光通信技術(shù)在相控陣天線中的應(yīng)用

江蘇中博通信有限公司 沈順元

光通信技術(shù)在相控陣天線中的應(yīng)用

江蘇中博通信有限公司 沈順元

在簡要介紹微波相控陣天線基本特性的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了用于微波相控陣天線的光子實時時延（TTD）波束形成網(wǎng)絡(luò)及其性能特點(diǎn)。

光纖通信；相控陣天線；實時時延；波束形成網(wǎng)絡(luò)

采用光通信技術(shù)的光控相控陣天線克服了微波延時線的固有缺點(diǎn)，能構(gòu)成快速動態(tài)可重構(gòu)的寬帶多功能天線陣列符合未來相控陣天線系統(tǒng)發(fā)展的方向。在無線接入網(wǎng)中，光通信技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域主要在兩個方面。第一，基站與網(wǎng)絡(luò)中心之間由大量的光纖鏈路來互聯(lián)，采用波分復(fù)用（WDM）技術(shù)，構(gòu)成一個可擴(kuò)展、易管理的光纖傳播網(wǎng)。網(wǎng)中的子系統(tǒng)能完成各種功能，如E/O（電/光）、O/E（光/電）轉(zhuǎn)換及微波信號的光處理等；第二，采用光控相控陣技術(shù)，構(gòu)建智能天線，用于固定和移動的寬帶無線接入系統(tǒng)。另外，由于光纖損耗低（在1 550 nm波長上僅為0.2 dB/km），因此可以將信號處理、波束控制、數(shù)據(jù)處理等設(shè)備放置在離天線較遠(yuǎn)的地方，這有利于提高雷達(dá)的生存能力，或?qū)⒋蟮睦走_(dá)陣面分散成若干較小陣面，配以適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理，以獲得更高的實孔徑角分辨能力和測角、定位精度。

1 微波相控陣天線的基本特性

圖 1 為由N個線輻射陣元構(gòu)成的微波相控陣天線結(jié)構(gòu)示意圖。兩個陣元之間的距離為d。為了操縱控制波束的方向，激勵每一個輻射單元的微波信號（頻率ωm）從射頻（RF）輸入端輸入后，首先要通過由N個移相器構(gòu)成的RF相移單元，再送到每一個陣元。各個陣元的輻射在θ方向合成天線的輻射波束。

設(shè)相移單元的RF輸出輸入之比為anexp(iφn)，式中an為單個陣元的輻射圖形，φn為移相器產(chǎn)生的相移。為了簡化，設(shè)每個輻射元的輻射圖是無方向性的，則沿θ方向的天線波束遠(yuǎn)場圖可表示為

式中，km＝ωm/c為輻射波束的微波波數(shù)，c為光速。E(θ，t)的時間不相關(guān)部分正比于天線的陣列系數(shù)。相前如圖1中的虛線所示，因此輻射波束的方向，就可以通過電子控制陣列相鄰輻射元之間的相對相位來指向。例如，若波束指向角為θ0，則相移φn的值應(yīng)設(shè)定為

在相控陣天線中，在固定的頻率范圍內(nèi)，微波“移相器”能提供特定的相移值。

對式（2）微分，立即可見：對于一個固定的φn值，如果微波頻率瞬間改變了Δωm，則輻射波束方向會產(chǎn)生Δθ0的偏移。

這種波束方向的偏移是不希望的，因為它導(dǎo)致了θ0方向天線增益的下降。這種現(xiàn)象通常稱為“波束偏移（beam squint）”。

為了獲得寬的瞬時帶寬，可以考慮采用“延時器（time shifters）”來代替上述的“移相器（phase-shifters）”，以建立陣元之間的相對相移。所謂的“實時時延（TTD）”方法，實際上就是通過延長饋入到輻射陣元（該陣元與微波相前之間的路徑較短）的微波傳輸時間，以補(bǔ)償兩個陣元之間的路徑差。采用一組固定的延時線，就能補(bǔ)償相應(yīng)于一個特定指向角θ0的所有頻率上的路徑差。特別是，激勵第n+1個天線元的微波，傳播通過了一條長度為nL(θ0)的額外延時線。設(shè)計這條延時線的長度，使第n+1個時延單元產(chǎn)生的時延為

如果微波在該延時線中的群速為vm，則有

對于所有的頻率ωm，相移φn可以表示為

將式（6）代入式（1），可以發(fā)現(xiàn)：式（6）能夠使得在θ0方向所有的頻率上產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性干涉。即使是ωm瞬時地改變，輻射的波束也不會從θ0方向產(chǎn)生偏移。這種TTD指向天線所固有的寬瞬時帶寬特性很容易得到征實：當(dāng)ωm從一個頻率跳到另一個頻率時沒有出現(xiàn)波束偏移。

雖然對于TTD波束形成網(wǎng)絡(luò)的寬帶其潛力早就認(rèn)識到了，但很長時間以來沒有能夠?qū)嶋H實現(xiàn)，因為傳統(tǒng)的微波同軸電纜/波導(dǎo)延時線體積大、重量重，難以構(gòu)成大規(guī)模的天線陣列。

2 光子TTD波束形成網(wǎng)絡(luò)

采用光子實時時延（TTD）技術(shù)的相控陣波束形成系統(tǒng)能克服同軸線/波導(dǎo)微波延時線的缺點(diǎn)，實現(xiàn)實用的TTD波束形成，是當(dāng)前光控相控陣天線的主要研究方向。

圖 2 為光控相控陣天線（PAA）的結(jié)構(gòu)配置示意圖，其中的關(guān)鍵之一是光子TTD網(wǎng)絡(luò)，它為后面的天線陣元提供需要的實時時延。圖中的多波長光源（MWL）發(fā)射N個獨(dú)立的光波長λ1，λ2，…，λN，波長數(shù)與PAA的陣元數(shù)相同；這N個波長進(jìn)入電光調(diào)制器（EOM）被同一個微波（RF）信號調(diào)制后，傳輸通過TTD波束形成網(wǎng)絡(luò)，每個波長產(chǎn)生不同的時延；然后，這N個經(jīng)過延時的調(diào)制光載波被波分復(fù)用復(fù)用器分離開，經(jīng)光電二極管（PD）檢測還原出調(diào)制的微波信號，最后分別送入對應(yīng)的PAA陣元。

光子TTD波束形成網(wǎng)絡(luò)主要分為二類，即路徑交換時延網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制傳播速度時延網(wǎng)絡(luò)[1]。路徑交換時延線是一種模仿微波TTD波束形成的方法：采用一組不同長度的光纖，串以2×2的光開關(guān)，通過光交換選擇一定長度的光纖組合，以得到希望的某個時延值Δτ＝DLΔλ。其中D為光纖的色散系數(shù)，L為光纖的長度，Δλ為光載波的波長間隔。例如，用4個2×2的光開關(guān)，中間串以三根長度為L、2L、4L的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，即可構(gòu)成一個有8個不同組合、3 bit的光子波束形成網(wǎng)絡(luò)，對應(yīng)于8個不同的天線指向角，見圖 3。采用這種TTD網(wǎng)絡(luò)的例子非常多，一個例子是工作在42.7 GHz、用于固定和移動寬帶無線接入網(wǎng)的實驗系統(tǒng)[2]。另一個典型的實驗中，采用交換光源和檢測器的方法，實現(xiàn)了96個（24×4）陣元的指向，掃描范圍±60°，帶寬50%[3]。然而，像微波波束形成網(wǎng)絡(luò)一樣，采用這種延時線的光TTD波束形成網(wǎng)絡(luò)受到分辨率問題的限制，除非其基礎(chǔ)相移器能提供可變的相移。為了產(chǎn)生大的時延，需要長光纖，而這種時延可能伴有色散所致的RF信號衰減，限制系統(tǒng)的瞬時帶寬。

調(diào)制傳播速度的技術(shù)看來是所有光子TTD波束形成網(wǎng)絡(luò)方案中最有希望的，該波束形成網(wǎng)絡(luò)為每個天線陣元提供一個與波長相關(guān)的時延，該時延正比于相應(yīng)陣元在陣列中的位置。為此，需要在陣列上采用漸變的光色散。而只要調(diào)諧光源的波長，就能將這種色散漸變轉(zhuǎn)換成天線上的時延漸變，進(jìn)而產(chǎn)生時間指向的輻射圖形。色散漸變的實現(xiàn)方法有：色散光纖、色散棱鏡或光纖布拉格光柵（FBG）。當(dāng)然，這些方案需要采用可調(diào)諧光源，因此價格較高。

圖 4 為一個典型的由FBG構(gòu)成的TTD網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)調(diào)諧光源（TLS）的波長時，利用FBG的對不同波長的反射特性，合理配置FBG在空間的位置分布，每個波長有不同的來回反射時間延時，實現(xiàn)不同的時延。

盡管這些方法在原理上的可行性已經(jīng)得到了驗證，但它們在實際應(yīng)用中的局限性也是明顯的：它們只能提供分立的而不是連續(xù)的時延變化，因而只能獲得分立的波束指向；同時，這類結(jié)構(gòu)也缺乏擴(kuò)展成更大陣列的能力，通過波束形成網(wǎng)絡(luò)的信號響應(yīng)時間也較大。另外，在采用FBG的結(jié)構(gòu)中，如果FBG之間的間隔非常小，制造難度大。

3 連續(xù)可變光子TTD波束形成系統(tǒng)

為了實現(xiàn)陣列波束的連續(xù)指向，采用調(diào)諧光載波波長或調(diào)諧啁啾光柵的啁啾速率的方法，能很好地滿足對陣列的重構(gòu)及波束掃描速度等的性能要求，因此是一種最有希望的技術(shù)。其中，啁啾光纖光柵（chirped-FBG）是一種能實現(xiàn)連續(xù)時延及具有潛在快速調(diào)諧能力的簡單技術(shù)，因此很有可能在未來用于實際的光子相控陣天線系統(tǒng)中。已經(jīng)提出了多種采用啁啾光纖光柵的光子相控陣系統(tǒng)方案。例如：采用單條啁啾光纖光柵的連續(xù)TTD波束形成網(wǎng)絡(luò)[4]，采用可調(diào)諧啁啾光纖光柵延時線的連續(xù)TTD波束形成系統(tǒng)[5]，采用多信道啁啾光纖光柵的連續(xù)可變TTD波束形成系統(tǒng)[6]等。

圖 5 為采用多信道啁啾光纖光柵（MCFG）的連續(xù)可變TTD波束形成系統(tǒng)，再結(jié)合波分復(fù)用技術(shù)，從而既能縮短需要的光柵長度和制造難度，又降低了每個波長上的插入損耗。因此，該方案不但能拓展到較大的實用上所要求的陣元數(shù)，同時又能保持緊湊簡單的結(jié)構(gòu)，采用低價格的元件，能滿足陣列波束掃描和重構(gòu)速度的系統(tǒng)要求。

文獻(xiàn)[6]還報道了實驗的結(jié)果。制造了一個長度約為80 mm的8信道光柵（實驗中僅用了4個信道），光柵間隔150 GHz，每個信道的時延超過300 ps、反射帶寬約0.6 nm及反射率約80 %。該MCFG原設(shè)計是供支持8個陣元的系統(tǒng)，頻率范圍8～16 GHz，陣元間隔為半波長，波束指向范圍為±40°。這就要求每個信道的最大時延為187 ps。用4個商用分布反饋（DFB）激光器，進(jìn)行了4信道的實驗。這樣，只需要可用的300 ps時延中的88 ps。這些激光器通過熱調(diào)諧覆蓋了整個光柵的反射譜。

為了指向天線，需要把每個光源的波長調(diào)諧到相應(yīng)于每個陣元指向要求的時延。圖 6 為時延要求與波束指向角的關(guān)系，圖6中也示出了每個信道相對于每個光柵短波長端（信道1）要求的波長調(diào)諧范圍。例如，對于30°的波束角，信道2的相對信道1的時延約為20 ps，而相應(yīng)的波長變化約為45 pm。

將每個激光器光源調(diào)諧到它相應(yīng)信道的前沿，就能獲得一個瞄準(zhǔn)線的波束圖形，這導(dǎo)致每個調(diào)制的載波之間產(chǎn)生零相對時延。對8～16 GHz頻率范圍內(nèi)測量的瞄準(zhǔn)線波束圖形表明，對于這些希望的指向角的波長設(shè)定，是與RF頻率是無關(guān)的。也就是說，調(diào)制信號變化時不會影響波束指向的方向。這也是TTD波束形成網(wǎng)絡(luò)的特性。

按照圖 6 選擇每個信道的波長，提供調(diào)制載波之間要求的差分時延，就能獲得陣列輻射圖形的指向。對于一個4陣元的系統(tǒng)，波束指向要求的最大時延，最大的波長調(diào)諧范圍約0.17 nm。預(yù)期在目前的光柵制造水平，MCFG的長度可達(dá)15 cm。這樣，陣元數(shù)可超過100個，信道間隔100 GHz時，仍可保持70%的反射率，每個信道的群時延脈動仍保持足夠的低。如果降低信道間隔和信道帶寬，并進(jìn)一步增加光柵長度，陣元數(shù)還能進(jìn)一步增加。但由于制造光柵時光纖中折射率變化的飽和，信道反射率會下降。光柵長度增加時，一般會使群時延的脈動增加。因此，如果要求的陣元數(shù)較多時，該方案存在一定的局限性。

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