張業(yè)斌 吳彭生 李琳

摘 要：光控相控陣波束形成技術(shù)相對于傳統(tǒng)的微波技術(shù)及數(shù)字陣列技術(shù)，具有瞬時工作帶寬大、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，文章利用光纖色散延遲的原理，通過由串聯(lián)光開關(guān)和單模光纖組成的色散矩陣，實現(xiàn)了不同通道對應(yīng)不同光載波的時間延遲差異，實驗表明，該技術(shù)可以實現(xiàn)8～12GHz的寬帶光控波束形成和掃描，且未觀測到波束傾斜。

關(guān)鍵詞：光控波束形成；色散矩陣；光纖色散

中圖分類號：O439 文獻標志碼：A 文章編號：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

光學技術(shù)一直以來被認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，其同時具有的體積小、損耗低、抗電磁干擾等優(yōu)勢使其更加備受研究人員的關(guān)注[2][3]。光控真時延波束形成技術(shù)為相控陣系統(tǒng)實現(xiàn)寬帶、無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)報道主要基于光纖色散[4][5]、集成光波導[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證，同時在系統(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)成了一個光控波束形成接收網(wǎng)絡(luò)，利用不同波長的光載波經(jīng)過光纖傳輸后由于色散效應(yīng)產(chǎn)生的時間延遲差，實現(xiàn)了相控陣多通道間的不同光延遲，通過可調(diào)色散矩陣中的光開關(guān)切換，可以實現(xiàn)通道間的延遲量的變化，從而達到波束掃描，同時調(diào)整不同光載波的波長間隔，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。從多個天線單元接收的射頻信號首先經(jīng)過電光轉(zhuǎn)換模塊，調(diào)制在不同波長的光載波上轉(zhuǎn)換為光信號，然后所有波長的光信號通過密集波分復用合波到同一根光纖中傳輸，經(jīng)過后進入光電探測器進行電光轉(zhuǎn)換后射頻輸出，通過可調(diào)色散矩陣中光開關(guān)的切換，使得入射的信號光經(jīng)過不同長度的光纖傳輸，不同波長的光載波之間將隨著傳輸光纖長度的變化產(chǎn)生不同的延遲差，從而實現(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)來實現(xiàn)不同通道延時量差異。設(shè)相鄰通道的光載波的波長間隔為？駐？姿（nm），延遲光纖的色散系數(shù)為D（ps/nm），則該相鄰通道經(jīng)過單位長度的光纖傳輸后產(chǎn)生的延遲量差異為：

？駐τ=？駐λ·D （1）

可調(diào)色散矩陣可實現(xiàn)N比特的光纖延遲切換，其由N+1個光開關(guān)通過延遲光纖級聯(lián)，相鄰光開關(guān)之間下路的連接光纖長度相同，上路延遲光纖的長度成倍數(shù)關(guān)系。通過光開關(guān)的切換，使得在光信號經(jīng)過L長度的延遲光纖傳輸，計算可知La可為l，l+？駐l……l+（2n-1）？駐l，其中l(wèi)為所有光開關(guān)均切換到下路時延遲光纖的長度，則由其產(chǎn)生的相鄰通道的真延時量差異為：

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

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 光控波束形成實驗及結(jié)果分析

我們建立了一個X波段的基于可調(diào)色散矩陣的光控波束形成系統(tǒng)用于測試驗證。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。每個天線單元接收的射頻信號通過外調(diào)制加載在16個不同波長的分布反饋激光器輸出的光載波上。為保證通道隔離，相鄰通道的光載波的波長間隔為1.6nm，中心波長依次對應(yīng)ITU標準的CH24～CH54。

系統(tǒng)中的可調(diào)色散矩陣可實現(xiàn)4比特的光延時切換，其中單個光開關(guān)的切換速度為30us。延遲光纖選用標準單模光纖，其色散系數(shù)為17ps/nm/km。通過上節(jié)的公式（3）按照天線陣面的設(shè)計掃描角度可計算處相應(yīng)每段延遲光纖的長度，系統(tǒng)可調(diào)色散矩陣可實現(xiàn)的最大掃描角度為±45°。在實際制作中，由于光纖色散系數(shù)的非線性，需要根據(jù)實際測試結(jié)果微調(diào)每個激光器的輸出波長來保證相鄰通道的色散延遲量相等。

圖2所示為實際測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天線單元通道相對于第一個通道的延遲量。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)的測試結(jié)果生成的波束方向圖，射頻信號為10GHz，波束指向從-45°到45°共經(jīng)歷16個波束，為保證各個接收波束光信號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器之間加有一個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。

同時該系統(tǒng)具有很好的可擴展和可重構(gòu)能力。通過選用不同的可調(diào)色散延遲模塊或者多個可調(diào)色散模塊并聯(lián)可以實現(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一步減小尺寸和重量。

3 結(jié)束語

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)， 通過采用可調(diào)色散矩陣實現(xiàn)了16路天線單元通道的4比特的光控波束形成， 通過波束切換可覆蓋-45°～45°的空域，各個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，可實現(xiàn)寬帶光學波束形成， 解決了波束指向偏斜的問題。

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