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摘要介紹了一種新穎的用光纖進(jìn)行射頻信號(hào)傳輸的穩(wěn)相技術(shù)，運(yùn)用鎖相環(huán)原理，在傳輸信號(hào)中同時(shí)加入一路巾頻信號(hào)用于鑒相，采用溫度控制光纖電長(zhǎng)度的方法進(jìn)行相位補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的長(zhǎng)距離穩(wěn)相傳輸。

關(guān)鍵詞:射頻信號(hào)傳輸穩(wěn)相鎖相環(huán)

A Phase Stabilized RF Signal Transfer Technique by Using Fiber Opitical

Abstract A novel RF signal transfer technique in which phase is stabilized by using fiber optical is reposed in this paper．In the system，the phase of the signal which transmit in the long distance is re—trieved in the phase locked loop，by the method of controlling the temperature of the fiber optical．And the corresponding test method is put forward．

Key words RFtransmission of signal Phase stabilized Phase locked loop

1 引言

在雷達(dá)、深空探測(cè)和目標(biāo)特性仿真測(cè)試系統(tǒng)中常常需要采用射頻信號(hào)的穩(wěn)相傳輸技術(shù)。例如多功能相控陣?yán)走_(dá)，有數(shù)千個(gè)陣元同時(shí)產(chǎn)生數(shù)十個(gè)天線波束，需要大量的分布式發(fā)射、接收模塊和復(fù)雜的互連控制網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)的微波器件傳輸分配技術(shù)及波束形成技術(shù)已經(jīng)很難適應(yīng)需求，集中表現(xiàn)在由于使用大量的移相器及波導(dǎo)互連傳輸分配系統(tǒng)而造成整個(gè)系統(tǒng)體積笨重、損耗大、易受電磁干擾、帶寬窄等方面。由于光波器件及光纖技術(shù)在損耗、帶寬、體積重量、抗電磁干擾及串話等方面的本質(zhì)優(yōu)點(diǎn)，尤其是光線延遲線實(shí)時(shí)延遲波束控制的理想功能，使得在相控陣?yán)走_(dá)中引入光波技術(shù)成為必然趨勢(shì)。光纖穩(wěn)相傳輸技術(shù)是這種相控陣?yán)走_(dá)信號(hào)傳輸分配系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。

   干涉體制的測(cè)角雷達(dá)系統(tǒng)中，為提高測(cè)角分辨率需要長(zhǎng)基線布置測(cè)量天線，天線陣中各天線距中心站的距離較遠(yuǎn)，如要保證各天線接收的射頻信號(hào)傳輸至中心站時(shí)的相位相干，則要求傳輸媒質(zhì)的傳輸相位要保持穩(wěn)定，否則將直接影響相位干涉測(cè)量準(zhǔn)確度。

在雙(多)基站雷達(dá)系統(tǒng)中，通常只有一部發(fā)射機(jī)，而多個(gè)監(jiān)視同一空域的分散配置接收機(jī)要與之同步，其中相位的同步以及多個(gè)接收機(jī)與控制中心的信號(hào)傳輸?shù)榷夹枰鉀Q穩(wěn)相傳輸問題。在深空探測(cè)領(lǐng)域，如美國NASA的深空網(wǎng)(Deep Space Net—work)?一[33，英國的多天線微波連接干涉儀網(wǎng)(MERLIN)，位于波多黎各的擁有世界上zui大口徑天線的阿雷卡納特觀測(cè)站等探測(cè)系統(tǒng)，都用到射頻信號(hào)的穩(wěn)相傳輸技術(shù)。其中NASA的深空網(wǎng)系統(tǒng)，從10號(hào)信號(hào)處理中心到設(shè)置于16里以外的25號(hào)基站之間的光纖連接，就是采用溫度控制的原理。在這個(gè)系統(tǒng)中傳輸?shù)氖? GHz頻率基準(zhǔn)信號(hào)，相位的漂移影響頻率穩(wěn)定度，若不補(bǔ)償，頻率穩(wěn)定度為1×10^-15(1000 S)；采用補(bǔ)償以后，頻率穩(wěn)定度≤1×10^-16(1000 s)，是目前上的高度水平。另外在實(shí)驗(yàn)室的仿真測(cè)試系統(tǒng)中，特別是頻率和相位的測(cè)試中，當(dāng)傳輸距離較長(zhǎng)的情況下，測(cè)試信號(hào)的相位不穩(wěn)定將直接造成測(cè)頻和測(cè)相的不準(zhǔn)確。利用傳統(tǒng)的同軸電纜傳輸射頻信號(hào)，傳輸衰減大，相位穩(wěn)定性也較差。隨著傳輸頻率的提高，衰減越大，無法進(jìn)行長(zhǎng)距離的傳輸。同軸電纜的相位穩(wěn)

定性也很差，根據(jù)線纜絕緣介質(zhì)的不同，相位穩(wěn)定性也各不相同。采用光纖穩(wěn)相傳輸射頻信號(hào)是較理想的解決途徑，光纖傳輸具有損耗極低、相位穩(wěn)定性

好、傳輸帶寬大、無電磁輻射等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。由于射頻信號(hào)是被調(diào)制在光波上進(jìn)行傳輸?shù)模詫?duì)各射頻頻段信號(hào)的衰減基本是相同的，～般小于1 dB／km，相位穩(wěn)定度優(yōu)于7ppm／℃ (利用穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)，相位穩(wěn)定度可達(dá)lppm/℃)?，F(xiàn)有的商品化光纖發(fā)射接收模塊，已經(jīng)能夠調(diào)制解調(diào)18 GHz射頻信號(hào)，能夠滿足許多射頻信號(hào)傳輸?shù)男枨?。?給出了光纖與各種同軸電纜性能的比較。

由表I中可以看出，光纖傳輸具有明顯的*性，現(xiàn)有裝備中采用的長(zhǎng)距離同軸電纜傳輸系統(tǒng)如改用光纖傳輸系統(tǒng)，可大幅提高系統(tǒng)性能，因此具有很高的軍事應(yīng)用價(jià)值。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域可利用光纖傳輸相位穩(wěn)定的射頻信號(hào)。上述分析表明，研究光纖傳輸射頻信號(hào)的穩(wěn)相技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景和很高的實(shí)用價(jià)值。

2基本原理

光纖傳輸是通過在發(fā)射端調(diào)制光強(qiáng)，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以在光纖上傳輸?shù)墓庑盘?hào)，并在接收端將光強(qiáng)變化解調(diào)成電信號(hào)的過程。光纖傳輸一般用于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，調(diào)制機(jī)制是通斷鍵控。在傳輸模擬的射頻信號(hào)時(shí)，采用對(duì)光載波直接調(diào)制，射頻信號(hào)幅度的變化將體現(xiàn)在發(fā)射的光功率包絡(luò)的變化上，在接收端通過檢測(cè)光強(qiáng)變化，解調(diào)出射頻信號(hào)。在光纖中，研究射頻信號(hào)相位變化時(shí)，相位變化指的是包絡(luò)的相位變化。

相位可以用電長(zhǎng)度來表示，電長(zhǎng)度定義為角矢量f₀與傳播延遲t_d的乘積

而傳播延遲是與傳輸介質(zhì)的物理長(zhǎng)度l和介電常數(shù)ε_r，(對(duì)于光纖來說，是群折射率N)有關(guān)

假設(shè)光纖長(zhǎng)度為200 m，信號(hào)頻率1 GHz，環(huán)境溫度變化20℃，由公式(7)算出相位變化為49．4℃，可見溫度帶來的相位漂移是相當(dāng)大的，而且傳輸頻率越高，傳輸距離越長(zhǎng)，相位漂移越大。推導(dǎo)出相位隨溫度的變化關(guān)系，反過來可以改變溫度來控制相位變化，即將一段傳輸光纖置于溫度控制之下，用這段光纖的相位變化來補(bǔ)償置于環(huán)境中的傳輸路徑上的相位變化。這種控制方法的關(guān)鍵是要檢測(cè)出環(huán)境溫度引起的相位變化量。

3. 穩(wěn)相傳輸方案

在雷達(dá)系統(tǒng)中，很多時(shí)候需要直接傳輸復(fù)雜調(diào)制信號(hào)，由于信號(hào)存在帶寬，當(dāng)考慮相位問題時(shí)，寬帶信號(hào)的混頻、鑒相、移相等都不容易實(shí)現(xiàn)，特別是電調(diào)移相器絕大部分是窄帶的，此時(shí)直接利用寬帶

信號(hào)進(jìn)行處理不方便；另外，當(dāng)傳輸頻率高的點(diǎn)頻信號(hào)時(shí)，由于頻率高對(duì)射頻器件的選擇帶來難度，所在轉(zhuǎn)化到中頻段來處理點(diǎn)頻信號(hào)將簡(jiǎn)單的多。具體的做法是：在待傳輸?shù)男盘?hào)中加入一路中頻段的點(diǎn)頻

信號(hào)，通過中頻信號(hào)的相位變化來補(bǔ)償光纖溫度的變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)被傳輸?shù)纳漕l信號(hào)的相位穩(wěn)定。具

體方案如圖1所示。

如圖中所示，寬帶信號(hào)通過光纖模塊的調(diào)制，經(jīng)過程控溫箱中的一段光纖，再通過置于環(huán)境溫度中的一段光纖，被接收模塊解調(diào)出射頻信號(hào)。另一路點(diǎn)頻信號(hào)則通過相同的路徑，并且原路返回到發(fā)射端與初始的點(diǎn)頻信號(hào)混頻鑒相，得出傳輸路徑上的相位差信號(hào)，用來控制溫箱的溫度變化，使之向減小相位差的方向變化，從而使信號(hào)相位不受環(huán)境溫度變化的影響，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)相傳輸。傳輸測(cè)試系統(tǒng)采用IEEE488接口，連接計(jì)算機(jī)與各數(shù)據(jù)采集與溫度控制設(shè)備。采用NI公司的LabWindows／CVI開發(fā)環(huán)境編寫測(cè)控軟件，實(shí)現(xiàn)控制測(cè)試自動(dòng)化。

環(huán)境溫度變化比較緩慢，所以光纖中的相位變化也比較緩慢，檢測(cè)出來的相位差信號(hào)變化也很緩慢，所以在環(huán)路中要加入數(shù)字濾波，減少噪聲等帶來的誤鎖，增加環(huán)路控制的穩(wěn)定性。另外，對(duì)溫箱溫度的控制，是一個(gè)純滯后時(shí)延系統(tǒng)，需要在控制方法上加以改進(jìn)，避免溫度控制的振蕩。圖2給出一組測(cè)試數(shù)據(jù)。

計(jì)算射頻相位的zui大變化量、均值和方差，結(jié)果如下：

由于測(cè)試時(shí)問較短，僅為2 500 s內(nèi)的一組數(shù)據(jù)，所以相位的上下波動(dòng)對(duì)于測(cè)試結(jié)果的影響還是較大的，如果長(zhǎng)期測(cè)試將得到更高的相位穩(wěn)定性指標(biāo)。光纖穩(wěn)相傳輸射頻信號(hào)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)試表明，相位穩(wěn)定性能達(dá)到2 500 S內(nèi)的相位變化小于5。相位穩(wěn)定性指標(biāo)決定于鑒相電壓的采集精度、射頻信號(hào)與參考鑒相信號(hào)的傳輸一致性和溫度控制

精度。目前的傳輸系統(tǒng)中，電壓采集精度*穩(wěn)定性指標(biāo)的要求，溫度控制的精度是影響相位穩(wěn)定性的zui主要因素。本方案采用的是帶護(hù)套的室內(nèi)軟光纜，其溫度傳感效率和特性影響了溫度控制的效果，下一階段的實(shí)驗(yàn)可以采用單模裸纖置于程控溫箱中，并且設(shè)計(jì)裸纖的盤繞方式加強(qiáng)溫度傳感的效率。另外，溫度控制的純延遲性也需要在溫度控制的算法上做進(jìn)一步的改善。

4.結(jié)束語

光纖傳輸相位穩(wěn)定的射頻信號(hào)，其*性將廣泛地應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)的信號(hào)傳輸，如干涉陣天線與信號(hào)處理中心的連接、光控相控陣?yán)走_(dá)、頻率基準(zhǔn)的長(zhǎng)距離分配等。隨著多基站雷達(dá)以及干涉技術(shù)的發(fā)展，光纖傳輸穩(wěn)相射頻信號(hào)將得到更廣泛的應(yīng)用。

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射頻信號(hào)的光纖穩(wěn)相傳輸技術(shù)

作者： 敖亞娜

作者單位： 北京無線電計(jì)量測(cè)試研究所,100039

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