射频信号的光纤稳相传输技术

深度解析

北京锦坤科技有限公司

摘要介绍了一种新颖的用光纤进行射频信号传输的稳相技术，运用锁相环原理，在传输信号中同时加入一路巾频信号用于鉴相，采用温度控制光纤电长度的方法进行相位补偿，实现射频信号的长距离稳相传输。

关键词:射频信号传输稳相锁相环

APhaseStabilizedRFSignalTransferTechniquebyUsingFiberOpitical

AbstractAnovelRFsignaltransfertechniqueinwhichphaseisstabilizedbyusingfiberopticalisreposedinthispaper．Inthesystem，thephaseofthesignalwhichtransmitinthelongdistanceisretrievedinthephaselockedloop，bythemethodofcontrol领thetemperatureofthefiberoptical．Andthecorrespondingtestmethodisputforward．

KeywordsRFtransmissionofsignalPhasestabilizedPhaselockedloop

1引言

在雷达、深空探测和目标特性仿真测试系统中常常需要采用射频信号的稳相传输技术。例如多功能相控阵雷达，有数千个阵元同时产生数十个天线波束，需要大量的分布式发射、接收模块和复杂的互连控制网络，传统的微波器件传输分配技术及波束形成技术已经很难适应需求，集中表现在由于使用大量的移相器及波导互连传输分配系统而造成整个系统体积笨重、损耗大、易受电磁干扰、带宽窄等方面。由于光波器件及光纤技术在损耗、带宽、体积重量、抗电磁干扰及串话等方面的本质优点，尤其是光线延迟线实时延迟波束控制的理想功能，使得在相控阵雷达中引入光波技术成为必然趋势。光纤稳相传输技术是这种相控阵雷达信号传输分配系统的关键所在。

干涉体制的测角雷达系统中，为提高测角分辨率需要长基线布置测量天线，天线阵中各天线距ZX站的距离较远，如要保证各天线接收的射频信号传输至ZX站时的相位相干，则要求传输媒质的传输相位要保持稳定，否则将直接影响相位干涉测量准确度。

在双(多)基站雷达系统中，通常只有一部发射机，而多个监视同一空域的分散配置接收机要与之同步，其中相位的同步以及多个接收机与控制ZX的信号传输等都需要解决稳相传输问题。在深空探测领域，如美国NASA的深空网(DeepSpaceNetwork)?一[33，英国的多天线微波连接干涉仪网(MERLIN)，位于波多黎各的拥有世界上Zda口径天线的阿雷卡纳特观测站等探测系统，都用到射频信号的稳相传输技术。其中NASA的深空网系统，从10号信号处理ZX到设置于16里以外的25号基站之间的光纤连接，就是采用温度控制的原理。在这个系统中传输的是1GHz频率基准信号，相位的漂移影响频率稳定度，若不补偿，频率稳定度为1×10-15(1000S)；采用补偿以后，频率稳定度≤1×10-16(1000s)，是目前国际上的高度水平。另外在实验室的仿真测试系统中，特别是频率和相位的测试中，当传输距离较长的情况下，测试信号的相位不稳定将直接造成测频和测相的不准确。利用传统的同轴电缆传输射频信号，传输衰减大，相位稳定性也较差。随着传输频率的提高，衰减越大，无法进行长距离的传输。同轴电缆的相位稳

定性也很差，根据线缆绝缘介质的不同，相位稳定性也各不相同。采用光纤稳相传输射频信号是较理想的解决途径，光纤传输具有损耗极低、相位稳定性

好、传输带宽大、无电磁辐射等特点，可实现远距离传输。由于射频信号是被调制在光波上进行传输的，所以对各射频频段信号的衰减基本是相同的，～般小于1dB／km，相位稳定度优于7ppm／℃(利用稳相传输系统，相位稳定度可达lppm/℃)。现有的商品化光纤发射接收模块，已经能够调制解调18GHz射频信号，能够满足许多射频信号传输的需求。表1给出了光纤与各种同轴电缆性能的比较。

由表I中可以看出，光纤传输具有明显的优越性，现有装备中采用的长距离同轴电缆传输系统如改用光纤传输系统，可大幅提高系统性能，因此具有很高的军事应用价值。随着电子技术的发展，越来越多的应用领域可利用光纤传输相位稳定的射频信号。上述分析表明，研究光纤传输射频信号的稳相技术具有广阔的应用前景和很高的实用价值。

2基本原理

光纤传输是通过在发射端调制光强，将电信号转换成可以在光纤上传输的光信号，并在接收端将光强变化解调成电信号的过程。光纤传输一般用于数据业务，调制机制是通断键控。在传输模拟的射频信号时，采用对光载波直接调制，射频信号幅度的变化将体现在发射的光功率包络的变化上，在接收端通过检测光强变化，解调出射频信号。在光纤中，研究射频信号相位变化时，相位变化指的是包络的相位变化。

相位可以用电长度来表示，电长度定义为角矢量f0与传播延迟td的乘积

而传播延迟是与传输介质的物理长度l和介电常数εr，(对于光纤来说，是群折射率N)有关

假设光纤长度为200m，信号频率1GHz，环境温度变化20℃，由公式(7)算出相位变化为49．4℃，可见温度带来的相位漂移是相当大的，而且传输频率越高，传输距离越长，相位漂移越大。推导出相位随温度的变化关系，反过来可以改变温度来控制相位变化，即将一段传输光纤置于温度控制之下，用这段光纤的相位变化来补偿置于环境中的传输路径上的相位变化。这种控制方法的关键是要检测出环境温度引起的相位变化量。

3.稳相传输方案

在雷达系统中，很多时候需要直接传输复杂调制信号，由于信号存在带宽，当考虑相位问题时，宽带信号的混频、鉴相、移相等都不容易实现，特别是电调移相器绝大部分是窄带的，此时直接利用宽带

信号进行处理不方便；另外，当传输频率高的点频信号时，由于频率高对射频器件的选择带来难度，所在转化到中频段来处理点频信号将简单的多。具体的做法是：在待传输的信号中加入一路中频段的点频

信号，通过中频信号的相位变化来补偿光纤温度的变化，进而实现被传输的射频信号的相位稳定。具

体方案如图1所示。

如图中所示，宽带信号通过光纤模块的调制，经过程控温箱中的一段光纤，再通过置于环境温度中的一段光纤，被接收模块解调出射频信号。另一路点频信号则通过相同的路径，并且原路返回到发射端与初始的点频信号混频鉴相，得出传输路径上的相位差信号，用来控制温箱的温度变化，使之向减小相位差的方向变化，从而使信号相位不受环境温度变化的影响，实现稳相传输。传输测试系统采用IEEE488接口，连接计算机与各数据采集与温度控制设备。采用NI公司的LabWindows／CVI开发环境编写测控软件，实现控制测试自动化。

环境温度变化比较缓慢，所以光纤中的相位变化也比较缓慢，检测出来的相位差信号变化也很缓慢，所以在环路中要加入数字滤波，减少噪声等带来的误锁，增加环路控制的稳定性。另外，对温箱温度的控制，是一个纯滞后时延系统，需要在控制方法上加以改进，避免温度控制的振荡。图2给出一组测试数据。

计算射频相位的Zda变化量、均值和方差，结果如下：

由于测试时问较短，仅为2500s内的一组数据，所以相位的上下波动对于测试结果的影响还是较大的，如果长期测试将得到更高的相位稳定性指标。光纤稳相传输射频信号实验系统的测试表明，相位稳定性能达到2500S内的相位变化小于5。相位稳定性指标决定于鉴相电压的采集精度、射频信号与参考鉴相信号的传输一致性和温度控制

精度。目前的传输系统中，电压采集精度完全满足稳定性指标的要求，温度控制的精度是影响相位稳定性的Z主要因素。本方案采用的是带护套的室内软光缆，其温度传感效率和特性影响了温度控制的效果，下一阶段的实验可以采用单模裸纤置于程控温箱中，并且设计裸纤的盘绕方式加强温度传感的效率。另外，温度控制的纯延迟性也需要在温度控制的算法上做进一步的改善。

4.结束语

光纤传输相位稳定的射频信号，其优越性将广泛地应用于雷达系统的信号传输，如干涉阵天线与信号处理ZX的连接、光控相控阵雷达、频率基准的长距离分配等。随着多基站雷达以及干涉技术的发展，光纤传输稳相射频信号将得到更广泛的应用。

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作者：敖亚娜

作者单位：北京无线电计量测试研究所,100039

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2004-09-06