基于光纤色散的X波段光控相控阵波束形成技术

张业斌 吴彭生 李琳

摘 要：光控相控阵波束形成技术相对于传统的微波技术及数字阵列技术，具有瞬时工作带宽大、质量轻、电磁兼容性好、集成度高、传输损耗小等技术优势，文章利用光纤色散延迟的原理，通过由串联光开关和单模光纤组成的色散矩阵，实现了不同通道对应不同光载波的时间延迟差异，实验表明，该技术可以实现8～12GHz的宽带光控波束形成和扫描，且未观测到波束倾斜。

关键词：光控波束形成；色散矩阵；光纤色散

中图分类号：O439 文献标志码：A 文章编号：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

光学技术一直以来被认为是解决大带宽大阵列相控阵[1]阵列波束倾斜和孔径渡越的最具潜力的技术之一，其同时具有的体积小、损耗低、抗电磁干扰等优势使其更加备受研究人员的关注[2][3]。光控真时延波束形成技术为相控阵系统实现宽带、无波束倾斜和多波束能力提供了可能，到目前为止，光控波束形成系统报道主要基于光纤色散[4][5]、集成光波导[6][7]和光纤光栅[8][9]等原理，但这些系统大都是基于纯粹的理论验证，同时在系统小型化和系统稳定性方面研究较少。

本文采用可調色散矩阵构成了一个光控波束形成接收网络，利用不同波长的光载波经过光纤传输后由于色散效应产生的时间延迟差，实现了相控阵多通道间的不同光延迟，通过可调色散矩阵中的光开关切换，可以实现通道间的延迟量的变化，从而达到波束扫描，同时调整不同光载波的波长间隔，消除了光纤色散的非线性。

1 光控相控阵波束形成系统组成和工作原理

图1所示为用于多通道相控阵的宽带光控波束形成系统的原理结构图。从多个天线单元接收的射频信号首先经过电光转换模块，调制在不同波长的光载波上转换为光信号，然后所有波长的光信号通过密集波分复用合波到同一根光纤中传输，经过后进入光电探测器进行电光转换后射频输出，通过可调色散矩阵中光开关的切换，使得入射的信号光经过不同长度的光纤传输，不同波长的光载波之间将随着传输光纤长度的变化产生不同的延迟差，从而实现多通道天线单元接收波束的扫描。

可调色散矩阵是利用光纤的色散效应来实现不同通道延时量差异。设相邻通道的光载波的波长间隔为？驻？姿（nm），延迟光纤的色散系数为D（ps/nm），则该相邻通道经过单位长度的光纤传输后产生的延迟量差异为：

？驻τ=？驻λ·D （1）

可调色散矩阵可实现N比特的光纤延迟切换，其由N+1个光开关通过延迟光纤级联，相邻光开关之间下路的连接光纤长度相同，上路延迟光纤的长度成倍数关系。通过光开关的切换，使得在光信号经过L长度的延迟光纤传输，计算可知La可为l，l+？驻l……l+（2n-1）？驻l，其中l为所有光开关均切换到下路时延迟光纤的长度，则由其产生的相邻通道的真延时量差异为：

当多通道相控阵天线阵面需要接收指向角为θ的波束时，则调整色散矩阵的状态使得延时光纤的长度满足下式即可：

其中c为光在真空中的传播速度，a为天线阵面相邻单元间距。

2 光控波束形成实验及结果分析

我们建立了一个X波段的基于可调色散矩阵的光控波束形成系统用于测试验证。天线阵面为一维16路相控阵列，阵面天线单元间距为8.4毫米。每个天线单元接收的射频信号通过外调制加载在16个不同波长的分布反馈激光器输出的光载波上。为保证通道隔离，相邻通道的光载波的波长间隔为1.6nm，中心波长依次对应ITU标准的CH24～CH54。

系统中的可调色散矩阵可实现4比特的光延时切换，其中单个光开关的切换速度为30us。延迟光纤选用标准单模光纤，其色散系数为17ps/nm/km。通过上节的公式（3）按照天线阵面的设计扫描角度可计算处相应每段延迟光纤的长度，系统可调色散矩阵可实现的最大扫描角度为±45°。在实际制作中，由于光纤色散系数的非线性，需要根据实际测试结果微调每个激光器的输出波长来保证相邻通道的色散延迟量相等。

图2所示为实际测得的光控接收波束形成系统在色散矩阵切换到相应波束指向角度下的各个天线单元通道相对于第一个通道的延迟量。从图中可以看出，相邻天线单元通道的延迟量具有很好的线性关系，线性偏差小于5°@10GHz。

图3所示为在不同波束指向下根据系统的测试结果生成的波束方向图，射频信号为10GHz，波束指向从-45°到45°共经历16个波束，为保证各个接收波束光信号幅度的一致性和系统增益，在可调色散模块和光电探测器之间加有一个工作在恒功率输出模式的掺饵光纤放大器，饱和输出光功率13dBm。

同时该系统具有很好的可扩展和可重构能力。通过选用不同的可调色散延迟模块或者多个可调色散模块并联可以实现不同的天线阵面或多波束接收系统的应用。系统可以通过采用高色散系数的色散光纤代替色散矩阵中的单模光纤进一步减小尺寸和重量。

3 结束语

文中介绍并搭建了一种光纤色散效应的光控相控阵波束形成系统， 通过采用可调色散矩阵实现了16路天线单元通道的4比特的光控波束形成， 通过波束切换可覆盖-45°～45°的空域，各个单元通道之间具有较高的幅度和相位一致性，形成的波束质量好，可实现宽带光学波束形成， 解决了波束指向偏斜的问题。

参考文献：

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