袁陶

【摘要】 通過設(shè)計(jì)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(guān)和單模光纖級聯(lián)組成。得出設(shè)計(jì)出的光纖延遲線可以實(shí)現(xiàn)延遲量在0～1096ps范圍內(nèi)步進(jìn)35.4ps的任意可調(diào)。光纖延遲線系統(tǒng)在體積和重量上還沒有達(dá)到集成化的目標(biāo)，就地面天線系統(tǒng)而言可以接受。

【關(guān)鍵詞】 光纖延遲線 光開關(guān) 延遲精度

現(xiàn)在，隨著信息技術(shù)的進(jìn)步發(fā)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(huán)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(shí)信號的帶寬。傳統(tǒng)的相控陣天線在使用電傳統(tǒng)的相控陣天線采用電移相器的時(shí)候，會產(chǎn)生一種叫做“波束斜視”的現(xiàn)象，由于天線的帶框受到非常嚴(yán)重的限制，為了能夠解決這個問題，實(shí)現(xiàn)寬帶信號處理和寬角掃描，然后提出了實(shí)施延遲線技術(shù)。

光實(shí)時(shí)延遲線通過把微博信號調(diào)制導(dǎo)到該載波上面，然后在光纖中進(jìn)行傳遞，經(jīng)過光電探測器恢復(fù)微博的信號，我們就把這稱作是微波技術(shù)。因?yàn)楣忸l相對于天線工作的微波頻率來說要比它高多個數(shù)量級。假如在光域當(dāng)中實(shí)現(xiàn)了時(shí)間延遲，就可以認(rèn)為時(shí)間延遲量和微波的頻率沒有關(guān)系。也就是光實(shí)時(shí)延。光實(shí)時(shí)延遲線具有體積小、質(zhì)量輕、抗電磁干擾、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)鹊葍?yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)在已經(jīng)成為了相控陣天線研究的主要方向。

一、光纖延遲線的設(shè)計(jì)

從二十世紀(jì)八十年代開始，就已經(jīng)出現(xiàn)了很多種類型的光實(shí)時(shí)延遲線，比如色散光纖性、空間光學(xué)型、光波導(dǎo)型得等。但是如果從技術(shù)方面和穩(wěn)定性考慮的?；诠饫w型的延遲線最適合在工程方面應(yīng)用。我們設(shè)計(jì)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(guān)和四個2X2光開關(guān)串聯(lián)而成的，光開光有兩種狀態(tài)可以互相切換，分別是直通狀態(tài)和交叉狀態(tài)。延遲時(shí)間可以通過這兩個光開關(guān)上下兩路的光程差計(jì)算得到。第一級的延遲量是τ，按照二進(jìn)制進(jìn)行遞增，最后一級的延遲量為16τ。這條鏈路可以實(shí)現(xiàn)延遲量在0～31τ范圍內(nèi)步進(jìn)是τ的任何變動，可以使用電脈沖的方式來驅(qū)動光開關(guān)的狀態(tài)切換。實(shí)現(xiàn)延遲量的變化。

我們設(shè)計(jì)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(shí)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(yīng)的理論值如表一所示。這個光纖延遲線理論上可以實(shí)現(xiàn)在0～1096ps延遲量范圍內(nèi)步進(jìn)是35.4ps的任意變化

表一 5bit光纖延遲線各級延遲量和對應(yīng)的光纖長度

二、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和測試結(jié)果

在光實(shí)時(shí)延遲線當(dāng)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(jù)工作原理的不同可以分別劃分為非機(jī)械式開關(guān)和機(jī)械式開關(guān)，機(jī)械式開關(guān)主要依靠光學(xué)元件的空間位置的變化來改變光路，非機(jī)械是開關(guān)主要通過熱效應(yīng)、光電效應(yīng)得等來改變器件的折射率參數(shù)，從而是 光路發(fā)生變化。根據(jù)我們的實(shí)驗(yàn)，我們選擇使用高速磁光開光，因?yàn)樗哂虚_光速度快，損耗低的特點(diǎn)。不需要持續(xù)的進(jìn)行供電。按照描述的結(jié)構(gòu)，我們設(shè)計(jì)了一條以高速磁光開關(guān)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(qū)動電路，LED燈泡；Lab View 編程。

2.1切換速度

觸發(fā)脈沖的前沿到開關(guān)完全完成狀態(tài)切換的這段時(shí)間我們認(rèn)為這就是光開光切換的速度。光開光狀態(tài)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(jìn)行了測試，測試結(jié)果顯示，在電脈沖的驅(qū)動作用下，光開光一頭的輸出信號經(jīng)歷了有到無、無到有這樣的一個變化霍城，測試的結(jié)果證明切換的實(shí)踐t<30μs。

2.2插入的損耗

光開關(guān)和光纖連接器的插損決定了光纖延遲線的損耗，系統(tǒng)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(dāng)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(dá)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(shí)現(xiàn)在在1～1096ps延遲量范圍內(nèi)，步長為35.4可以任意白哪壺，精度達(dá)到±2ps

三、天線方向圖仿真結(jié)果

為了測試我們設(shè)計(jì)出5bit光纖延遲線的性能，我們把32天線陣元當(dāng)做仿真對象，波束角度為450 。在0～1096ps范圍內(nèi)進(jìn)行34.5的信號傳遞，在每個真元時(shí)間誤差為±2ps內(nèi)，然后分別在9GHz以及在10GHz這兩個頻率進(jìn)行天線的圖仿真。結(jié)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(jié)束語

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

參 考 文 獻(xiàn)

[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(diào)光纖延遲線[J]. 光通信技術(shù)，2013，04：5-7.

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