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摘要：在测试无线电测高功能、测高能力和主要性能时，需要有相应的延迟单元配合，组成测试系统，完成特定的性能测试。文章给出了用光纤技术完成用于无线电测高功能闭环联试模拟飞行高度模拟器的设计思路和方法。
关键词：光纤；光发射；光接收；光纤延迟；光开关
中图分类号：V241.621 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）08-0106-01
光纤的应用逐渐在光传感器、光纤通信及微波光学领域兴起，利用光纤技术对调制在光波上的微波信号进行传输、延迟、分配和处理，因具有损耗低、抗电磁干扰能力强、频带宽等独特的优点，应用前景广阔，是目前多个学科交叉渗透的热点。而用光纤传输模拟信号，特别是微波信号的研究在国际上十分活跃，通过光纤来传输不同形式的微波信号，如远程雷达和机载雷达系统的微波光纤链、CATV的微波光纤链、光纤延迟线等均在研究之列。
1 光纤基本概念
光纤是一种传输介质，它的完整名称叫做光导纤维，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而制成的光传导工具。
光纤按传输模分为单模光纤和多模光纤。单模光纤芯径小（10 um左右），单模光纤中心玻璃芯很细（芯径一般为9或10 μm），只能传一种模式的光，其色散小，适用于远程通讯。多模光纤芯径较粗（50或62.5 μm），可传多种模式的光，其模间色散较大，因此，多模光纤传输的距离就比较近。光纤的工作波长有0.85 μm、1.31 μm和1.55 μm。
2 信号处理流程
如图1所示，无线电高度模拟器主要由光发射模块、光传输延迟模块、光接收模块组成。
信号的处理过程是射频信号经过带有自动功率和温度控制的电/光转换单元，完成微波信号的阻抗、噪声的匹配，预失真补偿，噪声抑制以及电光转换功能，产生的调制光信号进入延迟模块进行光纤路径选择以得到不同模拟距离，延迟后的光信号由光接收模块的光/电转换电路解调出微波电信号，接着信号输出到后端阻抗匹配处理单元，实现50 Ω的阻抗、噪声的匹配，完成优化输出射频信号的功能，输出的信号频谱完全和输入的微波电信号频谱相同，只是用光纤作为介质延迟了一段时间。
3 电性能设计
3.1 光发射模块的设计
光发射模块在设计时要注意几点要求：转换效率、输入阻抗匹配特性、调制带宽、工作温度范围、体积、功耗及工作波长。高转换效率的电光调制器可降低电光转换带来的插入损耗，从而提高组件的工作动态范围。良好的输入阻抗匹配不仅是实现组件好的幅度平坦度的重要条件，也可在一定程度上降低组件的额外插入损耗。
本系统的光发射模块由激光器、直流偏置电路、阻抗匹配电路、光功率检测电路、温度控制电路以及光隔离器等组成，完成将射频信号转成光信号的功能。具有线路结构简单、射频驱动功率低，总的链路损耗低等优点
3.2 光接收模块的设计
光接收模块的任务是以最小的附加噪声及失真，恢复出光纤传输后由光载波所携带的信息，因此光接收的输出特性综合反映了整个系统的性能。它主要包括光探测器、驱动放大、阻抗匹配、隔离器等。
光探测器的主要作用是利用光电效应把光信号转变为电信号。对光电探测器的要求是灵敏度高、响应快、噪声小、成本低和可靠性高。常用的光电检测器是PIN光电二极管，在本设计中，光信号被PIN光电二极管探测到，并被它转变回电流，探测器中的PIN光电二极管的响应度约为0.85 mA/MW，射频响应带宽高，等效噪声电流值约为20 Pa/Hz。然后将光电探测器产生的微弱的电流信号转化为电压信号，再进行进一步放大、整形和处理，最后经阻抗匹配完成与端口阻抗相匹配，获得更好的输出阻抗特性。
3.3 光纤延迟的技术实现
本文介绍的高度模拟器可按20 m步进方式提供0～1 260 m的延迟高度。光纤延迟阵列的拓扑结构图如图2所示，由2个1×2光开关和5个2×2光开关及6段不同长度光纤延迟线段组成。
若要完成以20 m步进的方式达到0～1 260 m的延迟高度全覆盖，需采用6组光纤延迟线段并配用7个光开关组成延迟线矩阵组，6组光纤延迟线段其等效高度加内部、外部电缆电长度分别为20 m、40 m、80 m、160 m、320 m、640 m，由控制电路发出指令信号，控制7个光开关不同的导通组合选通所需光路，来选中相应的光纤延迟线组合，从而达到完成选择所需的延迟高度。
由于射频信号传播速率是与在真空中的传播速率近似，因此雷达不同距离目标回波的延时时间T与距离L的关系为：T（μs）=2×L（km）/（3×10（km/μs））=（20/3）L，其中“2”表示往返距离。所以空间距离20 m、40 m、80 m、160 m、320 m、640 m所产生的延迟时间分别为0.133 μs、0.266 μs、0.533 μs、1.066 μs、2.133 μs、4.266 μs，而对应光纤线段，延迟时间为4.89 μs/km，对应的光纤长度约为27.2 m、54.4 m、108.8 m、217.6 m、435.2 m、870.4 m。
光纤延迟组合的技术实现，光纤和光开关的正确选择至关重要，它决定了整个延迟系统的性能。在本设计中光纤选择波长为1 310 nm的单模光纤，原因是单模光纤只能传输一种模式的光，因此，单模光纤没有模分散特性，光纤的芯相应较细，传输频带宽、容量大、传输距离长。加上在1 310 nm波长处，单模光纤的总色散为零，从光纤的损耗特性来看，1 310 nm处正好是光纤的一个低损耗窗口。
光开关是一种具有切换光路作用的功能器件，对于光开关的选择应基于以下几点：低的插入损耗，快的开关时间，高的开关重复性、高可靠性以及较小的体积等。在电光和光电转换插入损耗一定的时候，光开关所引入的附加插入损耗将直接影响整个系统的工作动态范围。光纤延迟阵列的切换时间是有光开关的开关时间所决定，因此光开关开关时间应满足系统的开关时间并尽可能的快。光开关的开关重复性是影响系统幅度一致性指标的一个重要指标参数，所选取的光开关必须保证具有较高的重复性，这样才不会带来测试的非一致性。
4 结 语
基于光纤的无线电高度模拟器通过不同长度光纤的延迟、切换，可实现多个目标距离的自动模拟，其结构简单，工作频率高，延迟范围大且延时精度高，并可按照这种设计思路依据实际要求进行灵活设计，具有较高的实用性，另一个重要特点是它的射頻单位延迟损耗非常小，而且损耗不是工作频率的函数，这是其它延迟线不能相比拟的。
参考文献：
[1] 胡先志.光纤与光缆技术[M].北京：电子工业出版社出，2007.
关键词：光纤；光发射；光接收；光纤延迟；光开关
中图分类号：V241.621 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）08-0106-01
光纤的应用逐渐在光传感器、光纤通信及微波光学领域兴起，利用光纤技术对调制在光波上的微波信号进行传输、延迟、分配和处理，因具有损耗低、抗电磁干扰能力强、频带宽等独特的优点，应用前景广阔，是目前多个学科交叉渗透的热点。而用光纤传输模拟信号，特别是微波信号的研究在国际上十分活跃，通过光纤来传输不同形式的微波信号，如远程雷达和机载雷达系统的微波光纤链、CATV的微波光纤链、光纤延迟线等均在研究之列。
1 光纤基本概念
光纤是一种传输介质，它的完整名称叫做光导纤维，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而制成的光传导工具。
光纤按传输模分为单模光纤和多模光纤。单模光纤芯径小（10 um左右），单模光纤中心玻璃芯很细（芯径一般为9或10 μm），只能传一种模式的光，其色散小，适用于远程通讯。多模光纤芯径较粗（50或62.5 μm），可传多种模式的光，其模间色散较大，因此，多模光纤传输的距离就比较近。光纤的工作波长有0.85 μm、1.31 μm和1.55 μm。
2 信号处理流程
如图1所示，无线电高度模拟器主要由光发射模块、光传输延迟模块、光接收模块组成。
信号的处理过程是射频信号经过带有自动功率和温度控制的电/光转换单元，完成微波信号的阻抗、噪声的匹配，预失真补偿，噪声抑制以及电光转换功能，产生的调制光信号进入延迟模块进行光纤路径选择以得到不同模拟距离，延迟后的光信号由光接收模块的光/电转换电路解调出微波电信号，接着信号输出到后端阻抗匹配处理单元，实现50 Ω的阻抗、噪声的匹配，完成优化输出射频信号的功能，输出的信号频谱完全和输入的微波电信号频谱相同，只是用光纤作为介质延迟了一段时间。
3 电性能设计
3.1 光发射模块的设计
光发射模块在设计时要注意几点要求：转换效率、输入阻抗匹配特性、调制带宽、工作温度范围、体积、功耗及工作波长。高转换效率的电光调制器可降低电光转换带来的插入损耗，从而提高组件的工作动态范围。良好的输入阻抗匹配不仅是实现组件好的幅度平坦度的重要条件，也可在一定程度上降低组件的额外插入损耗。
本系统的光发射模块由激光器、直流偏置电路、阻抗匹配电路、光功率检测电路、温度控制电路以及光隔离器等组成，完成将射频信号转成光信号的功能。具有线路结构简单、射频驱动功率低，总的链路损耗低等优点
3.2 光接收模块的设计
光接收模块的任务是以最小的附加噪声及失真，恢复出光纤传输后由光载波所携带的信息，因此光接收的输出特性综合反映了整个系统的性能。它主要包括光探测器、驱动放大、阻抗匹配、隔离器等。
光探测器的主要作用是利用光电效应把光信号转变为电信号。对光电探测器的要求是灵敏度高、响应快、噪声小、成本低和可靠性高。常用的光电检测器是PIN光电二极管，在本设计中，光信号被PIN光电二极管探测到，并被它转变回电流，探测器中的PIN光电二极管的响应度约为0.85 mA/MW，射频响应带宽高，等效噪声电流值约为20 Pa/Hz。然后将光电探测器产生的微弱的电流信号转化为电压信号，再进行进一步放大、整形和处理，最后经阻抗匹配完成与端口阻抗相匹配，获得更好的输出阻抗特性。
3.3 光纤延迟的技术实现
本文介绍的高度模拟器可按20 m步进方式提供0～1 260 m的延迟高度。光纤延迟阵列的拓扑结构图如图2所示，由2个1×2光开关和5个2×2光开关及6段不同长度光纤延迟线段组成。
若要完成以20 m步进的方式达到0～1 260 m的延迟高度全覆盖，需采用6组光纤延迟线段并配用7个光开关组成延迟线矩阵组，6组光纤延迟线段其等效高度加内部、外部电缆电长度分别为20 m、40 m、80 m、160 m、320 m、640 m，由控制电路发出指令信号，控制7个光开关不同的导通组合选通所需光路，来选中相应的光纤延迟线组合，从而达到完成选择所需的延迟高度。
由于射频信号传播速率是与在真空中的传播速率近似，因此雷达不同距离目标回波的延时时间T与距离L的关系为：T（μs）=2×L（km）/（3×10（km/μs））=（20/3）L，其中“2”表示往返距离。所以空间距离20 m、40 m、80 m、160 m、320 m、640 m所产生的延迟时间分别为0.133 μs、0.266 μs、0.533 μs、1.066 μs、2.133 μs、4.266 μs，而对应光纤线段，延迟时间为4.89 μs/km，对应的光纤长度约为27.2 m、54.4 m、108.8 m、217.6 m、435.2 m、870.4 m。
光纤延迟组合的技术实现，光纤和光开关的正确选择至关重要，它决定了整个延迟系统的性能。在本设计中光纤选择波长为1 310 nm的单模光纤，原因是单模光纤只能传输一种模式的光，因此，单模光纤没有模分散特性，光纤的芯相应较细，传输频带宽、容量大、传输距离长。加上在1 310 nm波长处，单模光纤的总色散为零，从光纤的损耗特性来看，1 310 nm处正好是光纤的一个低损耗窗口。
光开关是一种具有切换光路作用的功能器件，对于光开关的选择应基于以下几点：低的插入损耗，快的开关时间，高的开关重复性、高可靠性以及较小的体积等。在电光和光电转换插入损耗一定的时候，光开关所引入的附加插入损耗将直接影响整个系统的工作动态范围。光纤延迟阵列的切换时间是有光开关的开关时间所决定，因此光开关开关时间应满足系统的开关时间并尽可能的快。光开关的开关重复性是影响系统幅度一致性指标的一个重要指标参数，所选取的光开关必须保证具有较高的重复性，这样才不会带来测试的非一致性。
4 结 语
基于光纤的无线电高度模拟器通过不同长度光纤的延迟、切换，可实现多个目标距离的自动模拟，其结构简单，工作频率高，延迟范围大且延时精度高，并可按照这种设计思路依据实际要求进行灵活设计，具有较高的实用性，另一个重要特点是它的射頻单位延迟损耗非常小，而且损耗不是工作频率的函数，这是其它延迟线不能相比拟的。
参考文献：
[1] 胡先志.光纤与光缆技术[M].北京：电子工业出版社出，2007.