延時誤差對光控相控陣天線性能影響的研究
2012-12-31 00:00:00吳彭生
科技創(chuàng)新導(dǎo)報 2012年36期
摘 要：針對光控相控陣天線中光延時鏈路的延時誤差問題，從子陣劃分角度建立了一維均勻線陣最大波束偏移角的簡化解析模型，分析結(jié)果表明延時誤差最大允許值與波束目標(biāo)指向角、陣元數(shù)無關(guān)，隨工作頻率的增大而減小。
關(guān)鍵詞：光控相控陣 延時誤差 工作頻率
中圖分類號：TN929.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（c）-000-02
傳統(tǒng)的相控陣天線由于采用了電移相器，天線的瞬時帶寬受到了極大的限制[1]。光控相控陣天線通過采用光實時延技術(shù)（Optical True Time Delay，OTTD），增大了相控陣天線的工作帶寬，同時光延時線有著抗電磁干擾、低損耗和易于集成等優(yōu)點[2]。自20世紀(jì)80年代以來，已經(jīng)提出并實驗驗證了多種光實時延的技術(shù)方案[2]。光實時延技術(shù)的本質(zhì)是將微波/射頻信號調(diào)制到光載波上，在光域內(nèi)實現(xiàn)時間延遲，因此光鏈路的延時誤差必然會影響到光控相控陣天線的性能[3]。
該文從一維均勻線性光控陣列的方向圖出發(fā)，由簡化解析模型得出了確定延時誤差最大允許值的方法，研究結(jié)果擬為光控相控陣天線的設(shè)計提供一個參考。
1 光控相控陣天線的方向圖
如圖1所示，對于N單元一維均勻線性光控發(fā)射陣列，分成m個子陣，子陣上采用光實時延技術(shù)；每個子陣內(nèi)有n個陣元，子陣內(nèi)采用移相器控制，即N=m×n。
天線的工作頻率為f，陣元間距為d，設(shè)計波束指向為；上述線陣的天線方向圖函數(shù)可以表示為[1]：
上式中，第一項是由光實時延技術(shù)所決定的子陣因子；第二項為子陣方向圖函數(shù)，由移相器提供相位補償。為頻率f對應(yīng)的波數(shù)。假設(shè)第i條光實時延鏈路的延時誤差為，由此可得到的歸一化天線方向圖函數(shù)為：
2 延時誤差分析
2.1 簡化模型的建立及結(jié)果
天線方向圖性能可以通過波束偏斜角和旁瓣電平值來評價[1]；考慮到旁瓣電平值可以通過幅度加權(quán)等方式進(jìn)行抑制[4]，在此我們主要關(guān)注主瓣偏斜角的大小。假設(shè)m條光延時鏈路的延時誤差都在某一范圍內(nèi)隨機變化；如，通過對（2）式計算機模擬可以得出：當(dāng)前m/2個為，后m/2個為（假定m為偶數(shù)，≥0）；波束指向偏移最大；≤0時相反。
由此將相控陣天線模型進(jìn)行簡化為兩個子陣構(gòu)成，每個子陣均含有N/2個陣元，第一個子陣的延時誤差量為，第二個子陣的延時誤差量為。當(dāng)工作頻率不變時子陣方向圖不變，因此可用該簡化模型子陣因子的最大值指向定性的分析光控相控陣天線方向圖最大值指向的變化
趨勢。
如果天線的工作頻率發(fā)生變化，要求，可以得到
2.2 簡化模型與完整模型的比較
上面的簡化模型中忽略了子陣方向圖，完整模型的天線方向圖主瓣偏斜角和上述分析中的存在一些偏差。通過計算機模擬得到圖3所示簡化模型和完整模型下得到的主瓣偏斜角隨延時誤差變化的關(guān)系曲線（64陣元，f=2.5GHz）。由于子陣方向圖的作用，對于相同的延時誤差量，完整模型所產(chǎn)生的主瓣偏斜角比簡化模型所得到的值偏小；也就是說采用簡化模型得到的延時誤差最大允許值較為嚴(yán)格，能夠保證相控陣天線工作在一個較好的性能狀態(tài)下。
3 結(jié)語
該文通過建立光控相控陣天線延時誤差的簡化解析模型，對光鏈路的延時誤差量最大允許值與、陣元數(shù)、工作頻率的關(guān)系進(jìn)行了分析。研究表明光鏈路的延時誤差量最大允許值與波束目標(biāo)指向角以及陣元數(shù)無關(guān)，只與天線的工作頻率相關(guān)；隨著工作頻率的增大，其允許的延時誤差越小。這一研究結(jié)果有望對光控相控陣天線中光鏈路延時網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計提供一定的指導(dǎo)
意義。
參考文獻(xiàn)
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