基于光纖色散的X波段光控相控陣波束形成技術(shù)

張業(yè)斌 吳彭生 李琳

摘 要：光控相控陣波束形成技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的微波技術(shù)及數(shù)字陣列技術(shù)，具有瞬時(shí)工作帶寬大、質(zhì)量輕、電磁兼容性好、集成度高、傳輸損耗小等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，文章利用光纖色散延遲的原理，通過(guò)由串聯(lián)光開(kāi)關(guān)和單模光纖組成的色散矩陣，實(shí)現(xiàn)了不同通道對(duì)應(yīng)不同光載波的時(shí)間延遲差異，實(shí)驗(yàn)表明，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)8～12GHz的寬帶光控波束形成和掃描，且未觀測(cè)到波束傾斜。

關(guān)鍵詞：光控波束形成；色散矩陣；光纖色散

中圖分類號(hào)：O439 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）22-0140-03

Abstract： Compared with traditional microwave technology and digital array technology， optically controlled phased array beam-forming technology has advantages with the large instantaneous bandwidth， light quality， good electromagnetic compatibility， high integration and small transmission loss. Using the principle of optical fiber dispersion delay， we realized delay difference between the different channels corresponding to different optical carriers through the dispersion matrix consisting of cascaded optical switches and single mode fiber. The experimental results show that this technique can achieve 8～12 GHz broadband optically controlled beam-forming and scanning， and no beam tilt is observed.

Keywords： optically controlled beam-forming； dispersion matrix； optical fiber dispersion

引言

光學(xué)技術(shù)一直以來(lái)被認(rèn)為是解決大帶寬大陣列相控陣[1]陣列波束傾斜和孔徑渡越的最具潛力的技術(shù)之一，其同時(shí)具有的體積小、損耗低、抗電磁干擾等優(yōu)勢(shì)使其更加備受研究人員的關(guān)注[2][3]。光控真時(shí)延波束形成技術(shù)為相控陣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)寬帶、無(wú)波束傾斜和多波束能力提供了可能，到目前為止，光控波束形成系統(tǒng)報(bào)道主要基于光纖色散[4][5]、集成光波導(dǎo)[6][7]和光纖光柵[8][9]等原理，但這些系統(tǒng)大都是基于純粹的理論驗(yàn)證，同時(shí)在系統(tǒng)小型化和系統(tǒng)穩(wěn)定性方面研究較少。

本文采用可調(diào)色散矩陣構(gòu)成了一個(gè)光控波束形成接收網(wǎng)絡(luò)，利用不同波長(zhǎng)的光載波經(jīng)過(guò)光纖傳輸后由于色散效應(yīng)產(chǎn)生的時(shí)間延遲差，實(shí)現(xiàn)了相控陣多通道間的不同光延遲，通過(guò)可調(diào)色散矩陣中的光開(kāi)關(guān)切換，可以實(shí)現(xiàn)通道間的延遲量的變化，從而達(dá)到波束掃描，同時(shí)調(diào)整不同光載波的波長(zhǎng)間隔，消除了光纖色散的非線性。

1 光控相控陣波束形成系統(tǒng)組成和工作原理

圖1所示為用于多通道相控陣的寬帶光控波束形成系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖。從多個(gè)天線單元接收的射頻信號(hào)首先經(jīng)過(guò)電光轉(zhuǎn)換模塊，調(diào)制在不同波長(zhǎng)的光載波上轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，然后所有波長(zhǎng)的光信號(hào)通過(guò)密集波分復(fù)用合波到同一根光纖中傳輸，經(jīng)過(guò)后進(jìn)入光電探測(cè)器進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換后射頻輸出，通過(guò)可調(diào)色散矩陣中光開(kāi)關(guān)的切換，使得入射的信號(hào)光經(jīng)過(guò)不同長(zhǎng)度的光纖傳輸，不同波長(zhǎng)的光載波之間將隨著傳輸光纖長(zhǎng)度的變化產(chǎn)生不同的延遲差，從而實(shí)現(xiàn)多通道天線單元接收波束的掃描。

可調(diào)色散矩陣是利用光纖的色散效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同通道延時(shí)量差異。設(shè)相鄰?fù)ǖ赖墓廨d波的波長(zhǎng)間隔為？駐？姿（nm），延遲光纖的色散系數(shù)為D（ps/nm），則該相鄰?fù)ǖ澜?jīng)過(guò)單位長(zhǎng)度的光纖傳輸后產(chǎn)生的延遲量差異為：

？駐τ=？駐λ·D （1）

可調(diào)色散矩陣可實(shí)現(xiàn)N比特的光纖延遲切換，其由N+1個(gè)光開(kāi)關(guān)通過(guò)延遲光纖級(jí)聯(lián)，相鄰光開(kāi)關(guān)之間下路的連接光纖長(zhǎng)度相同，上路延遲光纖的長(zhǎng)度成倍數(shù)關(guān)系。通過(guò)光開(kāi)關(guān)的切換，使得在光信號(hào)經(jīng)過(guò)L長(zhǎng)度的延遲光纖傳輸，計(jì)算可知La可為l，l+？駐l……l+（2n-1）？駐l，其中l(wèi)為所有光開(kāi)關(guān)均切換到下路時(shí)延遲光纖的長(zhǎng)度，則由其產(chǎn)生的相鄰?fù)ǖ赖恼嫜訒r(shí)量差異為：

當(dāng)多通道相控陣天線陣面需要接收指向角為θ的波束時(shí)，則調(diào)整色散矩陣的狀態(tài)使得延時(shí)光纖的長(zhǎng)度滿足下式即可：

其中c為光在真空中的傳播速度，a為天線陣面相鄰單元間距。

2 光控波束形成實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

我們建立了一個(gè)X波段的基于可調(diào)色散矩陣的光控波束形成系統(tǒng)用于測(cè)試驗(yàn)證。天線陣面為一維16路相控陣列，陣面天線單元間距為8.4毫米。每個(gè)天線單元接收的射頻信號(hào)通過(guò)外調(diào)制加載在16個(gè)不同波長(zhǎng)的分布反饋激光器輸出的光載波上。為保證通道隔離，相鄰?fù)ǖ赖墓廨d波的波長(zhǎng)間隔為1.6nm，中心波長(zhǎng)依次對(duì)應(yīng)ITU標(biāo)準(zhǔn)的CH24～CH54。

系統(tǒng)中的可調(diào)色散矩陣可實(shí)現(xiàn)4比特的光延時(shí)切換，其中單個(gè)光開(kāi)關(guān)的切換速度為30us。延遲光纖選用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，其色散系數(shù)為17ps/nm/km。通過(guò)上節(jié)的公式（3）按照天線陣面的設(shè)計(jì)掃描角度可計(jì)算處相應(yīng)每段延遲光纖的長(zhǎng)度，系統(tǒng)可調(diào)色散矩陣可實(shí)現(xiàn)的最大掃描角度為±45°。在實(shí)際制作中，由于光纖色散系數(shù)的非線性，需要根據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果微調(diào)每個(gè)激光器的輸出波長(zhǎng)來(lái)保證相鄰?fù)ǖ赖纳⒀舆t量相等。

圖2所示為實(shí)際測(cè)得的光控接收波束形成系統(tǒng)在色散矩陣切換到相應(yīng)波束指向角度下的各個(gè)天線單元通道相對(duì)于第一個(gè)通道的延遲量。從圖中可以看出，相鄰天線單元通道的延遲量具有很好的線性關(guān)系，線性偏差小于5°@10GHz。

圖3所示為在不同波束指向下根據(jù)系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果生成的波束方向圖，射頻信號(hào)為10GHz，波束指向從-45°到45°共經(jīng)歷16個(gè)波束，為保證各個(gè)接收波束光信號(hào)幅度的一致性和系統(tǒng)增益，在可調(diào)色散模塊和光電探測(cè)器之間加有一個(gè)工作在恒功率輸出模式的摻餌光纖放大器，飽和輸出光功率13dBm。

同時(shí)該系統(tǒng)具有很好的可擴(kuò)展和可重構(gòu)能力。通過(guò)選用不同的可調(diào)色散延遲模塊或者多個(gè)可調(diào)色散模塊并聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)不同的天線陣面或多波束接收系統(tǒng)的應(yīng)用。系統(tǒng)可以通過(guò)采用高色散系數(shù)的色散光纖代替色散矩陣中的單模光纖進(jìn)一步減小尺寸和重量。

3 結(jié)束語(yǔ)

文中介紹并搭建了一種光纖色散效應(yīng)的光控相控陣波束形成系統(tǒng)， 通過(guò)采用可調(diào)色散矩陣實(shí)現(xiàn)了16路天線單元通道的4比特的光控波束形成， 通過(guò)波束切換可覆蓋-45°～45°的空域，各個(gè)單元通道之間具有較高的幅度和相位一致性，形成的波束質(zhì)量好，可實(shí)現(xiàn)寬帶光學(xué)波束形成， 解決了波束指向偏斜的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1]張光義.相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

[2]Seeds A J."Microwave Photonics".IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques， 2002，50（3）：877-887.

[3]何子述，金林，韓蘊(yùn)潔，等.光控相控陣?yán)走_(dá)發(fā)展動(dòng)態(tài)和實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù)[J].電子學(xué)報(bào)，2005，33（12）：2191-2195.

[4]李冬文，賈春燕，葉莉華，等.光控相控陣?yán)走_(dá)中的真延時(shí)技術(shù)[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2006，43（3）：37-42.

[5]Tong D K， Wu M C. "A novel multiwavelength optically controlled phased array antenna with a programmable dispersion matrix". IEEE Photonics Technology Letters， 1996，8（6）：812-814.

[6]Schippers H， Verpoorte J， Jorna P， et al. "Broadband optical beam forming for airborne phased array antenna".2009：1-19.

[7]Marpaung D， Zhuang L， Burla M， et al. "Towards a broadband and squint-free Ku-band phased array antenna system for airborne satellite communications". European Conference on Antennas and Propagation. 2011：2623-2627.

[8]Yao J， Yang J， Liu Y. "Continuous true-time-delay beamforming employing a multiwavelength tunable fiber laser source". IEEE Photonics Technology Letters， 2002，14（5）：687-689.

[9]周建華，任國(guó)榮，楊健君，等.啁啾光纖光柵延遲線在光控相控陣?yán)走_(dá)中的應(yīng)用研究[J].光學(xué)與光電技術(shù)，2008，6（1）：33-36.