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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(3598)
摘 要：本文采用激光器、光調(diào)制器、可編程光纖延時(shí)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(gè)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(shí)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(shí)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(shí)延測量結(jié)果與理論計(jì)算一致，延時(shí)精度達(dá)到10 ps以內(nèi)。
關(guān)鍵詞：微波光纖延遲線；相時(shí)延；群時(shí)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(qiáng)，重量輕，應(yīng)用前景廣闊，是目前多個(gè)學(xué)科交叉滲透的研究熱點(diǎn)。
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(shí)可實(shí)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(shí)延特性[4-6]非常必要，其目的有兩個(gè)：
1）根據(jù)系統(tǒng)的時(shí)延特性來確定系統(tǒng)信號傳輸延遲時(shí)間的大小，以便確定信號間的相位差；
2）根據(jù)時(shí)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(shí)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(jì)為可編程光纖長度陣列并由4個(gè)光開關(guān)實(shí)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(shí)現(xiàn)射頻信號的光強(qiáng)調(diào)制，為近線性光強(qiáng)度調(diào)制。當(dāng)射頻輸入信號為時(shí)，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(qiáng)，Po（t）為調(diào)制器輸出光強(qiáng)，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(jì)的。為了簡化分析，舍去二次諧波和三次諧波分量，得：
每個(gè)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(shí)都需要4個(gè)光開關(guān)同時(shí)接入，因此引入的插入損耗相同，可以用同一個(gè)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(gè)衰減與光開關(guān)引起的光強(qiáng)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(shí)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(shí)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(qiáng)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(qiáng)，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(qiáng)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(qiáng)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(shí)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(gè)線性系統(tǒng)且具有線性相位特性，其系統(tǒng)時(shí)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(diǎn)關(guān)注的是相時(shí)延和群時(shí)延。相時(shí)延tp為：
相時(shí)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(shí)值之間的相對時(shí)間關(guān)系，不能將相時(shí)延理解為信號傳播意義上的時(shí)間延遲[9]。
由于實(shí)際系統(tǒng)很難具備恒定的相時(shí)延特性，因此引入群時(shí)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(shí)，群時(shí)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(shí)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(shí)，通頻帶范圍限制為一個(gè)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(shí)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)鬏敗Ｓ捎谛诺纼?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(shí)際輸出信號波形如圖5所示。
3 微波光纖延遲線時(shí)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(shí)延特性[10]。本文所測量的微波光纖延遲線看成是一個(gè)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(dòng)電路模塊用來實(shí)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(shí)，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(shí)陣列的微波光纖延遲線是對微波信號實(shí)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(jì)組裝的MFDL進(jìn)行實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)延并實(shí)時(shí)顯示群時(shí)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(shí)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(shí)延分辨率降低及微小的群時(shí)延變得模糊。孔徑Δf 的適當(dāng)選擇取決于被測網(wǎng)絡(luò)的群時(shí)延特性，要考慮所測群時(shí)延的測量精度和群時(shí)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(shí)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(shí)延特性，為了提高群時(shí)延測量精度，可設(shè)置較大的平滑孔徑進(jìn)行群時(shí)延測量。
4 MFDL多通道群時(shí)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(gè)光開關(guān)光程*相同的通道可用于的延時(shí)控制，對這四個(gè)通道進(jìn)行了群時(shí)延的測量，平滑孔徑Δf設(shè)為5%。測量及計(jì)算結(jié)果總結(jié)在表1中，此結(jié)果暫未減去儀器測試時(shí)引入的電纜連線的延時(shí)長度系統(tǒng)誤差，該項(xiàng)誤差并不影響相對延時(shí)差計(jì)算結(jié)果。設(shè)通道n的光纖總長度為，其群時(shí)延為τ,則通道間的相對延時(shí)差為
，理論計(jì)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(shí)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(jì)的微波光纖延遲線相對延時(shí)差控制得很好，與理論計(jì)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(jì)算出來的群時(shí)延與儀器自身運(yùn)算得到的群時(shí)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(shí)陣列的微波光纖延遲線結(jié)構(gòu)簡單，延時(shí)精度高，延時(shí)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(shí)延）進(jìn)行測量，能夠滿足精度要求。影響測量和計(jì)算群時(shí)延精度的主要因素是相位測量準(zhǔn)確度、激勵(lì)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(dòng)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(shí)陣列結(jié)構(gòu)還有待進(jìn)一步優(yōu)化，以充分利用各個(gè)通道實(shí)現(xiàn)更多位數(shù)的延時(shí)控制。
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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(jī)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.
