 |
北京錦坤科技有限公司
主營產(chǎn)品： 射頻光纖傳輸模塊-微波光纖傳輸模塊-RF over Fiber-微波光纖延遲線-雷達(dá)目標(biāo)模似器 |
13
聯(lián)系電話
|
北京錦坤科技有限公司
主營產(chǎn)品： 射頻光纖傳輸模塊-微波光纖傳輸模塊-RF over Fiber-微波光纖延遲線-雷達(dá)目標(biāo)模似器 |
聯(lián)系電話
2015-3-24 閱讀(1897)
北京錦坤科技有限公司
www.jonkon。。ｃｏｍ.cn
[摘 要] 介紹了微波光纖延遲線。
雷達(dá)zui初使用存儲管和水銀延遲線，后來采用性能更好的石英延遲線，zui后，發(fā)展起來的是超導(dǎo)延遲線和光纖延遲線,光纖延遲線已達(dá)到實(shí)用化程度，可廣泛應(yīng)用于雷達(dá)和電子對抗領(lǐng)域。
[關(guān)鍵詞] 微波光纖延遲線 的性能(靈敏度、動態(tài)范圍等)進(jìn)行了詳細(xì)的分析計(jì)算。當(dāng)前，微波；激光器；光電檢測器；信號處理；雷達(dá)；電子對抗
[中圖分類號] TN929．¨ ；TN97 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1006 l 9O8(2002)04—0001—05
0 前 言
延遲線存儲器。
延遲線廣泛應(yīng)用于信號處理、雷達(dá)和電子對抗等領(lǐng)域。信號處理需要的單元延遲設(shè)備就是一種存儲器．動目標(biāo)顯示(MTI)中必須有延遲線—又一
種存儲器，電子對抗中需要把信號先存儲一定時(shí)間再進(jìn)行處理，如把接收對方的雷達(dá)信號延遲一定的時(shí)間再發(fā)出去，便完成了欺騙式干擾?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)需要形形色色的信號存儲器。我們主要關(guān)心的是適合于雷達(dá)和電子對抗的信號存儲器件—— 。按物理概念，延遲線可分三種：
1)電信號延遲線，如電荷耦合器件(CCD)和電纜等；
2)超聲波延遲線，如水銀延遲線、石英延遲線等；
3)光信號延遲線，如光纖延遲線的原理和特點(diǎn)，并對微波光纖延遲線、光數(shù)字同步延遲線存儲器。
1 光纖延遲線還具有尺寸小、質(zhì)量輕、柔軟易裝配及良好的溫度穩(wěn)定性等特點(diǎn)，這對于受空間、質(zhì)量限制以及環(huán)境又非常惡劣的空載和艦用電子設(shè)備具有非常大的吸引力。
2 光纖延遲線的原理
圖3是光纖延遲線的延遲時(shí)間與它的長度有如下關(guān)系：
式中L為光纖長度， 為光纖纖芯折射率，C為光速。同時(shí)，光纖延遲線的zui大應(yīng)用市場。各種延遲線的主要性能對比見
表1。
光纖延遲線工作在微波波段，已有資料顯示，在lkm 長的光纖延遲綣上，工作頻率可達(dá)100GHz以上，因此，光纖延遲線特別適用于雷達(dá)信號處理系統(tǒng)，雷達(dá)系統(tǒng)及電子對抗系統(tǒng)是的另一個特點(diǎn)是它的射頻單位延遲損耗非常小，而且，損耗不是工作頻率的函數(shù)，這是其他延遲線不能相比擬的，圖1表示了幾種延遲線的損耗與工作頻率的關(guān)系。由表1和圖1可以看出，由于光纖延遲線單位損耗小，延遲線就可以做得長，因此延遲時(shí)間也長。的工作頻率可達(dá)100GHz，即它的工作帶寬寬，因此，光纖延遲線的時(shí)間帶寬乘積很大，通常比其他延遲線大一個數(shù)量級以上，圖2是延遲線zui大帶寬與延遲時(shí)間的關(guān)系。
單元的示意圖。射頻電信號輸入激光二極管(LD)，LD將輸入射頻電信號變換成被該信號調(diào)制的光信號，通過光接頭耦合進(jìn)光纖。
光電檢測器(PD)將射頻調(diào)制的光信號再變換為原來的射頻電信號。輸出的射頻電信號的頻譜*和輸入射頻電信號的頻譜相同，只是用光纖作為介質(zhì)延遲了一段時(shí)間，也就是說，射頻信號瞬時(shí)儲存在光纖延遲線中，存儲時(shí)間的長短與光纖的長度成正比，這就是光纖延遲線的特點(diǎn)
光纖延遲線是一種新型的性能優(yōu)良的信號處理器件。超聲波器件(主要指性能較水銀延遲線為好的石英延遲線)在較低頻率上具有優(yōu)良的性能，但其帶寬限制在1GHz左右。雷達(dá)信號實(shí)時(shí)處理需要高達(dá)10GHz以上的寬帶信號處理器件，聲表面波器件就無能為力了光纖延遲線儲頻的原理。
在常規(guī)的動目標(biāo)顯示(MTI)雷達(dá)中，延遲一個雷達(dá)脈沖周期的延遲線通常用石英延遲線，由于它不能工作在微波波段，所以，必須先將射頻信號下變
頻為中頻，然后由聲波換能器將中頻電信號變換成聲波，經(jīng)過石英傳輸后，再由聲波換能器將聲波變?yōu)橹蓄l電信號。如果需要射頻信號輸出，則需要將中頻電信號上變頻為射頻信號。顯然，這種方法不如光纖延遲線等四種形式，它們可以構(gòu)成編／解碼器、相關(guān)器、濾波器、橫向?yàn)V波器(如圖4所示)、A／D變換器、光電相控陣天線網(wǎng)絡(luò)分配器和數(shù)字同步延遲線存儲器(DSDLM)等。
3光纖延遲線、晶格光纖延遲線和先進(jìn)的可編程光纖延遲線的簡單。光纖延遲線分為非重復(fù)循環(huán)光纖延遲線、重復(fù)循環(huán)光纖延遲線在正常工作時(shí)，激光器的偏流被調(diào)到大于門限電流，并接近激光器的輸出功率能力的中間工作點(diǎn)，作為典型情況，激光器輸出OL 調(diào)到1．2mW ，對應(yīng)的，值為24mA(使用的激光器門限電流為20mA)，即：
圖6為以上激光器輸出功率與直流偏置電流的關(guān)系曲線。
激光器輸出光功率oL 耦合進(jìn)光纖，經(jīng)過光纖傳輸后，進(jìn)入光電檢測器，則
該光功率可產(chǎn)生直流電流：
3．1 通量損耗
通量損耗定義為輸入信號功率Ps 與輸出信號功率P0 之比：
因此，代入圖5所示各項(xiàng)數(shù)據(jù)可知，可以用38．75dB的前置放大器來補(bǔ)償線路損耗，這些損耗主要受激光器和光電檢測器的量子效應(yīng)限制。
3．2 輸出噪聲電流
三種重要的光電檢測器輸出噪聲電流量：信號散粒噪聲電流 來自前置放大器輸入的熱噪聲和前置放大器噪聲的傳輸熱噪聲電流 ，輸出熱噪聲電流
Ith下面給出這三種噪聲電流的公式：
3．3 靈敏度
靈敏度由可接收的zui小信噪比決定。光電檢測器輸出端的功率信噪比為：
信號存儲單元設(shè)計(jì)和性能分析
圖5為光纖延遲線單元線路。圖中所示器件的物理量：P。為射頻信號輸入功率(w )，G1。為前置放大器功率增益，NF為前置放大器噪聲系數(shù)，I為激光器直流偏流(A)，Ith 為激光器門限電流(A)，△I=I-Ith為門限以上的激光器偏流(A)，Rl 為激光器動態(tài)輸入電阻(50Ω)，
g2為激光器傳輸函數(shù)，工作在偏流時(shí)為0．30w／A ，OL為激光器靜態(tài)輸出功率(w )，L 1為激光器耦合系數(shù)(≈0．15)，L2為光纖傳輸函數(shù)(≈ 1．0)，L3為光電檢測器耦合系數(shù)(≈
0．45)，L t為總傳輸系數(shù)，Lt =L1，L2，L3，OP 為損耗為LT 時(shí)，進(jìn)入光電檢測器的靜態(tài)光電功率(w)，g3為光電檢測器的變換系數(shù)(≈0．57A／W )，)，C。為檢測器輸出電容(2～ 5pF)，P。為對應(yīng)于Ps的射頻信號輸出功率(w )，R。為檢測器負(fù)載電阻(50Ω)，B為有效噪聲帶寬(Hz)，B3為3dB信號帶寬，F為噪聲一信號帶寬比，F=B／B3.3．4 動態(tài)范圍
zui大信號功率P? 是受到輸至激光器的zui大輸人激勵(對應(yīng)飽和量的8O 的幅度調(diào)制)和激光器過載功率限制的，因此
下面將單通道的分析結(jié)果列于表3?？梢钥闯?，通常情況下，微波光纖延遲線。隨著延遲時(shí)間的增加，光纖長度要加長，色散影響會增大，此時(shí)，可采用低色散的光纖(如O．655光纖)。另外，還可用色散補(bǔ)償技術(shù)使色散的大小控制在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)。在光纖延遲線信號存儲
a)艦載雷達(dá)非相干動目標(biāo)顯示(MTI)為了克服多徑效應(yīng)，檢測貼近海面的低飛行目標(biāo)，艦載雷達(dá)必須工作在K 波段，而且必須有動目標(biāo)顯示設(shè)備，常規(guī)的相干MTI要工作在K 波段是比較困難的，解決方法是用光纖延遲線構(gòu)成的非相干MTI系統(tǒng)。
b)雷達(dá)系統(tǒng)性能測試
為了評價(jià)雷達(dá)系統(tǒng)的性能，常常用雷達(dá)轉(zhuǎn)發(fā)器測試靶。通常轉(zhuǎn)發(fā)器測試靶與雷達(dá)相距幾公里，它們之間是大氣。雷達(dá)信號在大氣中傳輸。由于大氣成分受天氣、季節(jié)因素影響而變動，因此微波在大氣中的傳輸質(zhì)量受其影響，進(jìn)而影響雷達(dá)系統(tǒng)性能測試的精度。如果用光纖延遲線遠(yuǎn)離雷達(dá)發(fā)射場的測試靶，就不存在這個問題，而且可以在室內(nèi)方便地獲得實(shí)際目標(biāo)返回信號。
c)欺騙式干擾機(jī)
欺騙式干擾機(jī)接收對方的雷達(dá)信號。儲存一段時(shí)間，經(jīng)處理再發(fā)回給對方，完成欺騙干擾，因而，存儲器是*的。光纖延遲線具有極寬的頻率帶寬和很短的延遲(1ns)，在欺騙式干擾中起著重要的作用，它可以有效地?zé)o畸變收發(fā)雷達(dá)信號，對于高密度信號環(huán)境特別有意義，而且成本也很低。
4 應(yīng) 用
微波光纖延遲線以其*優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于雷達(dá)和電子對抗中，下面是幾個典型運(yùn)用實(shí)例。
1)光電相控陣天線系統(tǒng)
在空用及海用電子設(shè)備中，對體積和質(zhì)量有嚴(yán)格的限制，采用光纖作為天線波速形成網(wǎng)絡(luò)，不僅天線質(zhì)量大大降低，而且天線的有效反射面積也可大為減少。
2)濾波器
橫向?yàn)V波器是信號處理中很重要的一部分，利用光纖抽頭延遲線可以構(gòu)成光纖橫向?yàn)V波器，對光信號進(jìn)行濾波處理。
3)的光電器件
顯然，用光纖實(shí)現(xiàn)信號存儲，就是要實(shí)現(xiàn)如圖5所示的單元系統(tǒng)。它主要由激光二極管(I D)、光電檢測器(PD)和光纖組成。由于光纖的工作頻率可以很高，因此，主要是LD和PD 限制了系統(tǒng)的工作頻率。目前，國內(nèi)的LD和PD商品化產(chǎn)品已達(dá)到2～8GHz。國外，20GHz的LD和PD已商品化(詳見表4)。所以*可以實(shí)現(xiàn)100GHz以上的中采用負(fù)斜率色散補(bǔ)償光纖(NS—DCF)進(jìn)行色散補(bǔ)償，達(dá)到*性價(jià)比。因?yàn)樨?fù)斜率色散補(bǔ)償光纖既能對色散進(jìn)行補(bǔ)償， 又可加大延遲時(shí)間。
5 用于光纖延遲線
光纖延遲線系統(tǒng)的靈敏度已能夠滿足系統(tǒng)的要求，且有較寬的動態(tài)范圍。如果需要大的延時(shí)，則需要更長的光纖。由于損耗的存在，光纖傳輸函數(shù)L2 不可能接近于1，這可以通過前置放大器，來補(bǔ)償損耗．以滿足延遲系統(tǒng)要求。
6 結(jié) 論
光纖延遲線性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他延遲線，隨著光電技術(shù)的發(fā)展，工作波長達(dá)到微波頻段毫無問題。而且器件價(jià)格現(xiàn)在越來越低，性能越來越好，其性價(jià)比還將大大提高，在雷達(dá)和電子對抗中的應(yīng)用已趨實(shí)用化。
[ 參 考 文 獻(xiàn) ]
[1] JACKSON K P，NEWTON S A，el a1．Optical fiber delay—line signal processing[J]．IEEE Trans on Microwave Theory and Techniques，1985，MTT一33(3)：1 93—210．
[2] SARRAZIN D B，JORDAN H F，el a1．Fiber opticadelay line memory[J]627—638．
[3]CHA NG C T ．ALTM AN D E ，el a1． Noncoherent radar m oving target indicator using fiber optical delay line[J]．IEEE Trans on Circuits and System，1 979，cas一26(12)：1132—1134．
[4]廖先炳．光纖延遲線信號處理[J]．半導(dǎo)體光電，1991，12(3)：211—226．
[5]M ICH AEI P I．Photonic system s for antenna applica—tion[J]．IEEE Antennas and Propagation Magazine，1 994，36(5)：30—39．
[6]PELU SI M D ，W ANG X ，el a1．Fourth-order disper—sion com pensation for 2 50fs pulse transm ission over 139km optical fiber[J]．IEEE Phoronics Technology Letters，2000，12(7)：7
北京錦坤科技有限公司
www.jonkon。。ｃｏｍ.cn
