一種基于光纖環(huán)路的時(shí)延可控射頻儲(chǔ)頻方法

金戈 徐顯文 嵇瑋瑋 李曙光

摘要：設(shè)計(jì)了基于光纖環(huán)路的可編程射頻儲(chǔ)頻系統(tǒng)。將射頻信號(hào)調(diào)制到光纖環(huán)路上，利用開(kāi)關(guān)控制，對(duì)加載了射頻信號(hào)的光信號(hào)進(jìn)行可編程存儲(chǔ)控制，經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換器將光信號(hào)解調(diào)，提取射頻信號(hào)輸出。該方法簡(jiǎn)單、形成延時(shí)量大，易實(shí)現(xiàn)，適用于對(duì)于雷達(dá)或射頻的模擬測(cè)試。

關(guān)鍵詞：光纖延遲線(xiàn)；模擬射頻存儲(chǔ)；微波光子學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN974 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）08-0082-01

利用光纖傳輸損耗低、帶寬大、重量輕、延遲量大等特點(diǎn)，將射頻信號(hào)調(diào)制到光纖上，可以實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的延遲，在雷達(dá)測(cè)試、雷達(dá)電子對(duì)抗領(lǐng)域均有廣泛研究[1，2]。一般的光纖延遲線(xiàn)只能實(shí)現(xiàn)數(shù)量有限的延遲量，借助光開(kāi)關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)多級(jí)延遲線(xiàn)及其組合的選擇，其具有較好的延遲靈活性，但是延遲總量仍然局限于制作好的延遲線(xiàn)結(jié)構(gòu)和最大延遲線(xiàn)長(zhǎng)度。利用光耦合器形成光纖環(huán)結(jié)構(gòu)，能夠形成光信號(hào)在光纖環(huán)中的自動(dòng)傳輸，但是光纖耦合器的分光特性導(dǎo)致每次循環(huán)均附加分光損耗，使得一定的光功率輸入對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)有限[3，4]。

本文設(shè)計(jì)基于光纖環(huán)路的可編程射頻存儲(chǔ)系統(tǒng)，將2個(gè)光開(kāi)關(guān)和延遲線(xiàn)構(gòu)成可編程的延遲結(jié)構(gòu)，在光信號(hào)上調(diào)制射頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)射頻存儲(chǔ)。本文介紹系統(tǒng)的組成和工作原理，對(duì)系統(tǒng)的主要功能進(jìn)行分析，為基于光纖的射頻存儲(chǔ)技術(shù)在雷達(dá)測(cè)試、模擬試驗(yàn)提供有益的借鑒。

1 基于光纖延遲的可編程射頻存儲(chǔ)系統(tǒng)工作原理

基于光纖延遲的可編程射頻存儲(chǔ)系統(tǒng)如圖1所示，射頻信號(hào)由外部輸入，進(jìn)入電光調(diào)制器，將射頻信號(hào)調(diào)制到激光上。加載了射頻信號(hào)的光信號(hào)進(jìn)入光纖光開(kāi)關(guān)1，然后進(jìn)入光纖延遲線(xiàn)，到達(dá)光纖光開(kāi)關(guān)2后，由光纖光開(kāi)關(guān)2根據(jù)需要選擇光信號(hào)傳輸方向。當(dāng)光纖光開(kāi)關(guān)2引導(dǎo)光信號(hào)直接進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換器后，光信號(hào)加載的射頻信號(hào)被提取出來(lái)，變成射頻輸出；當(dāng)光纖光開(kāi)關(guān)2引導(dǎo)光信號(hào)經(jīng)過(guò)光放大器進(jìn)入光纖光開(kāi)關(guān)1之后，由2個(gè)光纖光開(kāi)關(guān)組成一個(gè)光纖環(huán)路，被調(diào)制的光信號(hào)在該環(huán)路中循環(huán)傳輸，形成不斷增加的延遲量。當(dāng)射頻信號(hào)延遲量達(dá)到系統(tǒng)要求時(shí)，光纖光開(kāi)關(guān)2改變開(kāi)關(guān)狀態(tài)，將光信號(hào)引導(dǎo)進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換器，被解調(diào)出來(lái)的射頻信號(hào)從系統(tǒng)輸出。控制模塊負(fù)責(zé)對(duì)光纖儲(chǔ)頻系統(tǒng)進(jìn)行綜合控制。主要需要對(duì)電光調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行控制，對(duì)光電轉(zhuǎn)換器的供電進(jìn)行控制，對(duì)光放大器的驅(qū)動(dòng)和增益進(jìn)行控制，最關(guān)鍵的是對(duì)兩個(gè)光纖光開(kāi)關(guān)進(jìn)行時(shí)序控制。

假設(shè)光纖延遲線(xiàn)總長(zhǎng)度為L(zhǎng)，n是光纖中光信號(hào)的折射率，則其形成的光程為nl，忽略光放大器鏈路的光延遲量，則本系統(tǒng)能形成的延遲量為：

其中N指光信號(hào)在環(huán)路中的循環(huán)次數(shù)，該次數(shù)可由光纖光開(kāi)關(guān)控制。

2 基于光纖環(huán)路的可編程射頻存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

在設(shè)計(jì)基于光纖環(huán)路的可編程射頻存儲(chǔ)系統(tǒng)時(shí)，需要根據(jù)雷達(dá)信號(hào)特征，尤其是信號(hào)的時(shí)寬來(lái)設(shè)置光纖延遲線(xiàn)的長(zhǎng)度。根據(jù)式（1）可知，如果雷達(dá)信號(hào)時(shí)寬τ，則光纖長(zhǎng)度應(yīng)該覆蓋該時(shí)寬。即：

以時(shí)寬τ=10us，n=1.5為例計(jì)算，需要預(yù)設(shè)光纖延遲線(xiàn)長(zhǎng)度為2km，該長(zhǎng)度光纖體積小于200mm×10mm×20mm，適合與電光調(diào)制器、2個(gè)光纖光開(kāi)關(guān)、光電轉(zhuǎn)換器集成封裝在一個(gè)200mm×100mm×30mm的小盒子里。

試驗(yàn)場(chǎng)景：在實(shí)驗(yàn)室或者外場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，架設(shè)待測(cè)雷達(dá)天線(xiàn)，架設(shè)光纖儲(chǔ)頻設(shè)備及收/發(fā)共用天線(xiàn)，調(diào)整待測(cè)雷達(dá)天線(xiàn)及儲(chǔ)頻系統(tǒng)天線(xiàn)，使之處于同一水平高度。雷達(dá)開(kāi)機(jī)，發(fā)射雷達(dá)信號(hào)。儲(chǔ)頻系統(tǒng)根據(jù)雷達(dá)信號(hào)的時(shí)寬設(shè)置光開(kāi)關(guān)的控制時(shí)序。試驗(yàn)示意圖如圖2所示。

本系統(tǒng)因?yàn)殡姽庹{(diào)制器和光電轉(zhuǎn)換器的工作帶寬可以達(dá)到40GHz及以上，因此能夠覆蓋最高到Ka波段的雷達(dá)系統(tǒng)的目標(biāo)模擬。因此，基于光纖環(huán)路延遲線(xiàn)的可編程射頻信號(hào)儲(chǔ)頻技術(shù)可適用于多種不同波段的雷達(dá)系統(tǒng)。

3 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了基于光纖環(huán)路的可編程射頻儲(chǔ)頻系統(tǒng)。將射頻信號(hào)調(diào)制到光纖環(huán)路上，利用開(kāi)關(guān)控制，對(duì)加載了射頻信號(hào)的光信號(hào)進(jìn)行可編程存儲(chǔ)控制，經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換器將光信號(hào)解調(diào)，提取射頻信號(hào)。該方法簡(jiǎn)單、形成延時(shí)量大，易實(shí)現(xiàn)，適用于對(duì)于雷達(dá)或射頻的模擬測(cè)試。

參考文獻(xiàn)

[1]解安國(guó)，薛余網(wǎng)，郭建文.微波光纖延遲線(xiàn)技術(shù)研究[J].光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2002， 4，（4）：1-5.

[2]郜憲錦.光纖儲(chǔ)頻技術(shù)研究[D].西安電子科技大學(xué)，碩士學(xué)位論文，2014.

[3]J. Zhang and J. Yao， “Photonic true-time delay beam-forming using a switch-controlled wavelength-dependent recirculating loop，” J. Lightw. Technol.， vol. 34， no. 16， pp. 3923-3929，Aug. 2016.

[4]A. Yu， W. Zou， S Li and J. Chen， “A multi-channel multi-bit programmable photonic beamformer based on cascaded DWDM，” IEEE. J. Photon， vol. 6， no. 4， pp.7902310-7902320， Aug. 2014.