張靜 戴澤璟 梁會娟 張業(yè)斌 趙恒 崇毓華

摘要：文章針對寬帶大延時射頻信號傳輸系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)研究，詳細(xì)說明了寬帶大延時射頻信號在傳輸過程中遇到的問題，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了基于電域混頻模式的主動式穩(wěn)相傳輸方案，研制了一套62?km寬帶大延時射頻信號傳輸系統(tǒng)，具有300?μs的延時量。同時采用主動式穩(wěn)相技術(shù)，鏈路的時延穩(wěn)定性達(dá)到≤6°/s，工作頻率覆蓋Ku頻段，具有很好的工程應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：微波光子學(xué)??寬帶大延時??主動式穩(wěn)相??電域混頻

Research?on?the?Broadband?Long-Delay?Radio?Frequency?Signal?Transmission?System?Based?on?Microwave?Photonics

ZHANG?Jing1??DAI?Zejing1??LIANG?Huijuan1??ZHANG?Yebin1??ZHAO?Heng1

CHONG?Yuhua2

（1.The?38th?Research?Institute?of?China?Electronics?Technology?Group?Corporation;2.?Anhui?Province?Engineering?Laboratory?for?Antennas?and?Microwave，?Hefei，?Anhui?Province，?230088China）

Abstract?：?This?paper?studies?the?broadband?long-delay?RF?signal?transmission?system，?details?the?problems?encountered?in?the?transmission?of?broadband?long-delay?RF?signals，?focuses?on?designing?the?active?phase-stable?transmission?scheme?based?on?the?electric?domain?mixing?mode，?and?develops?a?62km?broadband?long-delay?RF?signal?transmission?system.?It?has?a?delay?of?300?μs?and?adopts the?active?phase-stable?technology，?the?delay?stability?of?the?link?reaches≤6°/s，?and?the?working?frequency?covers?the?Ku?band，?which?has?a?good?engineering?application?prospect.

Key?Words：?Microwave?photonics;?Broadband?long-delay;?Active?phase?stability;?Electric?domain?mixing

微波光子學(xué)就是一門將微波技術(shù)與光電子技術(shù)結(jié)合而產(chǎn)生的一門交叉學(xué)科。它充分利用了光纖傳輸頻帶寬、信號衰減小、保密性好、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。光電子技術(shù)解決了傳統(tǒng)微波技術(shù)中難以解決的[1-2]大延時傳輸、寬帶信號處理等問題。大延時[3]光載射頻傳輸系統(tǒng)在導(dǎo)航、雷達(dá)標(biāo)校、預(yù)定延時等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。但是在大延時傳輸系統(tǒng)中，光纖受到外界的溫度、振動、壓力的擾動，從而使得其內(nèi)部傳輸?shù)男盘柕难訒r發(fā)生波動。同時色度色散對大延時光纖鏈路的RF性能會有顯著影響。色散會造成射頻功率的周期性衰落。相位穩(wěn)定性和色散問題制約了大延時傳輸系統(tǒng)的工程應(yīng)用[3]，開展相關(guān)問題的研究很有必要?；谏鲜鲱I(lǐng)域的需求，文章設(shè)計(jì)了一種大延時寬帶光載射頻系統(tǒng)，鏈路的相位穩(wěn)定性達(dá)到≤6°/s，延時量達(dá)到300?μs，頻率覆蓋Ku頻段。

1?大延時光載射頻系統(tǒng)穩(wěn)相原理及方案

1.1?溫度對光纖的擾動原理

信號在普通單模光纖中的傳輸延時為可表示為

其中，L為單模光纖長度，n為光纖折射率，c為光在真空中傳播速度。當(dāng)光纖所處外界環(huán)境的溫度和壓強(qiáng)發(fā)生變化時，折射率和長度會發(fā)生變化。從式（1）可以看出，對應(yīng)的傳輸延時也會發(fā)生相應(yīng)變化。光纖長度L和折射率n，都會隨著外界溫度變化和機(jī)械振動而發(fā)生相應(yīng)的變化，進(jìn)而導(dǎo)致鏈路的傳輸延時發(fā)生變化，使得光載射頻信號的相位也隨之發(fā)生變化。溫度對光纖延時的影響可用式（2）表示[3]：

其中，K稱為光纖的熱延遲系數(shù)，其定義為單位溫度、單位長度引起的光纖傳輸延時的變化，單位為ps/（km?℃）。式（2）右邊括號中的第一項(xiàng)表示光纖長度隨溫度變化而產(chǎn)生的延遲變化，第二項(xiàng)表示由光纖折率隨溫度變化而產(chǎn)生的延遲變化。對于光纖通信傳輸常用的G.652.D光纖，延時隨溫度變化的總體系數(shù)為35?ps/（km?℃）。為了抑制這種信號在光纖中傳輸所導(dǎo)致的信號相位波動，需要引入光纖穩(wěn)相傳輸技術(shù)。

1.2?遠(yuǎn)距離傳輸色散補(bǔ)償研究

對于外調(diào)制直接檢測（IMDD）鏈路，隨著光纖長度的增加，傳輸距離的延長，射頻輸出功率會逐漸減小，并呈周期性變化。為了保證遠(yuǎn)距離傳輸射頻輸出功率穩(wěn)定，需要對傳輸鏈路的色散進(jìn)行補(bǔ)償，鏈路總色散殘留越少，對射頻功率影響越小。可以采用單模光纖與色散補(bǔ)償光纖熔接的模式，單模光纖的色散系數(shù)約為18?ps/（nm?km），色散補(bǔ)償光纖色散系數(shù)約為180?ps/（nm?km），單模光纖與色散補(bǔ)償按照10﹕1的長度定制。

1.3?穩(wěn)相控制設(shè)計(jì)方案

穩(wěn)相控制主流的方案是電域混頻的方法，提取經(jīng)過鏈路輸出的射頻信號與本地參考信號的相位差，通過反饋控制調(diào)節(jié)光路長度的方式，預(yù)補(bǔ)償光纖鏈路因外界環(huán)境變化產(chǎn)生的額外相位差，實(shí)現(xiàn)相位穩(wěn)定。電域混頻的方法又包括被動式穩(wěn)相和主動式穩(wěn)相。被動式穩(wěn)相，它利用混頻相消的原理，對光纖鏈路的抖動進(jìn)行消除。缺點(diǎn)是一次只能實(shí)現(xiàn)單個頻率信號的傳輸，若待傳射頻信號的頻率發(fā)生改變，則需要更換相應(yīng)的帶通濾波器等，且對微波源與相關(guān)電子器件的性能要求較高。

主動式穩(wěn)相[4-5]利用鑒相器將光鏈路抖動引起的相位誤差提取出來，并根據(jù)誤差信號來進(jìn)行反饋控制，實(shí)現(xiàn)相位穩(wěn)定控制。主動式穩(wěn)相反饋控制的方法有移相器、可調(diào)延時線[6]、壓控振蕩器、光纖拉伸器、光纖溫控技術(shù)、利用色散理論通過改變激光器的波長進(jìn)行延遲的調(diào)節(jié)。

文章采用主動式穩(wěn)相傳輸技術(shù)，在所傳輸?shù)碾娦盘栔屑尤胍粋€低頻的信號（導(dǎo)頻信號），通過該低頻信號在光纖中的傳輸來解算出相應(yīng)的光纖中的光程的波動，進(jìn)而通過反饋控制技術(shù)來抑制光纖受到的外界干擾[4]。系統(tǒng)中需要高精度相位檢測和基于PID原理的反饋裝置，將檢測的相位信息反饋控制可調(diào)光延時線，完成相位控制。通常來說，相位的控制需要混頻器、鑒相器、可調(diào)光延時線、帶通濾波器等器件。鑒相器采用AD公司鑒相芯片，該芯片為AD公司推出的高集成度的幅度和相位測量的單片集成電路，能測量從DC～2.7GHz頻率范圍內(nèi)2個輸入信號間的幅度比和相位差。

在相位控制部分，系統(tǒng)采用PID控制方法，根據(jù)經(jīng)鑒相器提取的測量結(jié)果，利用編程軟件實(shí)現(xiàn)PID[7]算法控制，合理設(shè)置P、I、D參數(shù)，獲取需要補(bǔ)償?shù)难訒r量然后通過串口控制高精度的可調(diào)光延時線工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)相位控制。比例系數(shù)Kp越大，調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)。但是Kp越大受到擾動后回到穩(wěn)態(tài)后的穩(wěn)態(tài)誤差越大，Kp大到一定程度，會使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，實(shí)際應(yīng)兼顧“快”和“穩(wěn)”兩個指標(biāo)。當(dāng)Kp值相同時，Kd越大，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時間越短，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后穩(wěn)態(tài)誤差越小，這是因?yàn)槲⒎窒禂?shù)調(diào)節(jié)在系統(tǒng)引入一個有效的早期修正信號，可以減少系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間。

2?系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

按照如圖1所示搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括激光器、鈮酸鋰強(qiáng)度調(diào)制器、波分復(fù)用器、可調(diào)光衰減器、長光纖、解波分復(fù)用器、光放大器，光環(huán)形器、可調(diào)光延時線、探測器。激光器選用I-TUT?C34、C42波長，輸出光功率為19?dBm，調(diào)制器通過偏壓控制使其工作在正交工作點(diǎn)處，光插損為7?dB。波分復(fù)用器和解波分復(fù)用器按照激光器波長設(shè)置。長光纖長度為62?km，色散殘留量保證在±10?ps/nm以內(nèi)?？烧{(diào)光延時線的調(diào)節(jié)范圍為0～1?120?ps。導(dǎo)頻信號選擇2?GHz射頻信號，通過功分器一分為二，一路加載到強(qiáng)度調(diào)制器上，一路作為鑒相的參考信號。調(diào)制后的光信號通過波分復(fù)用器與傳輸路信號合成傳輸?shù)介L光纖中。導(dǎo)頻信號經(jīng)過長光纖傳輸后經(jīng)解波分復(fù)用器經(jīng)探測器還原成電信號，電信號經(jīng)過低噪聲放大后與原始信號進(jìn)入混頻器，此時由于溫度帶來的光纖折射率和長度的變化引起的相位變化信息就可以通過AD采集卡采集，通過LabVIEW程序控制可調(diào)光延時線的長度來實(shí)時補(bǔ)償相位變化實(shí)現(xiàn)穩(wěn)相功能。

在常溫實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，監(jiān)測該系統(tǒng)，在18?GHz處相位如下圖所示。監(jiān)測方法：矢網(wǎng)單點(diǎn)頻模式（18?GHz）相位值，每300?ms采集一次，共監(jiān)測44?min。

從圖2可以看出未加穩(wěn)相系統(tǒng)時，18?GHz頻點(diǎn)處相位5h漂移14?000°。從圖3中可以看出相位漂移指標(biāo)滿足≤6°/s。

3?結(jié)語

寬帶大延時射頻信號傳輸系統(tǒng)在雷達(dá)、電子對抗、無線通信等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。本文分析了溫度對光纖傳輸延時的影響，遠(yuǎn)距離傳輸射頻功率周期性衰落問題。通過在系統(tǒng)中加入導(dǎo)頻信號，利用PID控制原理，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的相位控制。該系統(tǒng)同時具有工作頻帶寬、增益平坦度高等優(yōu)點(diǎn)，對工程應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] TONG?G?C，?JIN?T，?CHI?H，?et?al.?Stable?Radio?Frequency?Dissemination?in?a?Multi-Access?Link?Based?on?Passive?Phase?Fluctuation?Cancellation[J].Optics?Communications，2018，423：53.

[2] ZHU?X，?JIN?T，?CHI?H，?et?al.?A?Coherent?Photonic?RF?Scanning?Receiver?Based?on?a?Flat?OpticalFrequency?Comb[J].Optics?Communications，2018，421：41.

[3] 童國川.基于光子學(xué)的高質(zhì)量微波信號發(fā)生及大延時穩(wěn)相傳輸技術(shù)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2018.

[4] 吉憲.一種雙向同源相參微波光纖穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2022（8）：1475.

[5] 姬在文.基于微波光子技術(shù)的射頻信號穩(wěn)相傳輸技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2018.

[6] 趙明峰，楊康.基于可調(diào)光延時線的射頻信號長距離光纖穩(wěn)相傳輸技術(shù)研究[J].艦船電子對抗，2021（5）：55.

[7] 張磊，梁曉東，李少波，等.基于PID反饋控制的光載射頻穩(wěn)相傳輸技術(shù)[J].太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報(bào)，2022（5）：408.