（电路与系统专业论文）模拟储频技术研究.pdf

摘要 i i i ii i ii i r l i ii ir l lilli y 2 0 6 6 6 4 1 射频存储( r f m ) 是将输入的射频信号保存下来，在必要的时候能够重构输出的 一种技术。r f m 一般分为模拟射频存储( a r f m ) 和数字射频存储( d r f m ) 两种， a r f m 技术是指将射频信号保存在模拟器件和电路中，具有d r f m 技术所难以达 到的宽瞬时带宽、短迟延时间和系统结构简单的优势，它是雷达干扰系统中的重 要部件。 本文基于a r f m 的电路构成和基本工作原理，详细讨论了模拟储频环路的储 频条件、储频精度误差和储频的建立过程以及持续时间。从模拟迟延线对模拟储 频技术的影响出发，对各种迟延线的性能进行了比较，并研究了基于性能优异的 光纤迟延线的光纤模拟储频电路的组成和特性，分析了采用准示样脉冲储频方式 的a r f m 。针对储频环路具有“优势模”从而导致输入输出信号之间的频率误差 的缺陷，在储频环路中增加了相位调节环节来减小输入输出信号间的相位误差。 并在环路中增加了增益调节环节来减小环路开环增益的不平坦度，以获得更长的 储频时间。 关键字：模拟射频存储光纤模拟储频准示样脉冲方式相位调节 a b s t r a c ti i i a b s t r a c t r a d i of r e q u e n c ym e m o r y ( r f m ) i sat e c h n o l o g yt h a ts t o r e dt h ei n p u tr fs i g n a l a n dr e c o n s t i t u t et h es t o r a g es i g n a lw h e ni ti sr e q u i r e d t h e r eu s u a l l yh a v et w a ok i n d so f r f m ：t h ea n a l o gr a d i o f r e q u e n c ym e m o r y ( a r f m ) a n dd i g i t a lf r e q u e n c y m e m o r y ( d r f m ) ，t h ea r f mt e c h n o l o g yi st os t o r e dt h ei n p u tr fs i g n a li n t oa n a l o g d e v i c e sa n dc i r c u i t s ，i th a sa d v a n t a g e ss u c ha sw i d ei n s t a n t a n e o u sb a n d w i d t h ，s h o r t d e l a yt i m ea n ds i m p l es t r u c t u r e ，w h i c ha r ed i f f i c u l tt oa c h i e v ew i t l ld r f m a r f m i sa n v e r yi m p o r t a n tc o m p o n e n to fr a d a r - j a m m i n gs y s t e m b a s e do nt h ec i r c u i tc o m p o s i t i o na n dt h eb a s i cw o r k i n gp r i n c i p l eo fa r f m ，t h i s p a p e rd i s c u s s e dt h er e q u i r e m e n t s ，f r e q u e n c ya c c u r a c ya n de r r o r , t h ef r e q u e n c yb u i l d i n g p r o c e s sa n dt h ed u r a t i o no ft h ea r f ml o o p f r o mt h ei n f l u e n c eo ft h ea r f m t e c h n o l o g yd u et ot h ea n a l o gd e l a yl i n e ，t h ep e r f o r m a n c eo fv a r i o u sd e l a yl i n ew e r e c o m p a r e d a n ds t u d i e dt h ec o m p o s i t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef i b e r - o p t i c a la n a l o g f r e q u e n c ym e m o r yc i r c u i tb a s e do nh i g hp e r f o r m a n c ef i b e r - o p t i c a ld e l a yl i n e ，a n a l y s i s t h et e c h n o l o g yo fn e a rs a m p l ep u l s ea r f m a st h e “m o d i n g e f f e c to ff r e q u e n c y m e m o r yl o o p ，t h e r eh a sf r e q u e n c ye r r o rb e t w e e nt h ei n p u ta n do u t p u ts i g n a l ，r e s u l t i n gi n i r r e l e v a n te f f e c t t os o l v et h i sp r o b l e m ，t h i sp a p e rp r o p o s e dt ou s i n gt h ep h a s e a d j u s t m e n tp a r tt or e d u c et h ep h a s ee r r o rb e t w e e ni n p u ta n do u t p u ts i g r 曲a n di no r d e r t oi m p r o v et h eo p e n l o o pg a h lf l a t n e s s ，u s i n gt h eg a i ne q u a l i z e rt or e d u c et h eg a i n f l u c t u a t i o n s ，t oo b t a i nt h el o n g e rm e m o r yt i m e k e y w o r d ：a r f mf i b e r - o p t i c a lb a s e da r f m n e a rs a m p l ep u l s e p h a s ea d ju s t m e n t 第一章绪论 第一章绪论昂一早瑁下匕 1 1 课题背景 随着科学技术的快速发展，使得现代战争中的各种武器装备和指挥控制日益 依赖于电子和信息技术。而在重要的战斗进行过程中，一旦使敌方的武器及指挥 控制系统失去效能，就会在很大程度上成为取得战争胜利的相当关键的因素。所 以电子战已经成为了现代战争的主战场之一，它的重要性也就不言而喻了。 电子战( e w ) 的实质是敌我双方争夺制电磁信息权的斗争。具体是指敌我双方 利用电磁能和定向能以破坏敌方武器装备对电磁频谱、电磁信息的利用或对敌武 器装备和人员进行攻击和杀伤，同时保障己方武器装备效能的正常发挥和人员的 安全而采取的军事行动。电子战的两个互相斗争的方面分别为电子对抗( e c m ) 和电 子反对抗( e c c m ) ，电子对抗又包括电子侦察、电子干扰、电子隐身、伪装和电子 摧毁等；相对的电子反对抗包括电子反侦察、反干扰、反隐身和反摧毁。 电子战是一个总体概念，电子对抗和电子反对抗的斗争存在于所有的军事电 子设备和系统领域。从电子对抗的作战对象来分，有通信对抗、雷达对抗、导航 对抗、制导对抗等。从频域上分，有射频对抗、光学对抗和声学对抗三个主要技 术领域。对电子对抗和电子反对抗的深入研究显然是极为必要的。 l 。 雷达对抗是电子对抗中的一个重要组成部分。雷达对抗是与敌方雷达及与雷 达相关的武器系统作斗争、相对抗的各种战术措施的总称。主要由两个方面组成， 一方面，敌我双方采取各种手段获取对方雷达性能和部署的情报，从而能够分析 了解敌方的战场态势和作战进程，并在必要时对敌方雷达实施有效的干扰，引导 武器对其实施攻击和杀伤；另一方面，敌我双方采取各种措施来隐蔽己方的雷达 性能和部署，有意炮制虚假的电磁辐射源和电磁信号来迷惑敌方的雷达侦察，并 采取措施来尽力消除或减弱敌方干扰对己方雷达的影响，阻止敌方武器对雷达的 攻击和杀伤，通常将之称为雷达反对抗或雷达抗干扰。 雷达对抗设备与雷达之间的斗争有三个途径，分别是告警和回避、火力消灭 和进行干扰。这三者通常是配合进行的。雷达干扰按其干扰能量的来源可分为两 类，有源干扰和无源干扰。有源干扰是指由一定的电磁波辐射源产生的干扰，有 意的有源干扰常称为积极干扰，是由专门的发射机施放的干扰。就干扰的作用性 质来分，又可以再细分为压制性干扰( 或遮盖性干扰) 和欺骗性干扰两类。其中 欺骗性干扰是以模拟目标回波，以假代真、真假混杂，使得雷达不能正确地检测 目标信息。实现干扰的装备是多种多样的，但就其干扰信号产生的原理来说就只 2 模拟储频技术研究 有三种：引导式干扰机、转发式干扰机、合成式干扰机。其中转发式干扰又分为 直接转发和存储转发两种工作方式，直接转发干扰是将收到的每一个威胁雷达射 频脉冲进行放大和干扰调制后迅速回发输出，它的收发信号之间几乎没有迟延， 但每收到一个雷达射频脉冲只能发出一个射频干扰脉冲；存储转发是将收到的威 胁雷达射频脉冲保存一定时间后再进行放大、干扰调制和回发。由于转发式干扰 机充分利用了被干扰雷达的发射信号，它输出的干扰信号可以与被干扰的雷达信 号之间具有各种稳定的相位关系，可以逼真地模拟各种目标回波，特别是存储转 发还可以产生大批量、高逼真的假目标回波。引导式干扰机是利用侦察获得的威 胁雷达信号参数设置干扰机中射频振荡器的中心频率和频率调制，再对其进行功 率放大和幅度干扰调制，由干扰发射天线辐射输出。由于引导式干扰的信号产生 振荡器独立于雷达信号，不能保证具有与被干扰的雷达信号一样的脉内调制和脉 间相位的稳定性，被称为是一种非相干性的干扰。合成式干扰可以利用侦察获得 的威胁雷达信号参数精确地生成对应的干扰信号波形，也可以直接利用接收到的 雷达信号精确地生成干扰波形，还可以将对多部雷达和多个威胁信号的干扰波形 合成在一起，经过功率放大之后辐射输出。由于数字信号处理技术的发展，目前 的干扰信号产生、合成大量采用数字技术，其生成的干扰信号已经可以达到与被 干扰的雷达信号具有脉内调制的相干性，尚不能达到在信号脉间的完全相干性， 但它具有同时干扰多雷达和多威胁信号的特点。 任何一个具有收发功能的电磁系统都存在收发隔离的问题。也就是自身的发 射不能影响自身接收系统的正常工作。衡量收发之间相互影响的指标是收发隔离 度。在雷达对抗系统中，发射的干扰信号一定要对准收到的威胁雷达信号频率， 对准接收信号的方向，对准或覆盖被干扰雷达的极化和雷达的有效工作的时间。 显然在上述条件下要求干扰机能够同时进行接收和发射而不产生相互影响是非常 困难的。尽管如此，在许多干扰机设计中还是采取了多种技术措施来提高隔离度， 使其能够实现收发同时工作。俄制苏系列飞机携带的干扰吊舱就是其中的典范。 就大多数集中分布的干扰机来说，由于不能满足收发同时工作对隔离度的要求， 不得不采用收发时分工作方式，也就是在干扰发射时关断侦察接收工作。本文中 的许多分析都是出于这一工作背景的。 1 2 发展及现状 由于现代新体制雷达和雷达抗干扰技术的发展，使得单一、固定的干扰形式 很难应付对方所采取的变化的抗干扰措施，因此就需要在干扰策略、干扰方式和 干扰信号样式上有新的突破来适应雷达抗干扰技术的发展。基于射频存储的雷达 干扰机能够准确的复制雷达波形，能够输出和雷达频率相同( 或相近) 的射频振 第一章绪论 荡，并且能够通过采用欺骗遮盖复合的调制方式，以达到在时间、空间、频率、 调制样式等多维信息域内对雷达实施最佳干扰的效果。 射频存储( r a d i of r e q u e n c ym e m o r y , r f m ) 部件就是能够将输入的射频信号保 存下来，在必要的时候能够重构输出的部件。在电子对抗系统中，能够实现r f m 的技术有很多种，熟知的有微波、声波、光波延迟线，有上述延迟线构成的模拟 储频环路，也有用模数转换( a d c ) 、数字存储器、数模转换( d a c ) 构成的数字射频 存储( d r f m ) 部件。所有储频技术必须具备的一个共同要求就是能够在需求时提供 与输入的雷达信号相同或近似相同的射频振荡信号1 3 1 0 射频存储技术一般分为模 拟储频( a r f m ) 和数字储频( d r f m ) 两种，a r f m 是指将射频信号保存在模拟器件 和电路中，d r f m 则是将射频信号保存在数字器件和电路中。由于d r f m 在保存 时间、精度和多次重构等方面具有较大的优势，在现代雷达干扰机中得到了广泛 的应用。但d r f m 的瞬时带宽不及a r f m ，最小迟延时间较长，系统结构较复杂， 研制成本较高，开发周期较长，输出信号的质量也不及a r f m ，因此在某些场合 仍然使用a r f m 。 a r f m 主要使用微波、光纤和体声波延迟线来保存射频信号。随着光电调制 和解调技术的发展，已经可以达到1 8 g h z 以上的工作频带，主要微波频段的信号 可以直接调制到激光上进行传输、解调和重构。因此近年来a r f m 主要采用光纤 延迟线，它不仅频带宽，而且损耗低、尺寸小，抽头分路、多路耦合、放大和开 关调制较为方便，成为了目前模拟储频电路中应用最多的迟延线。而与之配合的 光纤模拟储频电路也就成为了雷达干扰中一项重要的研究课题。 1 3 论文的主要工作和结构安排 本文主要对几种常用的模拟储频技术的原理分别做了介绍，并对每种储频技 术的优缺点和储频方式做出了分析。本文的主要结构如下： 第一章：绪论。主要从雷达对抗的方向出发，研究了本文的课题背景，并分 析了模拟储频的发展和现状。 第二章：模拟射频信号储频技术。分别对开环储频和闭环储频的基本工作原 理做了介绍和分析。并详细分析了示样脉冲的闭环储频环路需要满足的相位和振 幅条件、储频环路的储频精度、储频的建立过程、储频的持续时间、储频行波管 的参数选择。最后对储频迟延线的性能给出了比较。 第三章：光纤模拟储频技术。由于光纤迟延线的优越性能，现在的模拟储频 技术中多采用光纤迟延线。本章首先介绍了光纤迟延线储频环路的基本工作原理， 并对储频环路的特性做了详细分析计算；之后介绍了全部使用光信号来循环储频 的光纤模拟储频电路，并对电路的光学器件组成做了介绍。最后对准示样脉冲储 4 模拟储频技术研究 频方式进行了分析介绍。 第四章：模拟储频环路的改进。由于采用射频电信号的模拟储频环路具有“优 势模”，从而导致了输入信号与环路输出信号频率的频率差，造成较差的相干性； 为了改善环路的增益平坦度，优化噪声抑制特性，在模拟储频环路中分别增加了 相位调节和增益均衡调节的部分，并介绍了鉴相器和移相器、以及均衡器的基本 原理。通过减小反馈信号与输入信号之间的相位差，以及改善环路的增益平坦度， 达到提高储频精度，增长储频时间的目的。 第二章模拟射频信号储频 第二章模拟射频信号储频技术 模拟储频( a n a l o gr a d i of r e q u e n c ym e m o r y , a r f m ) 技术是指将射频信号直接 保存在模拟器件和电路中，在需要时再从模拟器件和电路中重构输出射频信号的 技术。a r f m 具有开环和闭环两种形式。开环a r f m 是指利用模拟延迟线自身的 传输特性，对输入的射频信号进行延迟重构、干扰调制和放大转发，射频信号在 系统中成单向传输。闭环a r f m 则是将一部份输出的射频信号反馈到系统的输入 端，使其在系统中不断循环作用，并耦合出一部份信号进行迟延重构、干扰调制 和放大转发，射频信号在系统中成循环传输。 a r f m 的主要技术指标有：频率范围、储频精度、动态范围、灵敏度、存储 时间、迟延特性、最小转发迟延、多重信号处理能力、存取方式以及成本、体积、 重量和功耗等。 2 1 开环储频 开环储频实际上就是使用迟延线将输入的脉冲信号迟延一段时间后输出，对 于不同的迟延时间要求，可以通过在迟延线上抽头输出来达到具体的延时要求。 2 1 1 开环储频的基本工作原理 最直观的开环储频即射频迟延线储频器的结构如图2 1 所示。该储频器主 要是由一组串联的n 个固定迟延线和开关所构成的。 图2 1 射频迟延线储频器结构示意 如图所示，射频迟延线储频器的每个单位迟延时间为t ，相邻的两个单元的 迟延时间递增，比值为2 ，故可知射频迟延线可实现的最大迟延时间k 积为： t m 积= t ( 2 n 一1 )式( 2 1 ) 通过对开关的控制，射频迟延线储频器可以实现从a t 至l j a t m a x 之间的，增量为t 的迟延时长。该种储频器具有与工作频率范围相等的瞬时带宽，既是说这类射频 迟延线储频器在任意时刻能够完成的射频信号储存的频率范围，与该储频器的最 大输入、输出频率范围相等。同时这类模拟射频储频器的储频精度很高，由于它 6 模拟储频技术研究 的原理是使用迟延线将输入射频信号延迟一段时间后输出，所以其输出信号的频 率与输入信号的频率完全相等。 这种开环储频技术能够相干地转发输入的雷达脉冲信号，能正确地再现被干 扰雷达的各种脉内调制和脉宽，这是闭环示样储频环路所达不到的优势，但是开 环储频技术一般只能够输出一次。在示样闭环储频环路中，由于其对输入脉冲的 不完整截取，造成在环路中循环输出的脉冲频谱失真，影响脉内相位的相干性， 但闭环储频技术可以在储频持续时间内多次输出。 2 1 2 距离波门拖引干扰技术中的射频迟延线 在距离波门拖引干扰中，实施干扰的假目标距离函数r e ( t ) 可由式( 2 2 ) 来表 示，其中r 为目标真实距离，v 和a 分别为匀速拖引时的速度和匀加速拖引时的加 速度。 r r0 t t 1 ，停拖期 r 厂( t ) = r + v ( t t 1 ) 或r + a ( t t 1 ) 2t 1 t t 2 ，拖引期式( 2 2 ) l 干扰关闭t 2 t 飞，关闭期 将式( 2 2 ) 转换为干扰机对收到的雷达照射信号进行转发的时延t ，则距离波门 拖引干扰的转发时延t ，为： f o0 t t 1 ，停拖期 t 厂( t ) = 警( t t 1 ) 或警( t t 1 ) 2 t 1 t t 2 ，拖弓l 期式( 2 3 ) i 干扰关闭t 2 t 8 r式( 2 5 ) 时，即假目标与真目标之间的距离差大于雷达距离测量( 跟踪) 误差时，便能够形成 距离假目标。t r 包括雷达与干扰机之间的距离所引起的电波传播时延。以及干扰机 收到雷达信号后的转发时延t r ，主要通过控制迟延t r 来实现假目标干扰。 采用储频技术的转发式干扰机是实现距离假目标干扰的方法之一。这种转发 式干扰机的整机串联接法如图2 7 所示，其中储频环路行波管是串接在主信号通道 里的。雷达脉冲信号通过前置放大器、定向耦合器分别送至检波视放和取样开关， 检波视放的输出信号如果达到一定的门限则让控制电路产生控制方波来使取样开 关对信号a 进行取样，形成示样脉冲，并产生控制方波b 来控制整个储频环路在 储频时间内对示样信号进行存储；同时控制电路产生各个迟延时间为( t ，f 】饕1 的干 扰调制脉冲串d ，并按照干扰调制脉冲串重复取出储频环路中保持的取样信号c ， 送给末级功放放大输出。 储频环路 图2 7 干扰机内的储频环路串联接法 通常根据储频行波管在电子干扰系统中的位置的不同，储频环路有串联和并 联两种接法。所谓的串联和并联接法，是指储频行波管是否接在一个包括存储装 置的干扰系统的主信号通路上 3 1 0 上面所分析的储频环路便是回路行波管的串接 方式，显然串接方式的行波管设计必须同时满足储频和转发器放大这两个要求。 使用串联接法的干扰设备的线路比较简单，干扰设备的体积重量也就有所减小， 但是这就对储频环路行波管的技术要求变得更加严格。 干扰机内的储频环路并联接法是指储频环路行波管不在信号主通路内，只作 第二章模拟射频信号储频 为储频环路的放大管。这样对行波管的设计就不需要考虑它的脉冲放大的射频特 性，而只需要考虑它的储频用的射频特性。 不论哪种接法，储频环路的工作原理和作用是完全一样的，只是在控制电路 和连接的器件上有所区别。对于串接方式的储频环路，对信号的取样和储频时间 的控制是通过控制电路对取样开关的控制来完成转换而实现的：在储频开始前， 控制电路控制射频开关与前置放大器接通，在输入信号脉冲到来后，再经过一个 取样后的示样脉冲的宽度后，控制射频开关与迟延线接通，形成储频环路，在储 频结束后，再重新连接到前置放大器。此外，控制电路还可以根据干扰模式来控 制调制器产生所需的调制波形。对于并接方式的储频环路，则是通过控制电路对 前置放大行波管的控制来实现对输入信号的取样，通过控制电路对环路行波管的 控制来确定储频时间。 2 3 储频环路的储频条件 2 3 1 储频环路的振幅和相位条件 如图2 8 所示的模拟储频电路。其中储频环路是由射频开关、环路行波管、定 向耦合器和迟延线组成的。当射频开关与迟延线接通，环路行波管放大工作时， 储频环路是一个具有迟延反馈的有源闭环网络，要建立连续稳定的射频环流信号， 就需要这个闭环网络形成自激振荡，以使储频环路在没有信号输入的情况下能先。 建立一系列的振荡，所以这个储频环路必须满足一定的振幅和相位条件，也就是 该储频环路的环路增益大于等于1 ，即： 图2 8 模拟储频电路 号 k 1 k 2 k 3 k 4 e i w ( t x + f 2 + t 3 + q ) = 1式( 2 6 ) 式中，k i ( i = 1 , 2 ，3 ，4 ) 分别为环路行波管的增益，定向耦合器的功率分配比、 迟延线的损耗以及射频开关的增益，q ( i = 1 , 2 ，3 ，4 ) 分别为它们的迟延时间。也 可分别写为储频环路必须满足的振幅条件为： 1 2 模拟储频技术研究 k 1 k 2 k 3 k 4 1式( 2 7 )工-o1一 、， 必须满足的相位条件为： ( 1 ) ( 1 7 l + t 2 + 1 7 3 + t 4 ) - - 2 七兀式( 2 8 ) 或： 厂0 l + t 2 + 1 7 3 + ) = 艮式( 2 9 ) 其中k 为正整数，既是k = 1 , 2 ，3 。 在储频环路的时延和增益满足了以上所示的幅相条件时，在没有外加信 号的情况下，该环路就会在系统噪声的激励下建立起一系列振幅不大的，p a i x 。为 等间隔的振荡，其中t 。= 冬1 q 为储频环路的整个时延n 1 。将这些振荡的频率称 之为“优势模 频率。其频谱如图2 9 所示。 ：士士士士土 ： ( k - i ) t 。k t 。( k + 1 ) t 。- 7 r 图2 9 储频环路的振荡信号 当有外加的输入信号时，该信号将激励储频环路本身的振荡频率，使得最接 近于激励信号频率的环路自身振荡频率取得优势，其振幅将大幅度增大，并将其 它的振荡频率都抑制下去，只得到取得优势的唯一一条谱线。 2 3 2 储频误差 由上一节的储频条件分析可知，储频信号只能在储频环路的振荡频率上建立 起来，所以并不是任何频率的输入信号都能被环路储存。当进入储频环路的信号 频率不等于“优势模”的频率时，该信号将会建立在与其最相邻的那个“优势模 频率上面，这将会导致储频的频率误差。将这个会导致储频误差的现象称之为“模 式化”( m o d i n g ) 现象。由于输入信号的频率范围远远大于两个“优势模 的频率间 隔1 肛。，所以可以认为输出频率与输入频率之间的最大误差为： 厂= 老 式( 2 1 0 ) 由上式可以看出，储频的频率误差只与环路的总迟延时间有关，总延迟时间 越长，储频的最大频率误差厂越小，储频精度越高。 模式化现象同时还会导致储频环路的输出信号与输入信号的相位不一致。只 第二章模拟射频信号储频 有当信号频率与优势模频率相同时，每次循环对信号的频率才是同相的，保持其 原相位和原频率不变。而其它频率的信号在环路中循环一周就会产生相位差1 4 。 图2 1 0 所示为储频环路的相移的频率特性。图上只画出了任意的两个相邻的“优 势模 频率来做分析。 l l ，( ( i ) 一了【 一 ak 。 ( k - 1 ) 一二n 旦 = 7 图2 1 0 储频环路的相移频率特性 储频环路的总相移包括环路中的行波管、定向耦合器、迟延线以及馈线的相 移，这个总相移的频率特性可以表示为： l l ，( ) = 一( o 岛式( 2 1 1 ) 在图上表现为一系列斜率为负的，且斜率值为储频环路总迟延时间t 。的斜线。 因为储频环路需要满足的相位条件，所以在各个“优势模”的频率处环路的总相 移为零。而最大的相移发生在两个优势模频率的中间位置a 处，大小为- ；- 1 8 0 。 。 产生最大相差时，能量将会聚集在输入信号频率的两边，相距1 2 r s 的边带上。这 不但降低了相位的一致性，而且在这些非最佳储频环路频率上产生了功率损耗。 从以上的分析可以得到以下结论，为了减小储频误差，可以通过增大储频环 路的总迟延时间黾来实现。增大延迟时间可以减小相邻两个“优势模 之间的频率 差，同时也使得环路的相频特性变得陡峭，使得储频能量能更集中于“优势模 的附近。 但是由于雷达最小脉冲宽度，以及射频迟延线性能这两方面因素的限制，储 频环路的总延迟时间是不能任意增大的。因为储频环路的最大迟延时间必须要小 于雷达的最小脉冲宽度，并需要考虑到雷达脉冲的波形不是理想矩形，所以整个 环路的总迟延时间一般应取为最小雷达脉冲宽度的6 0 7 0 左右，否则迟延时间 过长，对脉冲宽度较窄的雷达信号的储频就会出现不连续性玛1 。同时由于迟延线 的长度、体积、重量的限制以及长的迟延线对信号产生的衰减影响，也限制了对 环路总迟延时间的增大。 下面通过储频频谱来直观的分析储频误差【1 4 】。设输入的射频脉冲信号为单一 频率的正弦波： 1 4 模拟储频技术研究 s ( o = s i n ( o ) f t )( 0 t 5 0 0 d b ( 10 g h z ) 由表2 1 可清晰的看出光纤迟延线较其它迟延线的优秀性能，故使用光纤及光 学器件构成的光纤储频电路成为了目前使用最多的一种储频形式。 模拟储频技术研究 2 6 小结 本章主要对模拟储频技术开环储频和闭环储频的基本工作原理做了详细 的介绍和分析。并分别对闭环储频环路需要满足的相位和振幅条件、储频环路的 储频精度、储频的建立过程、储频的持续时间、储频行波管的参数选择以及储频 迟延线的性能比较给出了介绍。 由行波管、迟延线闭合环路构成的模拟储频器最大的缺点是转发脉冲与输入 的雷达脉冲信号不相干。相位的不连续性引起储频器输出的频率的模式化现象而 产生储频误差。这会导致干扰信号会被相干雷达所抑制。所以需要在储频电路中 采取一定的措施来尽量减小储频误差。 下一章将介绍以光纤为迟延线的光纤模拟储频技术。 第三章光纤模拟储频技术 第三章光纤模拟储频技术 射频储存环路在雷达脉冲处理中应用广泛。传统的利用同轴波导或者表面体 声波( s a w b a w ) ：迟_ 延线的模拟储频环路( 或迟延线) 和高速数字储频环路( d r f m ) 在许多军用信号处理应用中得到了广泛的使用。这些器件的性能有限，并且现在 需求在微秒级及以上的范围内的，有着长延迟时间的，频率在1 g h z 以上的，体积 小、成本低的迟延线。将光纤用作实时延时元件，并与先进的储存环路结构相结 合的储频电路现在有着广泛的应用。光纤有着重量轻、体积小、宽的带宽和极小 的损耗的优点。光纤的这些优势能够用来实现体积小、结构紧凑的储频电路。 3 1 光纤延迟线储频 3 1 1 光纤迟延线储频环路基本工作原理 如图3 1 所示为一种光纤储频环路的简化原理图。此系统包括三个基本元件： 射频开关、射频放大器和光纤时延单元。其结构与上一章所讨论的模拟储频环路 类似，只是由于采用了光纤迟延线，故在迟延单元上增加了光电电光的转换 器件，也称为光调制器( 发射器件) 和光解调器( 接收器件) 。 输 图3 1 光纤迟延线储频环路 号 其工作的基本原理与前面所分析的一致：输入的射频信号通过定向耦合器主 路输出给射频开关，副路输出给信号检测电路，通过信号检测电路的输出信号控 制控制电路产生控制方波，一与输入脉冲前沿同时的方波控制射频放大器在储频 持续期间正常工作，另一迟延输入脉冲前沿q 的方波控制射频开关与光纤迟延单元 接通，形成储频闭环环路，同时实现对输入脉冲的取样，形成储频的示样脉冲， 然后将脉宽为的示样脉冲加至储频环路进行储频。射频示样脉冲经由射频放大器 2 4 模拟储频技术研究 放大后，作为输出脉冲的一部分；同时它通过输出定向耦合器经过光纤延时单元 迟延一段时间后反馈给射频开关。当整个环路的迟延时间与示样脉冲的宽度大致 相等时，如此循环下去，就在输出端形成一连串的首尾相接的脉冲信号。 由于示样脉冲是对雷达输入脉冲的部分截取，对示样脉冲的循环存储就会造 成输出信号的相位不连续，使得采用这样相位不连续的干扰信号能够很容易被相 干雷达检测出来。所以可以设置信号在环路中的迟延时间黾比示样信号的宽度t i 稍 大一些，即使得r 。 q ，这样输出的储频信号之间将有0 s q ) 的间隔，输出的信 号示意如图3 2 所示。这样有间隔的储频输出脉冲信号就不存在脉内相位不连续的 问题。 a p 兰竺二 b 雠二竺l 一 c stl 。 叫卜 c 圳卅懈删瓣一 卜一 储频时间一 图3 2 间隔储频信号示意图 3 1 2 光纤迟延线储频环路的噪声系数 光纤迟延线储频环路由于对光纤和光调制器、光解调器的使用，从而需要考 虑有这些器件影响因素的环路噪声系数。如图3 1 所示的使用光纤迟延线的储频环 路，仅取出光纤迟延链路和射频放大器组成的环路来分析噪声系数。如图3 3 所示。 图3 3 光纤迟延线储频环路的噪声系数 出 第三章光纤模拟储频技术 实际的信号的最大循环次数由以下两个因素限制：i 闭环系统的增益频率响 应平坦度；2 光纤链路的噪声系数f 7 1 。对自适应增益均衡技术的应用是解决环路 的开环频率响应的平坦度问题的一个方法。这个问题将在后面进行详细的讨论。 噪声系数是影响光纤存储环路的另一个重要因素。我们关心信号被噪声捕获 前在环路中的最大循环次数n m a x 。下面分析噪声系数对循环次数的影响。 如果放大器的增益等于光纤链路的损耗，那么根据级联噪声系数计算公式： n f - 1 + ( n f l - 1 ) + 等+ + 丽n f n 瓦- 1 却- 1 ) 可得在n 次循环后的系统的总的噪声系数，n f t 由下面的式子表示： n f t = 1 + n ( ，n f l 1 + 骂o ) 式( 3 2 ) 其中，n f l 是放大器的噪声系数，g 1 是放大器的增益，n f 2 是光纤链路的噪声系数。 由于一般现在所使用的光纤元件具有这样的性能：了n f 2 n f l 1 ，因此式( 3 2 ) w 以写成以下形式： n f ， n f t 兰n u 1 因此输出信噪比 s = 面s n r i n = 蒜 式( 3 3 ) 式( 3 4 ) 其中，p m a x 是环路的最大输入功率( 由激光二极管的最大输入功率所限制) ，k t b 是 输入噪声功率。一般来说，储频环路的输出信噪比要达到1 0 d b 。 最大循环次数r i m 默可由式( 3 4 ) 来计算。首先，由激光的相对强度噪声( r e l a t i v e i n t e n s i t yn o i s e ，r r n ) 所控制的环路噪声系数是需要估计的。 式( 3 一s ) ，= = 一 式f 3 一s ) 其中，i b 是激光二极管的偏置电流，i t h 是阂值电流，r l 是激光二极管的输入阻抗， t 是环境温度。根据实际电路的各种参数值，代入式( 3 4 ) 便可计算出信号在环 路中循环的最大次数【s j 。 循环环路的总时延时间是由光纤链路的单位迟延时间r 和信号的循环次数n 所决定的。时延时间是可以通过增长光纤的长度来延长的，同时由于全部的噪声 源和损耗都来自于光微波接口处而不是光纤上，所以增长光纤长度不会明显的增 大在光纤上的损耗而使得储频环路的性能下降。而同轴电缆迟延线的损耗是会随 着长度的增长而增大的。 3 1 3 光纤迟延线储频环路的损耗 光纤作为储频迟延线存储射频信号，首先需要利用半导体激光器( l a s e rd i o d e ， 模拟储频技术研究 l d ) 或半导体发光二级管( l e d ) 作为光源器件，把电信号转换成光信号并将其耦合 进光纤中进行迟延，在接收端使用半导体检测器件( 检波器) ，如雪崩光电二极管 ( a p d ) 或光电二极管( p i n ) 等，将光信号再还原为电信号。在实际应用中，一般都 将激光二极管作为光发射器，光电二极管作为光接收器来使用。 光纤迟延线组件的损耗主要由两部分组成，一是由于微波阻抗匹配产生的损 耗，另一则是激光二极管( l d ) 与光纤耦合产生的损耗【9 】。由于输入端激光二极 管( l d ) 、输出端光电二极管( p i n ) 的微波匹配都采用的是纯阻抗匹配，因此与 无耗的电抗匹配相比，将会产生2 0 - - , 2 5 d b 的损耗。激光二极管与光纤耦合处会产 生光反射现象，倘若此反射反向进入激光二极管，则会增大激光二极管的噪声。 所以为了减小这种影响，就需要降低激光二极管与光纤之间的耦合效率。 总的损耗l 为： l = 2 船) z 瓦r i 咄l o p 。2 郊_ 6 ) 其中，r o 为输出端电阻，r l 为负载电阻，r j 为输入端电阻，r 为p i n 光电二极管的 响应度，单位a w ，m 为激光二极管的调制增益，单位w a ，l o d t 是以比值表示 的光损耗，l o 为当l o p t = 1 时的延迟线单位损耗。且： l o _ ( 搬r o r l 。、1 2 金 式( 3 7 ) 一般来说，输出端电阻r o 与输入端电阻r i 以及负载电阻r l 的阻值相等，即 r o = r i = r l = 5 0 f l ，p i n 光电二极管的响应度r 0 7 5 a w 。激光二极管在不加 光隔离的情况下，其调制增益m 0 0 2 w a ，则根据式( 3 7 ) 可计算得出单位损 耗l o 约为4 2 5 d b 。在激光二极管加上光隔离的情况下，其调制增益m o i w a ， 可计算出单位损耗l 0 约为2 8 5 d b 。 光纤的自身单位损耗约为( 0 4 d a k m ) ，光纤迟延线的迟延时间t 是由光纤的长 度，和光纤中的光的群速v 窑确定的： 2 t s 2 一v g c v g = 五 式( 3 8 ) 式( 3 9 ) 其中c 是自由空间光速，n 1 是光纤纤芯的折射率，是光波长的函数。 假设n l = 1 5 ，那么单位长度的光纤的迟延时间就约为5 b s 。那么由储频系统 所需的储频迟延时间t 。，就可得出光纤迟延线的自身损耗，为0 1 6 r 。那么整个光 第三章光纤模拟储频技术 纤迟延线储频环路的总损耗就为( 4 2 5 2 8 5 ) d b + 0 1 6 t s l 9 1 。 3 1 4 光纤迟延线储频环路的信噪比 光纤迟延单元的噪声定义为微波信号输入端的等效输入噪声e i n ，单位为 d b m l h z 。等效输入噪声主要是由三个部分组成的：激光二极管的噪声、p i n 光电 二极管的散粒噪声以及光接收机的热噪声。 其中激光二极管的噪声e i n l 可以表示为： e i n l = r i n ( i i t h ) 2 r i式( 3 1 0 ) 式中，r i n 是激光二极管的相对强度噪声，单位是d b h z ，i 是激光二极管的直流 偏置电流，i t h 是激光二极管的阂值电流。 p i n 光电二极管的散粒噪声e i n 。为： 】 e i n s = 弓 q r r l p p d l 式( 3 1 1 ) 。 式中，q 为电子电荷，其值为q = 1 6x1 0 - 1 9 c ，p p d 为p i n 光电二极管接收的光功 率。 光接收机的热噪声e i n t 为： e i n t = k t l式( 3 一i 2 ) 式中，k 为波尔兹曼常数，其值为k = 1 3 8x1 0 - 2 3 w k ，t 为绝对温度，单位k 。 所以，光纤迟延单元的总的等效输入噪声e i n 为： e i n = e i n l + e i n s4 - e i n t = r i n ( i i t h ) 2 r i + 言q r r i l o r l o p t 们l 。 l o p t 2 ( w h z ) 式( 3 1 3 ) 式中，p 1 = d e o p t ，是激光二极管发射进入光纤迟延线的光功率。 假设输入射频信号的调制深度为m ，则输入光调制器，即激光二极管的微波 功率为： p t = m l z r i 所以光调制器的信噪比为： m l z r ( s n r ) t = 而丽i l l , i 面t 1 。| 式中，b 为噪声带宽，单位h z 。 在光接收机的输出端，输出的微波功率为： 式( 3 1 4 ) 式( 3 1 5 ) 模拟储频技术研究 则光接收机的信噪比为： 1 2 ( r m p p d ) 2 r l = 一- - - - - - - - - - - - - - - 一 8 8 2 k t + q r p p d r l 式( 3 1 6 ) 式( 3 1 7 ) 则由式( 3 1 s ) 和式( 3 1 7 ) 便可求出光纤迟延单元的总的信噪比s n r 为： s 蒜勰 式c 3 - 1 8 ， 实际计算中代入各个元件的参数值即可求得例。 3 2 光纤模拟储频电路 上一节分析介绍了光纤迟延线储频环路的基本原理，它在根本上还是以对射 频电信号进行迟延存储来实现储频的，只是由于使用了光纤迟延线替代了传统的 微波迟延线，而增加了光调制和光解调两个环节。这一节将对一种全光存储的光 纤模拟储频电路做一分析和介绍。 3 2 1 光纤模拟储频电路组成 如图3 4 所示为光纤模拟储频电路的基本组成示意框图。其中由光耦或开关、 光纤迟延线和光放大器构成一个闭环反馈环路，输入射频信号将通过电光调制为 光信号，并在这个反馈环路中循环存储以达到储频的目的。 图3 4 光纤模拟储频电路框图 首先介绍组成光纤模拟储频环路的各个光学器件。射频信号输入后需要进行 电光调制成光信号再进入到储频环路中，之后还要经过光探测器将光信号再变回 电信号输出。实现电光的转换和调制所需的电光调制器通常包括激光二极管( l d ) 和调制器。 激光二极管：激光二极管可看作是一个由放大器、谐振腔和正反馈组成的光 l r，一)t 耽 选吼 2 p q 、l ， “一1_一，乙 d 限一： 昂 一十 撩 1 8 一一 8 萨 氏 耐 第三章光纤模拟储频技术 振荡器，它利用谐振腔产生震荡的原理获得激光。它的核心部分是一个p n 结，当 p n 结加上正向电压后，会有一部分复合发光，即自激辐射。另一部分光子会在谐 振腔内来回反射，激发出更多光子，由于谐振腔的设计适当而形成正反馈，使得 受光辐射越来越强，一旦克服晶体内部的吸收损耗，就开始振荡，产生激光。使 激光二极管能够产生激光的最小电流成为激光二极管的阈值电流。激光二极管从 结构上可分为