用于X波段相控陣天線的高速可調光纖延遲線

袁陶

【摘要】 通過設計用于X波段相控陣天線5bit光纖延長線研究，采用高速磁光開關和單模光纖級聯組成。得出設計出的光纖延遲線可以實現延遲量在0～1096ps范圍內步進35.4ps的任意可調。光纖延遲線系統在體積和重量上還沒有達到集成化的目標，就地面天線系統而言可以接受。

【關鍵詞】 光纖延遲線 光開關 延遲精度

現在，隨著信息技術的進步發展對相控陣天線的性能人們的要求越來越高，比如提高通信的速率、高精度的測距、惡劣電磁環境下工作等等。這就需要天線能夠具有較寬的工作諧帶寬以及瞬時信號的帶寬。傳統的相控陣天線在使用電傳統的相控陣天線采用電移相器的時候，會產生一種叫做“波束斜視”的現象，由于天線的帶框受到非常嚴重的限制，為了能夠解決這個問題，實現寬帶信號處理和寬角掃描，然后提出了實施延遲線技術。

光實時延遲線通過把微博信號調制導到該載波上面，然后在光纖中進行傳遞，經過光電探測器恢復微博的信號，我們就把這稱作是微波技術。因為光頻相對于天線工作的微波頻率來說要比它高多個數量級。假如在光域當中實現了時間延遲，就可以認為時間延遲量和微波的頻率沒有關系。也就是光實時延。光實時延遲線具有體積小、質量輕、抗電磁干擾、遠距離傳輸等等優點。現在已經成為了相控陣天線研究的主要方向。

一、光纖延遲線的設計

從二十世紀八十年代開始，就已經出現了很多種類型的光實時延遲線，比如色散光纖性、空間光學型、光波導型得等。但是如果從技術方面和穩定性考慮的。基于光纖型的延遲線最適合在工程方面應用。我們設計了一種可用在X波段的相控陣天線的5bit光纖延遲線。

延遲線是由兩個1X2光開關和四個2X2光開關串聯而成的，光開光有兩種狀態可以互相切換，分別是直通狀態和交叉狀態。延遲時間可以通過這兩個光開關上下兩路的光程差計算得到。第一級的延遲量是τ，按照二進制進行遞增，最后一級的延遲量為16τ。這條鏈路可以實現延遲量在0～31τ范圍內步進是τ的任何變動，可以使用電脈沖的方式來驅動光開關的狀態切換。實現延遲量的變化。

我們設計者個光纖延遲線是為了滿足X波段天線（9～10HZ）的需求。比如一維線陣，間距為d=15cm，波束角度θ=45°，這相鄰來那個天陣元之間的延遲時間可由（1）式得到

5bit光纖延遲線在各級的延遲量和他們相對應的理論值如表一所示。這個光纖延遲線理論上可以實現在0～1096ps延遲量范圍內步進是35.4ps的任意變化

表一 5bit光纖延遲線各級延遲量和對應的光纖長度

二、實驗系統和測試結果

在光實時延遲線當中光開光是最重要的器件，光開光的選擇有很多種，如果根據工作原理的不同可以分別劃分為非機械式開關和機械式開關，機械式開關主要依靠光學元件的空間位置的變化來改變光路，非機械是開關主要通過熱效應、光電效應得等來改變器件的折射率參數，從而是 光路發生變化。根據我們的實驗，我們選擇使用高速磁光開光，因為它具有開光速度快，損耗低的特點。不需要持續的進行供電。按照描述的結構，我們設計了一條以高速磁光開關的5bit光纖延遲線模塊。工作的波長范圍是1525～1565nm；光纖接口，以及模塊集成光開光驅動電路，LED燈泡；Lab View 編程。

2.1切換速度

觸發脈沖的前沿到開關完全完成狀態切換的這段時間我們認為這就是光開光切換的速度。光開光狀態可以使用輸出光功率來表示，我們通過使用雙通道示波器對開光的速度進行了測試，測試結果顯示，在電脈沖的驅動作用下，光開光一頭的輸出信號經歷了有到無、無到有這樣的一個變化霍城，測試的結果證明切換的實踐t<30μs。

2.2插入的損耗

光開關和光纖連接器的插損決定了光纖延遲線的損耗，系統使用的光開光損耗都小于1dB ，5bit

2.3延遲精度

我們使用的是相移法，通過使用在、矢量分析儀來測量光纖延遲線的延遲量，把光纖延遲線接到寬帶RoF鏈路當中，測量這整個鏈路的延遲性，然后改變光纖延遲線的延遲量，然后再測量這條鏈路延遲量的變化，兩者對比從而得到光纖延遲線的延遲量的曲線。

使用相移法理論上精度可以達到.5ps以下，但是我們制作的5bit光延遲量的曲線和誤差圖下圖所示，從這些圖看以看出，我們成功實現在在1～1096ps延遲量范圍內，步長為35.4可以任意白哪壺，精度達到±2ps

三、天線方向圖仿真結果

為了測試我們設計出5bit光纖延遲線的性能，我們把32天線陣元當做仿真對象，波束角度為450 。在0～1096ps范圍內進行34.5的信號傳遞，在每個真元時間誤差為±2ps內，然后分別在9GHz以及在10GHz這兩個頻率進行天線的圖仿真。結果如圖1。

從圖中可以看出使用了光延遲線的陣列方向圖得到了明顯變化。

四、結束語

本文主要驗證了基于光開光高速可調5bit光延遲線，雖然在體積和重量上面還沒有實現集成化的目標，但是對于地面天線系統來說完全可以接受。

參 考 文 獻

[1]吳彭生，谷一英，程旭升，許方星. 用于X波段相控陣天線的高速可調光纖延遲線[J]. 光通信技術，2013，04：5-7.

[2]鄧浩. 基于光控相控陣雷達的光纖延遲線關鍵技術研究[D].電子科技大學，2013.

[3]王勇. X波段（8～12GHz）相控陣天線的研究[D].電子科技大學，2005.