在雷達、通信電子設備的設計中經常需要對電信號進行長延時，電延遲線由于材料尺寸限制很難實現長延時，雖然，近年來聲表面波延遲線由于結構簡單、體積小的特點在雷達、通信等電子系統中能夠取代電纜延遲線，但是由于其頻帶太窄、溫度影響大的缺點無法滿足雷達、通信設備中復雜調制信號的帶寬需求，并且比較難實現穩定的長延時。光纖傳輸技術是自20世紀80年代發展并廣泛應用的信號傳輸延時技術，目前應用已經非常成熟。因其具有信號傳輸不受電磁環境干擾、頻帶寬、延時范圍大、溫度變化率小的特點，逐漸成為射頻、中頻段延遲信號的更理想的選擇。

1 光纖延時原理

光纖延時技術的基本原理是利用光信號經過一定長度的光纖傳輸后所產生的時間延遲。光信號在石英介質中傳輸時速度相對低于真空中的傳播速度，光在真空中傳播時的折射率為1，而在光纖中傳播時的折射率約為1.47(對于常用的G.652單模光纖，在1.550 nm波長下，常取n=1.467)。光信號在光纖中的傳輸延時公式為：t=Lxn/v (1)

式中t為傳輸時間，L為光纖長度，n為介質折射率，v為光在真空中傳播的速度。

光纖延時技術利用了光傳輸的特性，具有較高抗干擾能力;帶寬高，***帶寬可達到10 Gb/s;延時范圍大;隨溫度變化率小，常用G.522光纖延時溫度系數約為0.05 ns(km·℃)，基本上不會對應用產生影響。

2 延時系統設計

一個完整的延時系統包括電信號的延時和功率控制功能，基于光纖傳輸的延時系統包括輸入衰減器、延時光路、輸出衰減器和控制模塊，系統框圖如圖1所示。

2.1 功率控制模塊設計

延時系統的功率控制模塊由輸入衰減器和輸出衰減器組成。由于延時光路中，進行電-光轉換的直調激光器的輸入功率范圍較小，***不超過15 dBm，且在0 dBm功率時的性能達到***。而雷達、通信應用中射頻電信號的功率一般比較大，需要前置同軸衰減器來減小輸入功率，將其控制在直調激光器的輸入范圍內并靠近0 dBm。在延時系統前端加輸入衰減器的作用，還能夠減小輸入功率對光纖延時精度影響。因為所有材料的折射率都隨著光強的增大而增加，而通過輸入衰減器將入射信號的功率保持在0 dBm，則可避免光纖的非線性折射率效應對延時精度的影響。

在雷達系統的設計中，經常要求延時系統能夠模擬電磁波信號在空間中的傳播損耗，公式為：W=30log(1/R)dB。W為傳波損耗，R為電磁波傳播距離，單位為m。光纖傳輸的損耗約為0.2 dB/km，因此，在延時系統的輸出端，需要采用可調同軸衰減器，實現功率控制功能。由于同軸衰減器采用同種介質制作，信號經過不同衰減的路程相同，所以信號延時的一致性較好。

2.2 控制模塊設計

延時系統的控制模塊主要實現延時量的改變，程控衰減器的控制，狀態指示以及人機交互(或者上位機通訊)。典型電路采用LM89C51單片機芯片設計實現上述功能，控制模塊電路原理框圖及控制程序流程圖如圖2所示。

此典型電路既可通過MAX232串行通訊接口接收命令也可以通過面板按鍵接收命令，利用LM89C51芯片的I/O口以及相應的驅動電路實現對光開關的狀態控制，以完成不同模擬距離的切換，通過控制程控衰減器實現延時系統衰減量的改變，采用0802A液晶顯示器進行延時和衰減的狀態指示。

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2.3 延時光路設計

延時光路是基于光纖傳輸的延時系統的核心部分，設計時必須考慮衰減、色散、溫度對系統性能的影響，并為使延時系統能適應不同的應用，將它設計成延時量可變的系統。如圖3所示。

以50 m(延時為0.167μs)為步進、***延遲距離為16 500 m(延時為55μs)的設計要求，研制雷達應用中的延時系統為例：

要實現步進量為50 m的模擬距離，根據公式(1)對應的最小光纖環的長度為68.2 m，如圖3所示，隨后的每個光開關所連接的光纖環長度分別為68.2x21 m、68.2x22 m、68.2x23 m、68.2x24 m、68.2x25 m、68.2x26 m、68.2x27 m及68.2x28 m;這樣的設計可以實現步進量為50 m，范圍為0-16 500 m的延遲距離，其中共有512個延遲距離可供選擇。

我們選用2x2光開關，并采用差分結構設計實現不同延時量的切換，此類光開關的平均插入損耗約為0.8 dB，并且由于采用了差分結構每種延時通路經過光開關的通路次數相同，損耗一致性較好，常用的G.652光纖損耗約為0.2dB/km，照以上參數計算，整個光路的損耗由四部分決定：直調激光器的電光轉換效率，光纖通路損耗，光電探測器的電光轉換效率，以及輸入輸出阻抗比;可由(2)式表示：

ηTX為直調激光器的電光轉換效率，根據測試得到的ηTX為0.075。ηRX為光電探測器的光電轉換效率，根據測試得到的ηRX為0.65。Lop為光纖通路的損耗，包括以下幾部分：光纖自身的傳輸損耗，光開關的插入損耗和各個光連接頭的損耗;按最長光纖長度為22 495 m計算，***的光纖傳輸損耗為4.5 dB(標準單模光纖的損耗系數為0.2 dB/km);每個光開關的插入損耗為0.8 dB，共有10個光開關，因此光開關的總插入損耗為8 dB;每個光連接頭的插入損耗為0.2 dB;光鏈路需經過的光連接頭共有20個，因此光連接頭引入的損耗為4 dB;這樣整個光鏈路的損耗Lopt為4.5+8+4=16.5 dB。Rin和Rout分別為輸入匹配阻抗和輸出匹配阻抗，均為50Ω。根據以上分析，按照(2)式所計算的通過光路的射頻信號的增益GdB為-42.7 dB。

模擬雷達的回波信號的延遲衰減量LdB與模擬距離H的關系滿足式(3)：

這樣對于***模擬距離50 m，延遲衰減量為-51 dB;對于***模擬距離16 500 m，延遲衰減量為-126.5 dB;對雷達回波的模擬所需的延時衰減量范圍為-51～-126.5 dB。此系統能夠滿足-51dB的***衰減量的需求，并且可以通過同軸可調衰減器使得最終的輸出射頻信號衰減量可以在-48～-129.5 dB之間進行調節。

對于需求更小損耗的延時系統我們可以在光電探測器前增加一個光放大器，光放大器的輸入功率選擇一般為-25～-10 dBm，而光路損耗為16.5 dB，完全可以滿足要求，且有一定富余量。為了降低光放大器的噪聲系數，可在放大器內部增加ASE濾波器，從而將輸出波長鎖定在激光器的波長上。在系統傳輸的是模擬信號時，光放大器的輸出光功率***能保持在0 dBm以上，以使光接收機有較好的解調效果。放大器的輸出既可以接光接收機，也可以與下一級設備級聯。為了實現更小的損耗還可以在光電探測器后串聯射頻放大器。

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對于長延時系統的研制，還需要考慮色散的影響，光傳輸的色度色散限制帶寬可由以下公式(4)計算，其中Bc為色度色散限制帶寬，△λ(nm)為譜線寬度，C(λ)(ps/nm·km)為光纖色度色散系數，對于L(km)為光纖長度。

由式(4)可知，為降低影響，要求激光器譜線(FWHM)盡量窄，光纖得色度色散系數盡量小。目前市面上有的激光器FWHM達到10MHz(8x10-5nm)。在光纖的選擇上，比較常用的G.652光纖色散系數約為20ps/nm·km。

據此可以算出波長為1550 nm的光信號在G.652光纖上傳輸165 km的色度色散限制帶寬為：

Bc=0.44x106/△λ·C(A)·L

=0.44x106/8x10-5x20x165 (5)

=1.26x106 MHz

因此，只要選擇合適的激光器，則光纖色散不會對系統的性能指標造成影響。

在實際的延時系統研制過程中，我們還需要考慮由光-電轉換，電-光轉換以及信號輸入和輸出衰減器等組件帶來的電信號延時，系統存在延遲零點H0(經測試該零點小于50 m)。則在此類延時系統的研制時，可以通過調整直調激光器和1x2光開關之間的光纖長度將該零點校準到50 m，其余光纖長度不變。這樣調整之后，采用零點作為***個延遲距離(即50 m)，以后模擬距離均可達到精確模擬各整數距離點的技術要求。在具體的研制時，還應該注意，2x2光開關差分結構的延時為兩個通路的差值，裁剪光纖時光纖環的長度L=L0+68.2 m，L0為短路通路的光纖長度。

信號在光纖中的傳輸模式主要由射線的入射角的差異來決定的，而射線的入射角往往由于光纖發生彎曲而發生改變，從而使射線的傳輸模式發生了變化。射線在光纖出現嚴重彎曲的時候，甚至會透出光纖造成能量的損失。一般來說光纖彎曲的半徑越小，而發生的損耗則越大，反之耗損則會減小。在設計光纖環以及固定光纖接頭時應盡量增大光纖的彎曲半徑(一般不應小于3 cm)。

3 系統驗證

采用示波器法(選用美國TEK的DP070604示波器)對此延時系統的脈沖信號延時進行了驗證，測試數據如表1所示。

選取1 000m點，測試10次，對系統的重復性進行了測試，數據如下：

3 333.35 ns，3 333.34 ns，3 333.35ns，3 333.35 ns，3 333.34 ns，

3 333.35 ns，3 333.34 ns，3333.34 ns，3 333.35 ns，3 333.34 ns

由貝塞爾公式可得瀏量結果重復性：

對應的模擬距離的重復性為5x10-4m。

由表1數據可以看出由于工藝技術原因我們不能每次都得到想要的整數的模擬距離，但是由重復性測試數據可以看出，基于光纖傳輸的延時系統具有可靠性高和穩定性高的特點。

4 結束語

文中利用光纖傳輸延時技術，通過合理的設計實現了雷達、通信中應用的復雜調試信號的長延時系統，并且此延時系統具有高抗干擾性和高可靠性、延時范圍大、帶寬大，穩定性高的特點，大大降低了雷達、通信系統相關試驗、驗證、仿真的成本和時間。隨著光纖技術的快速發展和工藝的逐漸成熟，基于光纖傳輸的延時系統應用將越來越廣泛和實用。