基于微波光子学的宽带大延时射频信号传输系统研究

张静 戴泽璟 梁会娟 张业斌 赵恒 崇毓华

摘要：文章针对宽带大延时射频信号传输系统进行相关研究，详细说明了宽带大延时射频信号在传输过程中遇到的问题，重点设计了基于电域混频模式的主动式稳相传输方案，研制了一套62 km宽带大延时射频信号传输系统，具有300 µs的延时量。同时采用主动式稳相技术，链路的时延稳定性达到≤6°/s，工作频率覆盖Ku频段，具有很好的工程应用前景。

关键词：微波光子学  宽带大延时  主动式稳相  电域混频

Research on the Broadband Long-Delay Radio Frequency Signal Transmission System Based on Microwave Photonics

ZHANG Jing1  DAI Zejing1  LIANG Huijuan1  ZHANG Yebin1  ZHAO Heng1

CHONG Yuhua2

（1.The 38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation;2. Anhui Province Engineering Laboratory for Antennas and Microwave， Hefei， Anhui Province， 230088China）

Abstract ： This paper studies the broadband long-delay RF signal transmission system， details the problems encountered in the transmission of broadband long-delay RF signals， focuses on designing the active phase-stable transmission scheme based on the electric domain mixing mode， and develops a 62km broadband long-delay RF signal transmission system. It has a delay of 300 µs and adopts the active phase-stable technology， the delay stability of the link reaches≤6°/s， and the working frequency covers the Ku band， which has a good engineering application prospect.

Key Words： Microwave photonics; Broadband long-delay; Active phase stability; Electric domain mixing

微波光子学就是一门将微波技术与光电子技术结合而产生的一门交叉学科。它充分利用了光纤传输频带宽、信号衰减小、保密性好、抗电磁干扰等优点。光电子技术解决了传统微波技术中难以解决的[1-2]大延时传输、宽带信号处理等问题。大延时[3]光载射频传输系统在导航、雷达标校、预定延时等领域有着广泛的应用。但是在大延時传输系统中，光纤受到外界的温度、振动、压力的扰动，从而使得其内部传输的信号的延时发生波动。同时色度色散对大延时光纤链路的RF性能会有显著影响。色散会造成射频功率的周期性衰落。相位稳定性和色散问题制约了大延时传输系统的工程应用[3]，开展相关问题的研究很有必要。基于上述领域的需求，文章设计了一种大延时宽带光载射频系统，链路的相位稳定性达到≤6°/s，延时量达到300 µs，频率覆盖Ku频段。

1 大延时光载射频系统稳相原理及方案

1.1 温度对光纤的扰动原理

信号在普通单模光纤中的传输延时为可表示为

其中，L为单模光纤长度，n为光纤折射率，c为光在真空中传播速度。当光纤所处外界环境的温度和压强发生变化时，折射率和长度会发生变化。从式（1）可以看出，对应的传输延时也会发生相应变化。光纤长度L和折射率n，都会随着外界温度变化和机械振动而发生相应的变化，进而导致链路的传输延时发生变化，使得光载射频信号的相位也随之发生变化。温度对光纤延时的影响可用式（2）表示[3]：

其中，K称为光纤的热延迟系数，其定义为单位温度、单位长度引起的光纤传输延时的变化，单位为ps/（km∙℃）。式（2）右边括号中的第一项表示光纤长度随温度变化而产生的延迟变化，第二项表示由光纤折率随温度变化而产生的延迟变化。对于光纤通信传输常用的G.652.D光纤，延时随温度变化的总体系数为35 ps/（km∙℃）。为了抑制这种信号在光纤中传输所导致的信号相位波动，需要引入光纤稳相传输技术。

1.2 远距离传输色散补偿研究

对于外调制直接检测（IMDD）链路，随着光纤长度的增加，传输距离的延长，射频输出功率会逐渐减小，并呈周期性变化。为了保证远距离传输射频输出功率稳定，需要对传输链路的色散进行补偿，链路总色散残留越少，对射频功率影响越小。可以采用单模光纤与色散补偿光纤熔接的模式，单模光纤的色散系数约为18 ps/（nm∙km），色散补偿光纤色散系数约为180 ps/（nm∙km），单模光纤与色散补偿按照10﹕1的长度定制。

1.3 稳相控制设计方案

稳相控制主流的方案是电域混频的方法，提取经过链路输出的射频信号与本地参考信号的相位差，通过反馈控制调节光路长度的方式，预补偿光纤链路因外界环境变化产生的额外相位差，实现相位稳定。电域混频的方法又包括被动式稳相和主动式稳相。被动式稳相，它利用混频相消的原理，对光纤链路的抖动进行消除。缺点是一次只能实现单个频率信号的传输，若待传射频信号的频率发生改变，则需要更换相应的带通滤波器等，且对微波源与相关电子器件的性能要求较高。

主动式稳相[4-5]利用鉴相器将光链路抖动引起的相位误差提取出来，并根据误差信号来进行反馈控制，实现相位稳定控制。主动式稳相反馈控制的方法有移相器、可调延时线[6]、压控振荡器、光纤拉伸器、光纤温控技术、利用色散理论通过改变激光器的波长进行延迟的调节。

文章采用主动式稳相传输技术，在所传输的电信号中加入一个低频的信号（导频信号），通过该低频信号在光纤中的传输来解算出相应的光纤中的光程的波动，进而通过反馈控制技术来抑制光纤受到的外界干扰[4]。系統中需要高精度相位检测和基于PID原理的反馈装置，将检测的相位信息反馈控制可调光延时线，完成相位控制。通常来说，相位的控制需要混频器、鉴相器、可调光延时线、带通滤波器等器件。鉴相器采用AD公司鉴相芯片，该芯片为AD公司推出的高集成度的幅度和相位测量的单片集成电路，能测量从DC～2.7GHz频率范围内2个输入信号间的幅度比和相位差。

在相位控制部分，系统采用PID控制方法，根据经鉴相器提取的测量结果，利用编程软件实现PID[7]算法控制，合理设置P、I、D参数，获取需要补偿的延时量然后通过串口控制高精度的可调光延时线工作，实现系统相位控制。比例系数Kp越大，调节能力越强。但是Kp越大受到扰动后回到稳态后的稳态误差越大，Kp大到一定程度，会使系统产生振荡，实际应兼顾“快”和“稳”两个指标。当Kp值相同时，Kd越大，系统进入稳态时间越短，进入稳态后稳态误差越小，这是因为微分系数调节在系统引入一个有效的早期修正信号，可以减少系统调节时间。

2 系统测试与结果分析

按照如图1所示搭建实验系统。系统主要包括激光器、铌酸锂强度调制器、波分复用器、可调光衰减器、长光纤、解波分复用器、光放大器，光环形器、可调光延时线、探测器。激光器选用I-TUT C34、C42波长，输出光功率为19 dBm，调制器通过偏压控制使其工作在正交工作点处，光插损为7 dB。波分复用器和解波分复用器按照激光器波长设置。长光纤长度为62 km，色散残留量保证在±10 ps/nm以内。可调光延时线的调节范围为0～1 120 ps。导频信号选择2 GHz射频信号，通过功分器一分为二，一路加载到强度调制器上，一路作为鉴相的参考信号。调制后的光信号通过波分复用器与传输路信号合成传输到长光纤中。导频信号经过长光纤传输后经解波分复用器经探测器还原成电信号，电信号经过低噪声放大后与原始信号进入混频器，此时由于温度带来的光纤折射率和长度的变化引起的相位变化信息就可以通过AD采集卡采集，通过LabVIEW程序控制可调光延时线的长度来实时补偿相位变化实现稳相功能。

在常温实验室环境下，监测该系统，在18 GHz处相位如下图所示。监测方法：矢网单点频模式（18 GHz）相位值，每300 ms采集一次，共监测44 min。

从图2可以看出未加稳相系统时，18 GHz频点处相位5h漂移14 000°。从图3中可以看出相位漂移指标满足≤6°/s。

3 结语

宽带大延时射频信号传输系统在雷达、电子对抗、无线通信等方面有着广阔的应用前景。本文分析了温度对光纤传输延时的影响，远距离传输射频功率周期性衰落问题。通过在系统中加入导频信号，利用PID控制原理，实现了系统的相位控制。该系统同时具有工作频带宽、增益平坦度高等优点，对工程应用有一定的指导意义。

参考文献

[1] TONG G C， JIN T， CHI H， et al. Stable Radio Frequency Dissemination in a Multi-Access Link Based on Passive Phase Fluctuation Cancellation[J].Optics Communications，2018，423：53.

[2] ZHU X， JIN T， CHI H， et al. A Coherent Photonic RF Scanning Receiver Based on a Flat OpticalFrequency Comb[J].Optics Communications，2018，421：41.

[3] 童国川.基于光子学的高质量微波信号发生及大延时稳相传输技术研究[D].杭州：浙江大学，2018.

[4] 吉宪.一种双向同源相参微波光纤稳相传输系统[J].计算机工程与科学，2022（8）：1475.

[5] 姬在文.基于微波光子技术的射频信号稳相传输技术研究[D].成都：电子科技大学，2018.

[6] 赵明峰，杨康.基于可调光延时线的射频信号长距离光纤稳相传输技术研究[J].舰船电子对抗，2021（5）：55.

[7] 张磊，梁晓东，李少波，等.基于PID反馈控制的光载射频稳相传输技术[J].太赫兹科学与电子信息学报，2022（5）：408.