一种雷达射频光发射机的制作方法

本实用新型涉及一种雷达射频光发射机。

背景技术：

射频光纤传输具有高带宽、灵敏度高、抗干扰性能强、传输距离远、保密性能高的优点，在骨干网通信、电视广播信号传输等领域有广泛的应用。射频信号光纤传输需要三个装置，分别是射频光发射机、传输介质(光纤)、射频光接收机。在发射端，射频光发射机机将射频信号调制到光载波上，通过光纤输出激光；在接收端，载有射频信号的光信号进行PD，将射频信号解调出来，经过一系列信号处理最终输出，从而实现电光-光电转换。

近年来由于射频光纤传输的显著优点，其在雷达组网系统中也引起了广泛关注。但是，光发射端激光器功率及波长微小抖动都会对接收端解调出的射频信号产生巨大的影响。雷达系统中对射频信号幅度一致性、相位一致性、相位噪声、谐波、杂散抑制等指标的苛刻要求成为制约射频光纤传输应用于雷达系统的关键因素。

现有雷达射频光发射机存在的不足之处：

(1)射频信号幅值一致性差。激光器的输出光功率与激光器的驱动电流成近似线性关系，现有技术中激光器驱动电流的抖动会导致光功率抖动，在接收端解调出的射频信号与光功率关系如公式1表示：

其中I(t)为PD输出电流，PT(t)为输入激光器功率，A为PD响应度，ω为射频信号频率，β为直流分量，为相位随机波动。由公式1可以看出，激光器驱动电流的抖动会导致探测器解调出来射频信号的强度变化，也就是幅值变化，使得各路射频信号幅值一致性较差。

(2)射频信号相位一致性差。激光器工作的温度变化会导致激光器谐振腔内有效折射率变化，使得激光器输出波长发生变化。光纤传输延时差与激光器波长差关系如公式2表示：

τs＝D·L·Δλ (2)

其中，τs为管线传输延时差，D为色散系数，L为光纤长度，Δλ为波长差。在波长1550nm附近，光纤色散系数约为20ps/(nm·km)，温度改变1℃波长变化Δλ约0.08nm，则对于10km的光纤，温度变化1℃，传输延时差为0.016ns，对于1GHz的射频信号，相位变化为5.76°。现有技术中激光器工作温度的抖动使得探测器解调出的射频信号相位发生变化，导致射相位一致性不足，相位噪声也会产生恶化。

(3)激光器工作环境稳定性差。通常雷达的工作环境为高温环境，若激光器内部制冷器功率不足则容易失控，使得射频信号质量恶化。现有技术并未对激光器的功率、工作温度、驱动电流进行远程监控，使得操作人员无法得知激光器是否正常工作，无法保证经过光传输后的射频信号质量。

技术实现要素：

本实用新型发明目的在于提供一种雷达射频光发射机，能够有效改善输出的射频信号质量。

实现本实用新型发明目的的技术方案：

一种雷达射频光发射机，激光器内置有热电制冷器和探测器，激光器接驱动单元和直流偏置单元，其特征在于：设有自动功率控制单元，自动功率控制单元的信号输入端接激光器内的探测器，自动功率控制单元的信号输出端接直流偏置单元。

进一步地，设有自动温度控制单元，自动温度控制单元的信号输出端接激光器内的热电制冷器。

进一步地，设有监测单元，监测单元用于监测雷达射频光发射机工作状态，并向远程提供监测信号。

进一步地，设有遥控单元，遥控单元信号输出端接自动功率控制单元，遥控单元用于接收远程遥控信号，控制激光器功率输出。

进一步地，自动功率控制单元包括第一运算放大器、第二运算放大器，第一运算放大器用于信号放大，第二运算放大器用于信号比较和放大；第一运算放大器的信号输入端接激光器内的探测器，第一运算放大器的信号输出端接第二运算放大器的第一信号输入端，第二运算放大器的信号输出端接直流偏置单元。

进一步地，自动温度控制单元采用max1978芯片或者采用由运算放大器组成的PID控制电路。

进一步地，监测单元由第一检测电路、第二检测电路和第三检测电路组成，其中第一检测电路用于检测激光器驱动电流信号，第二检测电路用于检测激光器内探测器的电压信号，第三检测电路用于检测激光器工作温度。

进一步地，遥控单元具有光耦开关，光耦开关的信号输出端接第二运算放大器的第二信号输入端，光耦开关的信号输入端接收远程遥控信号。

本实用新型具有的有益效果：

本实用新型通过自动功率控制单元(APC电路)精确控制光发射机输出光功率大小，有效提高射频信号幅值一致性，使得解调出的各路射频信号幅度一致性±0.5db以内；通过自动温度控制单元(ATC电路)，精确控制激光器内工作温度，进而有效提高射频信号相位一直性，使得各路射频信号相位一致性达到±5°以内，相位噪声恶化1.5dBc/Hz，满足了雷达系统对射频信号相位一致性与相位噪声的苛刻要求；通过监测单元和遥控单元，对光发射机性能数据进行远程检测，并可控制激光器开关，充分考虑模块安全性与稳定性。本发明尤其适用于面向雷达应用的P波段射频光发射机。

附图说明

图1是本实用新型电路原理框图；

图2是现有激光器内部的电路结构示意图；

图3是本实用新型电路原理图

图4是max1978芯片工作原理图。

具体实施方式

为了便于理解，首先对本发明实施例所涉及的概念进行说明：

(1)P波段：指雷达发射电波的频率范围，频率为0.23-1GHz，波长范围为130-30cm。

(2)射频光发射机：射频光发射机可以将特定波段的微波信号调制到特定波段的光波上，以光子为载波传输微波信号的装置，是针对微波光纤传输应用的一种电光转换模块，在本发明中简称为光发射机

(3)分布式反馈半导体激光器：简称DFB(distributed feedback)半导体激光器，该激光器具有良好的单纵模特性、波长稳定性。在本发明中光发射机采用的激光器为DFB半导体激光器，以下简称激光器

(4)自动功率控制：对应的英文为Automatic power control，简写为APC。

(5)自动温度控制：对应的英文为Automatic temperature control，简写为ATC。

(6)S21参数：S参数即散射参数，是微波传输中的一个重要参数。S21为正向传输系数，也就是系统增益。

(7)相位噪声：英文为phase noise，是指射频器件在各种噪声的作用下引起的系统输出信号相位的随机变化。是衡量射频信号频率质量的重要指标。

(8)热电制冷器：TEC。

(9)探测器：PD，在系统接收端探测器接收光信号转化为射频信号，在激光器内部，背光探测器将光功率转化为特定输出电流，表征激光器功率。

下面结合附图所示的各实施方式对本实用新型进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本实用新型的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的结构上的等效变换或替代，均属于本实用新型的保护范围之内。

如图1、图2所示，激光器内置有激光二极管LD、热电制冷器TEC和探测器(PD)，激光器接驱动单元和直流偏置单元，直流偏置电路为激光器提供静态电流，保证其静态工作点在线性范围区间的中段，使射频信号的非线性降至最低。在直流偏置的驱动下，激光器输出直流光信号；直流偏置电流决定了发射光端机的平均输出光功率，上述为现有技术。设有自动功率控制单元(APC电路)，自动功率控制单元的信号输入端接激光器内的探测器，自动功率控制单元的信号输出端接直流偏置单元。设有自动温度控制单元(ATC电路)，自动温度控制单元的信号输出端接激光器内的热电制冷器TEC。

如图3所示，自动功率控制单元包括第一运算放大器U1C、第二运算放大器U1D，第一运算放大器U1C用于信号放大，第二运算放大器U1D用于信号比较和放大；第一运算放大器U1C的信号输入端PD REF接激光器内的探测器PD，第一运算放大器U1C的信号输出端接第二运算放大器U1D的第一信号输入端，第二运算放大器U1D的信号输出端接直流偏置单元。设有监测单元，监测单元用于监测雷达射频光发射机工作状态，并向远程提供监测信号。监测单元由第一检测电路、第二检测电路和第三检测电路组成，其中第一检测电路用于检测激光器驱动电流信号，第一检测电路包括电阻R15、R17和放大电路U6,第二检测电路用于检测激光器内探测器的电压信号，第二检测电路包括第三运算放大器U1B,第三检测电路用于检测激光器工作温度,表征激光器工作温度的热敏电阻电压经放大后输出检测信号。设有遥控单元，遥控单元信号输出端接自动功率控制单元，遥控单元用于接收远程遥控信号，控制激光器功率输出。遥控单元具有光耦开关U5，光耦开关U5的信号输出端接第二运算放大器U1D的第二信号输入端，光耦开关U5的信号输入端接收远程遥控信号。上端控制设备通过输出高低电平控制光耦开关U5，进而控制激光器输出。自动温度控制单元采用max1978芯片或者采用由运算放大器组成的PID控制电路,本实施例中，如图4所示，采用max1978芯片。

具体实施时，选用DFB作为电/光转换的重要部件(激光器)，光波长为1550nm，由于DFB激光调制器谱线宽度非常窄，能在高速脉冲调制下保持动态单纵模特性，光波长非常稳定，因此，其功率都将集中在主谱线上，相位噪声较低。光电器件属于对温度比较敏感的器件，特别是激光器，温度较高时，激光器的阈值电流增加，电/光转换效率降低，会使输出光功率下降非常厉害，结果光信号和电信号都变弱，信噪比下降；反之，温度较低时，阈值电流减小，电/光转换效率增加，输出光功率增加，光信号太强，可能使激光器管芯损坏，而且电信号也会随光信号的增大而变强，可能使放大器饱和，输出不正常。为了保证激光器在较宽的温度范围时具有高性能，配备精密的APC电路和ATC电路。根据客户的输入射频信号强弱来进行衰减控制，因为输入较强信号(≥10dBm)直接调制激光器会产生非线性畸变，因此要将信号衰减，然后送给激光器，这样可以兼顾调制度和线性度。激光器发射波长为1550nm，传输带宽为2GHz(涵盖整个雷达P波段)，激光器内部集成TEC，通过外部电路可有效控制激光器芯片温度，防止温度变化造成的波长和增益的改变，良好的温度控制电路和散热设计可将激光器温度控制在25±5℃，同时，该激光器内部具备匹配电阻，无需进行外部匹配，可直接将射频信号输入激光器组件。该激光器射频信号1dB压缩点为10dBm，因此，射频信号应先经过衰减才能保证信号不失真。

由于激光器的老化，在相同的偏置电流下，输出光功率减小。本实用新型为了维持输出光功率恒定输出，保证各路射频信号幅度一致性，设有自动功率控制单元(APC电路)。精确控制激光器输出光功率主要是控制激光器的偏置电流。封装在激光器中PD的输出电流与激光器的发光功率成正比。通过检测其输出的电流，能线性的反映激光器输出光功率的变化。光功率偏差检测电路是放大PD输出的微弱信号，作为替代激光器输出光功率的平均值电平，送入运放，与参考电平进行比较。运放的输出控制激光器的偏置电流，形成闭合控制回路。

本实用新型设有自动温度控制单元(ATC电路)，采用max1978芯片进行温度控制。MAX1978是Maxim公司推出的一款单片集成温度控制芯片，其片内集成了场效应管和温度闭环控制电路，独立的加热、制冷限流和限压提供最安全的保护，超低漂移斩波放大器可以维持高达0.001℃量级的温度稳定性。该芯片对热电制冷器TEC的双向温度控制即使在低负载电流时也不存在控制死区，在温度设置点接近外界常温时，它也能以极低的加热或制冷电流很好的工作，不会产生振荡。对于电路，设定温度值和实时温度值进入偏差电路，在偏差电路内通过一个同相跟随电路接入到一个斩波稳定仪表放大器两端，输出偏差信号。偏差信号接入到PID补偿网络的积分放大器的反相输入端，积分放大器正端接内部参考电压，与外部电容电阻组成一个模拟PID补偿网络，其输出电压控制TEC电流的大小与方向。该输出电压与参考电压比较，大于参考电压时，通过PWM控制器和场效应管驱动电路驱动TEC一端电压大于另外一端电压；小于参考电压时，驱动这端电压小于另外一端电压。这样达到了控制TEC的电流方向的目的，而电压差值来控制TEC制冷或加热电流的大小。经测量，通过ATC电路温度波动低于0.004℃，对应的频率抖动是40MHz。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。