1. 光纖長延時器件的特點與應用

　　光纖通信在數字通信領域已得到相當廣泛的應用，且得到了快速的發(fā)展。由于光纖通訊具有帶寬寬、損耗低、抗干擾、保密性好、重量輕、性能價格比高等優(yōu)點，近年來通過光纖傳輸模擬信號" title="模擬信號">模擬信號特別是微波射頻信號在國際上研究十分活躍。

　　在電子學系統中，常常需要對數字信號和模擬信號進行一系列處理，例如進行脈沖編碼、解碼、濾波、進行相關卷積運算及作A/D變換等。過去常用的方法除電子學方法外，還應用了聲表面波電荷耦合器件（SAW CCD）以及同軸電纜等，但是隨著信號工作頻率與帶寬的提高，特別是在微波頻段，這些方法就顯得無能為力了。由光纖及其相應的光電子器件構成的光纖延遲線" title="延遲線">延遲線不僅能完成上述信號處理功能，而且在某些方面比新發(fā)展的靜磁波與超導延遲線還優(yōu)越。此外，光纖除可以用作信息傳輸與傳感之外，還有一個很重要的應用就是進行頻域和時域的信號處理，其中，最典型的應用是將光纖作為延遲線。

　　微波光纖延遲線主要用于傳輸微波模擬信號，該系統可以用于相控陣雷達主倉和分倉之間，多基地雷達之間，艦艇、飛機、操作室和炮火控制臺的模擬信號傳輸。在電子系統中，采用光纖傳輸微波模擬信號，可以使雷達，通信導航識別，電子戰(zhàn)信號經傳輸更好地顯示與控制，減輕重量，增大容量，屏蔽干擾，大大提高系統的可靠性。

　　2. 網絡分析儀" title="網絡分析儀">網絡分析儀系統結構" title="系統結構">系統結構

　　要想獲取高精度的測量結果，必須非常清楚地理解網絡分析儀的系統結構。安捷倫矢量網絡分析儀VNA的系統結構如圖1所示：
 

　　前向測量時，B為測試接收機，A為反射接收機，R1為參考接收機；反向測量時，A為測試接收機，B為反射接收機，R2為參考接收機。

　　四個S參數定義如下：

　　前向：S11=A/R1  S21=B/R1    反向：S22=B/R2   S12=A/R2

　　對于長延時器件常常需要測量其衰減和電延時，電延時是相位相關的，即測量S21的幅度信息和相位信息，因此我們只需要關心B接收機和R1接收機。

　　3. 長延時器件S21的幅度測量時問題分析以及解決方案

　　長延時器件測量連接如圖2所示：

　　當測量S21的幅度時，幅度相應看起來非常低，甚至會有一些跳變。此時，如果你增加掃描時間，你會發(fā)現測試結果" title="測試結果">測試結果會變得準確一些。很顯然，問題是由于網絡分析儀掃描速度太快導致，但是為什么快的掃描速度會引起較差的測試結果？

　　我們測量長延時器件的S21時，VNA的掃描類型是線性頻率掃描，也就是頻率隨著時間掃描，因此被測件(DUT)的時延" title="時延">時延會引起輸出頻率對輸入頻率有一個頻率偏移，頻率偏移是由VNA的掃描速率和DUT的時延共同決定：



　　由圖2可以看出，DUT的輸出信號到達B接收機，依據VNA的工作原理，B接收機被調諧到DUT輸入信號的頻率，因此DUT輸出信號的頻率與B接收機的工作頻率相差Fshift。最終導致接收機的中頻信號并不是在中頻濾波器的中心位置，濾波器的裙邊會對DUT的輸出信號有一些衰減。因此，掃描速率越快，頻率偏移越大，S21的幅度下降越嚴重。如果掃描頻率跨越幾個VNA頻帶，S21幅度可能會有跳變現象，因此VNA需要在不同的頻帶內設置不同的掃描速率，但是對于每個頻帶可以設置相同的較慢的掃描速率。

　　當你測量長延時器件的S21幅度時，如果發(fā)現測試結果不正確，建議幾種如下解決方案

A. 降低VNA的掃描速度，直到S21幅度穩(wěn)定。
B. 使用“Stepped Sweep”步進掃描模式，設置每個頻點的駐留時間。
C. 在參考通道，增加一個足夠長的電纜，讓這個電纜來匹配DUT的時延，但是這個方案會給校準帶來一些麻煩。

　　4. 長延時器件的電延時測量問題分析與解決方案

　　很多工程師都知道安捷輪的VNA網絡分析儀具有群時延的測量功能，但是很少有人能夠準確地測量出長延時器件的電子延時，甚至有時候測量的群時延為負值。針對這一問題，作者向大家提供三種測試方案

　　A. 電子延時補償等效法

　　首先，設置S21的顯示格式為Unwrapped Phase，然后調整VNA的Electric Delay進行補償，直到S21的相位軌跡曲線變得非常平坦。調整時，請注意當曲線的斜率為正值時，說明過補償。最終的補償值為被測器件的電子延時長度。

　　B. 群時延法

　　群時延的定義如下：
 

　　圖3所示的Average Delay代表DUT的電子長度或電延時，Group Delay Ripple代表DUT的相位失真。群時延計算的前提條件是要保證任意兩點之間的相位差小于180度，否則出現相位反轉，相位反轉的典型現象是群時延為負值。避免兩點之間相位反轉，須保證以下不等式成立：

ΔΦ = -360*Δf*t0<180°
Δf =測量帶寬/（掃描點數-1）
t0 為被測件的電子長度

　　針對長延時器件，要想滿足以上不等式，需要增加掃描點數和減少掃描帶寬。測量時，設置S21的顯示格式為Group Delay，圖4給出群時延方法的測量結果，DUT的平均群時延為247.776微秒。
 

　　C. 電延時補償等效法與群時延法相結合

　　這種方法結合電子延時補償等效法與群時延法，首先在VNA里設置Electric Delay為一個估計值，例如在圖4中可以估測電子延時為247.7微秒（這個值可以根據被測件的物理長度，介電常數和光速大約計算出來；這里也可以估算為240微秒），然后測量其群時延。測量結果如圖5所示，平均群時延為75.9納秒。如果過補償，會導致測量結果為負值，不過不影響最終測量結果。最終測量結果為補償值加上測量值，因此最終測量結果為247.7759微秒。
 

　　總結

　　在測量長延時器件時，由于VNA掃描速度太快，導致傳輸系數S21幅度測量不準確。群時延測量不準確的原因是由于掃描相鄰兩點之間的相位差大于180度，從而導致相位翻轉。正確合理地設置VNA網絡分析儀，準確地測量長延時器件就不會那么復雜了。

　　參考文獻

1. Agilent PNA Series Network Analyzer Help, Agilent Technologies, Inc. 2007
2. 梅遂生，光電子技術〔M〕，北京：國防工業(yè)出版社，1999，213.
3. 馬玉培,陳季文,要志紅.多延遲光纖傳輸系統[A].第十二屆全國化合物半導體材料、微波器件和光電器件學術會議論文集[C].中國：廈門，2001，573.
4. G.凱澤.光纖通訊原理[M].于耀明,等譯,北京：人民郵電出版社，1988年，9.