摘要：延時系統或稱為延遲線在雷達、導航和通信等領域的應用非常廣泛。文中介紹了一種基于先纖傳輸的延時系統的研制，克服了傳統延遲系統在實現手段方面的瓶頸，滿足了雷達、導航、通信等電子設備中對電信號的長延遲需求。
關鍵詞：光纖傳輸；延時系統；光開關；衰減器

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如下：
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，最高帶寬可達到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，最大不超過15 dBm，且在0 dBm功率時的性能達到最佳。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。
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、最大延遲距離為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。