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主營產(chǎn)品： 射頻光纖傳輸模塊-微波光纖傳輸模塊-RF over Fiber-微波光纖延遲線-雷達(dá)目標(biāo)模似器 |
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2012-10-27 閱讀(3353)
摘 要：本文采用激光器、光調(diào)制器、可編程光纖延時陣列及光探測器等構(gòu)成了新型的微波光纖延遲線系統(tǒng)，對系統(tǒng)的發(fā)射、傳輸和接收三個組成模塊進(jìn)行了理論分析，建立了各模塊及系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對系統(tǒng)的傳輸特性和時延特性進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明，此類微波光纖延遲線可視為線性系統(tǒng)。并采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對系統(tǒng)進(jìn)行了實測，幅頻特性和相頻特性在合理頻帶范圍內(nèi)均接近于理想情況，群時延測量結(jié)果與理論計算一致，延時精度達(dá)到10 ps以內(nèi)。
關(guān)鍵詞：微波光纖延遲線；相時延；群時延；矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀
中圖分類號：TN253 TN929.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)科分類代碼：510.5020
1 引 言
作為新型信號處理器件，光纖延遲線的應(yīng)用逐漸在光纖傳感、光纖通信及微波光子學(xué)領(lǐng)域興起[1]。其中，微波光纖延遲線（microwave fiber delay line, MFDL）利用光纖技術(shù)對調(diào)制在光波上的微波信號進(jìn)行傳輸、分配和處理，具有極大的帶寬，損耗低，結(jié)構(gòu)簡單，抗電磁干擾能力強，重量輕，應(yīng)用前景廣闊，是目前多個學(xué)科交叉滲透的研究熱點。
可編程微波光纖延遲線在其傳輸部分是數(shù)字控制的多種光纖長度的陣列，通過的光延時可實現(xiàn)所傳輸信 號的相位控制，如用在光控相控陣[2-3]雷達(dá)系統(tǒng)中，采用光纖傳輸微波模擬信號并進(jìn)行相位的合理分配，對雷達(dá)的掃描波束進(jìn)行控制，可以使雷達(dá)信號更好地控制與顯示，減輕重量，增大容量，屏蔽干擾，大大提高系統(tǒng)的可靠性。因此，研究微波光纖延遲線的時延特性[4-6]非常必要，其目的有兩個：
1）根據(jù)系統(tǒng)的時延特性來確定系統(tǒng)信號傳輸延遲時間的大小，以便確定信號間的相位差；
2）根據(jù)時延特性來了解系統(tǒng)失真情況并尋求解決辦法。
2 MFDL系統(tǒng)時延特性分析
本文所研究的微波光纖延遲線結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示， 其簡化的數(shù)學(xué)模型如圖1（b）所示。微波光纖延遲線主要由光發(fā)射模塊、傳輸模塊和光接收模塊組成。光發(fā)射模塊采用外調(diào)制技術(shù)[7]；傳輸模塊的結(jié)構(gòu)則根據(jù)應(yīng)用功能的要求設(shè)計為可編程光纖長度陣列并由4個光開關(guān)實現(xiàn)切換控制[8]；光接收模塊一般采用相應(yīng)的速度匹配（1~3 GHz）的光電探測器來接收微波信號。
（a）微波光纖延遲線內(nèi)部結(jié)構(gòu)
（a）Interior structure of MFDL
（b）微波光纖延遲線數(shù)學(xué)模型
（b）Mathematical modelof MFDL
2.1 發(fā)射模塊傳遞函數(shù)
光發(fā)射模塊采用M-Z外調(diào)制器實現(xiàn)射頻信號的光強調(diào)制，為近線性光強度調(diào)制。當(dāng)射頻輸入信號為時，M-Z外調(diào)制器傳遞函數(shù)可寫成：
式中：Pi為調(diào)制器輸入光強，Po（t）為調(diào)制器輸出光強，Vp為調(diào)制器半波電壓，Vb為調(diào)制器偏置電壓，q為調(diào)制器輸出的初始相位。令
（歸一化處理）
結(jié)構(gòu)圖中的偏置控制電路正是為了減小二次諧波和三次諧波而設(shè)計的。為了簡化分析，舍去二次諧波和三次諧波分量，得：
每個光開關(guān)接入系統(tǒng)后均引起插入損耗，約為0.5 dB，表現(xiàn)為光功率的衰減，圖中不同的光纖通路通光時都需要4個光開關(guān)同時接入，因此引入的插入損耗相同，可以用同一個衰減系數(shù)k2來表示。
不同長度的光纖通路也會引入光功率的衰減。1 550 nm單模光纖的衰減系數(shù)約為0.5 dB/km，若忽略光開關(guān)的內(nèi)部光程差，圖中zui短的光纖通路為9 m，zui長的光纖通路為9.063 m，則zui大長度差為0.063 m，zui大衰減差為0.031 5 dB，這個衰減與光開關(guān)引起的光強衰減相比可以忽略。
不同長度的光纖通路會引起輸入信號的傳輸延遲，延遲量大小與光纖長度有關(guān)。設(shè)此延時為t，初始相位為f0，傳輸模塊的頻率特性可寫成：
信號在調(diào)制后經(jīng)過傳輸模塊，其中光纖延時陣列及其光開關(guān)控制器件均為線性器件，故信號在傳輸模塊后僅表現(xiàn)為光強略有衰減而波形保持不變。
2.3 接收模塊傳遞函數(shù)
信號在光接收模塊由光電探測器直接探測光強，同樣使之工作在光電探測器的線性區(qū)。
式中：i（t）為入射光強產(chǎn)生的光電流，n（t）為光接收模塊引入的總噪聲。光發(fā)射模塊和傳輸模塊也會引入噪聲，如激光器的相對強度噪聲、光纖鏈路的色散噪聲等，但和接收電路模塊引入的噪聲（包括散粒噪聲、熱噪聲、暗電流噪聲等）相比均可忽略。將k3、k4稱為光接收模塊的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)，可得光接收模塊關(guān)于V0（t）和P2（t）的頻率特性如下：
2.4 系統(tǒng)時延特性
由式（8）、式（9）、式（10）可得，微波光纖延遲線的頻率特性如下：
因此微波光纖延遲線可以看成是一個線性系統(tǒng)且具有線性相位特性，其系統(tǒng)時延特性可以從振幅特性A（w）和f（w）相位特性導(dǎo)出。對于微波光纖延遲線而言，需要重點關(guān)注的是相時延和群時延。相時延tp為：
相時延取值可正可負(fù)，只能用于表征系統(tǒng)輸出信號和輸入信號瞬時值之間的相對時間關(guān)系，不能將相時延理解為信號傳播意義上的時間延遲[9]。
由于實際系統(tǒng)很難具備恒定的相時延特性，因此引入群時延來描述傳輸系統(tǒng)相位特性的重要特征。當(dāng)系統(tǒng)的幅度特性為常數(shù)時，群時延*由系統(tǒng)的相位特性決定，即：
理想的無失真?zhèn)鬏斠庵篙敵鲂盘柵c輸入信號之間的幅度成一定的倍數(shù)關(guān)系，波形*相同；實際的無失真?zhèn)鬏斠庵篙敵鲂盘柵c輸入信號之間的幅度成一定的倍數(shù)關(guān)系，波形保持相同，相位允許保持一定的延遲。對于具有一定帶寬的射頻信號的調(diào)制傳輸，研究失真時，通頻帶范圍限制為一個小的局部帶寬，如中心頻率為wc，
此范圍可表示為
其無失真?zhèn)鬏敎?zhǔn)則可歸納如下：
作為具有接近理想幅度特性的線性相位系統(tǒng)，微波光纖延遲線（MFDL）在合適的頻率范圍內(nèi)其群時延表現(xiàn)為常數(shù)，因此能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)頻率范圍內(nèi)的信號無失真?zhèn)鬏?。由于信道?nèi)噪聲的存在，其輸出信號仍存在失真。分析噪聲的性質(zhì)，可將MFDL視為加性高斯白噪聲調(diào)制信道，其仿真波形和實際輸出信號波形如圖5所示。
3 微波光纖延遲線時延特性測量
對于微波光纖延遲線（MFDL），可以采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量其時延特性[10]。本文所測量的微波光纖延遲線看成是一個單端口網(wǎng)絡(luò)。
測量系統(tǒng)如圖6所示，微波光纖延遲線（MFDL）是被測件，其驅(qū)動電路模塊用來實現(xiàn)對MFDL內(nèi)部光開關(guān)陣列的切換控制，從而達(dá)到切換光纖長度的目的。測量儀器為安捷倫公司矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀ENA-E5070B。
3.1 幅頻特性測量
采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量微波光纖延遲線時，由儀器的PORT1端口輸出頻率掃描信號，通過MFDL后再由PORT2端口輸入帶有被測網(wǎng)絡(luò)相位信息的RF信號進(jìn)行測量。同理，通過測量被測網(wǎng)絡(luò)對功率掃描測試信號的幅度的影響來確定幅頻特性。
基于光開關(guān)光纖延時陣列的微波光纖延遲線是對微波信號實施傳輸和處理的器件，按照信號無失真?zhèn)鬏敎?zhǔn)則，要求其幅頻特性在理想情況下為常數(shù)，即為一條平行于頻率軸的直線。應(yīng)用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對所設(shè)計組裝的MFDL進(jìn)行實測，得到的幅頻特性曲線如圖7所示。明顯看出，該曲線近似為一條平坦的直線，而在0.5 GHz~1.2 GHz范圍內(nèi)是很好的直線特性。
3.2 相頻特性測量
MFDL器件的相頻特性測量結(jié)果如圖8所示，測量時將光纖延遲線模塊的光纖總長度設(shè)置為9.009 m
3.3 群時延特性測量
矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀具有直接測量系統(tǒng)群時延并實時顯示群時延曲線和數(shù)值的功能。值得注意的是應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)帶寬合理選擇測量的平滑孔徑Δf。這里的平滑孔徑Δf以該次測量的掃頻范圍（span）的百分?jǐn)?shù)來確定。如掃頻范圍為2 GHz，平滑孔徑Δf選為1.5%，則平滑孔徑Δf實際為0.03 GHz。平滑孔徑Δf增大，相位測量精度會相應(yīng)增加。但是，大的孔徑Δf 會使群時延分辨率降低及微小的群時延變得模糊?？讖?Delta;f 的適當(dāng)選擇取決于被測網(wǎng)絡(luò)的群時延特性，要考慮所測群時延的測量精度和群時延相對于頻率的變化量。對于文中微波光纖延遲線，選取不同孔徑的群時延測量結(jié)果如圖10所示。
測量結(jié)果表明，由于微波光纖延遲線是線性器件，在頻帶內(nèi)具有平坦的群時延特性，為了提高群時延測量精度，可設(shè)置較大的平滑孔徑進(jìn)行群時延測量。
4 MFDL多通道群時延特性測量
對于圖2所示的光纖長度陣列排列結(jié)構(gòu)，排除光開關(guān)直通和斜通所產(chǎn)生的光程差，余下4個光開關(guān)光程*相同的通道可用于的延時控制，對這四個通道進(jìn)行了群時延的測量，平滑孔徑Δf設(shè)為5%。測量及計算結(jié)果總結(jié)在表1中，此結(jié)果暫未減去儀器測試時引入的電纜連線的延時長度系統(tǒng)誤差，該項誤差并不影響相對延時差計算結(jié)果。設(shè)通道n的光纖總長度為，其群時延為τ,則通道間的相對延時差為
，理論計算值為
。因延遲線內(nèi)部采用了1 550 nm單模光纖，將光纖纖芯群折射率設(shè)為n=4.1580，c為真空中的光速。
測量結(jié)果表明，延時精度的平均值為4.2 ps，標(biāo)準(zhǔn)差約為1.5 ps，可見所設(shè)計的微波光纖延遲線相對延時差控制得很好，與理論計算基本一致，延遲精度可控制在10 ps以內(nèi)。將前面由相頻特性數(shù)據(jù)人工計算出來的群時延與儀器自身運算得到的群時延結(jié)果相比較也是一致的。
5 結(jié) 論
基于光開關(guān)光纖延時陣列的微波光纖延遲線結(jié)構(gòu)簡單，延時精度高，延時范圍大，是很有潛力的光纖信號處理器件。一般情況下，采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對其延遲量（群時延）進(jìn)行測量，能夠滿足精度要求。影響測量和計算群時延精度的主要因素是相位測量準(zhǔn)確度、激勵信號源的頻率穩(wěn)定度、被測件的溫度穩(wěn)定性、測試環(huán)境的振動干擾以及光纖繞環(huán)的曲率半徑等。另外，本文中的光開關(guān)光纖延時陣列結(jié)構(gòu)還有待進(jìn)一步優(yōu)化，以充分利用各個通道實現(xiàn)更多位數(shù)的延時控制。
參考文獻(xiàn)
[1] ANNE V, BÉATRICE C, JEAN C. Microwave photonics from components to applications and systems[M]. Boston/Dordercht/London: Kluwer Academic Publishers, 2003:334-348.
[2] POOMPAT S, VINCENT W S C. Using optical switches and fiber delay lines for wideband beamforming with RF uniform linear antenna arrays[J]. IEEE, 2004,0-7803- 8560:555-558.
SHIN J D, LEE B S, KIM B G. Optical true time-delay
[1] feeder for X-Band phased array antennas composed of 2×2 optical MEMS switches and fiber delay lines[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2004,16（5）:1364- 1366.
[2] ZHU X W, LI Y L, YONG S W, et al. A novel definition and measurement method of group delay and its application[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2009,58（1）:229-233.
[3] 朱旭東. 系統(tǒng)群時延測量的研究[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2006,28（11）:75-80.
ZHU X D. Study of measurement for absolute group delay[J]. Modern Radar, 2006,28（11）:75-80.
[4] 魏玲,薛定宇,鄂大志,等. 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)時延與建模分析[J]. 儀器儀表學(xué)報, 2008,29（6）:1323-1327.
WEI L, XUE D Y, E D ZH, et al. Analysis of network-induced delay and modeling in networked control systems[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2008,29（6）:1323-1327.
[5] 王偉南,李艷和,鄭小平,等. 應(yīng)用馬赫-曾德爾調(diào)制器的光微波鏈路建模[J]. 光學(xué)學(xué)報, 2007,27（1）:159-165.
WANG W N, LI Y H, ZHENG X P, et al. Modelling of fiber radio link using mach-zehnder modulator[J]. Acta Optica Sinica, 2007,27（1）:159-165.
[6] CHEN R, ZHENG X P, ZHANG H Y. The error of optical true time delay network caused by optical switches[C]. Proc. of SPIE, Bellingham, WA, 2005,5625:519-527.
[7] 李德儒. 析線性網(wǎng)絡(luò)的時延特性[J]. 重慶郵電學(xué)院學(xué)報, 2000,12（3）:1-7.
LI D R. An analysis of the time-delay characteristics of the linear network[J]. Journal of Chongqing University of Posts and ecommunications, 2000,12（3）:1-7.
[8] 吳海濤,王丹妮,邊玉敬. Cs Sync 1000型羅蘭C接收機系統(tǒng)時延的測量方法[J]. 電子測量與儀器學(xué)報, 2002, 16（13）:22-27.
WU H T, WANG D N, BIAN Y J. Delay measurement methods of Cs sync 1000 loran-C receiver system[J]. Journal of Electronics Measurement and Instrument, 2002,16（13）:22-27.
作者簡介
張春熹，1986年于湘潭大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，1989年于軍械工程學(xué)院獲得碩士學(xué)位，1996年于浙江大學(xué)獲得博士學(xué)位，現(xiàn)為北京航空航天大學(xué)教授，主要研究方向是光纖技術(shù)及先進(jìn)信號處理。
Zhang Chunxi received BSc from Xiangtan University in 1986, MSc from Ordnance Engineering College in 1989 and PhD from Zhejiang University in 1996. He is currently a professor working in Beijing University of Aeronautics and Astronautics and his main research interests are optical fiber technology and advanced signal processing.
張曉青，1988年于重慶大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，1994年于北京機械工業(yè)學(xué)院獲得碩士學(xué)位，現(xiàn)為北京航空航天大學(xué)在職博士研究生，主要研究方向是光電檢測技術(shù)及先進(jìn)信號處理。
Zhang Xiaoqing received BSc from Chongqing University in 1988 and MSc from Beijing Institute of Machinery in 1994. She is currently a PhD candidate in Beijing University of Aeronautics and Astronautics. Her main research interests are photoelectric detecting technology and advanced signal processing.
