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[摘 要] 介紹了微波光纖延遲線的原理和特點，并對微波光纖延遲線的性能（靈敏度、動態(tài)范圍等）進行了詳細的分析計算。當前，微波光纖延遲線已達到實用化程度，可廣泛應(yīng)用于雷達和電子對抗領(lǐng)域。
[關(guān)鍵詞] 微波光纖延遲線；激光器；光電檢測器；信號處理；雷達；電子對抗。
[中圖分類號] TN929．¨ ；TN97 [文獻標識碼] A [文章編號] 1006 l 9O8（2002）04—0001—05

School of Electron and Inform ation，Shanghai Jiaotong Univ．，Shanghai 200030．China）Abstract： The theory and characteristics of microwave optical fiber delay—line are introduced。and its perfor—m ance（sensitivity，dynamic range）is analyzed and calculated in detail Today，m icrowave optical fiber delay line has come into practical use and it can be widely used in the fields of radar and electronic counterm easure．
Key words：m icrowave optical fiber delay line；laser；photodetector；signal processing；radar；electronic coun

0 前 言
延遲線存儲器。
延遲線廣泛應(yīng)用于信號處理、雷達和電子對抗等領(lǐng)域。信號處理需要的單元延遲設(shè)備就是一種存儲器．動目標顯示（MTI）中必須有延遲線—又一
種存儲器，電子對抗中需要把信號先存儲一定時間再進行處理，如把接收對方的雷達信號延遲一定的時間再發(fā)出去，便完成了欺騙式干擾?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)需要形形色色的信號存儲器。我們主要關(guān)心的是適合于雷達和電子對抗的信號存儲器件—— 光纖延遲線。

雷達zui初使用存儲管和水銀延遲線，后來采用性能更好的石英延遲線，zui后，發(fā)展起來的是超導(dǎo)延遲線和光纖延遲線。按物理概念，延遲線可分三種：
1）電信號延遲線，如電荷耦合器件（CCD）和電纜等；
2）超聲波延遲線，如水銀延遲線、石英延遲線等；
3）光信號延遲線，如光纖延遲線、光數(shù)字同步延遲線存儲器。

1 光纖延遲線的特點
光纖延遲線是一種新型的性能優(yōu)良的信號處理器件。超聲波器件（主要指性能較水銀延遲線為好的石英延遲線）在較低頻率上具有優(yōu)良的性能，但其帶寬限制在1GHz左右。雷達信號實時處理需要高達10GHz以上的寬帶信號處理器件，聲表面波器件就無能為力了。光纖延遲線工作在微波波段，已有資料顯示，在lkm 長的光纖延遲綣上，工作頻率可達100GHz以上，因此，光纖延遲線特別適用于雷達信號處理系統(tǒng)，雷達系統(tǒng)及電子對抗系統(tǒng)是光纖延遲線的zui大應(yīng)用市場。各種延遲線的主要性能對比見
表1。

光纖延遲線的另一個特點是它的射頻單位延遲損耗非常小，而且，損耗不是工作頻率的函數(shù)，這是其他延遲線不能相比擬的，圖1表示了幾種延遲線的損耗與工作頻率的關(guān)系。由表1和圖1可以看出，由于光纖延遲線單位損耗小，延遲線就可以做得長，因此延遲時間也長。光纖延遲線的延遲時間與它的長度有如下關(guān)系：

式中L為光纖長度，為光纖纖芯折射率，C為光速。同時，光纖延遲線的工作頻率可達100GHz，即它的工作帶寬寬，因此，光纖延遲線的時間帶寬乘積很大，通常比其他延遲線大一個數(shù)量級以上，圖2是延遲線zui大帶寬與延遲時間的關(guān)系。

光纖延遲線還具有尺寸小、質(zhì)量輕、柔軟易裝配及良好的溫度穩(wěn)定性等特點，這對于受空間、質(zhì)量限制以及環(huán)境又非常惡劣的空載和艦用電子設(shè)備具有非常大的吸引力。

2 光纖延遲線的原理
圖3是光纖延遲線單元的示意圖。射頻電信號輸入激光二極管（LD），LD將輸入射頻電信號變換成被該信號調(diào)制的光信號，通過光接頭耦合進光纖。光電檢測器（PD）將射頻調(diào)制的光信號再變換為原來的射頻電信號。輸出的射頻電信號的頻譜*和輸入射頻電信號的頻譜相同，只是用光纖作為介質(zhì)延遲了一段時間，也就是說，射頻信號瞬時儲存在光纖延遲線中，存儲時間的長短與光纖的長度成正比，這就是光纖延遲線儲頻的原理。

在常規(guī)的動目標顯示（MTI）雷達中，延遲一個雷達脈沖周期的延遲線通常用石英延遲線，由于它不能工作在微波波段，所以，必須先將射頻信號下變頻為中頻，然后由聲波換能器將中頻電信號變換成聲波，經(jīng)過石英傳輸后，再由聲波換能器將聲波變?yōu)橹蓄l電信號。如果需要射頻信號輸出，則需要將中頻電信號上變頻為射頻信號。顯然，這種方法不如光纖延遲線的簡單。光纖延遲線分為非重復(fù)循環(huán)光纖延遲線、重復(fù)循環(huán)光纖延遲線、晶格光纖延遲線和先進的可編程光纖延遲線等四種形式，它們可以構(gòu)成編／解碼器、相關(guān)器、濾波器、橫向濾波器（如圖4所示）、A／D變換器、光電相控陣天線網(wǎng)絡(luò)分配器和數(shù)字同步延遲線存儲器（DSDLM）等。

3光纖延遲線信號存儲單元設(shè)計和性能分析
圖5為光纖延遲線單元線路。圖中所示器件的物理量：P。為射頻信號輸入功率（w ），G1。為前置放大器功率增益，NF為前置放大器噪聲系數(shù)，I為激光器直流偏流（A），Ith 為激光器門限電流（A），△I=I-Ith為門限以上的激光器偏流（A），Rl 為激光器動態(tài)輸入電阻（50Ω），g2為激光器傳輸函數(shù)，工作在偏流時為0．30w／A ，OL為激光器靜態(tài)輸出功率（w ），L 1為激光器耦合系數(shù)（≈0．15），L2為光纖傳輸函數(shù)（≈ 1．0），L3為光電檢測器耦合系數(shù)（≈0．45），L t為總傳輸系數(shù)，Lt =L1，L2，L3，OP 為損耗為LT 時，進入光電檢測器的靜態(tài)光電功率（w），g3為光電檢測器的變換系數(shù)（≈0．57A／W ），），C。為檢測器輸出電容（2～ 5pF），P。為對應(yīng)于Ps的射頻信號輸出功率（w ），R。為檢測器負載電阻（50Ω），B為有效噪聲帶寬（Hz），B3為3dB信號帶寬，F(xiàn)為噪聲一信號帶寬比，F(xiàn)=B／B3.在正常工作時，激光器的偏流被調(diào)到大于門限電流，并接近激光器的輸出功率能力的中間工作點，作為典型情況，激光器輸出OL 調(diào)到1．2mW ，對應(yīng)的，值為24mA（使用的激光器門限電流為20mA），即：

圖6為以上激光器輸出功率與直流偏置電流的關(guān)系曲線。

激光器輸出光功率oL 耦合進光纖，經(jīng)過光纖傳輸后，進入光電檢測器，則

該光功率可產(chǎn)生直流電流：

3．1 通量損耗
通量損耗定義為輸入信號功率Ps 與輸出信號功率P0 之比：

因此，代入圖5所示各項數(shù)據(jù)可知，可以用38．75dB的前置放大器來補償線路損耗，這些損耗主要受激光器和光電檢測器的量子效應(yīng)限制。

3．2 輸出噪聲電流
三種重要的光電檢測器輸出噪聲電流量：信號散粒噪聲電流來自前置放大器輸入的熱噪聲和前置放大器噪聲的傳輸熱噪聲電流，輸出熱噪聲電流
Ith下面給出這三種噪聲電流的公式：

 

3．3 靈敏度
靈敏度由可接收的zui小信噪比決定。光電檢測器輸出端的功率信噪比為：

3．4 動態(tài)范圍
zui大信號功率P?是受到輸至激光器的zui大輸人激勵（對應(yīng)飽和量的8O 的幅度調(diào)制）和激光器過載功率限制的，因此：

下面將單通道的分析結(jié)果列于表3。可以看出，通常情況下，微波光纖延遲線系統(tǒng)的靈敏度已能夠滿足系統(tǒng)的要求，且有較寬的動態(tài)范圍。如果需要大的延時，則需要更長的光纖。由于損耗的存在，光纖傳輸函數(shù)L2 不可能接近于1，這可以通過前置放大器，來補償損耗．以滿足延遲系統(tǒng)要求。

4 應(yīng)用
微波光纖延遲線以其*優(yōu)點，廣泛用于雷達和電子對抗中，下面是幾個典型運用實例。
1）光電相控陣天線系統(tǒng)
在空用及海用電子設(shè)備中，對體積和質(zhì)量有嚴格的限制，采用光纖作為天線波速形成網(wǎng)絡(luò)，不僅天線質(zhì)量大大降低，而且天線的有效反射面積也可大為減少。
2）濾波器
橫向濾波器是信號處理中很重要的一部分，利用光纖抽頭延遲線可以構(gòu)成光纖橫向濾波器，對光信號進行濾波處理。
3）光纖延遲線信號存儲
a）艦載雷達非相干動目標顯示（MTI）為了克服多徑效應(yīng)，檢測貼近海面的低飛行目標，艦載雷達必須工作在K 波段，而且必須有動目標顯示設(shè)備，常規(guī)的相干MTI要工作在K 波段是比較困難的，解決方法是用光纖延遲線構(gòu)成的非相干MTI系統(tǒng)。
b）雷達系統(tǒng)性能測試
為了評價雷達系統(tǒng)的性能，常常用雷達轉(zhuǎn)發(fā)器測試靶。通常轉(zhuǎn)發(fā)器測試靶與雷達相距幾公里，它們之間是大氣。雷達信號在大氣中傳輸。由于大氣成分受天氣、季節(jié)因素影響而變動，因此微波在大氣中的傳輸質(zhì)量受其影響，進而影響雷達系統(tǒng)性能測試的精度。如果用光纖延遲線遠離雷達發(fā)射場的測試靶，就不存在這個問題，而且可以在室內(nèi)方便地獲得實際目標返回信號。
c）欺騙式干擾機
欺騙式干擾機接收對方的雷達信號。儲存一段時間，經(jīng)處理再發(fā)回給對方，完成欺騙干擾，因而，存儲器是*的。光纖延遲線具有極寬的頻率帶寬和很短的延遲（1ns），在欺騙式干擾中起著重要的作用，它可以有效地無畸變收發(fā)雷達信號，對于高密度信號環(huán)境特別有意義，而且成本也很低。

5 用于光纖延遲線的光電器件
顯然，用光纖實現(xiàn)信號存儲，就是要實現(xiàn)如圖5所示的單元系統(tǒng)。它主要由激光二極管（I D）、光電檢測器（PD）和光纖組成。由于光纖的工作頻率可以很高，因此，主要是LD和PD 限制了系統(tǒng)的工作頻率。目前，國內(nèi)的LD和PD商品化產(chǎn)品已達到2～8GHz。國外，20GHz的LD和PD已商品化（詳見表4）。所以*可以實現(xiàn)100GHz以上的光纖延遲線。隨著延遲時間的增加，光纖長度要加長，色散影響會增大，此時，可采用低色散的光纖（如O．655光纖）。另外，還可用色散補償技術(shù)使色散的大小控制在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)。在光纖延遲線中采用負斜率色散補償光纖（NS—DCF）進行色散補償，達到*性價比。因為負斜率色散補償光纖既能對色散進行補償，又可加大延遲時間。

6 結(jié) 論
光纖延遲線性能遠遠優(yōu)于其他延遲線，隨著光電技術(shù)的發(fā)展，工作波長達到微波頻段毫無問題。而且器件價格現(xiàn)在越來越低，性能越來越好，其性價比還將大大提高，在雷達和電子對抗中的應(yīng)用已趨實用化。

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