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北京錦坤科技有限公司

摘要介紹了一種新穎的用光纖進行射頻信號傳輸的穩相技術，運用鎖相環原理，在傳輸信號中同時加入一路巾頻信號用于鑒相，采用溫度控制光纖電長度的方法進行相位補償，實現射頻信號的長距離穩相傳輸。

關鍵詞:射頻信號傳輸穩相鎖相環

A Phase Stabilized RF Signal Transfer Technique by Using Fiber Opitical

Abstract A novel RF signal transfer technique in which phase is stabilized by using fiber optical is reposed in this paper．In the system，the phase of the signal which transmit in the long distance is re—trieved in the phase locked loop，by the method of controlling the temperature of the fiber optical．And the corresponding test method is put forward．

Key words RFtransmission of signal Phase stabilized Phase locked loop

1 引言

在雷達、深空探測和目標特性仿真測試系統中常常需要采用射頻信號的穩相傳輸技術。例如多功能相控陣雷達，有數千個陣元同時產生數十個天線波束，需要大量的分布式發射、接收模塊和復雜的互連控制網絡，傳統的微波器件傳輸分配技術及波束形成技術已經很難適應需求，集中表現在由于使用大量的移相器及波導互連傳輸分配系統而造成整個系統體積笨重、損耗大、易受電磁干擾、帶寬窄等方面。由于光波器件及光纖技術在損耗、帶寬、體積重量、抗電磁干擾及串話等方面的本質優點，尤其是光線延遲線實時延遲波束控制的理想功能，使得在相控陣雷達中引入光波技術成為必然趨勢。光纖穩相傳輸技術是這種相控陣雷達信號傳輸分配系統的關鍵所在。

   干涉體制的測角雷達系統中，為提高測角分辨率需要長基線布置測量天線，天線陣中各天線距中心站的距離較遠，如要保證各天線接收的射頻信號傳輸至中心站時的相位相干，則要求傳輸媒質的傳輸相位要保持穩定，否則將直接影響相位干涉測量準確度。

在雙(多)基站雷達系統中，通常只有一部發射機，而多個監視同一空域的分散配置接收機要與之同步，其中相位的同步以及多個接收機與控制中心的信號傳輸等都需要解決穩相傳輸問題。在深空探測領域，如美國NASA的深空網(Deep Space Net—work)?一[33，英國的多天線微波連接干涉儀網(MERLIN)，位于波多黎各的擁有世界上zui大口徑天線的阿雷卡納特觀測站等探測系統，都用到射頻信號的穩相傳輸技術。其中NASA的深空網系統，從10號信號處理中心到設置于16里以外的25號基站之間的光纖連接，就是采用溫度控制的原理。在這個系統中傳輸的是1 GHz頻率基準信號，相位的漂移影響頻率穩定度，若不補償，頻率穩定度為1×10^-15(1000 S)；采用補償以后，頻率穩定度≤1×10^-16(1000 s)，是目前上的高度水平。另外在實驗室的仿真測試系統中，特別是頻率和相位的測試中，當傳輸距離較長的情況下，測試信號的相位不穩定將直接造成測頻和測相的不準確。利用傳統的同軸電纜傳輸射頻信號，傳輸衰減大，相位穩定性也較差。隨著傳輸頻率的提高，衰減越大，無法進行長距離的傳輸。同軸電纜的相位穩

定性也很差，根據線纜絕緣介質的不同，相位穩定性也各不相同。采用光纖穩相傳輸射頻信號是較理想的解決途徑，光纖傳輸具有損耗極低、相位穩定性

好、傳輸帶寬大、無電磁輻射等特點，可實現遠距離傳輸。由于射頻信號是被調制在光波上進行傳輸的，所以對各射頻頻段信號的衰減基本是相同的，～般小于1 dB／km，相位穩定度優于7ppm／℃ (利用穩相傳輸系統，相位穩定度可達lppm/℃)。現有的商品化光纖發射接收模塊，已經能夠調制解調18 GHz射頻信號，能夠滿足許多射頻信號傳輸的需求。表1給出了光纖與各種同軸電纜性能的比較。

由表I中可以看出，光纖傳輸具有明顯的*性，現有裝備中采用的長距離同軸電纜傳輸系統如改用光纖傳輸系統，可大幅提高系統性能，因此具有很高的軍事應用價值。隨著電子技術的發展，越來越多的應用領域可利用光纖傳輸相位穩定的射頻信號。上述分析表明，研究光纖傳輸射頻信號的穩相技術具有廣闊的應用前景和很高的實用價值。

2基本原理

光纖傳輸是通過在發射端調制光強，將電信號轉換成可以在光纖上傳輸的光信號，并在接收端將光強變化解調成電信號的過程。光纖傳輸一般用于數據業務，調制機制是通斷鍵控。在傳輸模擬的射頻信號時，采用對光載波直接調制，射頻信號幅度的變化將體現在發射的光功率包絡的變化上，在接收端通過檢測光強變化，解調出射頻信號。在光纖中，研究射頻信號相位變化時，相位變化指的是包絡的相位變化。

相位可以用電長度來表示，電長度定義為角矢量f₀與傳播延遲t_d的乘積

而傳播延遲是與傳輸介質的物理長度l和介電常數ε_r，(對于光纖來說，是群折射率N)有關

假設光纖長度為200 m，信號頻率1 GHz，環境溫度變化20℃，由公式(7)算出相位變化為49．4℃，可見溫度帶來的相位漂移是相當大的，而且傳輸頻率越高，傳輸距離越長，相位漂移越大。推導出相位隨溫度的變化關系，反過來可以改變溫度來控制相位變化，即將一段傳輸光纖置于溫度控制之下，用這段光纖的相位變化來補償置于環境中的傳輸路徑上的相位變化。這種控制方法的關鍵是要檢測出環境溫度引起的相位變化量。

3. 穩相傳輸方案

在雷達系統中，很多時候需要直接傳輸復雜調制信號，由于信號存在帶寬，當考慮相位問題時，寬帶信號的混頻、鑒相、移相等都不容易實現，特別是電調移相器絕大部分是窄帶的，此時直接利用寬帶

信號進行處理不方便；另外，當傳輸頻率高的點頻信號時，由于頻率高對射頻器件的選擇帶來難度，所在轉化到中頻段來處理點頻信號將簡單的多。具體的做法是：在待傳輸的信號中加入一路中頻段的點頻

信號，通過中頻信號的相位變化來補償光纖溫度的變化，進而實現被傳輸的射頻信號的相位穩定。具

體方案如圖1所示。

如圖中所示，寬帶信號通過光纖模塊的調制，經過程控溫箱中的一段光纖，再通過置于環境溫度中的一段光纖，被接收模塊解調出射頻信號。另一路點頻信號則通過相同的路徑，并且原路返回到發射端與初始的點頻信號混頻鑒相，得出傳輸路徑上的相位差信號，用來控制溫箱的溫度變化，使之向減小相位差的方向變化，從而使信號相位不受環境溫度變化的影響，實現穩相傳輸。傳輸測試系統采用IEEE488接口，連接計算機與各數據采集與溫度控制設備。采用NI公司的LabWindows／CVI開發環境編寫測控軟件，實現控制測試自動化。

環境溫度變化比較緩慢，所以光纖中的相位變化也比較緩慢，檢測出來的相位差信號變化也很緩慢，所以在環路中要加入數字濾波，減少噪聲等帶來的誤鎖，增加環路控制的穩定性。另外，對溫箱溫度的控制，是一個純滯后時延系統，需要在控制方法上加以改進，避免溫度控制的振蕩。圖2給出一組測試數據。

計算射頻相位的zui大變化量、均值和方差，結果如下：

由于測試時問較短，僅為2 500 s內的一組數據，所以相位的上下波動對于測試結果的影響還是較大的，如果長期測試將得到更高的相位穩定性指標。光纖穩相傳輸射頻信號實驗系統的測試表明，相位穩定性能達到2 500 S內的相位變化小于5。相位穩定性指標決定于鑒相電壓的采集精度、射頻信號與參考鑒相信號的傳輸一致性和溫度控制

精度。目前的傳輸系統中，電壓采集精度*穩定性指標的要求，溫度控制的精度是影響相位穩定性的zui主要因素。本方案采用的是帶護套的室內軟光纜，其溫度傳感效率和特性影響了溫度控制的效果，下一階段的實驗可以采用單模裸纖置于程控溫箱中，并且設計裸纖的盤繞方式加強溫度傳感的效率。另外，溫度控制的純延遲性也需要在溫度控制的算法上做進一步的改善。

4.結束語

光纖傳輸相位穩定的射頻信號，其*性將廣泛地應用于雷達系統的信號傳輸，如干涉陣天線與信號處理中心的連接、光控相控陣雷達、頻率基準的長距離分配等。隨著多基站雷達以及干涉技術的發展，光纖傳輸穩相射頻信號將得到更廣泛的應用。

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射頻信號的光纖穩相傳輸技術

作者： 敖亞娜

作者單位： 北京無線電計量測試研究所,100039

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