摘 要：本文采用激光器、光调制器、可编程光纤延时阵列及光探测器等构成了新型的微波光纤延迟线系统，对系统的发射、传输和接收三个组成模块进行了理论分析，建立了各模块及系统的数学模型，对系统的传输特性和时延特性进行了仿真。结果表明，此类微波光纤延迟线可视为线性系统。并采用矢量网络分析仪对系统进行了实测，幅频特性和相频特性在合理频带范围内均接近于理想情况，群时延测量结果与理论计算一致，延时精度达到10 ps以内。
关键词：微波光纤延迟线；相时延；群时延；矢量网络分析仪
中图分类号：TN253 TN929.1 文献标识码：A 国家标准学科分类代码：510.5020
Analysis and measurement of delay property for programmable
microwave fiber delay line
microwave fiber delay line
Zhang Chunxi, Zhang Xiaoqing, Hu Shuling, Chen Yinan, Hu Hanwei
(School of Instrument Science and Optoelectronics Engineering,Beihang University, Beijing 100191, China)
Abstract：This paper presents a novel microwave fiber delay line system made up of a laser diode, an optical modulator, a programmable fiber delay array based on optical switches and a photoelectric detector. The emitting module, transfer module and receiving module are analyzed theoretically; the models of individual modules and the system are built. Simulation results of transmission property and delay property show that the system is linear. Measured by a vector network analyzer, the amplitude-frequency characteristics and phase-frequency characteristics of the system are both close to ideal condition in a reasonable frequency range. The measurement results of group delay accord with theoretical calculation completely. The time delay precision of the microwave fiber delay line is within 10 ps.
Key words：microwave fiber delay line; phase delay; group delay; vector network analyzer
1 引 言
作为新型信号处理器件，光纤延迟线的应用逐渐在光纤传感、光纤通信及微波光子学领域兴起[1]。其中，微波光纤延迟线(microwave fiber delay line, MFDL)利用光纤技术对调制在光波上的微波信号进行传输、分配和处理，具有极大的带宽，损耗低，结构简单，抗电磁干扰能力强，重量轻，应用前景广阔，是目前多个学科交叉渗透的研究热点。
可编程微波光纤延迟线在其传输部分是数字控制的多种光纤长度的阵列，通过**的光延时可实现所传输信 号的**相位控制，如用在光控相控阵[2-3]雷达系统中，采用光纤传输微波模拟信号并进行相位的合理分配，对雷达的扫描波束进行控制，可以使雷达信号更好地控制与显示，减轻重量，增大容量，屏蔽干扰，大大提高系统的可靠性。因此，研究微波光纤延迟线的时延特性[4-6]非常必要，其目的有两个：1)根据系统的时延特性来确定系统信号传输延迟时间的大小，以便确定信号间的相位差；2)根据时延特性来了解系统失真情况并寻求解决办法。
2 MFDL系统时延特性分析
其简化的数学模型如图1(b)所示。微波光纤延迟线主要由光发射模块、传输模块和光接收模块组成。光发射模块采用外调制技术[7]；传输模块的结构则根据应用功能的要求设计为可编程光纤长度阵列并由4个光开关实现切换控制[8]；光接收模块一般采用相应的速度匹配（1~3 GHz）的光电探测器来接收微波信号。
(b)微波光纤延迟线数学模型
(b)Mathematical model of MFDL
2.1 发射模块传递函数
光发射模块采用M-Z外调制器实现射频信号的光强调制，为近线性光强度调制。当射频输入信号为时，M-Z外调制器传递函数可写成：
式中：Pi为调制器输入光强，Po(t)为调制器输出光强，Vp为调制器半波电压，Vb为调制器偏置电压，q为调制器输出的初始相位。令（归一化处理）
结构图中的偏置控制电路正是为了减小二次谐波和三次谐波而设计的。为了简化分析，舍去二次谐波和三次谐波分量，得：
每个光开关接入系统后均引起插入损耗，约为0.5 dB，表现为光功率的衰减，图中不同的光纤通路通光时都需要4个光开关同时接入，因此引入的插入损耗相同，可以用同一个衰减系数k2来表示。
不同长度的光纤通路也会引入光功率的衰减。1 550 nm单模光纤的衰减系数约为0.5 dB/km，若忽略光开关的内部光程差，图中*短的光纤通路为9 m，*长的光纤通路为9.063 m，则*大长度差为0.063 m，*大衰减差为0.031 5 dB，这个衰减与光开关引起的光强衰减相比可以忽略。
不同长度的光纤通路会引起输入信号的传输延迟，延迟量大小与光纤长度有关。设此延时为t，初始相位为f0，传输模块的频率特性可写成：
(a)微波光纤延迟线内部结构
(a)Interior structure of MFDL
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