射頻光傳輸設(shè)備及其在核電磁脈沖防護(hù)中的應(yīng)用

衷海兵 毛 建

引言

20世紀(jì)80年代后期，號(hào)稱(chēng)“電磁殺手”的電磁脈沖炸彈問(wèn)世了。這種炸彈爆炸后產(chǎn)生的高強(qiáng)度電磁脈沖，覆蓋面積大，頻譜范圍寬，幾乎能夠攻擊其殺傷半徑內(nèi)所有帶電子部件的武器系統(tǒng)。它產(chǎn)生的強(qiáng)電磁脈沖可以通過(guò)暴露在地面上的天線、饋線等設(shè)備產(chǎn)生感應(yīng)電流，破壞地下防護(hù)工程內(nèi)的電子通信設(shè)備。癱瘓整個(gè)通信系統(tǒng)。通過(guò)近年來(lái)發(fā)生的幾場(chǎng)高技術(shù)條件下的局部戰(zhàn)爭(zhēng)，我們可以看到，電磁脈沖炸彈已投入實(shí)戰(zhàn)使用，并已成為控制信息權(quán)的“殺手锏”，嚴(yán)重地威脅到無(wú)線通信的發(fā)展。如何提高抗電磁摧毀能力已是各國(guó)在通信發(fā)展中遇到的一個(gè)嚴(yán)峻問(wèn)題。

電纜傳輸和光纖傳輸囊耗與距離的比較

與電纜傳輸相比，光纖傳輸具有無(wú)電磁輻射、傳輸帶寬寬、不受電磁脈沖干擾、傳輸損耗小等特點(diǎn)。采用光纖傳輸方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電纜傳輸方法，具有以下優(yōu)點(diǎn)。

·增強(qiáng)無(wú)線通信設(shè)備抗電磁毀傷能力。由于光纖是絕緣體，光纖代替金屬線，切斷傳導(dǎo)性耦合通路，防止強(qiáng)電磁脈沖產(chǎn)生的感應(yīng)電流破壞通信工程內(nèi)的相關(guān)通信設(shè)備。

·采用光傳輸使天線能夠遠(yuǎn)距離使用。一般電纜傳輸方法最大傳輸距離約S00-1000m，光傳輸方法最小可達(dá)25公里，實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信遠(yuǎn)距離隔離保護(hù)。

·大大減小信號(hào)傳輸過(guò)程中的衰耗(見(jiàn)表1)，提高通信接收信號(hào)質(zhì)量。

射頻信號(hào)光傳輸系統(tǒng)

射頻信號(hào)光傳輸?shù)幕窘M成如圖1所示。在發(fā)送端，射頻信號(hào)通過(guò)射頻信號(hào)放大、濾波等(具體根據(jù)實(shí)際需求處理)，再通過(guò)電光轉(zhuǎn)換，將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)在光纜中傳輸：接收端接收光信號(hào)，首先進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)放大和濾波處理后輸出射頻信號(hào)。

光發(fā)射設(shè)備

在激光發(fā)射機(jī)中，激光器的性能好壞決定了發(fā)射機(jī)的性能好壞，因此對(duì)激光器的線性要求特別苛刻：

(1)要求激光器器件的自身噪聲極低，動(dòng)態(tài)范圍要大。

(2)系統(tǒng)使用的特殊環(huán)境要求設(shè)備適應(yīng)性要強(qiáng)，也就要求激光器器件的溫度適應(yīng)范圍要寬。

(3)輸入信號(hào)的特殊性要求激光器必須有很好的線性指標(biāo)，即：CSO(組合二次)、CTB(組合三次)和C／N(載噪比)指標(biāo)，避免自身的非線性產(chǎn)物的大量產(chǎn)生，影響系統(tǒng)工作穩(wěn)定及對(duì)有用信號(hào)造成干擾等等。

光發(fā)射機(jī)的核心是DFB激光器組件，此外還有電源、激光器偏置電路、功率控制電路、光檢測(cè)電路(光檢測(cè)器用于光功率檢測(cè)與自動(dòng)功率控制)。光發(fā)射機(jī)通過(guò)自動(dòng)溫度控制(ATC)、自動(dòng)光功率控制(APC)電路穩(wěn)定輸出光功率：信號(hào)輸入后采用寬帶放大，然后通過(guò)光調(diào)制技術(shù)將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)(見(jiàn)圖2)。

光功率自動(dòng)控制電路

由于半導(dǎo)體激光器對(duì)溫度的變化很敏感，要獲得穩(wěn)定的光輸出，就要有自動(dòng)控制電路。溫度的變化和器件的老化給激光器帶來(lái)的不穩(wěn)定主要在表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

·激光器的閥值電流隨溫度變化呈現(xiàn)為指數(shù)規(guī)律變化，并隨器件的老化而增加，從而使輸出光功率發(fā)生很大的變化。

·隨溫度的升高和器件的老化，激光器的電光轉(zhuǎn)換效率降低，使輸出光功率發(fā)生變化。

·隨著溫度的升高，激光器的發(fā)射波長(zhǎng)的峰值位置移向長(zhǎng)波?？刂齐娐返淖饔镁褪窍郎囟茸兓推骷匣瘜?duì)輸出光功率的影響，穩(wěn)定輸出光功率。由于激光器的閥值電流和光電轉(zhuǎn)換效率都會(huì)隨溫度和器件的老化而發(fā)生變化，因此，要精確控制激光器的輸出光功率，應(yīng)從兩個(gè)方面考慮：控制激光器的偏置電流，使其自動(dòng)跟蹤閥值的變化，使激光器總是偏置在最佳的工作狀態(tài)：控制激光器的調(diào)制電流的幅度，使其自動(dòng)跟隨光電轉(zhuǎn)換效率的變化而變化。

在通常情況下激光器的光電轉(zhuǎn)換效率隨溫度的變化不是很敏感。在不增加成本的情況下，簡(jiǎn)化控制電路，采用直接檢測(cè)激光器的平均輸出光功率來(lái)控制偏值電流，從而維持輸出光功率的穩(wěn)定。

自動(dòng)溫度控制(ATC)

自動(dòng)溫度控制電路由小型致冷器、熱敏元件及控制部分組成。熱敏元件監(jiān)測(cè)激光器的結(jié)溫，與設(shè)定的基準(zhǔn)溫度相比較，放大后驅(qū)動(dòng)致冷器的控制電路，改變致冷量，從而保證激光器工作在恒定的溫度下。為了提高致冷效率和控制精度，激光器的溫度控制常采用內(nèi)制冷方式，也就是將致冷器和熱敏電阻封裝在激光器管殼內(nèi)，熱敏電阻直接探測(cè)結(jié)區(qū)溫度，致冷器直接和激光器的PN結(jié)接觸。這種方式可以控制激光器結(jié)溫在±0.5℃的范圍內(nèi)，從而使激光器有較恒定的輸出光功率和發(fā)射波長(zhǎng)。但是，溫度控制方式不能控制由于激光器老化而產(chǎn)生的影響。溫度控制電路的控制精度不僅取決于外圍電路的研制，而且受到激光器的封裝技術(shù)的影響。熱敏電阻能不能反映結(jié)區(qū)的溫度、致冷器與PN結(jié)的熱接觸是否好等都直接影響到溫度控制電路的控制精度。

為了激光器的穩(wěn)定工作，ATC是必須的，一般把LD芯片的溫度控制在25℃，激光器的光發(fā)射功率和非線性失真依賴于偏置電流，因此偏流控制是光發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵部件。由于半導(dǎo)體激光器對(duì)溫度變化很敏感，因此必須通過(guò)自動(dòng)功率控制單元穩(wěn)定激光器的輸出，自動(dòng)功率控制單元是通過(guò)控制激光器的偏置電流使其自動(dòng)跟蹤閥值的變化，使激光器總是偏置在最佳的工作狀態(tài)，同時(shí)控制激光器的調(diào)制電流的幅度，使其自動(dòng)跟隨光電轉(zhuǎn)換效率而變化。

光纖傳輸系統(tǒng)由于要傳輸寬帶射頻信號(hào)，而且在這個(gè)頻段內(nèi)，空中所接收到的信號(hào)幅度差別很大，因此對(duì)激光器的線性和調(diào)制靈敏度要求特別苛刻：首先，要求激光器器件的工作頻帶要寬，本底噪聲要極低，動(dòng)態(tài)范圍要大；其次，由于系統(tǒng)使用的環(huán)境特殊，故要求設(shè)備適應(yīng)性要強(qiáng)，也就要求激光器器件的溫度適應(yīng)范圍要寬；另外，由于輸入信號(hào)的特殊性，要求激光器必須有很高的調(diào)制靈敏度和很好的線性指標(biāo)，即：CSO(組合二次)、CTB(組合三次)和C／N(載噪比)指標(biāo)，避免自身的非線性產(chǎn)物的產(chǎn)生，影響系統(tǒng)工作穩(wěn)定等。

光接收設(shè)備

接收機(jī)主要由兩大部分組成，即激光探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換部分、寬帶高效高阻-低阻抗的阻抗變換輸出處理部分(見(jiàn)圖3)。激光探測(cè)器光，電轉(zhuǎn)換部分及控制監(jiān)測(cè)部分為有源器件組成。光接收機(jī)的核心是PIN管，此外還有電源、功率控制電路、光檢測(cè)電路、射頻信號(hào)的放大處理電路等。光接收機(jī)通過(guò)PIN管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)：光接收機(jī)有接收光功率指示功能：放大電路的增益應(yīng)適當(dāng)，保證接收到的電信號(hào)的失真盡可能小，也需要有一定的幅度便于后級(jí)的信號(hào)的處理。

由于在光發(fā)射機(jī)中未采用RF放大器，因此系統(tǒng)的傳輸增益(接收機(jī)光功率-2dB輸入時(shí))要降低10-15dB左右。為了不使系統(tǒng)的傳輸增益過(guò)低，在不增加放大器降低系統(tǒng)噪聲系數(shù)動(dòng)態(tài)和可靠性的前提下，可采用改變光接收機(jī)接收光功率的方式來(lái)補(bǔ)償由于不采用放大器帶來(lái)的傳輸增益的降低，即高出高進(jìn)的模式，光發(fā)射機(jī)高功率輸出，接收機(jī)輸入光功率大于+2dBm，彌補(bǔ)上系統(tǒng)降低的6dB增益。

結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)證明，采用此方案系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均能達(dá)到要求，也能夠滿足用戶的使用要求。因此采用射頻光傳輸?shù)姆椒ǎ軌蛴行У卦鰪?qiáng)地下防護(hù)工程內(nèi)通信系統(tǒng)的抗電磁毀傷能力，這已經(jīng)在系列工程應(yīng)用中得到驗(yàn)證。