席虹標(biāo)，覃 勇，熊平戩

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所，廣西 桂林 541004)

0 引言

在分布式雷達(dá)系統(tǒng)中，為獲得理想的探測(cè)性能，發(fā)射站與接收站之間必須實(shí)現(xiàn)相位同步，保持系統(tǒng)的相參性能，因此需要統(tǒng)一分發(fā)時(shí)鐘信號(hào)，并對(duì)其相位一致性具有較高要求。分布式雷達(dá)收發(fā)站之間常常距離幾十到幾百公里，傳統(tǒng)的微波電纜在幾十公里的鏈路上傳輸損耗極大[1]，很難實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘信號(hào)的傳輸與同步；而光纖傳輸損耗低、抗干擾能力強(qiáng)，采用光傳輸時(shí)鐘信號(hào)是實(shí)現(xiàn)雷達(dá)時(shí)鐘信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)挠行Х绞?。但光纖易受環(huán)境溫度、機(jī)械振動(dòng)的影響而產(chǎn)生相位變化[2]，因此單純利用光纖來(lái)傳輸時(shí)鐘信號(hào)，其相位的穩(wěn)定性和一致性無(wú)法保證。在對(duì)相參要求極其嚴(yán)格的分布式雷達(dá)系統(tǒng)中必須采用光纖穩(wěn)相技術(shù)。本文利用被動(dòng)式光纖穩(wěn)相的方法實(shí)現(xiàn)了多路時(shí)鐘信號(hào)的穩(wěn)相傳輸。

1 光纖穩(wěn)相傳輸原理

本文采用的被動(dòng)式光纖穩(wěn)相傳輸技術(shù)原理為：時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)光電轉(zhuǎn)換和三倍頻變換產(chǎn)生一個(gè)共軛信號(hào)與原時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行混頻，混頻后進(jìn)行濾波，最終在遠(yuǎn)端得到與傳輸路徑不相關(guān)的時(shí)鐘信號(hào)[3]，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘信號(hào)穩(wěn)相傳輸。原理圖如圖1所示。

在該系統(tǒng)中,中心站將穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)直調(diào)激光器轉(zhuǎn)換為光信號(hào),假設(shè)該時(shí)鐘信號(hào)為：

V1=cos(ωst+φ1).

(1)

式中,ωs表示信號(hào)頻率,φ1表示接收信號(hào)的初始相位，ωst+φ1為V1的瞬時(shí)相位。為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程,文中省略了時(shí)鐘信號(hào)的幅度信息。

圖1 被動(dòng)式光纖穩(wěn)相傳輸原理圖

在中心站(A端)將時(shí)鐘信號(hào)調(diào)制到光載波λ1上,通過(guò)波分復(fù)用器耦合進(jìn)入單模光纖,由遠(yuǎn)距離光纖鏈路傳輸?shù)教炀€(xiàn)端(B端)。B端通過(guò)波分復(fù)用器將將波長(zhǎng)為λ1的光信號(hào)分離出來(lái),該信號(hào)通過(guò)光分路器一分為二。下半部分光被探測(cè)器PD2解調(diào)后經(jīng)帶通濾波器Filt2提取出基頻信號(hào)。此時(shí)基頻信號(hào)引入了光纖受環(huán)境影響而產(chǎn)生的相位抖動(dòng),信號(hào)(V2)的瞬時(shí)相位為ωst+φ1+φf(shuō)，φf(shuō)為光纖鏈路受環(huán)境影響引入的相位抖動(dòng)。

上半部分光信號(hào)通過(guò)Filt1提取出三倍頻信號(hào),該信號(hào)(V3)瞬時(shí)相位為3ωst+3φ1+3φf(shuō)，由于此時(shí)信號(hào)頻率是基頻信號(hào)的三倍頻，所以其相位信息也滿(mǎn)足三倍關(guān)系，由長(zhǎng)光纖鏈路受環(huán)境影響引入的相位抖動(dòng)信息為3φf(shuō)。

由Filt2提取出的基頻信號(hào)經(jīng)過(guò)微波放大之后重新調(diào)制到另一激光源上，該激光源的中心波長(zhǎng)為λ2。通過(guò)OC1,將LD2的光載波耦合到長(zhǎng)光纖中，并傳輸至A端。信號(hào)達(dá)到A端之后,經(jīng)過(guò)波分復(fù)用器將中心波長(zhǎng)為λ2的光信號(hào)分離出來(lái)，再通過(guò)反射鏡將光信號(hào)反向傳輸回B端。由于B端光環(huán)形器的作用，此時(shí)回傳的光信號(hào)直接進(jìn)入探測(cè)器，轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)。此時(shí)信號(hào)一共經(jīng)歷了三次鏈路抖動(dòng)，該信號(hào)(V4)的相位信息為ωst+φ1+3φf(shuō)；在B端將信號(hào)與提取的三倍頻信號(hào)V3進(jìn)行混頻，同時(shí)使用中心頻率為2ωs的帶通濾波器Filt3提取出二倍頻信號(hào)，可以得到：

V5=cos(2ωst+2φ1).

(2)

由(2)式可知，通過(guò)混頻相減的方式，得到的信號(hào)中不存在光纖鏈路所引入的相位信息，達(dá)到了穩(wěn)相接收的目的。

最后使用二分頻器將二倍頻信號(hào)轉(zhuǎn)化成基頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了時(shí)鐘信號(hào)的穩(wěn)相傳輸。

V6=cos(ωst+φ1).

(3)

2 時(shí)鐘信號(hào)穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

時(shí)鐘信號(hào)穩(wěn)相傳輸應(yīng)用系統(tǒng)分為三個(gè)部分，第一部分為時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生，包含時(shí)鐘源與電功分器；第二部分為多路被動(dòng)式穩(wěn)相光纖傳輸系統(tǒng)；第三部分為雷達(dá)陣列接收端。系統(tǒng)組成如圖2所示。圖2中A1～An至B1～Bn鏈路組成了n個(gè)圖1中所示的時(shí)鐘信號(hào)穩(wěn)相傳輸鏈路。

圖2 時(shí)鐘信號(hào)穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)工作流程為，中心站的時(shí)鐘源通過(guò)電功分器分出n個(gè)時(shí)鐘信號(hào)(RF1～RFn)，然后分別送至A1～An進(jìn)行放大、電/光變換，將時(shí)鐘信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，n路已調(diào)制光信號(hào)通過(guò)多芯長(zhǎng)距離光纜傳輸至B端(B1～Bn)，在B端時(shí)鐘光信號(hào)經(jīng)光/電變換、放大后與三倍頻信號(hào)進(jìn)行混頻濾波，得到n路與傳輸路徑不相關(guān)的時(shí)鐘信號(hào)(即光纖鏈路不受環(huán)境影響而產(chǎn)生相位抖動(dòng))，最后將這些時(shí)鐘信號(hào)分配給雷達(dá)天線(xiàn)陣列。

本系統(tǒng)中采用了光/電和電/光變換，在電光轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，影響系統(tǒng)相位的因素除了光纖，激光器的光波長(zhǎng)漂移也是影響系統(tǒng)相位的另一個(gè)重要因素。激光器光波長(zhǎng)主要與內(nèi)部LD芯片的溫度有關(guān)，因此需要對(duì)激光器的光波長(zhǎng)進(jìn)行控制。由于激光器是半導(dǎo)體熱敏器件[4]，對(duì)溫度和環(huán)境的變化十分敏感，為了保證激光器有穩(wěn)定可靠的工作性能，必須采用自動(dòng)溫度(ATC)控制電路。激光器自身帶有制冷器(TEC)，它是一個(gè)利用帕爾貼效應(yīng)來(lái)加熱和制冷的半導(dǎo)體P-N結(jié)器件，在半導(dǎo)體通上電源后，電子先經(jīng)過(guò)P型半導(dǎo)體吸收熱量，到N型半導(dǎo)體處釋放熱量。通過(guò)這種主動(dòng)的方式將熱量泵送，形成冷、熱兩端的溫度差。當(dāng)電流方向相反時(shí)，熱量傳遞的方向也會(huì)相反，基于該原理可將半導(dǎo)體致冷器用于溫度控制。當(dāng)激光器的激光管(LD)工作于25℃左右時(shí)，TEC不工作；當(dāng)LD工作溫度升高時(shí)，ATC控制TEC開(kāi)始制冷，使LD的溫度恢復(fù)到25℃左右；當(dāng)LD工作溫度降低時(shí)，ATC控制TEC開(kāi)始制熱，使LD的溫度恢復(fù)到25℃左右，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)溫度控制的功能。

3 時(shí)鐘穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)相位穩(wěn)定性

為驗(yàn)證穩(wěn)相系統(tǒng)的性能，本文根據(jù)圖1搭建了一個(gè)測(cè)試驗(yàn)證系統(tǒng)：在A(yíng)端，LD1激光器中心波長(zhǎng)為1550 nm，激光器的工作帶寬為3 GHz，傳輸鏈路使用長(zhǎng)度為10 km的單模光纖。在B端,LD2激光器中心波長(zhǎng)為1530 nm，激光器的工作帶寬為3 GHz，使用的探測(cè)器(PD1、PD2)帶寬為4 GHz，響應(yīng)度為0.85 A/W，測(cè)試帶寬為2.5 GHz～3 GHz。

首先測(cè)試了沒(méi)有采用被動(dòng)穩(wěn)相措施的時(shí)鐘信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)的相位穩(wěn)定性。系統(tǒng)初始狀態(tài)經(jīng)過(guò)4h后系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果如圖3所示，在頻點(diǎn)2.5 GHz，相位漂移了41.63°，在頻點(diǎn)3 GHz，相位漂移了49.91°。

然后測(cè)試采用了被動(dòng)穩(wěn)相措施后的時(shí)鐘信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)的相位穩(wěn)定性。系統(tǒng)初始狀態(tài)經(jīng)過(guò)4 h后系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果如圖4所示，在頻點(diǎn)2.5 GHz，相位漂移了3.07°，在頻點(diǎn)3 GHz，相位漂移了3.71°。對(duì)比圖3與圖4，可得出本文設(shè)計(jì)的時(shí)鐘穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)能夠有效的改善光傳輸系統(tǒng)的相位穩(wěn)定性。

圖3 無(wú)穩(wěn)相機(jī)制的時(shí)鐘光纖傳輸系統(tǒng)相位穩(wěn)定性測(cè)試圖

圖4 有被動(dòng)式穩(wěn)相機(jī)制的時(shí)鐘光纖傳輸系統(tǒng)

4 時(shí)鐘穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)相位一致性

根據(jù)以上分析，時(shí)鐘穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)各通路的相位一致性只與初始相位相關(guān)，根據(jù)式(1)我們可以得出系統(tǒng)An輸入端的信號(hào)表達(dá)式：

Vn=cos(ωst+φn).

(4)

式中φn為第n路時(shí)鐘信號(hào)的初始相位，取φn中絕對(duì)值最大MAX[|φn|]記為φmax，此時(shí)時(shí)鐘穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)的相位一致性Φ為±φmax/2。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，相位穩(wěn)定性不僅與光路相關(guān)，也與電/光轉(zhuǎn)換、光/電轉(zhuǎn)換、光纖鏈路及其它射頻器件本身相位特性相關(guān)。在信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)受到如環(huán)境溫度、機(jī)械振動(dòng)等光纖自身因素的影響，信號(hào)相位會(huì)隨環(huán)境和時(shí)間變化產(chǎn)生一定波動(dòng)。為驗(yàn)證這種影響，本文使用同一批次放大器、激光器、探測(cè)器、波分復(fù)用器搭建了兩種被測(cè)組件，4h內(nèi)兩路被測(cè)件相位一致性測(cè)試結(jié)果如圖5所示，在800 MHz頻點(diǎn)相差0.66°，在6 GHz頻點(diǎn)相差6.22°。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，即使是同一批次的器件組成的系統(tǒng)，相位一致性也會(huì)產(chǎn)生一定的波動(dòng)。因此系統(tǒng)相位一致性的理論值一般要優(yōu)于工程值。

圖5 4h內(nèi)兩路光電轉(zhuǎn)換器件本身相位一致性測(cè)試圖

在工程上，為了有效的評(píng)估系統(tǒng)的性能，應(yīng)先通過(guò)試驗(yàn)得到系統(tǒng)中各路器件本身的相位變化φq1～φqn，記差值最大的一對(duì)相位(設(shè)φq5與φq2差值最大)的絕對(duì)值為φΔ，其表達(dá)式如下：

φΔ=|φq5-φq2|.

(5)

此時(shí)時(shí)鐘穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)的相位一致性可以表示為±φmax/2≤Φ≤±(φmax+φΔ)/2，在系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)時(shí)，可以用來(lái)計(jì)算時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)光纖傳輸后相位一致性的范圍。

5 總結(jié)

本文分析了被動(dòng)光纖穩(wěn)相的基本原理，并提出了應(yīng)用于雷達(dá)陣列的時(shí)鐘信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸系統(tǒng)模型，根據(jù)理論模型推導(dǎo)出了該系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)的相位一致性計(jì)算方法，并通過(guò)試驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證了可行性。最后根據(jù)工程測(cè)試并結(jié)合理論分析提出了該系統(tǒng)在工程應(yīng)用時(shí)相位一致性值的范圍，對(duì)實(shí)際工程設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。