郝 汀，陳 捷，趙明峰

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

0 引 言

現(xiàn)代電子戰(zhàn)中，電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，如何在復(fù)雜的電磁環(huán)境中快速獲取敵方雷達(dá)信號(hào)的參數(shù)信息(包括頻率信息、幅度信息、脈寬信息等)成為電子戰(zhàn)的重要部分。其中，微波信號(hào)的頻率信息是眾多參數(shù)信息中最為基本的信息，也是獲取分析其他信息的基礎(chǔ)。目前，隨著毫米波雷達(dá)的不斷應(yīng)用，現(xiàn)代電子戰(zhàn)的電磁環(huán)境已經(jīng)有了很多范圍在18～40 GHz的射頻信號(hào)。

傳統(tǒng)微波信號(hào)的頻率測(cè)量方法主要是基于電子器件實(shí)現(xiàn)的，然而針對(duì)毫米波段的信號(hào)頻率測(cè)量，傳統(tǒng)的測(cè)量方法受限于其電學(xué)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)芯片的模擬輸入頻率范圍、帶寬等參數(shù)，無法直接對(duì)毫米波段的射頻信號(hào)頻率進(jìn)行直接測(cè)量，需要將模擬的毫米波信號(hào)與參考頻率信號(hào)進(jìn)行混頻，將毫米波段信號(hào)轉(zhuǎn)化到其ADC能夠直接測(cè)量的頻段范圍之內(nèi)。因此，針對(duì)寬帶毫米波信號(hào)的頻率測(cè)量，傳統(tǒng)測(cè)頻方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功耗大，成本昂貴。隨著微波光子技術(shù)的發(fā)展，利用微波光子技術(shù)實(shí)現(xiàn)寬帶雷達(dá)信號(hào)頻率的測(cè)量已經(jīng)成為了研究的熱點(diǎn)[1-8]。

目前基于微波光子技術(shù)的寬帶測(cè)頻方法主要包括頻率-功率映射方法、頻率-時(shí)間映射方法、四波混頻方法等[9-15]。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，頻率-時(shí)間法測(cè)頻精度低，成本昂貴；四波混頻法有時(shí)無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量；頻率-功率映射法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，但工程化實(shí)現(xiàn)較為困難。本文研究了基于色散介質(zhì)與光纖光柵結(jié)構(gòu)的微波光子測(cè)頻方法，并通過仿真分析了光載波波長、色散介質(zhì)長度以及色散系數(shù)等對(duì)測(cè)頻的影響。

1 基于色散介質(zhì)與光纖光柵結(jié)構(gòu)的微波光子寬帶測(cè)頻原理

1.1 基于色散介質(zhì)與光纖光柵的測(cè)頻系統(tǒng)架構(gòu)

基于色散介質(zhì)與光纖光柵的測(cè)頻系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。該測(cè)頻系統(tǒng)主要包括激光器、相位調(diào)制器、分路器、光纖光柵、色散介質(zhì)、探測(cè)器以及功率數(shù)據(jù)處理部分等。其主要原理為：激光器輸出光載波信號(hào)，雷達(dá)信號(hào)通過相位調(diào)制器被調(diào)制到光載波上，通過50∶50的分路器將光載波一分為二。其中一路經(jīng)過光纖光柵和探測(cè)器，最終進(jìn)入到功率數(shù)據(jù)處理部分；另外一路經(jīng)過色散介質(zhì)和探測(cè)器，最終與另外一路同時(shí)進(jìn)入到功率數(shù)據(jù)處理部分。功率數(shù)據(jù)處理部分將2路通過探測(cè)器輸出的功率信號(hào)進(jìn)行處理，得到一個(gè)雷達(dá)信號(hào)頻率與功率的線性關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)信號(hào)頻率的測(cè)量[16-17]。

1.2 基于色散介質(zhì)與光纖光柵的寬帶微波光子頻率測(cè)量原理

先分析圖1中上路,忽略高階諧波，經(jīng)過相位調(diào)制器輸出的雙邊帶信號(hào)可以表示[16-17]為：

圖1 基于色散介質(zhì)與光纖光柵的寬帶微波光子頻率測(cè)量方法

(1)

通過探測(cè)器得到的光電流大小為[16-17]：

i(t)∝|E(t)|2=

(2)

接收到頻率為fm的射頻信號(hào)功率為：

(3)

對(duì)于布拉格光纖光柵的光信號(hào)，其透射譜的斜邊滿足以下關(guān)系：

P(fm)=P(f0)+αfm=P0+αfm

(4)

式中：P0為光載波的衰減量；α為光纖光柵的透射頻率響應(yīng)特性曲線的斜率。

由式(4)可得到，經(jīng)過光纖光柵后光載波信號(hào)和2個(gè)一階邊帶的幅度表示為：

A0′=A010P0/20

(5)

A-1′(fm)=A-110(P0-αfm)/20

(6)

A1′(fm)=A110(P0+αfm)/20

(7)

則公式(1)可表示為：

(8)

經(jīng)過探測(cè)器得到的光電流大小[16-17]為：

(9)

由式(9)可知，接收到的頻率fm的射頻信號(hào)的功率可為：

PRF1∝10P0/10[10(P0+αfm)/20-10(P0-αfm)/20]2

(10)

圖1中的另一路以單模光纖為色散介質(zhì)將相位調(diào)制轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度調(diào)制，假設(shè)單模光纖的長度為L，由于色散會(huì)給光載波信號(hào)與2個(gè)一階邊帶分別產(chǎn)生不同的相位偏移[16-17]。

令ω1=ωc+ωm，相位偏移φ1=βω12L/2，令ω2=ωc-ωm，相位偏移為φ-1=βω22L/2，光載波的相位偏移為φ0=βωc2L/2。

光載波信號(hào)經(jīng)過長度為L的單模光纖傳輸后的電場(chǎng)為：

EPM2(t)=A0cos(ωct+φ0)+A1cos(ω1t+φ1+

(11)

探測(cè)器接收到的光電流為：

(12)

只考慮ωm對(duì)應(yīng)的光電流[16-17]：

(13)

由式(13)可知：

(14)

式中：D為單模光纖的長度；c為光載波速度；λ為光載波波長。

由式(14)可得光探測(cè)器接收到角頻率ωm的射頻信號(hào)的功率為：

(15)

在圖1中的功率數(shù)據(jù)處理端，上下2路同時(shí)接收到的頻率為fm的射頻信號(hào)功率比可表示為：

(16)

從上式可以看出，光纖光柵的斜率，色散介質(zhì)的色散系數(shù)、長度，激光器輸出的光波長均為已知量，功率比只與射頻信號(hào)的頻率有關(guān)。當(dāng)選定好光纖光柵、色散介質(zhì)以及一定波長的連續(xù)光信號(hào)就可以通過測(cè)量圖1中的2路功率比得到射頻信號(hào)的頻率。

2 基于色散介質(zhì)與光纖光柵的寬帶光子測(cè)頻性能仿真分析

通過OptiSystem軟件搭建的仿真鏈路框圖如圖2所示。

圖2 基于色散介質(zhì)與光纖光柵的寬帶光子測(cè)頻系統(tǒng)仿真鏈路

由公式(16)可知，基于色散介質(zhì)與光纖光柵架構(gòu)的頻率測(cè)量主要受到色散介質(zhì)的色散系數(shù)、色散介質(zhì)長度、光載波波長以及布拉格光柵投射頻率相應(yīng)曲線斜率等影響，為了驗(yàn)證基于色散介質(zhì)與光纖光柵架構(gòu)的頻率測(cè)量性能，本文分別對(duì)色散介質(zhì)系數(shù)、長度以及光載波波長等進(jìn)行仿真研究。

針對(duì)色散介質(zhì)的色散系數(shù)，設(shè)激光器輸出功率為0 dBm，波長為1 550 nm，射頻信號(hào)從0.5 GHz變化到40 GHz，布拉格光柵的中心波長為1 550 nm，以單模光纖作為色散介質(zhì)，單模光纖長度為15 km，D分別取17 ps/nm/km、15 ps/nm/km、19 ps/nm/km，得到的仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同色散系數(shù)下的功率比隨頻率變化曲線

為了驗(yàn)證色散介質(zhì)的長度對(duì)測(cè)頻的影響，設(shè)激光器輸出功率為0 dBm，波長為1 550 nm，射頻信號(hào)從0.5 GHz變化到40 GHz，布拉格光柵的中心波長為1 550 nm，以單模光纖作為色散介質(zhì)，色散系數(shù)取17 ps/nm/km,單模光纖長度取2 km、5 km、15 km，得到的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同色散介質(zhì)長度下的功率比隨頻率變化曲線

為了驗(yàn)證激光器輸出光載波波長的變化對(duì)測(cè)頻的影響，設(shè)激光器輸出功率為0 dBm，波長分別為1 550 nm、1 556 nm、1 550.6 nm,射頻信號(hào)從0.5 GHz變化到40 GHz，布拉格光柵的中心波長為1 550 nm，以單模光纖作為色散介質(zhì)，色散系數(shù)取17 ps/nm/km,單模光纖長度取2 km，得到的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同光載波波長下的功率比隨頻率變化曲線

圖3、圖4和圖5的仿真結(jié)果表明，選擇合適的色散介質(zhì)系數(shù)、色散介質(zhì)長度以及光載波的波長，基于色散介質(zhì)與光纖光柵架構(gòu)的寬帶光子測(cè)頻系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)寬帶信號(hào)的頻率測(cè)量。

3 結(jié)束語

本文研究了基于色散介質(zhì)與光纖光柵的寬帶微波光子測(cè)頻系統(tǒng)，首先分析了其測(cè)頻原理，通過仿真分析了色散介質(zhì)的長度、色散系數(shù)以及光載波波長等對(duì)頻率測(cè)量的影響。仿真結(jié)果表明該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)寬帶毫米波信號(hào)的頻率測(cè)量。本文的研究可為基于色散介質(zhì)與光纖光柵的寬帶光子測(cè)頻系統(tǒng)的工程化提供支撐。