1、微波光纖延遲線的原理發布時間：12-10-14來源：北京錦坤科技有限公司點擊量：30492 更多北京錦坤科技有限公司.jo n-ko n.摘要介紹了微波 光纖延遲線 的原理和特點，并對微波 光纖延遲線 的性能(靈敏度、動 態圍等)進行了詳細的分析計算。當前，微波光纖延遲線 已達到實用化程度，可廣泛應用于雷達和電子對抗領域。關鍵詞微波光纖延遲線 ；激光器；光電檢測器；信號處理；雷達；電子對抗中圖分類號TN929TN97 文獻標識碼A 文章編號1006 I 908(2002)04 0001 05School of Electron and Inform ation, Shanghai Jiaoto

2、ng Univ . , Shanghai200030 . China)Abstract : The theory and characteristics of microwave optical fiber delay - line are introduced 。and its perfor m ance(sensitivity , dynamic range)is analyzed and calculated in detail Today , m icrowave optical fiber delay line has come into practical use and it c

3、an be widely used in the fields of radar and electr onic coun term easure .Key words : m icrowave optical fiber delay line ； laser ； photodetector ； signal processing ； radar ； electronic coun 一0前言延遲線存儲器。延遲線廣泛應用于信號處理、雷達和電子對抗等領域。信號處理需要的單元延遲設備就是一種存儲器.動目標顯示(MTI )中必須有延遲線一又一一種存儲器，電子對抗中需要把信號先存儲一定時間再進行處理，如

4、把接收對的雷達信號延遲一定的時間再發出去，便完成了欺騙式干擾。現代科學技術需要形形*的信號存儲器。我們主要關心的是適合于雷達和電子對抗的信號存儲器件一一光纖延遲線。雷達最初使用存儲管和水銀延遲線，后來采用性能更好的英延遲線，最后，發展起來的是超導延遲線和 光纖延遲線。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、英延遲線等；3）光信號延遲線，如 光纖延遲線、光數字同步延遲線存儲器。1 光纖延遲線的特點光纖延遲線是一種新型的性能優良的信號處理器件。超聲波器件（主要指性能較水銀延遲線為好的英延遲線）在較低頻率上具有優良的性能，

5、但其帶寬限制在1GHz左右。雷達信號實時處理需要高達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 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 100GHz以 上，因此，光纖延遲線特別適用于雷達信號處理系統，雷達系統及電子對抗系統是光纖延遲線 的最大應用市場。各種延遲線的主要性能對比見表1。光纖延遲線 的另一個特點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，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，因此延遲時間也長。光纖延遲

6、線 的延遲時間與它的長度有如下關系：式中L為光纖長度，"片為光纖纖芯折射率，C為光速。同時，光纖延遲線 的工作頻率可達100GHz，即它的工作帶寬寬，因此，光纖延遲線的時間帶寬乘積很大，通常比其他延遲線大一個數量級以上，圖2是延遲線最大帶寬與延遲時間的關系。表1務種延坦線的生宴性霹對魔性能聲披延遲蜓CC?延遲耀錘遲時阿T5*1 km )幾百鍛秒Is時閭帶建簾枳了対旨* Ik劣復光纖）EX單模托纖l(F工柞頤辜/1GHz1C-20Mlk射頓滋位砥遲就0. 4JBCLGRe)0. 4dB< 10GHz)IdEH LGJk)IrtOriBUOGHf)>5t>0di圖I幾眷

7、延遲授擁疑與工件極專的去殺io-'1O-1妙 2la1 I 護 id1l(y10-reO-6W 2 延遲線最大帶寛與址遲時間的關系光纖延遲線 還具有尺寸小、質量輕、柔軟易裝配及良好的溫度穩定性等特點，這對于受空 間、質量限制以及環境又非常惡劣的空載和艦用電子設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 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制的光信號，通過光接頭耦合進光纖。光電檢測器(PD)將射頻調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完全和輸入射頻電信號的頻譜相同，只是用光纖作為介質延遲了一段時間，也就是

8、說，射頻信號瞬時儲存在光纖延遲線中，存儲時間的長短與光纖的長度成正比，這就是光纖延遲線儲頻的原理。1 O/E ) E/O |kKi輸入佶光纖RF輛出倍號圖3光纖延遲線單元在常規的動目標顯示(MTI)雷達中，延遲一個雷達脈沖期的延遲線通常用英延遲線，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，經過英傳輸后，再由聲波換能器將聲波變為中頻電信號。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，這種法不如光纖延遲線的簡單。光纖延遲線分為非重復循環光纖延遲線、重復循環光纖延遲線、晶格光纖延遲線和先進的可編程光纖延遲線 等四種形式，

9、它們可以構成編/解碼器、相關器、濾波器、橫向濾波器(如圖4所示卜A/D變換器、光電相控陣天線網絡分配器和數字同步延遲線存儲器(DSDLM)等。S輸出圖4 抽頭延遲線構成的橫向濾波器切3： 5為橫向濾波器的加權系數3光纖延遲線信號存儲單元設計和性能分析圖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，I為激光器直流偏流(A), Ith為激光器門限電流), 1=1-1 th為門限以上的激光器偏流(A), RI為激光器動態輸入電阻(50Q), g2為 激光器傳輸函數，工作在偏流時為0. 30W/A , OL為激光器

10、靜態輸出功率(w ) ,L 1為激光器耦合系數(心0. 15) , L2為光纖傳輸函數(心1 . 0), L3為光電檢測器耦合系數(-0. 45), L t為總傳輸系數，Lt =L1 , L2 , L3, OP為損耗為LT時，進入光電檢測器的靜態光電功率(w), g3為光電檢測器的變換系數(-0. 57A / W ), ), C。為檢測器輸出電容(25pF), P。為對應于Ps的射頻信號輸出功率(w ), R。為檢測器負載電阻(50 Q), B為有效噪在正常工作時，激光器的偏流被調到大于門限電流，并接近激光器的輸出功率能力的中間工作點，作為典型情況，激光器輸出 ol調到1. 2mW，對應的，值

11、為24mA（使用的激光器 門限電流為20mA），即:Ol = 2X 10"3W2</ 4X107人 h = 20X 10一瞋f=4X 10一2圖6為以上激光器輸出功率與直流偏置電流的關系曲線。圖6謐光器輸岀功率與激勵電流的關系夕斛去55籌激光器輸出光功率 OL耦合進光纖，經過光纖傳輸后，進入光電檢測器，則Zt=Ei L； L3 = 0.15XK 0X0. 45=0. 0575 故進人光電檢測器的光功率為：= 上丁= 1. 2X 1O JX 0. 0675 = 0* 081 X io-Aw57 = 6 0462 X該光功率可產生直流電流：= On g, = o. 081 X 10

12、 3X0.10_"A3. 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：= (G| 3& 75)日已(1)因此，代入圖5所示各項數據可知，可以用 38. 75dB的前置放大器來補償線路損耗，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|th下面給出這三種噪聲電流的公式：(2)Ah=8ir KTC擊丁 處昂(3)i嚴LKFG NF £7尺寓；Lv(4)光電檢測器輸出總噪聲電流為Antul = Gh

13、 +；h +F： 丁 "式中的常數和典型值童J exio-c./e亠5004/=4. OX 10"3A(對應 O【_= b 2X 10JW).K= L 38 X10FC»=3X10 “廠市 =30(前置放大器噪聲 系數幾層=山 30W/A,-0. 57A/W丄丁 = 0. 0675, F=1 并取 T=300K(17ffC>*G； -38. 75dBo3. 3靈敏度靈敏度由可接收的最小信噪比決定。光電檢測器輸出端的功率信噪比為：如=氛+:?十戲"也丁/«/打尸 + 1式中人為光電檢測器輸出信號電流。'M只1匚1八 FG R =丙一

14、（脈臉乙將式（2人式（3人式（4兒式（7代人式（6人得P.I!（7>SNR =KTBJTPF一 :m _&_KTS2 NTG 十（g?>4OTG；- 1 11.242 X 10- 'B；L0. 055 + 1. 285 X 10"lB3 + 1_令SNR= H即可得到微波光纖延遲線單元靈 敏度與3dB帶寬的關系（如表2所示兒3. 4動態圍最大信號功率P?是受到輸至激光器的最大輸人激勵（對應飽和量的80的幅度調制）和激 光器過載功率限制的，因此幾 < & 472AZ對于80%的幅度闖制極隈：if C 4 X 104 為防止激光器過載；廠心門&q

15、uot;5 - 可機pX<0M72A/將 /<L = 50Q. G, - 38- 75dB 代人上式得 Fg 4 6. 2dBm(EP最大信號功率只“ =46. 2d Ben是固定的兒動態范圍是呆大信號與最小信號的比值，即KTB . XFFPm、1+吊兄門|_KTg.g J NFC十 C)£/； nFG下面將單通道的分析結果列于表3。可以看出，通常情況下，微波光纖延遲線 系統的靈敏度已能夠滿足系統的要求，且有較寬的動態圍。如果需要大的延時，則需要更長的光纖。由 于損耗的存在，光纖傳輸函數L2不可能接近于1，這可以通過前置放大器， 來補償損耗.以 滿足延遲系統要求。嶽3粧波

16、光好延遲罐臬敏廈與動杏范銅芙系I,'-, r3. &3&M37 136. &臨界風蚩摩閉缶“-9L8一眺884- 0-81 3-32. B-82.34應用微波 光纖延遲線 以其獨特優點，廣泛用于雷達和電子對抗中，下面是幾個典型運用實例。1）光電相控陣天線系統在空用及海用電子設備中，對體積和質量有格的限制，采用光纖作為天線波速形成網絡， 不僅天線質量大大降低，而且天線的有效反射面積也可大為減少。2）濾波器橫向濾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成光纖橫向濾波器，對光信號進行濾波處理。3）光纖延遲線信號存儲a）艦載雷達非相干動目標顯示 （MTI

17、）為了克服多徑效應，檢測貼近海面的低飛行目標， 艦載雷達必須工作在K波段，而且必須有動目標顯示設備，常規的相干 MTI要工作在K波段是比 較困難的，解決法是用光纖延遲線構成的非相干MTI系統。b）雷達系統性能測試為了評價雷達系統的性能， 常常用雷達轉發器測試靶。 通常轉發器測試靶與雷達相距幾公里， 它們之間是大氣。雷達信號在大氣中傳輸。由于大氣成分受天氣、季節因素影響而變動，因此微波在大氣中的傳輸質量受其影響，進而影響雷達系統性能測試的精度。如果用光纖延遲線遠離雷達發射場的測試靶， 就不存在這個問題，而且可以在室便地獲得實際目標返回信號。c）欺騙式干擾機欺騙式干擾機接收對的雷達信號。儲存一段時

18、間，經處理再發回給對，完成欺騙干擾，因而，存儲器是必不可少的。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，它可以有效地無畸變收發雷達信號，對于高密度信號環境特別有意義， 而且成本也很低。5用于 光纖延遲線 的光電器件顯然，用光纖實現信號存儲， 就是要實現如圖5所示的單元系統。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限制了系統的工作頻率。 目前，國的LD和PD商品化產品已達到 28GHz。國外，20GHz的LD 和PD已商品化（詳見表4）。所以完全可以實現 100GHz以上的 光纖延遲線

19、。隨著延遲時間 的增加，光纖長度要加長，色散影響會增大，此時，可采用低色散的光纖（如O. 655光纖）。另外，還可用色散補償技術使色散的大小控制在系統允的圍。在 光纖延遲線 中采用負斜率色散補償光纖（NS DCF）進行色散補償，達到最佳性價比。因為負斜率色散補償光纖既能對 色散進行補償，又可加大延遲時間。% 4國外擅道的韶井離癌率半導體滋光關眷誌逐表時puj公可材料波艮卜ru日專日立ItiGa A*P 伽 F1. 5511貝爾淇豎空I nGa AsP/InP1. J1990.3黃國BTliLfnGa AsP InPb鮎:1990. 10GTETnGd AsP TnPb31 91.5期押大學電計

20、果InGaAsP/GaGOh USti1991, 12東乏電子工和金司InGa As? WPL 55It1S92. 4TnCaAsP/InPL3*待眈.7貝爾實齢峯JnG«AsP/IuF人31SP2. 1 1Le stfironIiiiCfa AsP/InPE 55J 993.2Lasert ronllit.rii Asp ' 1 tlP1.3*193. 4怯國場嫻遜kGaAsP/lnPL 5顧3$貝邪宴強蔭InGAAsP<lnPL iS25】蜩，I 0英國HNK歐即公司InGa AsP 厲nP1. S5I A6結論光纖延遲線性 能遠遠優于其他延遲線，隨著光電技術的發展，工作波長達到微波頻段毫無問題。而且器件價格現在越來越低，性能越來越好，其性價比還將大大提高，在雷達和電子對抗中的應用已趨實用化。參考文獻1 JACKSON K P, NEWTON S A，el al . Optical fiber delay line signal processingJ