射频光纤技术在国防与民用市场的应用（原载于《Microwave Journal》25年6月号）

Oz Abramson, David Gabbay and Avner Sharon, RFOptic

射频光纤传输（RFoF）技术通过在天线与控制中心间提供射频信号的宽带传输能力，正重塑信号传输系统的格局。本文重点阐述RFoF技术的核心优势：信号完整性、抗电磁干扰（EMI）能力、高带宽容量、体积重量缩减、环境适应性强及安全性提升。这些特性使RFoF成为国防与民用市场多元应用场景的理想解决方案。

在国防领域，RFoF技术对综合遥感、安全通信及监视系统至关重要。此类系统可增强抗外部干扰能力，防止电磁脉冲场景中敏感设备受损。应用场景还涵盖无人机控制器的远程天线地面站，以及"虚拟空中"无线电互连系统——该系统能安全连接物理隔离的训练设备（如飞行模拟器）中的大量无线电设备，避免发射干扰并规避非预期监视。相位匹配多通道RFoF技术可实现测向天线阵列的远程操控。将RFoF与光时延光纤段结合可构建光时延线（ODL）。利用ODL进行雷达与测高仪校准测试时，通过对雷达射频信号施加稳定可选的时间延迟，实现精确距离模拟，从而提升雷达探测精度。目标模拟器通过将多个空间分离的发射器与ODL RFoF技术结合，全面验证雷达探测能力。

在民用领域，RFoF技术对5G蜂窝网络性能与互操作性测试至关重要，可提供满足6G等新兴技术频率与带宽需求的解决方案。该技术还扩展了全球导航卫星系统（GNSS）在受屏蔽区域的应用，保障采矿业通信可靠性，并实现分布式天线系统（DAS）的覆盖延伸。该技术通过长距离、宽带及相位稳定的射频信号传输，支持射电望远镜天文台的科研工作，实现甚长基线阵列与干涉测量天线阵列的连接。

射频光纤传输技术的优势

RFoF技术是天线与控制点间传输射频信号的新方案。作为小信号宽带传输技术，其典型信号电平低于+20 dBm。核心优势包括：

信号完整性：RFoF系统可实现远超同轴电缆传输距离的信号传输，这对雷达、通信和监控等对信号保真度要求极高的应用至关重要。

抗电磁干扰性：光纤不受电磁干扰影响，适用于军事设施、城市区域等电子噪声密集环境。单模光纤本质上是直径9微米的玻璃导管，其横截面仅容纳单束信号传输，极难被感应电磁辐射干扰。将光纤引入受屏蔽区域比使用同轴电缆更安全，因为电磁辐射可能感应到同轴电缆上并传导至受屏蔽区域。

带宽容量：射频光纤可在高频下承载海量数据，支持宽带或多频分复用信道同时运行且衰减极小。每条射频光纤链路可在数米至数英里距离内传输平坦信号，带宽超过40 GHz。相比之下，优质50米射频电缆在1 MHz至1 GHz带宽内插入损耗斜率约为5 dB。图1展示了无放大器18 GHz RFoF链路的典型插入损耗与平坦度特性。

图1 无放大器RFoF链路的插入损耗曲线

尺寸与重量：光缆较传统同轴电缆更轻便紧凑。单芯或多芯光纤可低成本传输近乎无限量的射频信号与数据，显著提升国防场景部署灵活性，尤其适用于采用消耗型互连光纤的监视传感器、电子战（EW）应答器及无人机系统。图2对比展示了多芯光缆与同轴电缆的结构差异。

图2 光缆与同轴电缆的结构对比

功耗：每对光纤射频链路仅消耗几瓦功率，相较于需要在短距离电缆间隔处安装信号功率放大器的同轴传输方案更具优势。在传输18 GHz带宽射频信号60米的应用场景中，光纤射频链路约需5瓦功率，而同等距离的同轴传输则需约25瓦功率驱动，每隔15米就需重新调理信号的放大器。

环境耐受性：光纤具备抗潮湿、抗化学腐蚀及耐极端温度的特性，相较射频同轴电缆可大幅减少受屏蔽需求。

增强安全性：光纤因其封闭传输特性，能提供更高的窃听与信号截获防护等级。此外，对现有光纤网络的接入操作极易被检测到。

这些优势使射频光纤传输技术成为国防与民用领域的理想解决方案。例如：单模光纤在1000米传输距离内，其20GHz射频信号的插入损耗比同等长度的0.15英寸直径同轴电缆低7500倍。图3展示了不同直径同轴电缆的每米插入损耗与频率关系。图左侧刻度同时说明了该损耗在20米电缆长度上的总损耗值，以及铺设于300米航母全长时产生的损耗。

图3 不同外径同轴电缆的频率特性曲线。

射频光纤传输技术的应用

国防应用

RFoF技术在国防与国土安全领域具有广泛应用。其典型应用场景是光延迟器（ODL）。该设备将RFoF技术与光纤延迟段相结合。渐进式ODL通过集成光开关式延迟光纤段实现可调延迟，这些段通常按递增延迟顺序排列。该设备通过向射频信号注入精确时间延迟，在监视雷达和火控雷达中模拟目标距离，在雷达系统测试校准中发挥关键作用。具备快速延迟切换功能的ODL可模拟近炸引信或寻的雷达的距离缩短效应。测高雷达通过模拟地面以上高度的ODL进行校准验证。根据应用需求定制ODL解决方案，支持从纳秒到毫秒级延迟，或0.5至10万英尺以上高度，且可实现任意所需步进分辨率。可根据特定应用需求添加更多功能，包括高速延迟状态切换、延迟数量、精度、准确度、多普勒调制、射频增益、双向射频传输以及众多射频与光学特性。提供本地及远程ODL控制选项。图4展示了RFOptic公司的渐进式ODL。

图4 渐进式ODL示意图

相位匹配的射频光纤多通道技术对国防应用中的远程测向天线阵列至关重要。这类阵列应用于雷达和电子战系统，通过干涉测量技术确定目标方位。相位匹配的RFoF多链路系统具备长期稳定性和温度稳定性，可简化测向算法并降低相位校准开销。此类系统可采用四天线阵列实现方位定位，或采用八天线阵列实现仰角分辨。更宽的测向射频传输带宽对应更高的目标定位空间分辨率。此外，宽带测向射频带宽可利用频率依赖性目标反射实现目标识别。图5展示了军用高频相位匹配RFoF系统，其支持1 MHz至6 GHz的测向链路带宽，并采用粗波分复用光复用技术。该系统专为四天线测向阵列设计，并增设全向校准射频光纤链路。这些附加链路使相位匹配通道总数达六路。该射频光纤测向解决方案内置阶梯衰减器，可平衡四通道射频光纤链路增益，从而提升系统性能。射频光纤链路在宽工作温度范围内保持增益稳定性。相位匹配RFoF技术在1公里光纤长度下可实现高达18 GHz的带宽，相位匹配精度达±10度。此外，还演示了具有相似性能的40 GHz相位匹配链路。这些微波和毫米波解决方案采用波分复用技术确保相位匹配性能。通过以太网管理控制系统或本地USB接口，可实现远程与本地双重管理功能。

图5 六通道微型化军用级相位匹配RFoF系统。

RFoF技术亦可应用于无人机远程天线地面站。通过该技术可实现"远程辐射"概念，使无人机控制拖车与可能成为攻击目标的控制/遥测天线分离部署。这种分离设计既提升了控制拖车及人员生存率，又增强了无人机作业期间的通信可靠性。该系统可在所有兼容频段传输飞行控制信号，并接收实时视频与侦察数据。通过光开关技术实现天线位置间的无缝切换，显著提升系统弹性和冗余度。

RFoF技术还能为雷达系统评估创造逼真的产品校准、训练及测试环境。这些目标模拟器通过多组固定或移动发射器，配合精密的RFoF信号分配与ODL分段技术，构建出动态机动目标阵列。雷达信号可经失真或调制处理，模拟真实信号特性、雷达截面积变化以及电子战干扰与欺骗技术。

RFoF技术使消耗型传感器或天线与精密信号处理设备实现物理分离，后者通常部署于遥感与监视应用中的安全受屏蔽中央位置。通过光纤传输共用本振至多传感器站点，该技术可实现相干探测。此类监视系统通常轻量化设计，既可搭载于无人机，亦可集成于大型专用平台，满足空中侦察需求。

民用应用

在民用领域，RFoF技术支撑着多种关键应用。在5G测试与互操作性应用中，该技术正逐步以光开关和RFoF链路取代传统射频开关及同轴电缆。这一技术转型源于5G及新兴6G蜂窝与数据通信技术的需求。随着通信频段不断向更高频率（如5.8GHz）迁移，传统同轴电缆和射频基础设施已无法实现有效传输。5G测试环境是RFoF技术快速普及的领域之一，其核心任务是验证不同厂商基站与移动设备的互操作性。基站阵列通过RFoF双向终端连接至光开关，光纤由此延伸至服务移动设备和测试设备的RFoF双向终端。光网络可按预设程序序列灵活配置，适配各类测试场景。这种可重构测试环境通过共享测试设备显著降低了运营支出（OPEX），且资源利用率极高。不同测试间切换所需的资源消耗几乎为零。借助RFoF子系统的HTML/REST网络服务器远程管理系统，整个测试环境可实现程序化重构，从而对单个信道性能进行监控、验证和控制。该场景的框图如图6所示。图7展示了可支持40个收发器的双向RFoF终端示例。

图6 5G测试中RFoF应用的框图。

图7 高密度2U机箱。

RFoF解决方案为GNSS（全球导航卫星系统）及GPS（全球定位系统）应用提供可靠的覆盖扩展。在这些场景中，光纤传输GPS技术可为受屏蔽区域提供信号，这些区域因直接接收卫星信号受阻，包括停车场、办公楼、隧道、数据中心等场所。RFoF GPS解决方案能实现长距离信号传输与扩展且衰减极小，这对导航和计时应用至关重要。

该技术还能将宽带通信能力延伸至受屏蔽区域，通过分布式天线系统（DAS）实现矿井及建筑内的覆盖。典型应用场景中，无信号区域通过外部天线接收来自附近接收良好位置（称为供信点）的信号，该信号经RFoF技术向下游传输。多数情况下，分布式天线系统的通信是双向的，需要聚合所有天线的上行信号并传输回供体。通过在矿井或停车场、办公楼、隧道等类似受屏蔽区域扩展通信覆盖范围，分布式天线系统解决方案显著提升了采矿作业的可靠性和安全性。

RFoF技术对天文台射电望远镜及其他天文研究至关重要。这类系统能高效传输宽带高频射频信号至远距离，这是甚长基线干涉测量等应用的关键需求。为射电望远镜中心提供的典型解决方案包括：在天文台抛物面天线附近安装配备多频段RFoF发射器的户外单元。这些发射器通过100英尺至数千英尺的光纤束传输信号，接收端则位于天文台控制楼内。RFoF链路具备卓越的相位稳定性，可将接收信号处理为观测目标的高分辨率射电天文图像。该技术实现了宽带高频信号的无缝传输，对高精度天文研究至关重要。

实际应用

雷达系统的相位匹配

RFOptic提供一套包含10个通道的户外机柜式相位匹配系统，其中包含通信通道。该系统经历约六个月的严格测试，稳定性、信号质量及重复性等参数均经精密测量。该RFoF系统通过认证后，已部署于边境防护的测向应用中传输信号。

5G网络部署

RFOptic与领先基站制造商合作，用光纤测试系统替代同轴基础设施。该项目旨在减少测试设备数量、提高设备利用率并降低架设与重构成本。实施成功后，电信公司显著增强了5G互操作性测试能力，测试计划切换时间从数天缩短至数分钟，测试设备使用率大幅提升。该电信公司特别要求解决方案需突破现有射频开关与同轴基础设施的局限，同时满足3GPP 5G蜂窝通信规范中对误差矢量幅度（EVM）及相邻信道泄漏比的严苛要求。试点部署在该公司的欧洲实验室进行，用于测试基站设备并验证互操作性。为全面测试和验证所需性能，提供了双向演示RFoF系统。最终选定的RFOptic系统可在五个模块化抽屉中容纳多达20个双向链路，满足该公司的性能、机械管理和监控系统要求，从而降低运营成本并减少集成需求。

结论

RFoF技术在国防与民用通信领域均实现重大突破。其卓越优势包括：优异的信号完整性、高带宽容量、抗电磁干扰能力及增强的安全性。这些特性使该技术成为当代宽带信号传输应用不可或缺的资产。从实现国防系统精密相位匹配到支持5G网络部署，RFoF已在各类关键场景中展现出卓越价值。

随着组织机构日益采用RFoF解决方案，它们将应对当前通信挑战并为未来发展做好准备。这些企业通过增强运营能力，正凭借多样化的新应用为构建更互联高效的未来铺平道路。国防领域预计将对包括ODL在内的多种应用产生日益增长的需求，同时对多通道相位匹配与相位校正传输系统及目标模拟器的需求也将持续攀升。当前充分利用RFoF优势的应用包括：远程天线、远程地面站、光纤控制无人机、延迟信号处理、延迟中继器、宽带测向与干涉测量技术，以及真时延宽带相控阵系统。未来必将涌现更多前所未有的创新应用，这些应用将充分挖掘RFoF技术的潜力，为现有应用清单持续增添新篇章。

注：本文用软件翻译经人工快速校对，仅供参考，请以英文原文为准：https://www.microwavejournal.com/articles/44198