶寬高，等效噪聲電流值約為20 Pa/Hz。然后將光電探測器產生的微弱的電流信號轉化為電壓信號，再進行進一步放大、整形和處理，最后經阻抗匹配完成與端口阻抗相匹配，獲得更好的輸出阻抗特性。

3.3 光纖延遲的技術實現

本文介紹的高度模擬器可按20 m步進方式提供0～1 260 m的延遲高度。光纖延遲陣列的拓撲結構圖如圖2所示，由2個1×2光開關和5個2×2光開關及6段不同長度光纖延遲線段組成。

若要完成以20 m步進的方式達到0～1 260 m的延遲高度全覆蓋，需采用6組光纖延遲線段并配用7個光開關組成延遲線矩陣組，6組光纖延遲線段其等效高度加內部、外部電纜電長度分別為20 m、40 m、80 m、160 m、320 m、640 m，由控制電路發出指令信號，控制7個光開關不同的導通組合選通所需光路，來選中相應的光纖延遲線組合，從而達到完成選擇所需的延遲高度。

由于射頻信號傳播速率是與在真空中的傳播速率近似，因此雷達不同距離目標回波的延時時間T與距離L的關系為：T（μs）=2×L（km）/（3×10（km/μs））=（20/3）L，其中“2”表示往返距離。所以空間距離20 m、40 m、80 m、160 m、320 m、640 m所產生的延遲時間分別為0.133 μs、0.266 μs、0.533 μs、1.066 μs、2.133 μs、4.266 μs，而對應光纖線段，延遲時間為4.89 μs/km，對應的光纖長度約為27.2 m、54.4 m、108.8 m、217.6 m、435.2 m、870.4 m。

光纖延遲組合的技術實現，光纖和光開關的正確選擇至關重要，它決定了整個延遲系統的性能。在本設計中光纖選擇波長為1 310 nm的單模光纖，原因是單模光纖只能傳輸一種模式的光，因此，單模光纖沒有模分散特性，光纖的芯相應較細，傳輸頻帶寬、容量大、傳輸距離長。加上在1 310 nm波長處，單模光纖的總色散為零，從光纖的損耗特性來看，1 310 nm處正好是光纖的一個低損耗窗口。

光開關是一種具有切換光路作用的功能器件，對于光開關的選擇應基于以下幾點：低的插入損耗，快的開關時間，高的開關重復性、高可靠性以及較小的體積等。在電光和光電轉換插入損耗一定的時候，光開關所引入的附加插入損耗將直接影響整個系統的工作動態范圍。光纖延遲陣列的切換時間是有光開關的開關時間所決定，因此光開關開關時間應滿足系統的開關時間并盡可能的快。光開關的開關重復性是影響系統幅度一致性指標的一個重要指標參數，所選取的光開關必須保證具有較高的重復性，這樣才不會帶來測試的非一致性。

4 結 語

基于光纖的無線電高度模擬器通過不同長度光纖的延遲、切換，可實現多個目標距離的自動模擬，其結構簡單，工作頻率高，延遲范圍大且延時精度高，并可按照這種設計思路依據實際要求進行靈活設計，具有較高的實用性，另一個重要特點是它的射頻單位延遲損耗非常小，而且損耗不是工作頻率的函數，這是其它延遲線不能相比擬的。

參考文獻：

[1] 胡先志.光纖與光纜技術[M].北京：電子工業出版社出，2007.