摘要:射频信号延时/衰减组件能对射频信号进行不同数值的时间延迟和功率衰减，光纤延迟线能对光信号进行时间延迟。设计了一种基于光纤延迟线的射频信号延时/衰减组件，包含光发射机模块、光纤延迟线模块、光接收机模块、射频放大器模块和程控衰减器模块等功能模块;给出了该射频信号延时/衰减组件的主要技术指标，分析了其主要功能模块的电路结构组成和工作过程。在无线电高度表检测仪中的工程应用表明:该射频信号延时/衰减组件对射频信号的时间延迟精度高，功率衰减范围大，模拟高度值输出数量多，且工作稳定。
关键词:光纤延迟线;光发射机;光接收机;射频信号;延时;衰减;组件
0引言
射频信号延时/衰减组件能对射频信号进行不同数值的时间延迟和功率衰减，是无线电高度表检测仪等检测设备的核心功能组件。无线电高度表检测仪是用于在飞机上对无线电高度表进行工作状态检查和性能指标(测高精度、灵敏度等)检测的便携式一线检测设备，通常由射频信号延时/衰减组件、控制/显示组件和电源组件等功能组件组成，如图1所示。被测无线电高度表收发机“发射天线”插座输出的射频调制信号(载频通常为4.3GHz)通过发射天线电缆送给射频信号延时/衰减组件，进行不同数值的时间延迟(对应不同数值的模拟高度)和功率衰减(模拟不同高度值下射频信号的功率)后，再通过接收天线电缆送回被测高度表收发机“接收天线”插座，实现不同飞行高度值的模拟;控制/显示组件控制产生射频信号延时/衰减组件所需的延迟线选择控制信号和功率衰减值设置控制信号，并显示所设定的模拟高度值和和衰减功率值;电源组件为射频信号延时/衰减组件和控制/显示组件提供所需的工作电压。
射频信号延时/衰减组件中的关键信号处理结构件是射频信号延迟线，由射频信号延迟线完成对被测设备送来的射频信号进行不同数值的时间延迟(延时)。目前，射频信号延时/衰减组件中通常采用同轴电缆线或声表面波(SAW)延迟线等结构件作为射频信号延迟线[1-4]。这种射频信号延时/衰减组件受体积、质量或成本等因素限制，存在射频信号延迟线数量少，因而时间延迟点值少(从而模拟高度值数量少)的问题，不能满足无线电高度表检测仪对无线电高度表进行全面工作状态检查和精确性能指标检测时对较多模拟高度值数量的需求。
光纤延迟线是一种能对光信号进行不同数值时间延迟(延时)的光信号延时处理结构件。笔者设计了一种基于光纤延迟线，能满足无线电高度表检测仪对无线电高度表进行全面工作状态检查和精确性能指标检测时对较多模拟高度值数量需求的射频信号延时/衰减组件。本文给出了基于光纤延迟线的射频信号延时/衰减组件的主要技术指标，分析了其主要功能模块的电路结构组成和工作过程。
1主要技术性能指标
综合分析现役飞机装备的多种不同型号高、低空无线电高度表测高范围、测高精度、灵敏度等性能指标数据，确定该基于光纤延迟线的射频信号延时/衰减组件的主要技术性能指标数据，具体如下。
1)射频信号频率范围、功率范围:①输入射频信号频率范围:(4300±100)MHz;②输入承受功率:平均功率300mW，脉冲峰值功率500W。
2)阻抗:50Ω。
3)电压驻波比:≤2.5。
4)射频信号延迟时间及精度:选取9个典型射频信号延迟时间
5)模拟高度值数量、数值:在0～2100m模拟高度值范围内，以10m作为步进变化量，可设定211个不同模拟高度值。
6)射频信号功率衰减范围及精度:①功率衰减值范围:45～155dB;②数值精度:≤80dB时±1dB，>80dB时±2dB。
7)环境温度数据:①工作状态:-20℃～+70℃;②存储状态:-35℃～+85℃。
8)供电电源数据:DC+12V，消耗电流<0.4A。
2模块组成及信号传输关系
基于光纤延迟线的射频信号延时/衰减组件的组成框图如图2所示。
2.1功能、模块组成
该基于光纤延迟线的射频信号延时/衰减组件的功能，就是用于对被测设备(如无线电高度表)收发机“发射天线”插座输来的射频电信号进行电/光变换、光域时间延迟、光/电变换和射频电信号的放大、滤波以及功率衰减等信号处理。
该射频信号延时/衰减组件由光发射机模块、光纤延迟线模块、光接收机模块、射频放大器模块和程控衰减器模块等功能模块组成，其中光纤延迟线模块是核心功能模块。
2.2模块间信号传输关系
光发射机模块将来自被测设备(如无线电高度表)收发机“发射天线”插座的射频调制电信号转换为光信号，实现电/光变换功能，并将光信号注入光纤延迟线模块;光纤延迟线模块运用光纤对传输的光信号具有时间延迟(延时)作用的特性，在控制/显示组件送来的光纤延迟线选择控制信号控制下，通过不同长度的光纤实现不同数值的时间延迟，再注入光接收机模块;光接收机模块将来自光纤延迟线模块的光信号再转换为射频电信号，实现光/电变换功能，并将射频电信号送入射频放大器模块;射频放大器模块对射频电信号进行幅度放大后，送入程控衰减器模块;程控衰减器模块在控制/显示组件产生的功率衰减值设置控制信号控制下，对射频电信号进行不同功率电平值的衰减，最后输出送入被测设备收发机“接收天线”插座。
3光发射机模块功能电路设计
光发射机模块采用直接强度调制(IM)型电光调制器电路结构[5]，由阻抗匹配电路、激光二极管(LD)光源、光源直流偏置电路、光源自动功率控制(APC)电路和自动温度控制(ATC)电路及光隔离器等功能电路组成，完成将来自无线电高度表收发机“发射天线”插座的射频电信号转换为光信号，实现电/光变换功能。
光发射机模块原理电路组成框图如图3所示。
4光纤延迟线模块功能电路设计
4.1功能、电路器件组成
光纤延迟线模块的原理组成框图如图4所示，主要由多段不同长度的光纤和多个光开关组成。本设计中，由FDL1～FDL9等9段不同长度的单模光纤(长度分别为13.6m、27.2m、40.8m、54.4m、136m、272m、544m、1360m)和K1～K10等10个磁光开关(K1、K10为2个1×2磁光开关，K2～K9为8个2×2磁光开关)组成。
4.2多时间延迟点值(多模拟高度值)产生原理
光纤延迟线模块是基于光纤作为光信号传输媒质，使用时具有传输速率恒定、传输延时稳定和传输信号带宽宽、损耗小、抗电磁干扰能力强，以及体积小、质量轻等优点[6]。而光开关具有光信号切换速度快、插入损耗小、开关控制关系简单等优点。本设计中，运用光纤对传输的光信号具有时间延迟作用的特性，采用9段不同长度的单模光纤(光纤长度不同，对传输光信号的延时时间不同)，通过10个磁光开关对不同长度光纤的组合通路进行切换控制，实现9段不同长度光纤的210种不同延时的组合，进而实现高达211个不同时间延迟点值(对应在0m～2100m模拟高度值范围内，以10m作为步进变化量，有高达211个不同模拟高度值)。
4.2.1光纤选型和光纤延迟线长度预算
在本设计中，光纤选用工作波长为1310nm、损耗为0.31dB/m的G.652型长波长单模光纤产品，其纤芯折射率n的数值为1.4706。
4.2.2多模拟高度值实现方法说明
在0～2100m范围内，以10m作为步进变化量，设定211个不同模拟高度值:0m、10m、…、2090m、2100m。
1)0m:通过直通路实现，不需要光纤延迟线。
2)10m、20m、30m、40m、100m、200m、300m、400m、1000m:分别由FDL1～FDL9不同长度光纤延迟线延时实现。
3)其他201个:在由10个光开关构成的光开关阵列控制下，由FDL1～FDL9不同长度光纤延迟线采用延时组合的方式实现，如:
50m=10m+40m，对应FDL1、FDL4;
60m=20m+40m，对应FDL2、FDL4;
190m=20m+30m+40m+100m，对应FDL2～FDL5;
1900m=200m+300m+400m+1000m，对应FDL6～FDL9;
2090m=20m+30m+40m+100m+200m+300m+400m+1000m，对应FDL2～FDL9;
2100m=10m+20m+30m+40m+100m+200m+300m+400m+1000m，对应FDL1～FDL9。
4.2.3光开关选型及光纤延迟线切换控制分析
光开关是用于对光信号传输通道进行切换控制的器件。其中，非机械式光开关是利用某些材料具有电光或声光、热光、磁光效应(对应电光开光、声光开关、热光开关和磁光开关等类型)的特性，使光信号传输通路发生切换，具有光信号切换速度快、插入损耗小、开关控制关系简单等显著优点[7]。本设计中，选用高速(开关切换时间≤15μs)、低插入损耗值(≤1dB)的磁光开关[8]。
1×2磁光开关、2×2磁光开关的结构示意图如图5所示。
该型磁光开关“直通”态、“交叉”态的切换控制，通过其“状态切换控制信号”两个引脚上所加的电脉冲控制信号实现，具体如下:光路切换时，从一个引脚相对另外一个引脚输入正的电脉冲，光开关切换到一个输出通道;反之，若输入反方向电脉冲，则切换到另外一个输出通道。电脉冲控制信号指标为:电压幅度7V，脉宽12～15μs，脉冲电流输出能力500mA。
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来自控制/显示模块的光纤延迟线选择控制信号控制磁光开关的驱动控制电路，使其产生电脉冲序列控制信号，控制2个1×2磁光开关(K1、K10)和8个2×2磁光开关(K2～K9)的“直通”态、“交叉”态，对9条光纤延迟线(FDL1～FDL9)的接入状态进行控制，使光发射机模块输来的光信号经过由不同长度光纤延迟线构成的光纤线路进行传输，在传输过程中因光纤线路长度的不同而对光信号产生了不同数值的时间延迟，再输出到光接收机模块中，实现对射频电信号在光域的时间延迟。
5其他模块简介
在本设计中，光接收机模块采用较为成熟的直接检测(DD)型光接收机电路结构，采用PIN型光电二极管探测光信号，将来自光纤延迟线模块的光信号转换成光生电流信号，实现光/电转换功能。射频放大器模块将光接收机模块输来的光生电流信号进行射频放大，转换为射频电信号。程控衰减器模块依据控制显示组件送来的功率衰减值设置控制信号，对射频电信号进行特定功率电平值的衰减，最后输出送入被测设备(如无线电高度表)收发机“接收天线”插座。
6结束语
本文运用光纤对传输的光信号具有时间延迟作用的特性，设计了基于光纤延迟线的射频信号延时/衰减组件，该射频信号延时/衰减组件采用9段不同长度的单模光纤，通过10个磁光开关构成的光开关阵列对不同长度光纤组合通路进行切换控制，实现了高达211个不同时间延迟点值(对应高达211个不同模拟高度值)的产生输出。与采用同轴电缆线或声表面波延迟线等结构件的现有射频信号延时/衰减组件相比，该射频信号延时/衰减组件具有时间延迟点值多(模拟高度值数量多)、工作性能稳定、体积小、质量轻、性价比高等优点。在无线电高度表检测仪中的工程应用表明，该射频信号延时/衰减组件对射频信号的时间延迟精度高，功率衰减范围大，模拟高度值输出数量多，特别适合在对无线电高度表进行多模拟高度值、全面性能检测场合时的使用。——论文作者：王翠珍，唐金元，王思臣
