一種基于波分復(fù)用的射頻光傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

柴 俊，張必龍，楊崢崢

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

鑒于大帶寬、低損耗、抗電磁干擾等一些獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，微波光子技術(shù)在國(guó)防軍事領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用已受到國(guó)內(nèi)外的普遍重視[1]。當(dāng)前應(yīng)用于國(guó)防軍事領(lǐng)域的微波光子技術(shù)主要有射頻光傳輸技術(shù)、光控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)、高頻微波信號(hào)的光學(xué)產(chǎn)生與處理技術(shù)、光子變頻技術(shù)、微波光子濾波技術(shù)、微波光子頻率測(cè)量技術(shù)等[2]。

主要研究基于波分復(fù)用的射頻光傳輸技術(shù)。射頻光傳輸是指在光載波上調(diào)制射頻信號(hào)，利用光纖的低損耗、大帶寬優(yōu)勢(shì)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。光波分復(fù)用是指將2種或多種不同波長(zhǎng)的光載波信號(hào)在發(fā)送端經(jīng)復(fù)用器耦合，在同一根光纖中進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)[3]。在接收端，通過(guò)解復(fù)用器分離出各種波長(zhǎng)的光載波，再由光接收機(jī)進(jìn)行處理，恢復(fù)成原射頻信號(hào)。

1 射頻光傳輸系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本文所研究的射頻光傳輸系統(tǒng)需將6路射頻信號(hào)經(jīng)波分復(fù)用在光子頻段功分為128路，功分后通過(guò)光纖將信號(hào)傳輸?shù)焦饨邮漳K，在光接收模塊中對(duì)光子信號(hào)進(jìn)行解波分復(fù)用，后由探測(cè)器將射頻信號(hào)恢復(fù)。表1為傳輸系統(tǒng)主要指標(biāo)，圖1為射頻信號(hào)的傳輸過(guò)程圖。

圖1 模擬信號(hào)流程圖

表1 傳輸系統(tǒng)主要指標(biāo)

1.1 電光調(diào)制與光電解調(diào)電路設(shè)計(jì)

1.1.1 電光調(diào)制電路設(shè)計(jì)

根據(jù)本項(xiàng)目中不同通道信號(hào)的指標(biāo)要求，通道RF1，RF6(8～20 GHz)采用外調(diào)制方式，RF2，RF3，RF4，RF5采用直接調(diào)制的方式。

直接調(diào)制是指信號(hào)電平直接控制激光器的驅(qū)動(dòng)電流，從而獲得光信號(hào)輸出功率的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制。直接調(diào)制成本低，技術(shù)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，傳輸能力強(qiáng)。盡管直接調(diào)制也會(huì)帶來(lái)激光器譜線的展寬、色散變差等缺點(diǎn)，但在頻率較低、傳輸距離較近的情況下這些缺點(diǎn)對(duì)信號(hào)指標(biāo)影響不明顯。從成本考慮，RF2，RF3，RF4，RF5 4個(gè)低頻通道采用直接調(diào)制的方式。直調(diào)電路設(shè)計(jì)包括阻抗匹配電路、直流偏置電路、光功率自動(dòng)控制、自動(dòng)溫度控制電路和光功率檢測(cè)電路等幾部分模塊，原理框圖如圖2所示。

圖2 直接調(diào)制電路設(shè)計(jì)框圖

外調(diào)制技術(shù)指射頻信號(hào)控制外調(diào)制器改變輸出光信號(hào)功率的調(diào)制方法。選用鈮酸鋰晶體調(diào)制器，由于其具有較高的半波驅(qū)動(dòng)電壓，因此必須加入直流偏置電壓，調(diào)制器才能正常工作。理論分析表明調(diào)制器存在最佳偏置點(diǎn)，在該點(diǎn)可消除二次諧波失真。但最佳偏置點(diǎn)并不穩(wěn)定，它會(huì)隨著時(shí)間、環(huán)境溫度、激光器輸入光功率及光纖插入和耦合損耗等因素的變化而漂移，導(dǎo)致調(diào)制器輸出信號(hào)出現(xiàn)比較大的二次失真,因此必須加入直流偏置點(diǎn)自動(dòng)控制電路最大程度抑制失真[4]。外調(diào)制電路設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

圖3 外調(diào)制器偏置點(diǎn)自動(dòng)控制電路原理框圖

1.1.2 光電解調(diào)電路設(shè)計(jì)

光電解調(diào)電路用于完成光信號(hào)至射頻信號(hào)的解調(diào)，即將光信號(hào)重新轉(zhuǎn)化成射頻信號(hào)。光電調(diào)制采用的是強(qiáng)度調(diào)制的方式，即光功率與射頻信號(hào)功率成正比。解調(diào)時(shí)，采用光探測(cè)器(PD)將光信號(hào)按照光功率大小成比例地轉(zhuǎn)化成光電流[5]。光電解調(diào)電路包括偏置電路、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)等，其構(gòu)成框圖見(jiàn)圖4。

圖4 光電解調(diào)電路電路構(gòu)成框圖

解調(diào)電路中完成光電轉(zhuǎn)換的核心是光電探測(cè)器。光信號(hào)在光纖中輸出會(huì)帶來(lái)?yè)p耗和失真，這就要求光檢測(cè)器需滿足以下條件：在工作波長(zhǎng)范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換效率高，檢測(cè)過(guò)程引入的附加噪聲盡可能小，響應(yīng)速度快，線性好，頻帶寬，壽命長(zhǎng)等。本方案采用PIN光探測(cè)器，所選探測(cè)器的帶寬為20 GHz，具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 PIN光探測(cè)器參數(shù)表

1.2 波分復(fù)用系統(tǒng)選控

波分復(fù)用系統(tǒng)主要包括波分復(fù)用器及解波分復(fù)用器，兩者在原理上相同。波分復(fù)用器選用密集波分復(fù)用(DWDM)間隔為200 GHz，有效帶寬為0.25 nm，為了提高通道1和通道6之間的隔離度，盡量選用離這2個(gè)通道較遠(yuǎn)的通道，同時(shí)在通道1和通道6之間各增加一級(jí)濾波器，用于提高通道之間的隔離度。波分復(fù)用系統(tǒng)的引入,極大降低了光纖的使用量及整個(gè)傳輸系統(tǒng)的建設(shè)成本,提高了傳輸系統(tǒng)的可靠性。波分復(fù)用器具體參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 波分復(fù)用器具體參數(shù)

1.3 增益匹配控制

射頻光傳輸系統(tǒng)中對(duì)于功率影響較大的模塊主要包括3個(gè)部分：光分路器、光放大器以及射頻低噪聲放大器。

光分路器的選取：由于后端需要分出128路信號(hào)，需要在波分復(fù)用器(合波)后經(jīng)過(guò)光放大器然后再經(jīng)過(guò)4×32路光分路器，光分路器采用等功率分配。在光輸入端口進(jìn)行處理，使得該光分路器可以承受2 W的光功率，后面進(jìn)行等功率分配后采用無(wú)偏振損耗抑制技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在插入損耗上達(dá)到最小值，滿足光鏈路要求。

光放大器選取：光路信號(hào)經(jīng)過(guò)電光轉(zhuǎn)換模塊后進(jìn)入波分復(fù)用器，合成1路光信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)光衰減器再進(jìn)入光放大器(光放大器的最大可輸入光功率是10 dBm)，然后經(jīng)過(guò)光放大輸出，與4×32光分路器相連接，用于補(bǔ)充光分路器帶來(lái)的損耗，大約為24 dBm。設(shè)置光放大器固定輸出光功率為27 dBm，這樣可以保證96路光的每一路信號(hào)輸出光功率為3 dBm，然后傳輸給96個(gè)后端光轉(zhuǎn)換設(shè)備。

射頻低噪放選取：為使整個(gè)鏈路的增益滿足0 dB，同時(shí)設(shè)備輸入功率P-1≤10 dBm的要求，射頻電路放大器只能放在后端設(shè)備中，用于補(bǔ)充電光/光電轉(zhuǎn)換帶來(lái)的損耗。后端放大器各路增益為30 dB，對(duì)各個(gè)通道的增益進(jìn)行微調(diào)可滿足整個(gè)鏈路增益為0 dB的要求。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)與測(cè)試結(jié)果

搭建的射頻光傳輸系統(tǒng)詳細(xì)框圖如圖5所示，物理構(gòu)成上包括1個(gè)光發(fā)射模塊、128個(gè)光接收模塊。對(duì)該傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，在光發(fā)射端用信號(hào)源灌入射頻信號(hào)，將光接收模塊輸出端連入頻譜儀。表4為光傳輸系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果，滿足了前期設(shè)計(jì)的各項(xiàng)指標(biāo)。其中對(duì)于雷達(dá)射頻前端意義最大的通道間幅度一致性以及相位一致性，分別達(dá)到了±2 dB與±5°，與傳統(tǒng)同軸電纜傳輸相比，優(yōu)勢(shì)明顯。

圖5 射頻光傳輸系統(tǒng)框圖

宏觀上，本傳輸系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的射頻傳輸功能與傳統(tǒng)的同軸電纜傳輸相比，在重量、體積、成本以及調(diào)試難度上優(yōu)勢(shì)更為明顯。

3 結(jié)束語(yǔ)

主要介紹了一種基于波分復(fù)用的雷達(dá)前端六通道射頻光傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與搭建，并對(duì)實(shí)物進(jìn)行了測(cè)試與分析，顯示了光傳輸系統(tǒng)對(duì)比傳統(tǒng)的同軸電纜傳輸?shù)膬?yōu)越性，希望文中的研究對(duì)射頻工程師具有借鑒意義。