劉友永，馬文起，陳少卿，李晶

（中國電子科技集團(tuán)公司第54研究所，石家莊 050081）

0 引 言

深空測控上行鏈路的根本需求是提高全向輻射功率（Effective Isotropic Radiated Power，EIRP），一項重要措施就是利用地面上分布的多個發(fā)射天線組成天線陣列，這樣可以有效提高上行鏈路的發(fā)射功率。上行天線組陣的目的是將多個發(fā)射天線的信號在目標(biāo)位置處同相合成，從而增大上行信號功率，上行天線組陣被認(rèn)為是一種不需要增大發(fā)射天線口徑和高功放增益就能夠在深空通信中提高地面EIRP的重要方法。美國航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）也將發(fā)展上行天線組陣技術(shù)作為未來20年進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。上行天線組陣技術(shù)的關(guān)鍵在于使得在目標(biāo)處的射頻信號能夠相干合成[1-3]，這就對各天線端射頻信號穩(wěn)定度提出了極高的要求。以四天線合成為例，若要求合成效率損失小于2%，則要求在一個觀測周期內(nèi)設(shè)備鏈路引入的相位漂移不超過11°。NASA的卡西尼（Casinni）任務(wù)中包含了射電科學(xué)觀測以及重力場探測，任務(wù)中對頻標(biāo)信號穩(wěn)定性的要求千秒穩(wěn)定度需達(dá)到1.5 × 10–16，GPS（Global Positioning System）時間頻率同步方法將不能滿足穩(wěn)定度需求[4-5]。光纖作為時間、頻率標(biāo)準(zhǔn)傳輸?shù)慕橘|(zhì)具有損耗低、穩(wěn)定度高、鋪設(shè)廣泛等諸多優(yōu)勢。近二三十年來，光纖時間頻率傳輸技術(shù)正在被視為一種很具有發(fā)展前景的時間頻率傳遞方式而被國內(nèi)外的高校和科研院所廣泛研究。

近些年來，美國、日本以及歐洲多國都對利用光纖進(jìn)行頻率穩(wěn)相傳輸展開了一系列相關(guān)研究，并在系統(tǒng)穩(wěn)定度指標(biāo)上取得了很好的試驗結(jié)果[6-10]，系統(tǒng)萬秒穩(wěn)定度達(dá)到10–18乃至10–20量級。國內(nèi)清華大學(xué)、北京大學(xué)、解放軍理工大學(xué)、中科院國家授時中心、中科院上海光機(jī)所等高校和科研院所也在開展相關(guān)理論和試驗研究，并取得了一些比較不錯的成果[11-16]。為了滿足上行天線組陣技術(shù)對高穩(wěn)定度射頻信號的需求，本文提出了一種適用于幾千米區(qū)域上行組陣的光纖射頻穩(wěn)相傳輸?shù)姆椒?，并進(jìn)行了試驗驗證。

1 光纖射頻穩(wěn)相傳輸技術(shù)

基于光纖的高穩(wěn)定度時頻傳輸系統(tǒng)的研發(fā)工作已有30多年的歷史。這其中的研究重點是如何實現(xiàn)更高效、更高精度的光纖相位抖動補(bǔ)償技術(shù)。光信號在光纖中傳輸，由于溫度、應(yīng)力、色散等對光纖的影響等都會對輸出信號相位穩(wěn)定度造成惡化[17]，因此想要獲得相位穩(wěn)定的射頻輸出信號，需要采取適當(dāng)?shù)拈]環(huán)補(bǔ)償措施。由理論分析可知[17]，當(dāng)光纖傳輸距離在幾千米量級時，商用蝶形激光器波長漂移引起的色散對穩(wěn)定度損失可以忽略。應(yīng)力和溫度變化對光纖影響造成的頻率穩(wěn)定度損失可以通過光纖延遲線來補(bǔ)償，兩者不同之處在于溫度變化屬于一種緩慢變化穩(wěn)定度損失因素，而應(yīng)力屬于一種快變的穩(wěn)定度損失因素，兩者引起的穩(wěn)定度損失均可以通過不同種類光纖延遲線閉環(huán)補(bǔ)償（本文重點就溫度變化對于光纖傳輸鏈路影響引起的穩(wěn)定度損失進(jìn)行分析和試驗設(shè)計，應(yīng)力影響需單獨設(shè)計試驗分析）。

頻率標(biāo)準(zhǔn)傳遞過程中，線路上氣溫的周期變化會使光纖物理性質(zhì)發(fā)生變化，導(dǎo)致傳遞距離和折射率發(fā)生變化，從而引發(fā)傳遞時間的波動，最終形成相位抖動。石英光纖的長短與溫度改變在一定范圍內(nèi)可以看成是按比例變化的，由此得到光纖引入的傳輸時延表達(dá)式為

其中：x（t）為傳輸時延；n為光纖的折射率；L為光纖長度；α為光纖的溫度系數(shù)；T（t）為溫度變化的函數(shù)；c為光速。

由于溫度變化引起的光纖時延的變化為

轉(zhuǎn)化成相位的抖動為

其中：f0為標(biāo)稱頻率。

從而得到相對頻率偏差為

一般情況下，氣溫的變化可近似用正弦函數(shù)表達(dá)，即

其中：ν0為溫度變化的頻率。

將式（5）代入相對頻率偏差的表達(dá)式（4）且根據(jù)阿倫方差的表達(dá)式，將采樣次數(shù)取為無窮次，得到溫度對傳輸頻標(biāo)的穩(wěn)定性損失（阿倫方差）為

從式（6）可以看出，溫度引起的頻率穩(wěn)定度損失與光纖長度L、光纖溫度系數(shù)α、光纖折射率n以及溫度變化幅度ΔT成正比，并且溫度變化的周期也會影響頻率穩(wěn)定性損失，而與傳輸頻率f0無關(guān)。因此，傳輸距離越遠(yuǎn)，氣溫變化幅度越大，頻率穩(wěn)定度損失也越高。

取n= 1.502，α= 7 × 10–6/℃，ΔT= 10 K，c= 3 ×108m/s2，L= 1 km，考慮到光纖采取光纜封裝和埋地措施處理，光纖受溫度影響降低100倍，得到不同光纖傳輸距離情況下，日溫變化10℃時，理論上頻率穩(wěn)定性損失曲線如圖 1所示。由圖 1可以看出，對于1 km長的光纖，在日溫變化10 ℃條件下，秒穩(wěn)損失在10–18量級，萬秒穩(wěn)損失約在10–14量級。傳輸距離增加1個量級，頻率穩(wěn)定度損失也提高一個量級。如果對于遠(yuǎn)距離光纖傳輸而言，溫度變化對長期穩(wěn)定度影響就更大了。綜上所述，對于長距離光纖頻標(biāo)傳輸，溫度帶來的光纖鏈路的時延波動是不能忽略的，要想保證長距離光纖傳輸頻標(biāo)不受損失，對于時延抖動的測量和補(bǔ)償就是必不可少的了。

圖1 不同傳輸距離光纖在溫度變化10 ℃條件下穩(wěn)定度損失Fig.1 Stability loss of different length of optical fiber transmission at the condition of a temperature change of 10 ℃

在目前光纖射頻穩(wěn)相傳輸技術(shù)的基本原理都是利用某種信號在光纖中雙向傳遞，獲得傳輸信號的相位信息，然后通過某種閉環(huán)補(bǔ)償?shù)姆椒▉硌a(bǔ)償。利用光纖進(jìn)行的穩(wěn)相傳輸技術(shù)根據(jù)光纖中傳輸光信號形式不同可以分為：傳輸射頻信號強(qiáng)度調(diào)制激光，傳輸光學(xué)頻率和傳輸光學(xué)頻率梳等幾種方式。其中傳輸相干光學(xué)頻率或者光學(xué)頻率梳可以實現(xiàn)更高的傳輸穩(wěn)定度，但是從目前傳輸商用原子鐘（商用銫鐘或者氫鐘）穩(wěn)定度需求來說，傳輸強(qiáng)度調(diào)制激光可以提供一種可靠性較高、成本較低的可行傳輸方案。在傳輸強(qiáng)度調(diào)制激光的方案中，根據(jù)閉環(huán)補(bǔ)償?shù)脑聿煌挚梢苑譃椋夯诠饫w延遲線的閉環(huán)補(bǔ)償方案、基于波長可調(diào)諧激光器的閉環(huán)補(bǔ)償方案、基于壓控振蕩器的閉環(huán)補(bǔ)償方案等。根據(jù)前期技術(shù)調(diào)研與項目需求分析，如表 1所示，分析了總結(jié)幾種的技術(shù)途徑的原理、特點以及指標(biāo)等。

表1 光纖射頻穩(wěn)相傳輸方案總結(jié)與對比Table 1 Conclusions and comparisons of three kinds of methods of phase-stabilized transfer over optical fiber

2 基于光纖延遲線的光纖射頻穩(wěn)相傳輸技術(shù)

2.1 光纖射頻穩(wěn)相傳輸原理

國內(nèi)外多家科研院所對于將光纖延遲線用于光纖傳輸鏈路閉環(huán)相位補(bǔ)償已開展了多年的研究，該技術(shù)的原理是：通過往返傳輸射頻信號檢測環(huán)境變化對光纖鏈路延遲的影響，并反饋控制光纖延遲線，調(diào)整光纖鏈路的絕對長度補(bǔ)償光纖傳輸鏈路的相位抖動。技術(shù)總體架構(gòu)如圖 2所示[18]。在中心站，將激光器輸出的連續(xù)光源注入到電光強(qiáng)度調(diào)制器中，并利用電光強(qiáng)度調(diào)制器將射頻信號調(diào)制到光載波上。被調(diào)制的光信號經(jīng)過長距離光纖傳輸?shù)竭h(yuǎn)端單元。其中一部分進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換還原射頻信號，另一部分反射回傳到中心站并利用環(huán)形器、光電探測器還原?；貍餍盘柡驮夹盘柦?jīng)過鑒相器后輸出一個隨相位抖動變化的電壓值。該電壓值經(jīng)過PID（Proportion Integration Differentiation）控制可改變光纖延遲線長度，并跟蹤外界環(huán)境因素對光信號傳輸過程中引入的延時抖動。

圖2 基于光纖延遲線主動補(bǔ)償方案Fig.2 Design of active compensation based on optical delay line

光纖延遲線方案的優(yōu)點在于，不涉及對任何振蕩器的操作、不影響其它變量、不需要頻標(biāo)和時標(biāo)分離傳輸。但這一方案需要通過調(diào)整光纖絕對長度來補(bǔ)償光纖鏈路抖動，在長距離傳輸應(yīng)用中，特別是溫度變化很大的環(huán)境中，存在環(huán)境引入的光纖長度變化超過補(bǔ)償器件的補(bǔ)償范圍的風(fēng)險，會導(dǎo)致系統(tǒng)失效。通常這種情況下需要增加光纖延遲線長度來進(jìn)行補(bǔ)償，這使得光纖傳輸鏈路的距離大大增加。

這一方案實現(xiàn)的技術(shù)難點還在于光纖延遲線的制作與控制，常見控制方式為：①壓電陶瓷PZT方式，利用壓電陶瓷材料在電壓的控制下伸長量變化的效應(yīng)，優(yōu)點為響應(yīng)速度快，對動態(tài)誤差補(bǔ)償效果好，缺點是需要高壓驅(qū)動，控制輸出功率曲線為平方形式；②溫控方式，優(yōu)點為補(bǔ)償范圍大，缺點是響應(yīng)速度較慢；③電機(jī)驅(qū)動方式，優(yōu)點是控制輸出功率曲線為線性形式，驅(qū)動相對容易，缺點為響應(yīng)速度較慢，對動態(tài)誤差的補(bǔ)償效果不佳。

2.2 上行天線組陣中光纖穩(wěn)相傳輸技術(shù)驗證試驗

在上行天線組陣試驗中，中心機(jī)房產(chǎn)生基帶信號經(jīng)過上變頻后再經(jīng)過電纜傳輸至天線端高功放單元，高功放輸出信號通過天線輻射出去。為了對射頻傳輸鏈路進(jìn)行標(biāo)校，高功放單元耦合一部分射頻信號再經(jīng)約100 m光纖鏈路返回至中心機(jī)房，中心機(jī)房基帶設(shè)備通過處理各天線耦合回信號得到各天線間返回信號相位差，記錄相位數(shù)據(jù)，并觀察其變化。為了滿足試驗需求，設(shè)計了如圖 3所示的試驗方案。為了穩(wěn)定光纖傳輸鏈路和精確標(biāo)定返回光纖鏈路的延遲和相位，需要傳輸一個側(cè)音信號。另外，試驗中需要將天線端高功放單元耦合輸出的射頻信號通過光纖鏈路穩(wěn)定傳輸?shù)街行臋C(jī)房。為了實現(xiàn)多路信號在一根光纖中同時傳輸?shù)哪康?，該試驗系統(tǒng)中利用了波分復(fù)用的技術(shù)?；诠饫w延遲線的光纖穩(wěn)相傳輸技術(shù)可以實現(xiàn)光纖傳輸鏈路的延遲恒定，從而可以實現(xiàn)利用該光纖傳輸?shù)乃行盘柕姆€(wěn)定傳輸。

圖3 適用于上行天線組陣技術(shù)的光纖射頻穩(wěn)相傳輸試驗方案Fig.3 Experimental design of phase-stabilized transfer of RF signal over optical fiber for uplink array

在該方案中，中心機(jī)房將頻率綜合器輸出的側(cè)音信號通過波分復(fù)用技術(shù)調(diào)制到某一可進(jìn)行波分復(fù)用激光波長λ2，經(jīng)過光纖延遲線后，通過光纖鏈路傳輸至天線端。在天線端，高功放單元耦合輸出的射頻信號再調(diào)制到另一 λ1波長激光，利用環(huán)形器和耦合器將側(cè)音信號和射頻信號返回至中心機(jī)房。返回至中心機(jī)房的λ1和λ2激光，經(jīng)過波分復(fù)用器進(jìn)行分離。其中λ1激光經(jīng)過光電探測器輸出射頻信號，λ2激光再經(jīng)過環(huán)形器后經(jīng)過光電探測器輸出得到經(jīng)過雙向傳輸?shù)膫?cè)音信號，該側(cè)音信號和中心機(jī)房的未經(jīng)過光纖傳輸?shù)膫?cè)音信號進(jìn)行鑒相。鑒相結(jié)果經(jīng)過PID控制算法，得到光纖延遲線的控制信號，通過對光纖延遲線進(jìn)行控制實現(xiàn)對光纖鏈路閉環(huán)穩(wěn)定。另外，控制器控制頻綜輸出多側(cè)音信號，鑒相器得到多側(cè)音的鑒相結(jié)果，通過解模糊可以得到雙向傳輸延時值，這樣該系統(tǒng)便可以實現(xiàn)光纖鏈路射頻穩(wěn)相傳輸和延時標(biāo)定。

在試驗中將側(cè)音信號和待傳遞射頻信號通過不同光載波進(jìn)行傳遞，由于λ1和λ2之間波長差僅相差0.4 nm，由于波長不一致性引起的群延遲的不一致性屬于系統(tǒng)偏差，有理論公式和經(jīng)驗數(shù)據(jù)可以進(jìn)行修正。當(dāng)傳輸距離為1 km，波長差為0.4 nm時，其群延遲不一致性估算為：16.6 ps/（km × nm） × 0.4 nm ×1 km = 6.64 ps，其在C波段（6 GHz）引起的相位誤差約2 °，并且其相位差為系統(tǒng)差，對傳輸射頻信號穩(wěn)定度沒有影響。

2.3 試驗內(nèi)容及其結(jié)果

為了驗證光纖射頻穩(wěn)相傳輸?shù)目尚行?，搭建了一個桌面演示試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)基本與上面圖 3所示基本相同，使用的光纖為1 km G.652單模光纖。不同的地方是在天線端高功放耦合輸出射頻信號利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的1端口產(chǎn)生，將返回至中心機(jī)房的射頻輸出信號輸入至矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的2端口，從而可以利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀判斷該系統(tǒng)能否實現(xiàn)射頻信號的穩(wěn)相傳輸。

在室溫條件下，記錄閉環(huán)后側(cè)音信號的相位變化數(shù)據(jù)如下圖 4所示，在該段時間內(nèi)光纖延遲線的調(diào)整量如圖 5所示。由圖 4～5可以看出，在測試時間段內(nèi)光纖延遲線的調(diào)整量峰峰值超過110 ps，在閉環(huán)后側(cè)音信號（1 GHz）相位在觀測時間內(nèi)始終在設(shè)置相位值–93°上下波動，無明顯相位漂移趨勢。

圖4 閉環(huán)后監(jiān)測側(cè)音信號的相位變化數(shù)據(jù)Fig.4 Phase data of the detected tone signal at closed loop condition

圖5 光纖延遲線延遲補(bǔ)償量變化曲線Fig.5 Compensation delay of optical delay line at closed loop condition

將光纖放入溫箱內(nèi)，不斷改變溫箱內(nèi)環(huán)境溫度，待溫箱內(nèi)環(huán)境溫度穩(wěn)定半小時后，在不同溫度條件下，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀記錄光纖傳輸系統(tǒng)的相位變化。如表 2所示，記錄得到5.99 GHz、6.00 GHz以及6.01 GHz三個頻點在不同溫度下的相位結(jié)果，表 3為多次記錄得到相位差變化的標(biāo)準(zhǔn)差?？梢钥闯觯诓煌瑴囟葪l件下，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量得到的光纖射頻傳輸系統(tǒng)在3個頻點的相位變化均未超過1 °，不同溫度下相位變化標(biāo)準(zhǔn)差約為0.29 °，從而表明這種閉環(huán)補(bǔ)償方案可以實現(xiàn)射頻信號的穩(wěn)相傳輸。

表2 不同溫度條件下相位記錄結(jié)果Table 2 Phase results at different temperature conditions

表3 不同溫度條件下相位標(biāo)準(zhǔn)差Table 3 Standard deviation of phase results at different temperature conditions

3 結(jié) 論

對于上行天線組陣試驗系統(tǒng)對射頻穩(wěn)相傳輸?shù)男枨?，本文設(shè)計了一種基于光纖延遲線的閉環(huán)光纖射頻穩(wěn)相傳輸試驗方案。室溫條件下側(cè)音信號補(bǔ)償結(jié)果表明，未經(jīng)過補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)單向相位漂移超過55 ps，折算C波段（6 GHz）相位漂移達(dá)到118.8 °，不能滿足信號上行組陣信號合成需求。經(jīng)過閉環(huán)補(bǔ)償后，不同溫度條件下，傳輸射頻信號相位標(biāo)準(zhǔn)差為0.29 °，優(yōu)于10 °信號合成需求。桌面演示試驗系統(tǒng)表明，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)射頻信號穩(wěn)相傳輸，能夠滿足上行天線組陣試驗對于高穩(wěn)定度射頻信號的需求。目前，光纖穩(wěn)相傳輸技術(shù)正在實際上行組陣試驗系統(tǒng)中正開展試驗測試與驗證。

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