一種基于光纖環(huán)路的時延可控射頻儲頻方法

金戈 徐顯文 嵇瑋瑋 李曙光

摘要：設計了基于光纖環(huán)路的可編程射頻儲頻系統(tǒng)。將射頻信號調(diào)制到光纖環(huán)路上，利用開關控制，對加載了射頻信號的光信號進行可編程存儲控制，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器將光信號解調(diào)，提取射頻信號輸出。該方法簡單、形成延時量大，易實現(xiàn)，適用于對于雷達或射頻的模擬測試。

關鍵詞：光纖延遲線；模擬射頻存儲；微波光子學

中圖分類號：TN974 文獻標識碼：A 文章編號：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，將射頻信號調(diào)制到光纖上，可以實現(xiàn)射頻信號的延遲，在雷達測試、雷達電子對抗領域均有廣泛研究[1，2]。一般的光纖延遲線只能實現(xiàn)數(shù)量有限的延遲量，借助光開關能夠?qū)崿F(xiàn)多級延遲線及其組合的選擇，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結(jié)構(gòu)和最大延遲線長度。利用光耦合器形成光纖環(huán)結(jié)構(gòu)，能夠形成光信號在光纖環(huán)中的自動傳輸，但是光纖耦合器的分光特性導致每次循環(huán)均附加分光損耗，使得一定的光功率輸入對應的循環(huán)次數(shù)有限[3，4]。

本文設計基于光纖環(huán)路的可編程射頻存儲系統(tǒng)，將2個光開關和延遲線構(gòu)成可編程的延遲結(jié)構(gòu)，在光信號上調(diào)制射頻信號，實現(xiàn)射頻存儲。本文介紹系統(tǒng)的組成和工作原理，對系統(tǒng)的主要功能進行分析，為基于光纖的射頻存儲技術在雷達測試、模擬試驗提供有益的借鑒。

1 基于光纖延遲的可編程射頻存儲系統(tǒng)工作原理

基于光纖延遲的可編程射頻存儲系統(tǒng)如圖1所示，射頻信號由外部輸入，進入電光調(diào)制器，將射頻信號調(diào)制到激光上。加載了射頻信號的光信號進入光纖光開關1，然后進入光纖延遲線，到達光纖光開關2后，由光纖光開關2根據(jù)需要選擇光信號傳輸方向。當光纖光開關2引導光信號直接進入光電轉(zhuǎn)換器后，光信號加載的射頻信號被提取出來，變成射頻輸出；當光纖光開關2引導光信號經(jīng)過光放大器進入光纖光開關1之后，由2個光纖光開關組成一個光纖環(huán)路，被調(diào)制的光信號在該環(huán)路中循環(huán)傳輸，形成不斷增加的延遲量。當射頻信號延遲量達到系統(tǒng)要求時，光纖光開關2改變開關狀態(tài)，將光信號引導進入光電轉(zhuǎn)換器，被解調(diào)出來的射頻信號從系統(tǒng)輸出。控制模塊負責對光纖儲頻系統(tǒng)進行綜合控制。主要需要對電光調(diào)制器的驅(qū)動電流進行控制，對光電轉(zhuǎn)換器的供電進行控制，對光放大器的驅(qū)動和增益進行控制，最關鍵的是對兩個光纖光開關進行時序控制。

假設光纖延遲線總長度為L，n是光纖中光信號的折射率，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指光信號在環(huán)路中的循環(huán)次數(shù)，該次數(shù)可由光纖光開關控制。

2 基于光纖環(huán)路的可編程射頻存儲系統(tǒng)的設計與分析

在設計基于光纖環(huán)路的可編程射頻存儲系統(tǒng)時，需要根據(jù)雷達信號特征，尤其是信號的時寬來設置光纖延遲線的長度。根據(jù)式（1）可知，如果雷達信號時寬τ，則光纖長度應該覆蓋該時寬。即：

以時寬τ=10us，n=1.5為例計算，需要預設光纖延遲線長度為2km，該長度光纖體積小于200mm×10mm×20mm，適合與電光調(diào)制器、2個光纖光開關、光電轉(zhuǎn)換器集成封裝在一個200mm×100mm×30mm的小盒子里。

試驗場景：在實驗室或者外場試驗時，架設待測雷達天線，架設光纖儲頻設備及收/發(fā)共用天線，調(diào)整待測雷達天線及儲頻系統(tǒng)天線，使之處于同一水平高度。雷達開機，發(fā)射雷達信號。儲頻系統(tǒng)根據(jù)雷達信號的時寬設置光開關的控制時序。試驗示意圖如圖2所示。

本系統(tǒng)因為電光調(diào)制器和光電轉(zhuǎn)換器的工作帶寬可以達到40GHz及以上，因此能夠覆蓋最高到Ka波段的雷達系統(tǒng)的目標模擬。因此，基于光纖環(huán)路延遲線的可編程射頻信號儲頻技術可適用于多種不同波段的雷達系統(tǒng)。

3 結(jié)語

設計了基于光纖環(huán)路的可編程射頻儲頻系統(tǒng)。將射頻信號調(diào)制到光纖環(huán)路上，利用開關控制，對加載了射頻信號的光信號進行可編程存儲控制，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器將光信號解調(diào)，提取射頻信號。該方法簡單、形成延時量大，易實現(xiàn)，適用于對于雷達或射頻的模擬測試。

參考文獻

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

[2]郜憲錦.光纖儲頻技術研究[D].西安電子科技大學，碩士學位論文，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.