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用于 X 波段相控阵天线的高速可调光纤延迟线

作者：袁陶日期：2015-12-23 10:39 来源：未知

【摘要】    通过设计用于 X 波段相控阵天线 5bit光纤延长线研究，采用高速磁光开关和单模光纤级联组成。得出设计出的光纤延迟线可以实现延迟量在0~1096ps范围内步进35.4ps的任意可调。光纤延迟线系统在体积和重量上还没有达到集成化的目标, 就地面天线系统而言可以接受。
【关键词】    光纤延迟线    光开关    延迟精度
现在，随着信息技术的进步发展对相控阵天线的性能人们的要求越来越高，比如提高通信的速率、高精度的测距、恶劣电磁环境下工作等等。这就需要天线能够具有较宽的工作谐带宽以及瞬时信号的带宽。传统的相控阵天线在使用电传统的相控阵天线采用电移相器的时候，会产生一种叫做“波束斜视”的现象，由于天线的带框受到非常严重的限制，为了能够解决这个问题，实现宽带信号处理和宽角扫描，然后提出了实施延迟线技术。
光实时延迟线通过把微博信号调制导到该载波上面，然后在光纤中进行传递，经过光电探测器恢复微博的信号，我们就把这称作是微波技术。因为光频相对于天线工作的微波频率来说要比它高多个数量级。假如在光域当中实现了时间延迟，就可以认为时间延迟量和微波的频率没有关系。也就是光实时延。光实时延迟线具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、远距离传输等等优点。现在已经成为了相控阵天线研究的主要方向。
一、光纤延迟线的设计
从二十世纪八十年代开始，就已经出现了很多种类型的光实时延迟线，比如色散光纤性、空间光学型、光波导型得等。但是如果从技术方面和稳定性考虑的。基于光纤型的延迟线最适合在工程方面应用。我们设计了一种可用在X波段的相控阵天线的 5bit 光纤延迟线。
延迟线是由两个1X2光开关和四个2X2光开关串联而成的，光开光有两种状态可以互相切换，分别是直通状态和交叉状态。延迟时间可以通过这两个光开关上下两路的光程差计算得到。第一级的延迟量是 τ，按照二进制进行递增，最后一级的延迟量为16τ。这条链路可以实现延迟量在0~31τ 范围内步进是 τ 的任何变动，可以使用电脉冲的方式来驱动光开关的状态切换。实现延迟量的变化。
我们设计者个光纤延迟线是为了满足X波段天线（9~10HZ）的需求。比如一维线阵，间距为d=15cm,波束角度θ=45°，这相邻来那个天阵元之间的延迟时间可由（1）式得到
c d / sin t θ = ∇                                                           （1）
其中 c 为光在真空当中传播的速度，根据上式可以得到第一级的光纤延迟线的延迟量为ps 4 . 35 t = ∇ = τ 35.4 ps。单模光纤的芯层折射率为 r =1.468，延迟量 t ∇ 以及光纤长度 l ∇ 可以通过（2）式得到r d r c l / sin / θ = = ∇                                               （2）5bit光纤延迟线在各级的延迟量和他们相对应的理论值
如表一所示。这个光纤延迟线理论上可以实现在0~1096p延迟量范围内步进是 35.4ps 的任意变化

表一 5bit 光纤延迟线各级延迟量和对应的光纤长度
二、实验系统和测试结果
在光实时延迟线当中光开光是最重要的器件，光开光的选择有很多种，如果根据工作原理的不同可以分别划分为非机械式开关和机械式开关，机械式开关主要依靠光学元件的空间位置的变化来改变光路，非机械是开关主要通过热效应光电效应得等来改变器件的折射率参数，从而是光路发生变化。根据我们的实验，我们选择使用高速磁光开光，因为它具有开光速度快，损耗低的特点。不需要持续的进行供电。按照描述的结构，我们设计了一条以高速磁光开关的5bit光纤延迟线模块。工作的波长范围是1525~1565nm;光纤接口，以及模块集成光开光驱动电路，LED 灯泡；Lab View 编程。
2.1 切换速度
触发脉冲的前沿到开关完全完成状态切换的这段时间我们认为这就是光开光切换的速度。光开光状态可以使用输出光功率来表示，我们通过使用双通道示波器对开光的速度进行了测试，测试结果显示，在电脉冲的驱动作用下，光开光一头的输出信号经历了有到无、无到有这样的一个变化霍城测试的结果证明切换的实践 t ＜ 30μs。
2.2 插入的损耗
光开关和光纤连接器的插损决定了光纤延迟线的损耗，系统使用的光开光损耗都小于 1dB ,5bit
2.3 延迟精度
我们使用的是相移法，通过使用在、矢量分析仪来测量光纤延迟线的延迟量，把光纤延迟线接到宽带RoF链路当中测量这整个链路的延迟性，然后改变光纤延迟线的延迟量，然后再测量这条链路延迟量的变化，两者对比从而得到光纤延迟线的延迟量的曲线。
使用相移法理论上精度可以达到.5ps以下，但是我们制作的5bit光延迟量的曲线和误差图下图所示，从这些图看以看出，我们成功实现在在1~1096ps延迟量范围内，步长为35.4 可以任意白哪壶，精度达到 ±2ps
三、天线方向图仿真结果
为了测试我们设计出5bit光纤延迟线的性能，我们把32天线阵元当做仿真对象，波束角度为450 。在 0~1096ps范围内进行34.5的信号传递，在每个真元时间误差为±2ps内，然后分别在9GHz以及在10GHz这两个频率进行天线的图仿真。结果如图 1。

从图中可以看出使用了光延迟线的阵列方向图得到了明显变化。
四、结束语
本文主要验证了基于光开光高速可调5bit光延迟线，虽然在体积和重量上面还没有实现集成化的目标，但是对于地面天线系统来说完全可以接受。
参考文献
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[2] 邓浩 . 基于光控相控阵雷达的光纤延迟线关键技术研究 [D]. 电子科技大学 ,2013.
[3] 王勇 . X 波段（8 ～ 12GHz）相控阵天线的研究 [D]. 电子科技大学 ,2005.