柴 俊，張必龍，楊崢崢

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

鑒于大帶寬、低損耗、抗電磁干擾等一些獨特優(yōu)勢，微波光子技術(shù)在國防軍事領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用已受到國內(nèi)外的普遍重視[1]。當(dāng)前應(yīng)用于國防軍事領(lǐng)域的微波光子技術(shù)主要有射頻光傳輸技術(shù)、光控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)、高頻微波信號的光學(xué)產(chǎn)生與處理技術(shù)、光子變頻技術(shù)、微波光子濾波技術(shù)、微波光子頻率測量技術(shù)等[2]。

主要研究基于波分復(fù)用的射頻光傳輸技術(shù)。射頻光傳輸是指在光載波上調(diào)制射頻信號，利用光纖的低損耗、大帶寬優(yōu)勢進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。光波分復(fù)用是指將2種或多種不同波長的光載波信號在發(fā)送端經(jīng)復(fù)用器耦合，在同一根光纖中進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)[3]。在接收端，通過解復(fù)用器分離出各種波長的光載波，再由光接收機進(jìn)行處理，恢復(fù)成原射頻信號。

1 射頻光傳輸系統(tǒng)方案設(shè)計

本文所研究的射頻光傳輸系統(tǒng)需將6路射頻信號經(jīng)波分復(fù)用在光子頻段功分為128路，功分后通過光纖將信號傳輸?shù)焦饨邮漳K，在光接收模塊中對光子信號進(jìn)行解波分復(fù)用，后由探測器將射頻信號恢復(fù)。表1為傳輸系統(tǒng)主要指標(biāo)，圖1為射頻信號的傳輸過程圖。

圖1 模擬信號流程圖

表1 傳輸系統(tǒng)主要指標(biāo)

1.1 電光調(diào)制與光電解調(diào)電路設(shè)計

1.1.1 電光調(diào)制電路設(shè)計

根據(jù)本項目中不同通道信號的指標(biāo)要求，通道RF1，RF6(8～20 GHz)采用外調(diào)制方式，RF2，RF3，RF4，RF5采用直接調(diào)制的方式。

直接調(diào)制是指信號電平直接控制激光器的驅(qū)動電流，從而獲得光信號輸出功率的變化來實現(xiàn)調(diào)制。直接調(diào)制成本低，技術(shù)簡單，調(diào)試方便，傳輸能力強。盡管直接調(diào)制也會帶來激光器譜線的展寬、色散變差等缺點，但在頻率較低、傳輸距離較近的情況下這些缺點對信號指標(biāo)影響不明顯。從成本考慮，RF2，RF3，RF4，RF5 4個低頻通道采用直接調(diào)制的方式。直調(diào)電路設(shè)計包括阻抗匹配電路、直流偏置電路、光功率自動控制、自動溫度控制電路和光功率檢測電路等幾部分模塊，原理框圖如圖2所示。

圖2 直接調(diào)制電路設(shè)計框圖

外調(diào)制技術(shù)指射頻信號控制外調(diào)制器改變輸出光信號功率的調(diào)制方法。選用鈮酸鋰晶體調(diào)制器，由于其具有較高的半波驅(qū)動電壓，因此必須加入直流偏置電壓，調(diào)制器才能正常工作。理論分析表明調(diào)制器存在最佳偏置點，在該點可消除二次諧波失真。但最佳偏置點并不穩(wěn)定，它會隨著時間、環(huán)境溫度、激光器輸入光功率及光纖插入和耦合損耗等因素的變化而漂移，導(dǎo)致調(diào)制器輸出信號出現(xiàn)比較大的二次失真,因此必須加入直流偏置點自動控制電路最大程度抑制失真[4]。外調(diào)制電路設(shè)計框圖如圖3所示。

圖3 外調(diào)制器偏置點自動控制電路原理框圖

1.1.2 光電解調(diào)電路設(shè)計

光電解調(diào)電路用于完成光信號至射頻信號的解調(diào)，即將光信號重新轉(zhuǎn)化成射頻信號。光電調(diào)制采用的是強度調(diào)制的方式，即光功率與射頻信號功率成正比。解調(diào)時，采用光探測器(PD)將光信號按照光功率大小成比例地轉(zhuǎn)化成光電流[5]。光電解調(diào)電路包括偏置電路、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)等，其構(gòu)成框圖見圖4。

圖4 光電解調(diào)電路電路構(gòu)成框圖

解調(diào)電路中完成光電轉(zhuǎn)換的核心是光電探測器。光信號在光纖中輸出會帶來損耗和失真，這就要求光檢測器需滿足以下條件：在工作波長范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換效率高，檢測過程引入的附加噪聲盡可能小，響應(yīng)速度快，線性好，頻帶寬，壽命長等。本方案采用PIN光探測器，所選探測器的帶寬為20 GHz，具體參數(shù)見表2。

表2 PIN光探測器參數(shù)表

1.2 波分復(fù)用系統(tǒng)選控

波分復(fù)用系統(tǒng)主要包括波分復(fù)用器及解波分復(fù)用器，兩者在原理上相同。波分復(fù)用器選用密集波分復(fù)用(DWDM)間隔為200 GHz，有效帶寬為0.25 nm，為了提高通道1和通道6之間的隔離度，盡量選用離這2個通道較遠(yuǎn)的通道，同時在通道1和通道6之間各增加一級濾波器，用于提高通道之間的隔離度。波分復(fù)用系統(tǒng)的引入,極大降低了光纖的使用量及整個傳輸系統(tǒng)的建設(shè)成本,提高了傳輸系統(tǒng)的可靠性。波分復(fù)用器具體參數(shù)見表3。

表3 波分復(fù)用器具體參數(shù)

1.3 增益匹配控制

射頻光傳輸系統(tǒng)中對于功率影響較大的模塊主要包括3個部分：光分路器、光放大器以及射頻低噪聲放大器。

光分路器的選?。河捎诤蠖诵枰殖?28路信號，需要在波分復(fù)用器(合波)后經(jīng)過光放大器然后再經(jīng)過4×32路光分路器，光分路器采用等功率分配。在光輸入端口進(jìn)行處理，使得該光分路器可以承受2 W的光功率，后面進(jìn)行等功率分配后采用無偏振損耗抑制技術(shù)進(jìn)行設(shè)計，在插入損耗上達(dá)到最小值，滿足光鏈路要求。

光放大器選取：光路信號經(jīng)過電光轉(zhuǎn)換模塊后進(jìn)入波分復(fù)用器，合成1路光信號，然后經(jīng)過光衰減器再進(jìn)入光放大器(光放大器的最大可輸入光功率是10 dBm)，然后經(jīng)過光放大輸出，與4×32光分路器相連接，用于補充光分路器帶來的損耗，大約為24 dBm。設(shè)置光放大器固定輸出光功率為27 dBm，這樣可以保證96路光的每一路信號輸出光功率為3 dBm，然后傳輸給96個后端光轉(zhuǎn)換設(shè)備。

射頻低噪放選取：為使整個鏈路的增益滿足0 dB，同時設(shè)備輸入功率P-1≤10 dBm的要求，射頻電路放大器只能放在后端設(shè)備中，用于補充電光/光電轉(zhuǎn)換帶來的損耗。后端放大器各路增益為30 dB，對各個通道的增益進(jìn)行微調(diào)可滿足整個鏈路增益為0 dB的要求。

2 試驗系統(tǒng)與測試結(jié)果

搭建的射頻光傳輸系統(tǒng)詳細(xì)框圖如圖5所示，物理構(gòu)成上包括1個光發(fā)射模塊、128個光接收模塊。對該傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了測試，在光發(fā)射端用信號源灌入射頻信號，將光接收模塊輸出端連入頻譜儀。表4為光傳輸系統(tǒng)的測試結(jié)果，滿足了前期設(shè)計的各項指標(biāo)。其中對于雷達(dá)射頻前端意義最大的通道間幅度一致性以及相位一致性，分別達(dá)到了±2 dB與±5°，與傳統(tǒng)同軸電纜傳輸相比，優(yōu)勢明顯。

圖5 射頻光傳輸系統(tǒng)框圖

宏觀上，本傳輸系統(tǒng)所實現(xiàn)的射頻傳輸功能與傳統(tǒng)的同軸電纜傳輸相比，在重量、體積、成本以及調(diào)試難度上優(yōu)勢更為明顯。

3 結(jié)束語

主要介紹了一種基于波分復(fù)用的雷達(dá)前端六通道射頻光傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與搭建，并對實物進(jìn)行了測試與分析，顯示了光傳輸系統(tǒng)對比傳統(tǒng)的同軸電纜傳輸?shù)膬?yōu)越性，希望文中的研究對射頻工程師具有借鑒意義。