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北京錦坤科技有限公司

摘要

引入基于光纖延遲線的光實時延遲（OTTD）移相技術(shù)，實現(xiàn)光移相代替電移 相可以很好地解決相控陣?yán)走_天線波束偏斜和信號展寬問題，極大地提高雷達的 瞬時信號帶寬。光纖延遲線在應(yīng)用過程中，對環(huán)境適應(yīng)能力的優(yōu)劣直接影響到其 所在儀器或裝備的性能。研究高精度光纖延遲線及其環(huán)境適應(yīng)性，提高可靠性至 關(guān)重要。 本文首先搭建了基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀相位法測量的光纖延遲線研制實驗平 臺，單點光纖延遲精度達±0.1ps。分析磁光開關(guān)狀態(tài)誤差，設(shè)計和優(yōu)化延遲線拓?fù)?結(jié)構(gòu)，研制出步進為10ps的高精度5-bit光纖延遲線，延遲精度為±1.1ps，誤差均方 差為0.68ps，平均插損為5.42dB，幅度一致性為0.49dB。 然后，分析了光纖延遲溫度特性和磁光開關(guān)的經(jīng)典光路，指出溫度發(fā)生變化 時，引起磁光開關(guān)附加損耗的三種原因：溫致 ? 45 旋光波片旋光角度偏移、溫致磁 光晶體旋光角度偏移和溫致光纖耦合空間錯位。結(jié)合相應(yīng)的晶體溫度特性及光纖 模場耦合效率，公式理論推出這三種原因給磁光開關(guān)帶來的附加損耗大小，分析 發(fā)現(xiàn)溫度對5-bit光纖延遲線的影響很小。 之后，分析了空間輻照環(huán)境中光學(xué)材料的輻照效應(yīng)、色心的形成和延遲線器 件受輻照后的性能表現(xiàn)。結(jié)合硅材料E’色心動力學(xué)模型和在前人光纖輻照特性實 驗的基礎(chǔ)上分析了5-bit光纖延遲線輻照特性，并提出抗輻照建議。 zui后，搭建了5-bit光纖延遲線及其分立元件（光纖、磁光開關(guān)、光纖分路器和 波分復(fù)用器）溫度、輻照實驗系統(tǒng)。在-5℃~55℃溫度范圍內(nèi)，兩個磁光開關(guān)溫致 附加損耗分別為0.16dB和0.41dB；光纖分路器和波分復(fù)用器的溫致附加損耗在 0.1dB以內(nèi)；5-bit光纖延遲線延遲誤差為2.2ps，誤差均方差為0.4~0.5ps，損耗在 5~6dB之間，幅度一致性為1dB，溫致附加損耗在0.5dB以內(nèi)，測試結(jié)果顯示溫度對 小步進5-bit光纖延遲線的影響很小。在0~120krad輻照劑量下，光纖延遲線及其分 立元件輻照附加損耗不斷增加，磁光開關(guān)、光纖分路器的輻致?lián)p耗在1dB左右，波 分復(fù)用器在輻致?lián)p耗在4dB左右，但是5-bit光纖延遲線輻照附加損耗達到了19dB， 并且1.55mm厚度的鋁殼不能有效屏蔽輻照給器件帶來的損傷。
關(guān)鍵詞：光纖延遲線，精度，環(huán)境適應(yīng)性，溫度，輻照

ABSTRACT
Using optical true-time delay(OTTD) phase shift technologies based on optical fiber delay lines(OFDL) to replace the traditional electric phase shift technologies can overcome the beam deflections, solve the signal broadening problems and extremely elevate the instantaneous bandwidth in phased array antenna systems. When concerning about its applications, the adaptive capacity to environment of optical fiber delay lines would directly affects the properties of instruments. Thus, it is essential to increase the accuracy,theenvironmentalsuitabilityandthereliabilityofopticalfiberdelaylines. Firstly, an experimental platform is set up based on the vector network analyzer phase measurement whose single-point fiber delay precision is ±0.1ps. After analyzing the state delay deviation of magnetic-optical switch, the topology of optical fiber delay line was designed and optimized, and a high-precision 5-bit optical fiber delay line with a delay steppingof 10psisdeveloped whose delay accuracy,standard deviation of delay error, and average loss is ±1.1ps, 0.68ps and 5.42dB respectively. In addition, the standarddeviationofamplitudeerror islessthan0.49dB. Then, the temperature characteristic of optical fiber delay line and classic optical configurations of magneto-optic switch(MOS) is analyzed. Three major causes that the temperature induced additional losses of MOS are pointed: the temperature-introduced 45°optical rotatory angle deviation of optical plate, the temperature-introduced magnetic-optical crystal rotatory angle deviation and the spatial mismatch of temperature-introduced fiber coupling. By combining the temperature characteristic of crystal and the coupling efficiency of fiber’s mode field, the additional losses of MOS resulting from the three causes above are calculated. The analysis showed that the temperaturehavelittleinfluenceonthe5-bitOFDL. After that, the radiation effects of optical material, the generation of color-center and the performance of the radiated OFDL is analyzed in the radiation environments. By introducing thedynamic model of siliconmaterial E’ color-center in low-energy particle irradiation and the radiation characteristic of optical fiber on the base of the previous study, the radiation characteristic of 5-bit OFDL is analyzed and the idea of anti-radiationtechnologyispresented.

Finally, a temperature test system and a radiation test system are set up, including 5-bit OFDL, optical fiber, MOS, optical fiber splitter(OFS) and wavelength division multiplexer(WDM) under test. When the temperature is set from -5℃ to 55℃, the results below: the temperature-induced additional loss(TIAL) of the two MOSs is around 0.16dB and 0.41dB respectively; the TIAL of the OFSs and the WDM are all less than 0.1dB; the delay deviation of the 5-bit OFDL is 2.2ps, standard deviation of delay error is 0.4~0.5ps, the range of loss is 5~6dB, the standard deviation of amplitude error is less than 1dB and the TIAL is less than 0.5dB. Test results show that the temperature have little influence of a 5-bit OFDL of a small step. When the irradiation dose is set from 0krad to 120krad, the results below: the irradiation-induced additional loss(IIAL) of the 5-bit OFDL and other devices is increasing with the increase of irradiation dose, the IIALof MOS and OFS are all around 1dB and he IIALof WDM is around 4dB, but the IIAL of 5-bit FDL even reach to 19dB, moreover, the 1.55mm aluminumshellcannot effectivelylessenthedamagecausedbyirradiation.
Keywords: optical fiber delay line, precision, environmental adaptability, temperature, irradiation

*章 緒 論
1.1 光纖延遲線
1.1.1 光纖延遲線工作原理
光纖延遲，是指由光信號經(jīng)過一定長度的光纖傳輸后所產(chǎn)生的時間延遲。光 纖延遲線（OpticalFiberDelay Line，OFDL），廣義上是指任何具有時間延遲功能 傳輸光信號的光纖或無源光纖網(wǎng)絡(luò)，狹義上的光纖延遲線是指包含光源、調(diào)制器、 傳輸光纖和光電探測器等具有信號延遲功能的光纖組合器件[1]。 如圖 1-1 所示為zui簡單的狹義上光纖延遲線。工作原理：將微波射頻電信號和 激光器發(fā)出的光信號輸入到調(diào)制器，調(diào)制器將光信號調(diào)制成載有微波電信號的光 載波信號，然后耦合到光纖鏈路中，一段時間延遲后到達光電探測器，探測器檢 測后將光載波信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出。輸出的電信號頻率與原調(diào)制微波射頻電信 號頻率相同，光纖只是作為一種傳輸方式對信號進行了延遲。在此過程中，可以 認(rèn)為微波射頻信號被瞬間儲存在光線延遲線中，光纖延遲線對此信號在時間上進 行了分配。光纖為這種分配的主體，分配的差異則由光纖本身的特性決定

根據(jù)光纖傳輸理論，光在光纖介質(zhì)中傳播的時間為:T=L/V (1/1)

式(1-1)中，T 為光在光纖中傳播時間；L為光纖長度；V為群速度(1/2)

式(1-2)中，n為傳輸光波波長為時，光纖纖芯的折射率；c 為光在真空中的傳播速度?？捎校?/span>

(1/3)

式(1-3)中， ? 為波長
? 的光在長度為 L 的光纖中的延遲時間。 由公式（1-3）可知，延時時間的長短與光纖的長度和光纖的折射率有關(guān)。要 想獲得不同的延遲，可以通過直接或間接的方式來改變光纖的長度或折射率，或者是同時改變。

1.1.2 應(yīng)用背景及研究意義 自從上世紀(jì) 60 年代開始，雷達技術(shù)得到了飛速發(fā)展，這一時期的雷達主要都 是采用機械式波束掃描方式。在其后應(yīng)用和研究過程中，這種方式的雷達暴露出 了很多問題，例如波束掃描精度低、掃描速度緩慢和可靠性不高。時至今日，為 了提高雷達掃描性能，一種以電子控制方式改變天線陣列之間相位關(guān)系實現(xiàn)空間 波束快速掃描的相控陣?yán)走_進入人們視野，成為各國高校、研究機構(gòu)的熱門研究 課題。相控陣?yán)走_工作原理與一般機械式掃描雷達相比，并無根本差別，但是相 控陣?yán)走_天線具有更快的波束指向和波速形狀變化能力，天線工作方式更多，適 應(yīng)可靠性更強[2]。另外相控陣?yán)走_天線有著傳統(tǒng)雷達所不具有的特點，如：多目標(biāo) 跟蹤、搜索、監(jiān)測、識別和一些武器制導(dǎo)等；實現(xiàn)高搜索數(shù)據(jù)率和高跟蹤數(shù)據(jù)率； 獲得更高天線輻射功率。 隨著相控陣天線應(yīng)用越來越廣泛，天線所執(zhí)行的任務(wù)也越來越多，窄帶寬相 控陣天線已經(jīng)滿足不了現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展，這勢必引發(fā)了人們對更高帶寬相控天 線的需求。相控陣天線中的相位移相是通過移相器實現(xiàn)的，是一種非實時相位延 遲，在陣列天線內(nèi)會產(chǎn)生一定程度的渡越時間，引起波束指向角發(fā)生偏移。要提 高相控陣天線多目標(biāo)掃描識別、成像和抗電磁干擾能力，就必須增加相控陣天線 的瞬時帶寬[3]。天線波束指向和波束寬度受到渡越時間和瞬時帶寬的限制，寬帶寬 會引起天線“孔徑效應(yīng)”，這種相互制約結(jié)果就是天線很難實現(xiàn)寬角度波束掃描。 如何改善和中和這種制約，正是本課題所要研究內(nèi)容：光纖延遲線。利用光移相 代替相控陣中的電移相，可以很好地解決相控陣天線“渡越時間”和“孔徑效應(yīng)”。

由光纖組成的延遲移相網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到相控陣?yán)走_系統(tǒng)中，通過對光信號的延遲、 分配和傳輸實現(xiàn)對 RF 信號的波束控制，在波束大角度掃描下實現(xiàn)大瞬時帶寬方面 有著巨大的優(yōu)勢，如圖 1-2 所示。 從 1966 年高錕博士提出帶有包層的光學(xué)玻璃纖維，纖芯折射率比包層稍高且 具有傳輸光信號的能力（也就是光纖）到今天，光纖在通信領(lǐng)域經(jīng)過了近 50 年的 發(fā)展，已成功地應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域的各個環(huán)節(jié)，貫穿信息產(chǎn)業(yè)和現(xiàn)代服務(wù)業(yè)的各領(lǐng) 域。光纖具有體積小、重量輕；取材簡單、造價低廉；抗干擾、保密性好；寬帶、 大容量；低損耗、中繼距離長等特點。正是這些特點造就了光纖在通信領(lǐng)域的廣 泛應(yīng)用，其影響已滲入到人們生活上的方方面面。光纖延遲線正是利用光纖在通 信領(lǐng)域所具有的這些特點，將其應(yīng)用到相控陣?yán)走_天線上去，其優(yōu)點是其他傳統(tǒng) 延遲線*的。由光纖延遲線組成光纖實時延遲移相網(wǎng)絡(luò)具有工作頻率高， 帶寬寬、成本低、損耗低、幅度一致性好、抗電磁干擾能力強等等特點，*適 用機載或星載等在各種環(huán)境應(yīng)用。除此之外，相應(yīng)的光纖/光電器件技術(shù)有了飛速 發(fā)展，調(diào)制器、激光器、光探測器等光電有源器件和光開關(guān)、波分復(fù)用器、光分 路器、光環(huán)行器和光柵等光纖無源器件實現(xiàn)了大量商用化，這給光纖延遲技術(shù)應(yīng) 用到光控相控陣?yán)走_中提供了很好的技術(shù)基礎(chǔ)。因此利用光纖延遲線進行延遲移 相組網(wǎng)應(yīng)用到相控陣?yán)走_中，是具有很重要的可研究價值和實踐意義。 光控相控陣?yán)走_天線中，波束掃描由光纖延遲移相網(wǎng)絡(luò)控制，光纖延遲線延 遲精度決定了光移相精度，從而決定了波束掃描精度。因此在光控相控陣移相網(wǎng) 絡(luò)中，關(guān)鍵技術(shù)就是高精度光纖延遲線研制，從而實現(xiàn)高精度光纖延遲移相網(wǎng)絡(luò)。 正是基于以上此種背景，本文高精度光纖延遲線研制有其可研究價值。 GJB4239《裝備環(huán)境工程通用要求》中明確規(guī)定[4]，環(huán)境適應(yīng)性是指“裝備在 其壽命期預(yù)計可能遇到的各種環(huán)境的作用下能實現(xiàn)其所有預(yù)定功能、性能和（或） 不被破壞的能力，是裝備的重要質(zhì)量特性之一”。光纖延遲線在被用于各種儀器 或裝備中時，在其使用過程中必然要直接或間接經(jīng)受各種自然環(huán)境和平臺環(huán)境的 影響，產(chǎn)生環(huán)境效應(yīng)，制約光纖延遲線的性能。光纖延遲線對環(huán)境適應(yīng)能力的優(yōu) 劣，直接影響所在儀器或裝備的性能和功能。如何提高光纖延遲線的抗惡劣環(huán)境， 提高可靠性至關(guān)重要。 在本文中，光纖延遲線主要是應(yīng)用到光控相控陣延遲移相網(wǎng)絡(luò)中。在現(xiàn)階段， 光控相控陣?yán)走_天線還沒有商用化，基本上都還處于熱門研究階段或應(yīng)用于星載 航天器上。在外太空中環(huán)境復(fù)雜，航天器能否適應(yīng)其太空環(huán)境，也是各國科研工 作者面臨的一個重要問題。光纖延遲線作為光控相控陣天線中的一環(huán)，在面對復(fù) 雜環(huán)境時，其環(huán)境適應(yīng)性同樣也是本文所關(guān)注。