周其超，陶存炳，黃 偉

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所， 江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

電光調(diào)制器是光控相控陣系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成模塊，將射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制器加載到光信號(hào)上進(jìn)行傳輸和信號(hào)處理。實(shí)際應(yīng)用中，電光調(diào)制器多采用鈮酸鋰材料的馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器。但是，由于外界環(huán)境溫度變化或者高頻連續(xù)信號(hào)的影響，馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器的工作點(diǎn)會(huì)發(fā)生漂移，從而影響到調(diào)制器的調(diào)制精度，也會(huì)影響到整個(gè)光控相控陣系統(tǒng)的工作穩(wěn)定[1-5]。因此，本文研究了馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器的偏壓控制技術(shù)，分析了基于傳輸曲線(xiàn)斜率檢測(cè)算法的馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器工作點(diǎn)偏壓控制原理，并且進(jìn)行了馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器工作點(diǎn)偏壓控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表明該偏壓控制系統(tǒng)能夠?qū)︸R赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器的工作點(diǎn)進(jìn)行有效的偏壓控制。

1 基于斜率檢測(cè)算法的馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器工作點(diǎn)偏壓控制原理

在理想條件下，馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器的傳輸特性曲線(xiàn)公式可表示為

(1)

式中，Pout為馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器輸出的光功率；Pin為馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器輸入光功率；Vπ為調(diào)制器的半波電壓；V為偏置電壓，即外界偏壓控制系統(tǒng)對(duì)調(diào)制器所加載的偏置電壓。圖1為馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器輸出光功率與所加載的偏置電壓的響應(yīng)曲線(xiàn)。

圖1 馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器相應(yīng)曲線(xiàn)

從圖1所知，馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器的輸出光功率隨著偏置電壓的不同而改變。調(diào)制器根據(jù)調(diào)制方式的不同可以加載在不同的工作點(diǎn)。由圖可知，馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器工作點(diǎn)設(shè)置為-Q和+Q點(diǎn)時(shí)其輸出信號(hào)沒(méi)有失真。本文以-Q點(diǎn)作為工作點(diǎn)。

為了使調(diào)制器不受到溫度等環(huán)境因素的影響而始終工作在-Q點(diǎn)，本文采用通過(guò)檢測(cè)馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器傳輸特性曲線(xiàn)的斜率的變化來(lái)判斷此時(shí)調(diào)制器工作點(diǎn)的位置，利用偏壓控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)調(diào)制器的偏置電壓，最終將工作點(diǎn)移到-Q點(diǎn)。具體做法如下：

(1) 向馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器的偏置電壓加載端加載一個(gè)微弱的擾動(dòng)信號(hào)(幅值大約為調(diào)制信號(hào)的1%，且為低頻信號(hào))，擾動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制器后對(duì)其進(jìn)行放大和濾波；

(2) 將經(jīng)過(guò)放大和濾波后的信號(hào)與原始的擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行相乘和積分處理，得到一個(gè)與馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器傳輸特性曲線(xiàn)斜率呈線(xiàn)性關(guān)系的誤差信號(hào)；

(3) 通過(guò)檢測(cè)誤差信號(hào)的大小，判斷此時(shí)工作點(diǎn)有無(wú)漂移以及漂移的方向，最后通過(guò)調(diào)節(jié)偏壓將工作點(diǎn)移至-Q點(diǎn)。

上述利用擾動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)制器的偏壓控制原理如下：

設(shè)擾動(dòng)信號(hào)為

VRAO=Asinωt

(2)

擾動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制器后的輸出信號(hào)為

(3)

將此信號(hào)與擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行相乘和積分得到一個(gè)直流誤差信號(hào)為W，即

(4)

當(dāng)τ?2π/ω時(shí)，濾除直流分量，對(duì)公式(4)展開(kāi)計(jì)算得到

(5)

從馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器的傳輸特性曲線(xiàn)來(lái)看，對(duì)公式(1)求導(dǎo)，從而得到斜率K為

(6)

對(duì)比公式(5)與公式(6)，誤差信號(hào)W與調(diào)制器傳輸曲線(xiàn)的斜率呈線(xiàn)性關(guān)系。從圖1可知，當(dāng)馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器工作在-Q時(shí)，其斜率為最小值，故直流誤差信號(hào)W也為最小值；當(dāng)調(diào)制器傳輸曲線(xiàn)發(fā)生漂移時(shí)，可以通過(guò)鎖定直流誤差信號(hào)W的最小值從而設(shè)置新的偏置電壓，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器有效偏壓控制。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

偏壓控制系統(tǒng)主要包括PIN光電檢測(cè)及其放大模塊、低通濾波模塊、相位補(bǔ)償模塊、乘法器模塊、微處理器模塊、信號(hào)產(chǎn)生模塊、積分模塊和加法器模塊等。具體框圖如圖2所示。

圖2 偏壓控制系統(tǒng)框圖

通過(guò)馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器輸出的光信號(hào)經(jīng)過(guò)耦合器分出5%，通過(guò)PIN光電二極管及其放大電路將微弱的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并進(jìn)行放大。經(jīng)過(guò)放大后的電信號(hào)通過(guò)低通濾波和相位補(bǔ)償模塊濾除掉被調(diào)制的信號(hào)及噪聲。在乘法器模塊中，該信號(hào)與信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的擾動(dòng)信號(hào)相乘，并將相乘的結(jié)果發(fā)送至積分模塊。完成積分后得到一個(gè)誤差信號(hào)，經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后發(fā)送至微處理器模塊。微處理器模塊通過(guò)該誤差信號(hào)去判斷此時(shí)調(diào)制器是否工作在-Q點(diǎn)，并設(shè)置調(diào)節(jié)偏置電壓。將調(diào)節(jié)后的偏置電壓與擾動(dòng)信號(hào)通過(guò)在加法器模塊一同加載在調(diào)制器的偏壓輸入端，從而完成一個(gè)閉環(huán)的反饋偏壓控制。

PIN光電二極管采用北京世維通科技公司的PDS473-a光電二極管。該光電二極管具有高靈敏度、低暗電流等特點(diǎn)，利用TI公司的OPA657運(yùn)算放大器搭建反向放大電路，從而獲得較大的電壓信號(hào)。

為了濾除被調(diào)制信號(hào)通過(guò)調(diào)制器產(chǎn)生的光調(diào)制信號(hào)和噪聲信號(hào)，偏壓控制系統(tǒng)采用無(wú)限增益多路反饋型濾波電路進(jìn)行濾波。考慮偏壓控制系統(tǒng)尺寸的問(wèn)題，根據(jù)減少器件簡(jiǎn)化電路的原則，偏壓控制系統(tǒng)采用二級(jí)無(wú)限增益反饋型濾波電路，濾波的帶寬為2～4 kHz。濾波電路如圖3所示。

圖3 低通濾波電路

乘法器模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)信號(hào)與擾動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制器輸出的光信號(hào)進(jìn)行相乘。由于擾動(dòng)信號(hào)和擾動(dòng)信號(hào)調(diào)制后的光信號(hào)的幅度都有正負(fù)值，所以偏壓控制系統(tǒng)采用ADI公司的AD633四象限乘法器芯片。

偏壓控制系統(tǒng)采用STM32F103RCT6芯片作為微處理器模塊，其接收AD輸出的數(shù)字信號(hào)，判斷此時(shí)調(diào)制器的工作點(diǎn)是否發(fā)生漂移，通過(guò)相關(guān)的步進(jìn)算法調(diào)節(jié)偏壓輸出，使得調(diào)制器輸出的信號(hào)沒(méi)有失真。

偏壓控制系統(tǒng)采用ADI公司的AD9837芯片作為信號(hào)發(fā)生器。它的輸出頻率、波形和幅度可以通過(guò)微處理器模塊進(jìn)行控制。系統(tǒng)通過(guò)AD9837產(chǎn)生20 mV、3 kHz的正弦波信號(hào)。

加法器模塊的功能是將擾動(dòng)信號(hào)與偏置電壓相加，并將同時(shí)輸出的電壓信號(hào)加載到馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器的偏壓輸入端。系統(tǒng)選用TI公司的OPA2188運(yùn)放搭建加法器電路。該芯片具有低噪聲、高共模抑制比和高增益帶寬等特點(diǎn)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

偏壓控制系統(tǒng)的軟件流程圖如圖4所示。

圖4 偏壓控制系統(tǒng)軟件流程圖

從圖4可知，馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器偏壓控制系統(tǒng)軟件主要包括系統(tǒng)初始化、AD和信號(hào)發(fā)生器等模塊的初始化。加載偏置電壓，按照一定步進(jìn)逐步增加偏置電壓從而得到調(diào)制器輸出的光功率傳輸曲線(xiàn)。通過(guò)該傳輸曲線(xiàn)設(shè)置好初始工作點(diǎn)(-Q點(diǎn))，并采集此時(shí)的誤差信號(hào)W1，設(shè)置閾值。當(dāng)采集的誤差信號(hào)W2>W1時(shí)，調(diào)整偏置電壓使得采集的誤差信號(hào)差值在閾值范圍之內(nèi)，從而達(dá)到鎖定工作點(diǎn)的目的。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

偏壓控制系統(tǒng)采用Oclaro公司的PowerBit SD-20型號(hào)的調(diào)制器。利用激光器作為光源，其輸出功率為10 dBm，波長(zhǎng)為1 550 nm，信號(hào)源選用頻率為12 GHz、功率為-5 dBm的連續(xù)波作為調(diào)制器的射頻調(diào)制信號(hào)。偏壓控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)流程如下：

(1) 初始化系統(tǒng)，激光器輸出功率為10 dBm對(duì)調(diào)制器設(shè)置0～6 V、步進(jìn)為0.1 V的偏置電壓，得到調(diào)制器的初始傳輸曲線(xiàn)。記錄此時(shí)-Q點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸出光功率和對(duì)應(yīng)的偏置電壓。初始傳輸曲線(xiàn)如圖5所示。

(2) 系統(tǒng)為了測(cè)試偏壓控制系統(tǒng)的有效性，將偏置電壓設(shè)置為-Q點(diǎn)對(duì)應(yīng)的偏置電壓，通過(guò)對(duì)比有無(wú)偏壓控制下的光功率去驗(yàn)證偏壓控制系統(tǒng)的有效性。

(3) 系統(tǒng)選擇-Q點(diǎn)位置的偏置電壓為4.7 V。在室溫條件下，間隔5 min加載偏壓控制系統(tǒng)，測(cè)試隨時(shí)間變化而輸出的光功率。另外，通過(guò)穩(wěn)壓源輸出4.7 V的固定電壓加載于調(diào)制器上，測(cè)試輸出的光功率。最后得到有無(wú)偏壓控制下的-Q點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光功率曲線(xiàn)，如圖6所示。

圖5 初始傳輸曲線(xiàn)

圖6 加載與未加載偏壓控制系統(tǒng)-Q點(diǎn)的輸出功率

由圖6可知，若未加載偏壓控制系統(tǒng)，通過(guò)穩(wěn)壓源直接加載調(diào)制器固定電壓時(shí)其固定電壓對(duì)應(yīng)的光功率發(fā)生了明顯變化，傳輸曲線(xiàn)發(fā)生了飄逸；當(dāng)加載偏壓控制系統(tǒng)后，偏壓控制系統(tǒng)鎖定了工作點(diǎn)，-Q點(diǎn)的光功率較為穩(wěn)定。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了基于馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器傳輸曲線(xiàn)斜率檢測(cè)算法的偏壓控制的原理，設(shè)計(jì)了偏置電壓自動(dòng)控制電路，并對(duì)偏壓控制系統(tǒng)的硬件組成和軟件流程進(jìn)行了分析，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了偏壓控制系統(tǒng)工作的有效性，解決了馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器工作點(diǎn)漂移的問(wèn)題。