基于光學(xué)晶體的雙向微波光學(xué)延時(shí)線設(shè)計(jì)

摘" 要：該文提出一種基于光學(xué)晶體的雙向微波光學(xué)延時(shí)線，由空間光學(xué)延時(shí)線、光調(diào)制模塊、光電探測(cè)器及微波開(kāi)關(guān)構(gòu)成，其中，空間光學(xué)延時(shí)線由磁光開(kāi)關(guān)與光學(xué)晶體組成，通過(guò)高折射率光學(xué)晶體對(duì)光線的延時(shí)作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)加載微波信號(hào)的光載波進(jìn)行延遲處理。項(xiàng)目組根據(jù)此微波光學(xué)延時(shí)線原理，制作一批4 bit的延時(shí)線，并構(gòu)建一套16通道32～38 G的收發(fā)一體光控波束形成網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)實(shí)際測(cè)量的延時(shí)量，仿真出網(wǎng)絡(luò)波束指向圖，證明該網(wǎng)絡(luò)具備波束形成、掃描能力，為光控波束形成網(wǎng)絡(luò)的集成化設(shè)計(jì)及大規(guī)模應(yīng)用的研究提供一定的支撐。

關(guān)鍵詞：延時(shí)線；磁光開(kāi)關(guān)；光學(xué)晶體；波束形成網(wǎng)絡(luò)；收發(fā)一體

中圖分類(lèi)號(hào)：O439" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）19-0029-04

Abstract： In this paper， a bi-directional microwave optical delay line based on optical crystal is proposed， which is composed of a spatial optical delay line， an optical modulation module， a photodetector and a microwave switch. The spatial optical delay line is composed of a magneto-optical switch and an optical crystal. Through the delay effect of high refractive index optical crystal on light， the optical carrier loaded with microwave signal is delayed. According to the principle of microwave optical delay line， the project team made a number of 4-bit delay lines， and constructed a set of 32～38 G 16-channel optical beamforming network with integrated transceiver. According to the actual measured delay， the network beam direction map was simulated， which proved that the network has the ability of beamforming and scanning， which provides a certain support for the integrated design and large-scale application of optical beamforming network.

Keywords： delay line; magneto-optic switch; optical crystal; beamforming network; integrated transceiver

在常規(guī)相控陣系統(tǒng)中，通過(guò)調(diào)整輻射單元之間的相位關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)波束掃描，然而這種控制方式仍存在著一些難以解決的問(wèn)題[1]。首先，微波移相器自身的損耗（尤其在毫米波段）和重量是制約相控陣?yán)走_(dá)性能的重要因素；其次，通過(guò)利用信號(hào)的相位來(lái)延遲信號(hào)，導(dǎo)致不同頻率的信號(hào)即使有相同的相位延遲卻有不同的時(shí)間，從而使得相控陣系統(tǒng)在寬帶信號(hào)的情況下存在波束指向偏斜的問(wèn)題，直接導(dǎo)致相控陣系統(tǒng)無(wú)法獲得大瞬時(shí)信號(hào)帶寬，制約對(duì)目標(biāo)的分辨、識(shí)別、成像能力的提升。

微波光子技術(shù)因利用了光學(xué)傳輸帶寬大、損耗小、質(zhì)量輕和抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，深受從事相控陣?yán)走_(dá)研究的學(xué)者們所青睞[2-4]。光控波束形成網(wǎng)絡(luò)就是微波光子技術(shù)在相控陣?yán)走_(dá)中的應(yīng)用之一，其通過(guò)光學(xué)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)微波信號(hào)的延遲處理，并與相控陣技術(shù)融合，解決了傳統(tǒng)相控陣技術(shù)中的兩大技術(shù)瓶頸，即瞬時(shí)大帶寬的制約和波束偏斜問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)相控陣?yán)走_(dá)的寬帶寬角掃描[5]。目前已有多種不同技術(shù)路線的光實(shí)時(shí)延時(shí)的方案被提出，其中包括基于色散補(bǔ)償光纖[6-7]、光纖光柵[8]和光波導(dǎo)技術(shù)[9-10]等，但受體積、損耗等因素的限制，仍無(wú)法完全替代微波延時(shí)線。并隨著雷達(dá)天線規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)光控波束形成網(wǎng)絡(luò)的體積、損耗等都提出了更加嚴(yán)格的要求。

光學(xué)延時(shí)線擁有高度集成化、小型化及低損耗的特點(diǎn)。項(xiàng)目組利用該微波光學(xué)延時(shí)線直接替換傳統(tǒng)微波延時(shí)線，構(gòu)建光控波束形成網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)光學(xué)延時(shí)線的延時(shí)量測(cè)量數(shù)據(jù)仿真出波束方向圖，從而說(shuō)明該微波光學(xué)延時(shí)線具備替換傳統(tǒng)微波延時(shí)線的能力。

1" 方案設(shè)計(jì)

圖1為通用型雙向微波光學(xué)延時(shí)線原理圖，由多個(gè)微波開(kāi)關(guān)、光調(diào)制模塊、光學(xué)延時(shí)線及光電探測(cè)器構(gòu)成。其中，由于光調(diào)制解調(diào)器件無(wú)法實(shí)現(xiàn)自由雙向傳輸信號(hào)，需要使用多個(gè)微波開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)收發(fā)微波信號(hào)的雙向切換；光調(diào)制模塊由單波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器與高速光電調(diào)制器構(gòu)成，將微波信號(hào)調(diào)制到光載波上；光學(xué)延時(shí)線用于將光載波信號(hào)進(jìn)行光學(xué)真延時(shí)處理；光電探測(cè)器將延時(shí)處理后的調(diào)制光載波轉(zhuǎn)換成微波信號(hào)。定義該原理圖從左到右為微波信號(hào)傳輸?shù)南滦墟溌罚次⒉ㄐ盘?hào)的接收鏈路；反之，為微波信號(hào)的上行鏈路，即微波信號(hào)的發(fā)射鏈路。在下行鏈路中，進(jìn)入該模塊的微波信號(hào)首先通過(guò)微波開(kāi)關(guān)1和微波開(kāi)關(guān)2，進(jìn)入光調(diào)制模塊，將微波信號(hào)通過(guò)雙邊帶調(diào)制的方式加載到光載波上，經(jīng)調(diào)制后的光載波進(jìn)入光學(xué)延時(shí)線進(jìn)行所需延時(shí)的處理，通過(guò)光電探測(cè)器解調(diào)后得到延時(shí)處理后的微波信號(hào)，然后通過(guò)微波開(kāi)關(guān)3和4選通輸出。在上行鏈路中，進(jìn)入模塊的微波信號(hào)通過(guò)微波開(kāi)關(guān)4選通到微波開(kāi)關(guān)2，再通過(guò)微波開(kāi)關(guān)2選通進(jìn)入光調(diào)制模塊，同樣經(jīng)過(guò)調(diào)制、光學(xué)延時(shí)、解調(diào)后，通過(guò)微波開(kāi)關(guān)3的選通，傳輸?shù)轿⒉ㄩ_(kāi)關(guān)1，最后從模塊的上行端口輸出。通過(guò)以上信號(hào)流處理，實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)的雙向光延時(shí)處理。

光學(xué)延時(shí)線作為本方案的核心器件，原理框圖如圖2所示，由多個(gè)磁光開(kāi)關(guān)與不同長(zhǎng)度的光學(xué)晶體通過(guò)光學(xué)集成的方式構(gòu)成。其基本原理是根據(jù)光開(kāi)關(guān)切換不同光路，光在不同長(zhǎng)度的高折射率晶體中通過(guò)的時(shí)間不同，高折射率光學(xué)晶體對(duì)光的延時(shí)為

△τ=L/c×△n ，" " " " " " " " " " " （1）

式中：L為光學(xué)晶體長(zhǎng)度，c為光速，△n為光學(xué)晶體與內(nèi)部氣體介質(zhì)之間的折射率差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的延時(shí)處理。每2個(gè)磁光開(kāi)關(guān)間的光學(xué)晶體延時(shí)量控制策略為以2的倍數(shù)依次遞增，這樣就可以通過(guò)光開(kāi)關(guān)切換選擇不同長(zhǎng)度的光學(xué)晶體組合，從而使得延時(shí)量從0～（2n-1）△τ之間以△τ延時(shí)量為步進(jìn)切換。以4 bit光學(xué)延時(shí)線為例，則內(nèi)部由2個(gè)1×2磁光開(kāi)關(guān)、3個(gè)2×2磁光開(kāi)關(guān)和4段不同長(zhǎng)度的高折射率晶體組成，晶體延時(shí)量依次為△τ、2△τ、4△τ、8△τ，即可實(shí)現(xiàn)以？駐τ的延時(shí)步進(jìn)進(jìn)行延時(shí)切換，并達(dá)到15？駐τ的最大延時(shí)量。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證該微波光學(xué)延時(shí)線的可行性，項(xiàng)目組搭建出16通道的基于微波光學(xué)延時(shí)線的雙向收發(fā)光控波束形成相控陣系統(tǒng)，如圖3所示，該系統(tǒng)由微波天線陣列、TR組件、微波光學(xué)延時(shí)線、1×16射頻功分器、微波開(kāi)關(guān)、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)構(gòu)成。該雙向收發(fā)光控波束形成相控陣系統(tǒng)的工作原理是：當(dāng)系統(tǒng)處于接收模式時(shí)，經(jīng)過(guò)各通道天線接收的微波信號(hào)通過(guò)TR組件放大后，進(jìn)入不同延時(shí)步進(jìn)的微波光學(xué)延時(shí)線，在微波光學(xué)延時(shí)線內(nèi)部經(jīng)過(guò)調(diào)制，轉(zhuǎn)換為光載波信號(hào)，再通過(guò)光學(xué)延時(shí)處理后，解調(diào)為微波信號(hào)，不同通道的微波信號(hào)通過(guò)延時(shí)處理后，形成等差數(shù)列的延時(shí)信號(hào)，并通過(guò)射頻功分器合成后經(jīng)微波開(kāi)關(guān)進(jìn)入接收機(jī)，進(jìn)行信號(hào)的處理。

當(dāng)該相控陣系統(tǒng)處于發(fā)射模式時(shí)，發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的微波信號(hào)經(jīng)微波開(kāi)關(guān)通過(guò)射頻功分器功分成16路信號(hào)，分別經(jīng)過(guò)各通道微波光學(xué)延時(shí)線，通過(guò)微波光學(xué)延時(shí)線中的多個(gè)微波開(kāi)關(guān)切換進(jìn)入光調(diào)制模塊，轉(zhuǎn)換為光載波信號(hào)，各通道光載波進(jìn)入光學(xué)延時(shí)線進(jìn)行不同的延時(shí)處理，延時(shí)處理后，形成各通道間相對(duì)延時(shí)差，經(jīng)TR組件和天線，輻射到空間，形成特定方向的電磁波。

該雙向收發(fā)光控波束形成相控陣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)如下。

頻段32～38 G；天線間距4.2 mm；通道數(shù)16個(gè)；延時(shí)切換位數(shù)4 bit；掃描角度±15°。

根據(jù)上述光學(xué)波束形成網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)參數(shù)，依據(jù)公式

△τ=dsinθ/c"，" " " " " " " "（2）

式中：？駐τ為通道間延時(shí)差，d為天線間距，θ為波束指向角，c為光速，計(jì)算不同波束指向角下各通道間的相對(duì)延時(shí)量，根據(jù)計(jì)算的延時(shí)量設(shè)計(jì)制作出不同的光學(xué)延時(shí)線，圖4為其中一路4 bit光學(xué)延時(shí)線實(shí)物圖，延時(shí)線自身的體積（不含控制電路）為168 mm×10 mm×10 mm（長(zhǎng)×寬×高），內(nèi)部集成了3個(gè)2×2磁光開(kāi)關(guān)和2個(gè)1×2磁光開(kāi)關(guān)，以及用于延時(shí)處理的光學(xué)晶體，其高度集成化設(shè)計(jì)更易于大規(guī)模應(yīng)用。

圖5為本項(xiàng)目中使用的不同通道光學(xué)延時(shí)線的延時(shí)量及光學(xué)損耗的測(cè)試結(jié)果。通過(guò)對(duì)光學(xué)各延時(shí)線的延時(shí)量測(cè)試結(jié)果可知，該批次光學(xué)延時(shí)線中，可達(dá)到的最小延時(shí)步進(jìn)為0.3 ps，最大延時(shí)量為105.8 ps；通過(guò)對(duì)各延時(shí)線的不同步進(jìn)下的光損耗測(cè)試可知，不同延時(shí)線在不同延時(shí)狀態(tài)下的光損耗均控制在3.5 dB以內(nèi)，從而說(shuō)明該延時(shí)線不僅具有高度集成化的結(jié)構(gòu)，還具有較低的光學(xué)損耗。

為驗(yàn)證該網(wǎng)絡(luò)的波束形成能力，根據(jù)各通道延時(shí)量數(shù)據(jù)，利用PCAAD軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)波束方向圖的仿真，圖6給出了在32 G、35 G、38 G微波信號(hào)下的最小掃描角度和最大掃描角度的波束指向圖。

通過(guò)仿真可以得出，該網(wǎng)絡(luò)具備最小指向角1°，最大指向角14.9°的波束形成能力。證明該微波光學(xué)延時(shí)線具有替換微波延時(shí)線的能力，為今后光控波束形成網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模應(yīng)用和集成化設(shè)計(jì)提供了參考。

3" 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的雙向微波光學(xué)延時(shí)線，利用了高折射光學(xué)晶體對(duì)光線的延時(shí)作用，采用空間光學(xué)延時(shí)線、光調(diào)制模塊、光電探測(cè)器及微波開(kāi)關(guān)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對(duì)微波信號(hào)的雙向延時(shí)作用，通過(guò)對(duì)一組4 bit微波光學(xué)延時(shí)線的延時(shí)量的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了最小延時(shí)步進(jìn)0.3 ps 的延時(shí)，最大延時(shí)量達(dá)到105.8 ps。最后，項(xiàng)目組構(gòu)建了一套基于該微波光學(xué)延時(shí)線的16通道32～38 G的收發(fā)一體光控波束形成網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)實(shí)際測(cè)量的延時(shí)量，仿真得出該光控波束形成網(wǎng)絡(luò)最小和最大波束指向圖，證明該方案具備波束形成能力，該方案有望成為光控波束形成網(wǎng)絡(luò)在集成化設(shè)計(jì)及大規(guī)模應(yīng)用上的解決方案之一。

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第一作者簡(jiǎn)介：李琳（1989-），男，碩士，工程師。研究方向?yàn)楣饪叵嗫仃嚰夹g(shù)。