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技术支持

光纤延迟线环境适应性及精度研究1
发布时间:2016-04-06   点击次数:905次

北京锦坤科技有限公司

引入基于光纤延迟线的光实时延迟(OTTD)移相技术,实现光移相代替电移 相可以很好地解决相控阵雷达天线波束偏斜和信号展宽问题,极大地提高雷达的 瞬时信号带宽。光纤延迟线在应用过程中,对环境适应能力的优劣直接影响到其 所在仪器或装备的性能。研究高精度光纤延迟线及其环境适应性,提高可靠性至 关重要。 本文首先搭建了基于矢量网络分析仪相位法测量的光纤延迟线研制实验平 台,单点光纤延迟精度达±0.1ps。分析磁光开关状态误差,设计和优化延迟线拓扑 结构,研制出步进为10ps的高精度5-bit光纤延迟线,延迟精度为±1.1ps,误差均方 差为0.68ps,平均插损为5.42dB,幅度一致性为0.49dB。 然后,分析了光纤延迟温度特性和磁光开关的经典光路,指出温度发生变化 时,引起磁光开关附加损耗的三种原因:温致 ? 45 旋光波片旋光角度偏移、温致磁 光晶体旋光角度偏移和温致光纤耦合空间错位。结合相应的晶体温度特性及光纤 模场耦合效率,公式理论推出这三种原因给磁光开关带来的附加损耗大小,分析 发现温度对5-bit光纤延迟线的影响很小。 之后,分析了空间辐照环境中光学材料的辐照效应、色心的形成和延迟线器 件受辐照后的性能表现。结合硅材料E’色心动力学模型和在前人光纤辐照特性实 验的基础上分析了5-bit光纤延迟线辐照特性,并提出抗辐照建议。 zui后,搭建了5-bit光纤延迟线及其分立元件(光纤、磁光开关、光纤分路器和 波分复用器)温度、辐照实验系统。在-5℃~55℃温度范围内,两个磁光开关温致 附加损耗分别为0.16dB和0.41dB;光纤分路器和波分复用器的温致附加损耗在 0.1dB以内;5-bit光纤延迟线延迟误差为2.2ps,误差均方差为0.4~0.5ps,损耗在 5~6dB之间,幅度一致性为1dB,温致附加损耗在0.5dB以内,测试结果显示温度对 小步进5-bit光纤延迟线的影响很小。在0~120krad辐照剂量下,光纤延迟线及其分 立元件辐照附加损耗不断增加,磁光开关、光纤分路器的辐致损耗在1dB左右,波 分复用器在辐致损耗在4dB左右,但是5-bit光纤延迟线辐照附加损耗达到了19dB, 并且1.55mm厚度的铝壳不能有效屏蔽辐照给器件带来的损伤。
关键词:光纤延迟线,精度,环境适应性,温度,辐照

 

ABSTRACT
Using optical true-time delay(OTTD) phase shift technologies based on optical fiber delay lines(OFDL) to replace the traditional electric phase shift technologies can overcome the beam deflections, solve the signal broadening problems and extremely elevate the instantaneous bandwidth in phased array antenna systems. When concerning about its applications, the adaptive capacity to environment of optical fiber delay lines would directly affects the properties of instruments. Thus, it is essential to increase the accuracy,theenvironmentalsuitabilityandthereliabilityofopticalfiberdelaylines. Firstly, an experimental platform is set up based on the vector network analyzer phase measurement whose single-point fiber delay precision is ±0.1ps. After analyzing the state delay deviation of magnetic-optical switch, the topology of optical fiber delay line was designed and optimized, and a high-precision 5-bit optical fiber delay line with a delay steppingof 10psisdeveloped whose delay accuracy,standard deviation of delay error, and average loss is ±1.1ps, 0.68ps and 5.42dB respectively. In addition, the standarddeviationofamplitudeerror islessthan0.49dB. Then, the temperature characteristic of optical fiber delay line and classic optical configurations of magneto-optic switch(MOS) is analyzed. Three major causes that the temperature induced additional losses of MOS are pointed: the temperature-introduced 45°optical rotatory angle deviation of optical plate, the temperature-introduced magnetic-optical crystal rotatory angle deviation and the spatial mismatch of temperature-introduced fiber coupling. By combining the temperature characteristic of crystal and the coupling efficiency of fiber’s mode field, the additional losses of MOS resulting from the three causes above are calculated. The analysis showed that the temperaturehavelittleinfluenceonthe5-bitOFDL. After that, the radiation effects of optical material, the generation of color-center and the performance of the radiated OFDL is analyzed in the radiation environments. By introducing thedynamic model of siliconmaterial E’ color-center in low-energy particle irradiation and the radiation characteristic of optical fiber on the base of the previous study, the radiation characteristic of 5-bit OFDL is analyzed and the idea of anti-radiationtechnologyispresented.

Finally, a temperature test system and a radiation test system are set up, including 5-bit OFDL, optical fiber, MOS, optical fiber splitter(OFS) and wavelength division multiplexer(WDM) under test. When the temperature is set from -5℃ to 55℃, the results below: the temperature-induced additional loss(TIAL) of the two MOSs is around 0.16dB and 0.41dB respectively; the TIAL of the OFSs and the WDM are all less than 0.1dB; the delay deviation of the 5-bit OFDL is 2.2ps, standard deviation of delay error is 0.4~0.5ps, the range of loss is 5~6dB, the standard deviation of amplitude error is less than 1dB and the TIAL is less than 0.5dB. Test results show that the temperature have little influence of a 5-bit OFDL of a small step. When the irradiation dose is set from 0krad to 120krad, the results below: the irradiation-induced additional loss(IIAL) of the 5-bit OFDL and other devices is increasing with the increase of irradiation dose, the IIALof MOS and OFS are all around 1dB and he IIALof WDM is around 4dB, but the IIAL of 5-bit FDL even reach to 19dB, moreover, the 1.55mm aluminumshellcannot effectivelylessenthedamagecausedbyirradiation.
Keywords: optical fiber delay line, precision, environmental adaptability, temperature, irradiation

*章 绪 论
1.1 光纤延迟线
1.1.1 光纤延迟线工作原理
光纤延迟,是指由光信号经过一定长度的光纤传输后所产生的时间延迟。光 纤延迟线(OpticalFiberDelay Line,OFDL),广义上是指任何具有时间延迟功能 传输光信号的光纤或无源光纤网络,狭义上的光纤延迟线是指包含光源、调制器、 传输光纤和光电探测器等具有信号延迟功能的光纤组合器件[1]。 如图 1-1 所示为zui简单的狭义上光纤延迟线。工作原理:将微波射频电信号和 激光器发出的光信号输入到调制器,调制器将光信号调制成载有微波电信号的光 载波信号,然后耦合到光纤链路中,一段时间延迟后到达光电探测器,探测器检 测后将光载波信号转换成电信号输出。输出的电信号频率与原调制微波射频电信 号频率相同,光纤只是作为一种传输方式对信号进行了延迟。在此过程中,可以 认为微波射频信号被瞬间储存在光线延迟线中,光纤延迟线对此信号在时间上进 行了分配。光纤为这种分配的主体,分配的差异则由光纤本身的特性决定

根据光纤传输理论,光在光纤介质中传播的时间为:T=L/V (1/1)

式(1-1)中,T 为光在光纤中传播时间;L为光纤长度;V为群速度(1/2)

式(1-2)中,n为传输光波波长为时,光纤纤芯的折射率;c 为光在真空中的传播速度。可有:

 

(1/3)

式(1-3)中, ? 为波长
? 的光在长度为 L 的光纤中的延迟时间。 由公式(1-3)可知,延时时间的长短与光纤的长度和光纤的折射率有关。要 想获得不同的延迟,可以通过直接或间接的方式来改变光纤的长度或折射率,或者是同时改变。

1.1.2 应用背景及研究意义 自从上世纪 60 年代开始,雷达技术得到了飞速发展,这一时期的雷达主要都 是采用机械式波束扫描方式。在其后应用和研究过程中,这种方式的雷达暴露出 了很多问题,例如波束扫描精度低、扫描速度缓慢和可靠性不高。时至今日,为 了提高雷达扫描性能,一种以电子控制方式改变天线阵列之间相位关系实现空间 波束快速扫描的相控阵雷达进入人们视野,成为各国高校、研究机构的热门研究 课题。相控阵雷达工作原理与一般机械式扫描雷达相比,并无根本差别,但是相 控阵雷达天线具有更快的波束指向和波速形状变化能力,天线工作方式更多,适 应可靠性更强[2]。另外相控阵雷达天线有着传统雷达所不具有的特点,如:多目标 跟踪、搜索、监测、识别和一些武器制导等;实现高搜索数据率和高跟踪数据率; 获得更高天线辐射功率。 随着相控阵天线应用越来越广泛,天线所执行的任务也越来越多,窄带宽相 控阵天线已经满足不了现代信息技术发展,这势必引发了人们对更高带宽相控天 线的需求。相控阵天线中的相位移相是通过移相器实现的,是一种非实时相位延 迟,在阵列天线内会产生一定程度的渡越时间,引起波束指向角发生偏移。要提 高相控阵天线多目标扫描识别、成像和抗电磁干扰能力,就必须增加相控阵天线 的瞬时带宽[3]。天线波束指向和波束宽度受到渡越时间和瞬时带宽的限制,宽带宽 会引起天线“孔径效应”,这种相互制约结果就是天线很难实现宽角度波束扫描。 如何改善和中和这种制约,正是本课题所要研究内容:光纤延迟线。利用光移相 代替相控阵中的电移相,可以很好地解决相控阵天线“渡越时间”和“孔径效应”。

由光纤组成的延迟移相网络应用到相控阵雷达系统中,通过对光信号的延迟、 分配和传输实现对 RF 信号的波束控制,在波束大角度扫描下实现大瞬时带宽方面 有着巨大的优势,如图 1-2 所示。 从 1966 年高锟博士提出带有包层的光学玻璃纤维,纤芯折射率比包层稍高且 具有传输光信号的能力(也就是光纤)到今天,光纤在通信领域经过了近 50 年的 发展,已成功地应用到工业领域的各个环节,贯穿信息产业和现代服务业的各领 域。光纤具有体积小、重量轻;取材简单、造价低廉;抗干扰、保密性好;宽带、 大容量;低损耗、中继距离长等特点。正是这些特点造就了光纤在通信领域的广 泛应用,其影响已渗入到人们生活上的方方面面。光纤延迟线正是利用光纤在通 信领域所具有的这些特点,将其应用到相控阵雷达天线上去,其优点是其他传统 延迟线无法比拟的。由光纤延迟线组成光纤实时延迟移相网络具有工作频率高, 带宽宽、成本低、损耗低、幅度一致性好、抗电磁干扰能力强等等特点,完全适 用机载或星载等在各种环境应用。除此之外,相应的光纤/光电器件技术有了飞速 发展,调制器、激光器、光探测器等光电有源器件和光开关、波分复用器、光分 路器、光环行器和光栅等光纤无源器件实现了大量商用化,这给光纤延迟技术应 用到光控相控阵雷达中提供了很好的技术基础。因此利用光纤延迟线进行延迟移 相组网应用到相控阵雷达中,是具有很重要的可研究价值和实践意义。 光控相控阵雷达天线中,波束扫描由光纤延迟移相网络控制,光纤延迟线延 迟精度决定了光移相精度,从而决定了波束扫描精度。因此在光控相控阵移相网 络中,关键技术就是高精度光纤延迟线研制,从而实现高精度光纤延迟移相网络。 正是基于以上此种背景,本文高精度光纤延迟线研制有其可研究价值。 GJB4239《装备环境工程通用要求》中明确规定[4],环境适应性是指“装备在 其寿命期预计可能遇到的各种环境的作用下能实现其所有预定功能、性能和(或) 不被破坏的能力,是装备的重要质量特性之一”。光纤延迟线在被用于各种仪器 或装备中时,在其使用过程中必然要直接或间接经受各种自然环境和平台环境的 影响,产生环境效应,制约光纤延迟线的性能。光纤延迟线对环境适应能力的优 劣,直接影响所在仪器或装备的性能和功能。如何提高光纤延迟线的抗恶劣环境, 提高可靠性至关重要。 在本文中,光纤延迟线主要是应用到光控相控阵延迟移相网络中。在现阶段, 光控相控阵雷达天线还没有商用化,基本上都还处于热门研究阶段或应用于星载 航天器上。在外太空中环境复杂,航天器能否适应其太空环境,也是各国科研工 作者面临的一个重要问题。光纤延迟线作为光控相控阵天线中的一环,在面对复 杂环境时,其环境适应性同样也是本文所关注。

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