用于X波段相控陣天線的高速可調(diào)光纖延遲線

袁陶

【摘要】 通過(guò)設(shè)計(jì)用于X波段相控陣天線5bit光纖延長(zhǎng)線研究，采用高速磁光開(kāi)關(guān)和單模光纖級(jí)聯(lián)組成。得出設(shè)計(jì)出的光纖延遲線可以實(shí)現(xiàn)延遲量在0～1096ps范圍內(nèi)步進(jìn)35.4ps的任意可調(diào)。光纖延遲線系統(tǒng)在體積和重量上還沒(méi)有達(dá)到集成化的目標(biāo)，就地面天線系統(tǒng)而言可以接受。

【關(guān)鍵詞】 光纖延遲線 光開(kāi)關(guān) 延遲精度

現(xiàn)在，隨著信息技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展對(duì)相控陣天線的性能人們的要求越來(lái)越高，比如提高通信的速率、高精度的測(cè)距、惡劣電磁環(huán)境下工作等等。這就需要天線能夠具有較寬的工作諧帶寬以及瞬時(shí)信號(hào)的帶寬。傳統(tǒng)的相控陣天線在使用電傳統(tǒng)的相控陣天線采用電移相器的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生一種叫做“波束斜視”的現(xiàn)象，由于天線的帶框受到非常嚴(yán)重的限制，為了能夠解決這個(gè)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)處理和寬角掃描，然后提出了實(shí)施延遲線技術(shù)。

光實(shí)時(shí)延遲線通過(guò)把微博信號(hào)調(diào)制導(dǎo)到該載波上面，然后在光纖中進(jìn)行傳遞，經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器恢復(fù)微博的信號(hào)，我們就把這稱(chēng)作是微波技術(shù)。因?yàn)楣忸l相對(duì)于天線工作的微波頻率來(lái)說(shuō)要比它高多個(gè)數(shù)量級(jí)。假如在光域當(dāng)中實(shí)現(xiàn)了時(shí)間延遲，就可以認(rèn)為時(shí)間延遲量和微波的頻率沒(méi)有關(guān)系。也就是光實(shí)時(shí)延。光實(shí)時(shí)延遲線具有體積小、質(zhì)量輕、抗電磁干擾、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)鹊葍?yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)在已經(jīng)成為了相控陣天線研究的主要方向。

一、光纖延遲線的設(shè)計(jì)

從二十世紀(jì)八十年代開(kāi)始，就已經(jīng)出現(xiàn)了很多種類(lèi)型的光實(shí)時(shí)延遲線，比如色散光纖性、空間光學(xué)型、光波導(dǎo)型得等。但是如果從技術(shù)方面和穩(wěn)定性考慮的?；诠饫w型的延遲線最適合在工程方面應(yīng)用。我們?cè)O(shè)計(jì)了一種可用在X波段的相控陣天線的5bit光纖延遲線。

延遲線是由兩個(gè)1X2光開(kāi)關(guān)和四個(gè)2X2光開(kāi)關(guān)串聯(lián)而成的，光開(kāi)光有兩種狀態(tài)可以互相切換，分別是直通狀態(tài)和交叉狀態(tài)。延遲時(shí)間可以通過(guò)這兩個(gè)光開(kāi)關(guān)上下兩路的光程差計(jì)算得到。第一級(jí)的延遲量是τ，按照二進(jìn)制進(jìn)行遞增，最后一級(jí)的延遲量為16τ。這條鏈路可以實(shí)現(xiàn)延遲量在0～31τ范圍內(nèi)步進(jìn)是τ的任何變動(dòng)，可以使用電脈沖的方式來(lái)驅(qū)動(dòng)光開(kāi)關(guān)的狀態(tài)切換。實(shí)現(xiàn)延遲量的變化。

我們?cè)O(shè)計(jì)者個(gè)光纖延遲線是為了滿足X波段天線（9～10HZ）的需求。比如一維線陣，間距為d=15cm，波束角度θ=45°，這相鄰來(lái)那個(gè)天陣元之間的延遲時(shí)間可由（1）式得到

5bit光纖延遲線在各級(jí)的延遲量和他們相對(duì)應(yīng)的理論值如表一所示。這個(gè)光纖延遲線理論上可以實(shí)現(xiàn)在0～1096ps延遲量范圍內(nèi)步進(jìn)是35.4ps的任意變化

表一 5bit光纖延遲線各級(jí)延遲量和對(duì)應(yīng)的光纖長(zhǎng)度

二、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和測(cè)試結(jié)果

在光實(shí)時(shí)延遲線當(dāng)中光開(kāi)光是最重要的器件，光開(kāi)光的選擇有很多種，如果根據(jù)工作原理的不同可以分別劃分為非機(jī)械式開(kāi)關(guān)和機(jī)械式開(kāi)關(guān)，機(jī)械式開(kāi)關(guān)主要依靠光學(xué)元件的空間位置的變化來(lái)改變光路，非機(jī)械是開(kāi)關(guān)主要通過(guò)熱效應(yīng)、光電效應(yīng)得等來(lái)改變器件的折射率參數(shù)，從而是 光路發(fā)生變化。根據(jù)我們的實(shí)驗(yàn)，我們選擇使用高速磁光開(kāi)光，因?yàn)樗哂虚_(kāi)光速度快，損耗低的特點(diǎn)。不需要持續(xù)的進(jìn)行供電。按照描述的結(jié)構(gòu)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一條以高速磁光開(kāi)關(guān)的5bit光纖延遲線模塊。工作的波長(zhǎng)范圍是1525～1565nm；光纖接口，以及模塊集成光開(kāi)光驅(qū)動(dòng)電路，LED燈泡；Lab View 編程。

2.1切換速度

觸發(fā)脈沖的前沿到開(kāi)關(guān)完全完成狀態(tài)切換的這段時(shí)間我們認(rèn)為這就是光開(kāi)光切換的速度。光開(kāi)光狀態(tài)可以使用輸出光功率來(lái)表示，我們通過(guò)使用雙通道示波器對(duì)開(kāi)光的速度進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示，在電脈沖的驅(qū)動(dòng)作用下，光開(kāi)光一頭的輸出信號(hào)經(jīng)歷了有到無(wú)、無(wú)到有這樣的一個(gè)變化霍城，測(cè)試的結(jié)果證明切換的實(shí)踐t<30μs。

2.2插入的損耗

光開(kāi)關(guān)和光纖連接器的插損決定了光纖延遲線的損耗，系統(tǒng)使用的光開(kāi)光損耗都小于1dB ，5bit

2.3延遲精度

我們使用的是相移法，通過(guò)使用在、矢量分析儀來(lái)測(cè)量光纖延遲線的延遲量，把光纖延遲線接到寬帶RoF鏈路當(dāng)中，測(cè)量這整個(gè)鏈路的延遲性，然后改變光纖延遲線的延遲量，然后再測(cè)量這條鏈路延遲量的變化，兩者對(duì)比從而得到光纖延遲線的延遲量的曲線。

使用相移法理論上精度可以達(dá)到.5ps以下，但是我們制作的5bit光延遲量的曲線和誤差圖下圖所示，從這些圖看以看出，我們成功實(shí)現(xiàn)在在1～1096ps延遲量范圍內(nèi)，步長(zhǎng)為35.4可以任意白哪壺，精度達(dá)到±2ps

三、天線方向圖仿真結(jié)果

為了測(cè)試我們?cè)O(shè)計(jì)出5bit光纖延遲線的性能，我們把32天線陣元當(dāng)做仿真對(duì)象，波束角度為450 。在0～1096ps范圍內(nèi)進(jìn)行34.5的信號(hào)傳遞，在每個(gè)真元時(shí)間誤差為±2ps內(nèi)，然后分別在9GHz以及在10GHz這兩個(gè)頻率進(jìn)行天線的圖仿真。結(jié)果如圖1。

從圖中可以看出使用了光延遲線的陣列方向圖得到了明顯變化。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文主要驗(yàn)證了基于光開(kāi)光高速可調(diào)5bit光延遲線，雖然在體積和重量上面還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)集成化的目標(biāo)，但是對(duì)于地面天線系統(tǒng)來(lái)說(shuō)完全可以接受。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]吳彭生，谷一英，程旭升，許方星. 用于X波段相控陣天線的高速可調(diào)光纖延遲線[J]. 光通信技術(shù)，2013，04：5-7.

[2]鄧浩. 基于光控相控陣?yán)走_(dá)的光纖延遲線關(guān)鍵技術(shù)研究[D].電子科技大學(xué)，2013.

[3]王勇. X波段（8～12GHz）相控陣天線的研究[D].電子科技大學(xué)，2005.