光控相控陣雷達光延時技術(shù)研究

李曙光，薛 峰

（上海航天技術(shù)研究院第八〇四研究所，上海201109）

0 引言

近年來，利用光學傳輸帶寬大、損耗小、質(zhì)量輕、體積小、抗電磁干擾等優(yōu)點，微波相移技術(shù)被廣泛應用于光控相控陣雷達中，成為世界電子對抗研究領(lǐng)域的研究熱點［1－4］?；诓ǚ謴陀眉夹g(shù)的光控相控陣雷達，光載波波長數(shù)和相控陣天線子陣的數(shù)目對應，可以同時控制多子陣延時，具有突出的優(yōu)勢和良好的性能。多波長延時網(wǎng)絡主要采用WDM或光柵（空間光柵或光纖光柵）實現(xiàn)。加拿大渥太華大學姚建平課題組在利用光纖光柵進行光控相控陣雷達方面開展工作較早［5－6］。利用分離排布的光纖光柵延遲網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，經(jīng)由啁啾光柵、布拉格光柵和單模光纖固定延遲相結(jié)合，利用波分復用技術(shù)可以實現(xiàn)最高到18GHz的近1000ps的延遲。以色列特拉維夫大學的Moshe Tur課題組于2008年、2011年提出基于波分復用和光纖真時延遲的技術(shù)［7－8］。該方案的核心是在波分復用器不同的波長通道設置不同的延遲，利用光纖鍍銀端面作為反射鏡來實現(xiàn)微波延遲，波長通道間延遲間隔約50ps。

文獻［7～8］采用分束器對不同延遲單元進行分配，但是沒有進行延遲組合。為了實現(xiàn)波束的連續(xù)掃描，其延遲需要按照等差數(shù)列延遲量的方式進行分配。該結(jié)構(gòu)存在調(diào)節(jié)能力和延遲量有限等問題，不利于實際應用。本文提出基于波分復用和光纖真時延遲技術(shù)的多波長延遲網(wǎng)絡的光控波束形成方案。該延遲網(wǎng)絡的基本單元由密集波分復用器（DWDM）的通道數(shù)與需要相移控制的天線子陣數(shù)目相等。DWDM每個通道采用Backward方式的延遲線，在通道延遲線尾端利用法拉第旋轉(zhuǎn)鏡作為反射鏡。DWDM通道間光纖長度按照等差數(shù)列分布。為了實現(xiàn)更大的延遲量，將該延遲單元進行級聯(lián)，且級聯(lián)的延遲間隔按照級數(shù)增加，通過引入光開關(guān)進行控制與組合，實現(xiàn)不同級數(shù)的延遲控制和波束形成。

1 工作原理

圖1為波分復用光控相控陣雷達原理架構(gòu)。雷達微波信號外調(diào)制激光，將微波信號加載到光波上，之后，加載有微波信號的光波通過光纖傳輸，實現(xiàn)低損耗的天饋線。光波經(jīng)過光環(huán)形器進入光延遲網(wǎng)絡。進入光延時網(wǎng)絡的光波，在經(jīng)過波分復用器后，不同波長的光會進入不同的延遲通道。加載有微波信號的光波經(jīng)過光／電轉(zhuǎn)換后，微波信號即被解調(diào)出來，經(jīng)過電放大后，由天線陣列發(fā)射出去。

接收時，天線接收到的微波信號經(jīng)過低噪放大之后，進行電／光轉(zhuǎn)換，將微波調(diào)制到光載波，再進入光延時網(wǎng)絡實現(xiàn)波束形成。進入光／電轉(zhuǎn)換器，然后到達預處理單元。主要包括對微波信號的低噪放大、濾波及下變頻處理，將X波段的微波信號下變頻到中頻，然后進行采樣及量化。之后進入數(shù)據(jù)處理單元，完成雷達對目標的檢測、識別等功能。

圖1 光控相控陣雷達框圖

在光控相控陣雷達的核心單元光延時網(wǎng)絡部分，本文提出的基于光纖真時延遲線的可編程多波長波束形成網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖2所示。該結(jié)構(gòu)由N級延遲線構(gòu)成，每一級延遲線包含K個光通道。單級延遲線結(jié)構(gòu)由光開關(guān)、光環(huán)形器、波分復用器、光纖延遲線和光纖反射鏡組成。假設進入波分復用延時網(wǎng)絡的波長為λ1、λ2，…，λK，波長間隔均勻且為常數(shù)Δλ。第一級光纖延遲線通道線間真時延遲為ΔT（1）＝Δτ。通過設計并精確制作光纖延遲線長度，使第二級延遲線單元通道間間形成的真時延遲為ΔT（2）＝2Δτ。依此類推，在第N級延遲線單元中通道間形成的真時延遲為ΔT（N）＝2N－1Δτ。將基本單元通過環(huán)形器和光開關(guān)串聯(lián)起來，形成連續(xù)、快速可調(diào)的多波長光波束成形延時網(wǎng)絡。很顯然，這種級數(shù)增長的延遲間隔，可以實現(xiàn)0～2（N－1）逐次變化的共2N種延遲組合，大幅增加了延遲能力和形成波束的數(shù)目。

圖2 可編程多波長光纖延遲網(wǎng)絡

2 實驗與驗證

在驗證實驗中，采用4個DWDM、3個環(huán)形器、2個2×2光開關(guān)和2個2×1光開關(guān)組成3級的延遲網(wǎng)絡。設定ΔL＝4mm（物理長度）進行延遲線的制作，這樣，第二級通道間長度差為8mm，第三級延遲線DWDM通道間長度差為16mm。制作過程中，分別制作三個延遲單元，然后進行鏈路相連，實現(xiàn)可編程多波長延遲網(wǎng)絡。

利用光纖精密反射儀對制作好的DWDM延遲線結(jié)構(gòu)進行各通道延遲量的測量。圖3為對應第一級、第二級和第三級的延遲測量結(jié)果和線性擬合結(jié)果。通過其斜率特征，可以方便讀取三條直線的延遲間隔比為1∶2∶4。內(nèi)嵌圖為第二級光纖延遲線測量結(jié)果，其16通道總延遲達到592ps，平均通道間隔約40ps。

圖3 DWDM多波長三級光延遲線光學延遲測量

制作好適用于多波長相移的延遲網(wǎng)絡之后，將微波信號調(diào)制到光載波上，形成了多波長相控陣天線。由于第一級延遲線通道間隔4mm，對應往返延時約40ps，則對于本文采用的2GHz微波信號來說，其相移約為28°。

圖4 第一級16通道微波相移測試框圖與結(jié)果

以第一級延遲線單元為例，對16個通道的微波相移進行測量，測試原理圖如圖4（a）所示，16通道微波波形的測試結(jié)果如圖4（b）所示。從通道1開始，微波波形以基本相等的相位間隔平移。對于2GHz的微波信號，第14個通道相對于第1個通道即形成364o的相移，因此從圖4（b）中可以看到第15、16通道的波形已經(jīng)和其他通道的波形看起來幾乎重疊。計算表明，第一級中各個通道間延遲間隔為40ps，在2GHz的微波信號調(diào)制下，其相移為：0.16π，通道1到通道16的總相移超過2π。三級相移單元的延遲測試結(jié)果如圖4（c）所示，可以看到，它們均具有比較好的線性度，且三條直線的斜率比為1∶2∶4，與設計的二進制光延遲線是相符的。

利用4個光開關(guān)，可以實現(xiàn)如表1所示通道間延遲步進約40ps、8個狀態(tài)的選通。

根據(jù)表1所形成的8個狀態(tài)，本文仿真計算了16個天線所構(gòu)成的陣列（對應于波分復用的16個波長通道）能夠?qū)崿F(xiàn)的8個波束，即實現(xiàn)了光控相控陣天線的快速掃描，結(jié)果如圖5所示。

以圖5（a）、（d）和（h）為例進行說明。圖5（a）所示為各子陣間相移間隔為零，故其形成波束指向0°位置。圖5（d）為第一級、第二級打開狀態(tài)，其通道間真時延遲間隔為120ps，在2GHz微波源情況下，對應微波相移間隔為0.48π。圖5（h）對應三級延遲線均打開狀態(tài)，其通道間真時延遲間隔為280ps，對應于2GHz的1.12π。

表1 三級延遲線開關(guān)選通狀態(tài)（1：開，0：關(guān)）

3 結(jié)束語

本文介紹了光控相控陣雷達的基本組成和工作原理，提出基于波分復用技術(shù)的可編程多通道光纖真時延遲網(wǎng)絡。制作了開關(guān)控制的3級光纖真時延遲線結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)并驗證了8個掃描角度的可編程波束成形延遲網(wǎng)絡。采用2GHz微波信號外調(diào)制進行測試，三級延遲線通道間微波時延間隔分別為40ps、80ps、160ps，通過開關(guān)控制與組合，實現(xiàn)40ps延時量的0～7倍連續(xù)可調(diào)。最后仿真計算了16個天線單元形成的8個波束方向圖。不過，本文僅介紹了發(fā)射支路的16通道延遲線網(wǎng)絡的設計、制作與驗證。對于發(fā)射、接收完整體制的光控相控陣雷達的研究仍在開展之中。真時延遲技術(shù)是解決寬帶相控陣雷達波束偏斜的重要方法之一，而光纖真時延遲線可以為相控陣雷達提供大帶寬、低傳輸損耗、抗電磁輻射的技術(shù)支撐，同時為今后光子集成真時延遲工作提供原理驗證，為大帶寬、輕量化光控相控陣雷達的實用化奠定基礎。■

圖5 可編程8狀態(tài)光控波束形成仿真模擬圖

［1］ Chen MY.Hybrid photonic true－time delay modules for quasi－continuous steering of 2－D phased－array antennas［J］.J.Lightw.Technol.，2013，31（6）：910－917.

［2］ Yi X，Huang TXH，Minasian RA.Photonic beamforming based on programmable phase shifters with amplitude and phase control［J］.IEEE Photonics Technol.Lett.，2011，23（6）：1286－1288.

［3］ Juswardy B，et al.Opto－VLSI－based photonic true－time delay architecture for broadband adaptive nulling in phased array antennas［J］.Optics Express，2009，17（6）：4773－4781.

［4］ Vidal B，Mengual T，Ibá~nez－López C，MartíJ.Optical beamforming network based on fiber optical delay lines and spatial light modulators for large antenna arrays［J］.IEEE Photonic Technol.Lett.，2006，18（24）：2590－2592.

［5］ Shahoei H，Li M，Yao J.Continuously tunable time delay using an optically pumped linear chirped fiber bragg grating［J］.J.Lightw.Technol.，2011，29（10）：1465－1472.

［6］ Li W，Zhang W，Yao J.A wideband 360°photonic－assisted microwave phase shifter using apolarization W modulator and a polarization－maintaining fiber Bragg grating［J］.Optics Express，2012，20（28）：29838－29843.

［7］ Raz O，Barzilay S，Rotma R，et al.Submicrosecond scanangle switching photonic beamformer with flat RF response in the C and X bands［J］.J.Lightw.Technol.，2008，26（15）：2774－2781.

［8］ Yaron L，Rotman R，Zach S，et al.Photonic beamformer receiver with multiple beam capabilities［J］.IEEE Photon.Technol.Lett.，2010，22（23）：1723－1725.