光纖射頻穩(wěn)相傳輸技術(shù)試驗(yàn)研究

劉友永，馬文起，陳少卿，李晶

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第54研究所，石家莊 050081）

0 引 言

深空測(cè)控上行鏈路的根本需求是提高全向輻射功率（Effective Isotropic Radiated Power，EIRP），一項(xiàng)重要措施就是利用地面上分布的多個(gè)發(fā)射天線組成天線陣列，這樣可以有效提高上行鏈路的發(fā)射功率。上行天線組陣的目的是將多個(gè)發(fā)射天線的信號(hào)在目標(biāo)位置處同相合成，從而增大上行信號(hào)功率，上行天線組陣被認(rèn)為是一種不需要增大發(fā)射天線口徑和高功放增益就能夠在深空通信中提高地面EIRP的重要方法。美國(guó)航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）也將發(fā)展上行天線組陣技術(shù)作為未來(lái)20年進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。上行天線組陣技術(shù)的關(guān)鍵在于使得在目標(biāo)處的射頻信號(hào)能夠相干合成[1-3]，這就對(duì)各天線端射頻信號(hào)穩(wěn)定度提出了極高的要求。以四天線合成為例，若要求合成效率損失小于2%，則要求在一個(gè)觀測(cè)周期內(nèi)設(shè)備鏈路引入的相位漂移不超過(guò)11°。NASA的卡西尼（Casinni）任務(wù)中包含了射電科學(xué)觀測(cè)以及重力場(chǎng)探測(cè)，任務(wù)中對(duì)頻標(biāo)信號(hào)穩(wěn)定性的要求千秒穩(wěn)定度需達(dá)到1.5 × 10–16，GPS（Global Positioning System）時(shí)間頻率同步方法將不能滿足穩(wěn)定度需求[4-5]。光纖作為時(shí)間、頻率標(biāo)準(zhǔn)傳輸?shù)慕橘|(zhì)具有損耗低、穩(wěn)定度高、鋪設(shè)廣泛等諸多優(yōu)勢(shì)。近二三十年來(lái)，光纖時(shí)間頻率傳輸技術(shù)正在被視為一種很具有發(fā)展前景的時(shí)間頻率傳遞方式而被國(guó)內(nèi)外的高校和科研院所廣泛研究。

近些年來(lái)，美國(guó)、日本以及歐洲多國(guó)都對(duì)利用光纖進(jìn)行頻率穩(wěn)相傳輸展開(kāi)了一系列相關(guān)研究，并在系統(tǒng)穩(wěn)定度指標(biāo)上取得了很好的試驗(yàn)結(jié)果[6-10]，系統(tǒng)萬(wàn)秒穩(wěn)定度達(dá)到10–18乃至10–20量級(jí)。國(guó)內(nèi)清華大學(xué)、北京大學(xué)、解放軍理工大學(xué)、中科院國(guó)家授時(shí)中心、中科院上海光機(jī)所等高校和科研院所也在開(kāi)展相關(guān)理論和試驗(yàn)研究，并取得了一些比較不錯(cuò)的成果[11-16]。為了滿足上行天線組陣技術(shù)對(duì)高穩(wěn)定度射頻信號(hào)的需求，本文提出了一種適用于幾千米區(qū)域上行組陣的光纖射頻穩(wěn)相傳輸?shù)姆椒?，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 光纖射頻穩(wěn)相傳輸技術(shù)

基于光纖的高穩(wěn)定度時(shí)頻傳輸系統(tǒng)的研發(fā)工作已有30多年的歷史。這其中的研究重點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)更高效、更高精度的光纖相位抖動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)。光信號(hào)在光纖中傳輸，由于溫度、應(yīng)力、色散等對(duì)光纖的影響等都會(huì)對(duì)輸出信號(hào)相位穩(wěn)定度造成惡化[17]，因此想要獲得相位穩(wěn)定的射頻輸出信號(hào)，需要采取適當(dāng)?shù)拈]環(huán)補(bǔ)償措施。由理論分析可知[17]，當(dāng)光纖傳輸距離在幾千米量級(jí)時(shí)，商用蝶形激光器波長(zhǎng)漂移引起的色散對(duì)穩(wěn)定度損失可以忽略。應(yīng)力和溫度變化對(duì)光纖影響造成的頻率穩(wěn)定度損失可以通過(guò)光纖延遲線來(lái)補(bǔ)償，兩者不同之處在于溫度變化屬于一種緩慢變化穩(wěn)定度損失因素，而應(yīng)力屬于一種快變的穩(wěn)定度損失因素，兩者引起的穩(wěn)定度損失均可以通過(guò)不同種類光纖延遲線閉環(huán)補(bǔ)償（本文重點(diǎn)就溫度變化對(duì)于光纖傳輸鏈路影響引起的穩(wěn)定度損失進(jìn)行分析和試驗(yàn)設(shè)計(jì)，應(yīng)力影響需單獨(dú)設(shè)計(jì)試驗(yàn)分析）。

頻率標(biāo)準(zhǔn)傳遞過(guò)程中，線路上氣溫的周期變化會(huì)使光纖物理性質(zhì)發(fā)生變化，導(dǎo)致傳遞距離和折射率發(fā)生變化，從而引發(fā)傳遞時(shí)間的波動(dòng)，最終形成相位抖動(dòng)。石英光纖的長(zhǎng)短與溫度改變?cè)谝欢ǚ秶鷥?nèi)可以看成是按比例變化的，由此得到光纖引入的傳輸時(shí)延表達(dá)式為

其中：x（t）為傳輸時(shí)延；n為光纖的折射率；L為光纖長(zhǎng)度；α為光纖的溫度系數(shù)；T（t）為溫度變化的函數(shù)；c為光速。

由于溫度變化引起的光纖時(shí)延的變化為

轉(zhuǎn)化成相位的抖動(dòng)為

其中：f0為標(biāo)稱頻率。

從而得到相對(duì)頻率偏差為

一般情況下，氣溫的變化可近似用正弦函數(shù)表達(dá)，即

其中：ν0為溫度變化的頻率。

將式（5）代入相對(duì)頻率偏差的表達(dá)式（4）且根據(jù)阿倫方差的表達(dá)式，將采樣次數(shù)取為無(wú)窮次，得到溫度對(duì)傳輸頻標(biāo)的穩(wěn)定性損失（阿倫方差）為

從式（6）可以看出，溫度引起的頻率穩(wěn)定度損失與光纖長(zhǎng)度L、光纖溫度系數(shù)α、光纖折射率n以及溫度變化幅度ΔT成正比，并且溫度變化的周期也會(huì)影響頻率穩(wěn)定性損失，而與傳輸頻率f0無(wú)關(guān)。因此，傳輸距離越遠(yuǎn)，氣溫變化幅度越大，頻率穩(wěn)定度損失也越高。

取n= 1.502，α= 7 × 10–6/℃，ΔT= 10 K，c= 3 ×108m/s2，L= 1 km，考慮到光纖采取光纜封裝和埋地措施處理，光纖受溫度影響降低100倍，得到不同光纖傳輸距離情況下，日溫變化10℃時(shí)，理論上頻率穩(wěn)定性損失曲線如圖 1所示。由圖 1可以看出，對(duì)于1 km長(zhǎng)的光纖，在日溫變化10 ℃條件下，秒穩(wěn)損失在10–18量級(jí)，萬(wàn)秒穩(wěn)損失約在10–14量級(jí)。傳輸距離增加1個(gè)量級(jí)，頻率穩(wěn)定度損失也提高一個(gè)量級(jí)。如果對(duì)于遠(yuǎn)距離光纖傳輸而言，溫度變化對(duì)長(zhǎng)期穩(wěn)定度影響就更大了。綜上所述，對(duì)于長(zhǎng)距離光纖頻標(biāo)傳輸，溫度帶來(lái)的光纖鏈路的時(shí)延波動(dòng)是不能忽略的，要想保證長(zhǎng)距離光纖傳輸頻標(biāo)不受損失，對(duì)于時(shí)延抖動(dòng)的測(cè)量和補(bǔ)償就是必不可少的了。

圖1 不同傳輸距離光纖在溫度變化10 ℃條件下穩(wěn)定度損失Fig.1 Stability loss of different length of optical fiber transmission at the condition of a temperature change of 10 ℃

在目前光纖射頻穩(wěn)相傳輸技術(shù)的基本原理都是利用某種信號(hào)在光纖中雙向傳遞，獲得傳輸信號(hào)的相位信息，然后通過(guò)某種閉環(huán)補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)補(bǔ)償。利用光纖進(jìn)行的穩(wěn)相傳輸技術(shù)根據(jù)光纖中傳輸光信號(hào)形式不同可以分為：傳輸射頻信號(hào)強(qiáng)度調(diào)制激光，傳輸光學(xué)頻率和傳輸光學(xué)頻率梳等幾種方式。其中傳輸相干光學(xué)頻率或者光學(xué)頻率梳可以實(shí)現(xiàn)更高的傳輸穩(wěn)定度，但是從目前傳輸商用原子鐘（商用銫鐘或者氫鐘）穩(wěn)定度需求來(lái)說(shuō)，傳輸強(qiáng)度調(diào)制激光可以提供一種可靠性較高、成本較低的可行傳輸方案。在傳輸強(qiáng)度調(diào)制激光的方案中，根據(jù)閉環(huán)補(bǔ)償?shù)脑聿煌挚梢苑譃椋夯诠饫w延遲線的閉環(huán)補(bǔ)償方案、基于波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器的閉環(huán)補(bǔ)償方案、基于壓控振蕩器的閉環(huán)補(bǔ)償方案等。根據(jù)前期技術(shù)調(diào)研與項(xiàng)目需求分析，如表 1所示，分析了總結(jié)幾種的技術(shù)途徑的原理、特點(diǎn)以及指標(biāo)等。

表1 光纖射頻穩(wěn)相傳輸方案總結(jié)與對(duì)比Table 1 Conclusions and comparisons of three kinds of methods of phase-stabilized transfer over optical fiber

2 基于光纖延遲線的光纖射頻穩(wěn)相傳輸技術(shù)

2.1 光纖射頻穩(wěn)相傳輸原理

國(guó)內(nèi)外多家科研院所對(duì)于將光纖延遲線用于光纖傳輸鏈路閉環(huán)相位補(bǔ)償已開(kāi)展了多年的研究，該技術(shù)的原理是：通過(guò)往返傳輸射頻信號(hào)檢測(cè)環(huán)境變化對(duì)光纖鏈路延遲的影響，并反饋控制光纖延遲線，調(diào)整光纖鏈路的絕對(duì)長(zhǎng)度補(bǔ)償光纖傳輸鏈路的相位抖動(dòng)。技術(shù)總體架構(gòu)如圖 2所示[18]。在中心站，將激光器輸出的連續(xù)光源注入到電光強(qiáng)度調(diào)制器中，并利用電光強(qiáng)度調(diào)制器將射頻信號(hào)調(diào)制到光載波上。被調(diào)制的光信號(hào)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離光纖傳輸?shù)竭h(yuǎn)端單元。其中一部分進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換還原射頻信號(hào)，另一部分反射回傳到中心站并利用環(huán)形器、光電探測(cè)器還原。回傳信號(hào)和原始信號(hào)經(jīng)過(guò)鑒相器后輸出一個(gè)隨相位抖動(dòng)變化的電壓值。該電壓值經(jīng)過(guò)PID（Proportion Integration Differentiation）控制可改變光纖延遲線長(zhǎng)度，并跟蹤外界環(huán)境因素對(duì)光信號(hào)傳輸過(guò)程中引入的延時(shí)抖動(dòng)。

圖2 基于光纖延遲線主動(dòng)補(bǔ)償方案Fig.2 Design of active compensation based on optical delay line

光纖延遲線方案的優(yōu)點(diǎn)在于，不涉及對(duì)任何振蕩器的操作、不影響其它變量、不需要頻標(biāo)和時(shí)標(biāo)分離傳輸。但這一方案需要通過(guò)調(diào)整光纖絕對(duì)長(zhǎng)度來(lái)補(bǔ)償光纖鏈路抖動(dòng)，在長(zhǎng)距離傳輸應(yīng)用中，特別是溫度變化很大的環(huán)境中，存在環(huán)境引入的光纖長(zhǎng)度變化超過(guò)補(bǔ)償器件的補(bǔ)償范圍的風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失效。通常這種情況下需要增加光纖延遲線長(zhǎng)度來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，這使得光纖傳輸鏈路的距離大大增加。

這一方案實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難點(diǎn)還在于光纖延遲線的制作與控制，常見(jiàn)控制方式為：①壓電陶瓷PZT方式，利用壓電陶瓷材料在電壓的控制下伸長(zhǎng)量變化的效應(yīng)，優(yōu)點(diǎn)為響應(yīng)速度快，對(duì)動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償效果好，缺點(diǎn)是需要高壓驅(qū)動(dòng)，控制輸出功率曲線為平方形式；②溫控方式，優(yōu)點(diǎn)為補(bǔ)償范圍大，缺點(diǎn)是響應(yīng)速度較慢；③電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，優(yōu)點(diǎn)是控制輸出功率曲線為線性形式，驅(qū)動(dòng)相對(duì)容易，缺點(diǎn)為響應(yīng)速度較慢，對(duì)動(dòng)態(tài)誤差的補(bǔ)償效果不佳。

2.2 上行天線組陣中光纖穩(wěn)相傳輸技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)

在上行天線組陣試驗(yàn)中，中心機(jī)房產(chǎn)生基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)上變頻后再經(jīng)過(guò)電纜傳輸至天線端高功放單元，高功放輸出信號(hào)通過(guò)天線輻射出去。為了對(duì)射頻傳輸鏈路進(jìn)行標(biāo)校，高功放單元耦合一部分射頻信號(hào)再經(jīng)約100 m光纖鏈路返回至中心機(jī)房，中心機(jī)房基帶設(shè)備通過(guò)處理各天線耦合回信號(hào)得到各天線間返回信號(hào)相位差，記錄相位數(shù)據(jù)，并觀察其變化。為了滿足試驗(yàn)需求，設(shè)計(jì)了如圖 3所示的試驗(yàn)方案。為了穩(wěn)定光纖傳輸鏈路和精確標(biāo)定返回光纖鏈路的延遲和相位，需要傳輸一個(gè)側(cè)音信號(hào)。另外，試驗(yàn)中需要將天線端高功放單元耦合輸出的射頻信號(hào)通過(guò)光纖鏈路穩(wěn)定傳輸?shù)街行臋C(jī)房。為了實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)在一根光纖中同時(shí)傳輸?shù)哪康?，該試?yàn)系統(tǒng)中利用了波分復(fù)用的技術(shù)。基于光纖延遲線的光纖穩(wěn)相傳輸技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)光纖傳輸鏈路的延遲恒定，從而可以實(shí)現(xiàn)利用該光纖傳輸?shù)乃行盘?hào)的穩(wěn)定傳輸。

圖3 適用于上行天線組陣技術(shù)的光纖射頻穩(wěn)相傳輸試驗(yàn)方案Fig.3 Experimental design of phase-stabilized transfer of RF signal over optical fiber for uplink array

在該方案中，中心機(jī)房將頻率綜合器輸出的側(cè)音信號(hào)通過(guò)波分復(fù)用技術(shù)調(diào)制到某一可進(jìn)行波分復(fù)用激光波長(zhǎng)λ2，經(jīng)過(guò)光纖延遲線后，通過(guò)光纖鏈路傳輸至天線端。在天線端，高功放單元耦合輸出的射頻信號(hào)再調(diào)制到另一 λ1波長(zhǎng)激光，利用環(huán)形器和耦合器將側(cè)音信號(hào)和射頻信號(hào)返回至中心機(jī)房。返回至中心機(jī)房的λ1和λ2激光，經(jīng)過(guò)波分復(fù)用器進(jìn)行分離。其中λ1激光經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器輸出射頻信號(hào)，λ2激光再經(jīng)過(guò)環(huán)形器后經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器輸出得到經(jīng)過(guò)雙向傳輸?shù)膫?cè)音信號(hào)，該側(cè)音信號(hào)和中心機(jī)房的未經(jīng)過(guò)光纖傳輸?shù)膫?cè)音信號(hào)進(jìn)行鑒相。鑒相結(jié)果經(jīng)過(guò)PID控制算法，得到光纖延遲線的控制信號(hào)，通過(guò)對(duì)光纖延遲線進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖鏈路閉環(huán)穩(wěn)定。另外，控制器控制頻綜輸出多側(cè)音信號(hào)，鑒相器得到多側(cè)音的鑒相結(jié)果，通過(guò)解模糊可以得到雙向傳輸延時(shí)值，這樣該系統(tǒng)便可以實(shí)現(xiàn)光纖鏈路射頻穩(wěn)相傳輸和延時(shí)標(biāo)定。

在試驗(yàn)中將側(cè)音信號(hào)和待傳遞射頻信號(hào)通過(guò)不同光載波進(jìn)行傳遞，由于λ1和λ2之間波長(zhǎng)差僅相差0.4 nm，由于波長(zhǎng)不一致性引起的群延遲的不一致性屬于系統(tǒng)偏差，有理論公式和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以進(jìn)行修正。當(dāng)傳輸距離為1 km，波長(zhǎng)差為0.4 nm時(shí)，其群延遲不一致性估算為：16.6 ps/（km × nm） × 0.4 nm ×1 km = 6.64 ps，其在C波段（6 GHz）引起的相位誤差約2 °，并且其相位差為系統(tǒng)差，對(duì)傳輸射頻信號(hào)穩(wěn)定度沒(méi)有影響。

2.3 試驗(yàn)內(nèi)容及其結(jié)果

為了驗(yàn)證光纖射頻穩(wěn)相傳輸?shù)目尚行裕罱艘粋€(gè)桌面演示試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)基本與上面圖 3所示基本相同，使用的光纖為1 km G.652單模光纖。不同的地方是在天線端高功放耦合輸出射頻信號(hào)利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的1端口產(chǎn)生，將返回至中心機(jī)房的射頻輸出信號(hào)輸入至矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的2端口，從而可以利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀判斷該系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的穩(wěn)相傳輸。

在室溫條件下，記錄閉環(huán)后側(cè)音信號(hào)的相位變化數(shù)據(jù)如下圖 4所示，在該段時(shí)間內(nèi)光纖延遲線的調(diào)整量如圖 5所示。由圖 4～5可以看出，在測(cè)試時(shí)間段內(nèi)光纖延遲線的調(diào)整量峰峰值超過(guò)110 ps，在閉環(huán)后側(cè)音信號(hào)（1 GHz）相位在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)始終在設(shè)置相位值–93°上下波動(dòng)，無(wú)明顯相位漂移趨勢(shì)。

圖4 閉環(huán)后監(jiān)測(cè)側(cè)音信號(hào)的相位變化數(shù)據(jù)Fig.4 Phase data of the detected tone signal at closed loop condition

圖5 光纖延遲線延遲補(bǔ)償量變化曲線Fig.5 Compensation delay of optical delay line at closed loop condition

將光纖放入溫箱內(nèi)，不斷改變溫箱內(nèi)環(huán)境溫度，待溫箱內(nèi)環(huán)境溫度穩(wěn)定半小時(shí)后，在不同溫度條件下，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀記錄光纖傳輸系統(tǒng)的相位變化。如表 2所示，記錄得到5.99 GHz、6.00 GHz以及6.01 GHz三個(gè)頻點(diǎn)在不同溫度下的相位結(jié)果，表 3為多次記錄得到相位差變化的標(biāo)準(zhǔn)差?？梢钥闯?，在不同溫度條件下，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量得到的光纖射頻傳輸系統(tǒng)在3個(gè)頻點(diǎn)的相位變化均未超過(guò)1 °，不同溫度下相位變化標(biāo)準(zhǔn)差約為0.29 °，從而表明這種閉環(huán)補(bǔ)償方案可以實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的穩(wěn)相傳輸。

表2 不同溫度條件下相位記錄結(jié)果Table 2 Phase results at different temperature conditions

表3 不同溫度條件下相位標(biāo)準(zhǔn)差Table 3 Standard deviation of phase results at different temperature conditions

3 結(jié) 論

對(duì)于上行天線組陣試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)射頻穩(wěn)相傳輸?shù)男枨?，本文設(shè)計(jì)了一種基于光纖延遲線的閉環(huán)光纖射頻穩(wěn)相傳輸試驗(yàn)方案。室溫條件下側(cè)音信號(hào)補(bǔ)償結(jié)果表明，未經(jīng)過(guò)補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)單向相位漂移超過(guò)55 ps，折算C波段（6 GHz）相位漂移達(dá)到118.8 °，不能滿足信號(hào)上行組陣信號(hào)合成需求。經(jīng)過(guò)閉環(huán)補(bǔ)償后，不同溫度條件下，傳輸射頻信號(hào)相位標(biāo)準(zhǔn)差為0.29 °，優(yōu)于10 °信號(hào)合成需求。桌面演示試驗(yàn)系統(tǒng)表明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)穩(wěn)相傳輸，能夠滿足上行天線組陣試驗(yàn)對(duì)于高穩(wěn)定度射頻信號(hào)的需求。目前，光纖穩(wěn)相傳輸技術(shù)正在實(shí)際上行組陣試驗(yàn)系統(tǒng)中正開(kāi)展試驗(yàn)測(cè)試與驗(yàn)證。

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