光控相控陣雷達光延時技術研究

李曙光，薛 峰

（上海航天技術研究院第八〇四研究所，上海201109）

0 引言

近年來，利用光學傳輸帶寬大、損耗小、質量輕、體積小、抗電磁干擾等優點，微波相移技術被廣泛應用于光控相控陣雷達中，成為世界電子對抗研究領域的研究熱點［1－4］。基于波分復用技術的光控相控陣雷達，光載波波長數和相控陣天線子陣的數目對應，可以同時控制多子陣延時，具有突出的優勢和良好的性能。多波長延時網絡主要采用WDM或光柵（空間光柵或光纖光柵）實現。加拿大渥太華大學姚建平課題組在利用光纖光柵進行光控相控陣雷達方面開展工作較早［5－6］。利用分離排布的光纖光柵延遲網絡結構，經由啁啾光柵、布拉格光柵和單模光纖固定延遲相結合，利用波分復用技術可以實現最高到18GHz的近1000ps的延遲。以色列特拉維夫大學的Moshe Tur課題組于2008年、2011年提出基于波分復用和光纖真時延遲的技術［7－8］。該方案的核心是在波分復用器不同的波長通道設置不同的延遲，利用光纖鍍銀端面作為反射鏡來實現微波延遲，波長通道間延遲間隔約50ps。

文獻［7～8］采用分束器對不同延遲單元進行分配，但是沒有進行延遲組合。為了實現波束的連續掃描，其延遲需要按照等差數列延遲量的方式進行分配。該結構存在調節能力和延遲量有限等問題，不利于實際應用。本文提出基于波分復用和光纖真時延遲技術的多波長延遲網絡的光控波束形成方案。該延遲網絡的基本單元由密集波分復用器（DWDM）的通道數與需要相移控制的天線子陣數目相等。DWDM每個通道采用Backward方式的延遲線，在通道延遲線尾端利用法拉第旋轉鏡作為反射鏡。DWDM通道間光纖長度按照等差數列分布。為了實現更大的延遲量，將該延遲單元進行級聯，且級聯的延遲間隔按照級數增加，通過引入光開關進行控制與組合，實現不同級數的延遲控制和波束形成。

1 工作原理

圖1為波分復用光控相控陣雷達原理架構。雷達微波信號外調制激光，將微波信號加載到光波上，之后，加載有微波信號的光波通過光纖傳輸，實現低損耗的天饋線。光波經過光環形器進入光延遲網絡。進入光延時網絡的光波，在經過波分復用器后，不同波長的光會進入不同的延遲通道。加載有微波信號的光波經過光／電轉換后，微波信號即被解調出來，經過電放大后，由天線陣列發射出去。

接收時，天線接收到的微波信號經過低噪放大之后，進行電／光轉換，將微波調制到光載波，再進入光延時網絡實現波束形成。進入光／電轉換器，然后到達預處理單元。主要包括對微波信號的低噪放大、濾波及下變頻處理，將X波段的微波信號下變頻到中頻，然后進行采樣及量化。之后進入數據處理單元，完成雷達對目標的檢測、識別等功能。

圖1 光控相控陣雷達框圖

在光控相控陣雷達的核心單元光延時網絡部分，本文提出的基于光纖真時延遲線的可編程多波長波束形成網絡結構如圖2所示。該結構由N級延遲線構成，每一級延遲線包含K個光通道。單級延遲線結構由光開關、光環形器、波分復用器、光纖延遲線和光纖反射鏡組成。假設進入波分復用延時網絡的波長為λ1、λ2，…，λK，波長間隔均勻且為常數Δλ。第一級光纖延遲線通道線間真時延遲為ΔT（1）＝Δτ。通過設計并精確制作光纖延遲線長度，使第二級延遲線單元通道間間形成的真時延遲為ΔT（2）＝2Δτ。依此類推，在第N級延遲線單元中通道間形成的真時延遲為ΔT（N）＝2N－1Δτ。將基本單元通過環形器和光開關串聯起來，形成連續、快速可調的多波長光波束成形延時網絡。很顯然，這種級數增長的延遲間隔，可以實現0～2（N－1）逐次變化的共2N種延遲組合，大幅增加了延遲能力和形成波束的數目。

圖2 可編程多波長光纖延遲網絡

2 實驗與驗證

在驗證實驗中，采用4個DWDM、3個環形器、2個2×2光開關和2個2×1光開關組成3級的延遲網絡。設定ΔL＝4mm（物理長度）進行延遲線的制作，這樣，第二級通道間長度差為8mm，第三級延遲線DWDM通道間長度差為16mm。制作過程中，分別制作三個延遲單元，然后進行鏈路相連，實現可編程多波長延遲網絡。

利用光纖精密反射儀對制作好的DWDM延遲線結構進行各通道延遲量的測量。圖3為對應第一級、第二級和第三級的延遲測量結果和線性擬合結果。通過其斜率特征，可以方便讀取三條直線的延遲間隔比為1∶2∶4。內嵌圖為第二級光纖延遲線測量結果，其16通道總延遲達到592ps，平均通道間隔約40ps。

圖3 DWDM多波長三級光延遲線光學延遲測量

制作好適用于多波長相移的延遲網絡之后，將微波信號調制到光載波上，形成了多波長相控陣天線。由于第一級延遲線通道間隔4mm，對應往返延時約40ps，則對于本文采用的2GHz微波信號來說，其相移約為28°。

圖4 第一級16通道微波相移測試框圖與結果

以第一級延遲線單元為例，對16個通道的微波相移進行測量，測試原理圖如圖4（a）所示，16通道微波波形的測試結果如圖4（b）所示。從通道1開始，微波波形以基本相等的相位間隔平移。對于2GHz的微波信號，第14個通道相對于第1個通道即形成364o的相移，因此從圖4（b）中可以看到第15、16通道的波形已經和其他通道的波形看起來幾乎重疊。計算表明，第一級中各個通道間延遲間隔為40ps，在2GHz的微波信號調制下，其相移為：0.16π，通道1到通道16的總相移超過2π。三級相移單元的延遲測試結果如圖4（c）所示，可以看到，它們均具有比較好的線性度，且三條直線的斜率比為1∶2∶4，與設計的二進制光延遲線是相符的。

利用4個光開關，可以實現如表1所示通道間延遲步進約40ps、8個狀態的選通。

根據表1所形成的8個狀態，本文仿真計算了16個天線所構成的陣列（對應于波分復用的16個波長通道）能夠實現的8個波束，即實現了光控相控陣天線的快速掃描，結果如圖5所示。

以圖5（a）、（d）和（h）為例進行說明。圖5（a）所示為各子陣間相移間隔為零，故其形成波束指向0°位置。圖5（d）為第一級、第二級打開狀態，其通道間真時延遲間隔為120ps，在2GHz微波源情況下，對應微波相移間隔為0.48π。圖5（h）對應三級延遲線均打開狀態，其通道間真時延遲間隔為280ps，對應于2GHz的1.12π。

表1 三級延遲線開關選通狀態（1：開，0：關）

3 結束語

本文介紹了光控相控陣雷達的基本組成和工作原理，提出基于波分復用技術的可編程多通道光纖真時延遲網絡。制作了開關控制的3級光纖真時延遲線結構，實現并驗證了8個掃描角度的可編程波束成形延遲網絡。采用2GHz微波信號外調制進行測試，三級延遲線通道間微波時延間隔分別為40ps、80ps、160ps，通過開關控制與組合，實現40ps延時量的0～7倍連續可調。最后仿真計算了16個天線單元形成的8個波束方向圖。不過，本文僅介紹了發射支路的16通道延遲線網絡的設計、制作與驗證。對于發射、接收完整體制的光控相控陣雷達的研究仍在開展之中。真時延遲技術是解決寬帶相控陣雷達波束偏斜的重要方法之一，而光纖真時延遲線可以為相控陣雷達提供大帶寬、低傳輸損耗、抗電磁輻射的技術支撐，同時為今后光子集成真時延遲工作提供原理驗證，為大帶寬、輕量化光控相控陣雷達的實用化奠定基礎。■

圖5 可編程8狀態光控波束形成仿真模擬圖

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