用于光控相控陣的非載波再入大孔徑延遲技術(shù)

李亞明，周 云，韓 威

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.陸軍北京軍代局駐石家莊地區(qū)軍代室，河北 石家莊 050081)

0 引言

光控相控陣天線是一種基于真時(shí)間延遲的相控陣天線，可實(shí)現(xiàn)大瞬時(shí)帶寬和波束無(wú)偏斜，能夠有效解決相控陣體積功耗等問(wèn)題，為機(jī)載或星載等用于各種空中移動(dòng)平臺(tái)的陣列天線提供了一種可行的途徑[1-2]。

目前，光控相控陣天線系統(tǒng)中多采用光纖延遲線[3-4]和色散延遲光纖[5-6]。然而，隨著雷達(dá)工作頻率的增加[7]，所需要的延遲分辨率越來(lái)越高，基于光纖物理長(zhǎng)度的延遲技術(shù)需要進(jìn)一步減小最短光纖的長(zhǎng)度[8]，從而對(duì)光纖切割精度的要求更為苛刻[9-10]；為了實(shí)現(xiàn)高延遲分辨率，基于色散機(jī)制的延遲技術(shù)通常需要大范圍、快速連續(xù)可調(diào)激光器和外置的溫度、應(yīng)力等調(diào)諧控制裝置，這將大大增加光實(shí)時(shí)延遲系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本[11-13]。

隨著基于CMOS工藝的硅基光子學(xué)的發(fā)展，片上集成器件性能不斷提高[14-15]，基于光子諧振環(huán)的單片集成波束合成網(wǎng)絡(luò)受到越來(lái)越多的關(guān)注[16-17]。由于光子諧振環(huán)是一種諧振結(jié)構(gòu)，工作帶寬在一定程度上受到限制[18]，因此，為了實(shí)現(xiàn)滿足微波帶寬需要的波束合成網(wǎng)絡(luò)光鏈路，需要針對(duì)調(diào)制方式進(jìn)行合理設(shè)計(jì)[19-20]。本文對(duì)比了雙邊帶調(diào)制加單邊帶濾波，以及單邊帶調(diào)制和載波載入，提出了適用于大孔徑的基于微環(huán)周期特性的非載波載入波束合成網(wǎng)絡(luò)。

1 波束合成網(wǎng)絡(luò)光子鏈路原理

單片集成的用于光控相控陣天線的波束合成網(wǎng)路光鏈路原理如圖1所示。

圖1 共口徑天線結(jié)構(gòu)組成示意

天線接收的RF信號(hào)被調(diào)制到由片上激光器發(fā)射的連續(xù)光載波上，經(jīng)過(guò)波束合成網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)真時(shí)間延遲，最后各路天線單元信號(hào)經(jīng)過(guò)探測(cè)器相干合成，實(shí)現(xiàn)RF輸出。由于直接調(diào)制存在固有弛豫頻率(RF頻率受限)和啁啾現(xiàn)象(RF帶寬受限)，對(duì)于高載波頻率，一般采用外調(diào)制方式。

假設(shè)xin(t)為入射RF信號(hào)，yin(t)為調(diào)制光載波輸出，yout(t)為經(jīng)過(guò)分配網(wǎng)絡(luò)后的輸出同步調(diào)制光載波，xout(t)為經(jīng)過(guò)探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換后的RF輸出。對(duì)于理想情況，RF輸出等于輸入，但是實(shí)際的光系統(tǒng)鏈路具有損耗、非線性和色散等特性，影響光載波的傳輸，進(jìn)而導(dǎo)致RF信號(hào)的失真，減小信噪比。分析圖1所示射頻光子鏈路的雙邊帶調(diào)制特性，假設(shè)輸入光載波為Ein(t)=cos(ωct)，輸入到調(diào)制器的RF信號(hào)為xin(t)=cos(ωRFt)，經(jīng)過(guò)射頻信號(hào)調(diào)制后，調(diào)制器輸出RoF為：

(1)

式中，VD為調(diào)制器的直流偏置電壓；VRF為射頻信號(hào)的電壓振幅；Vπ為調(diào)制器的半波調(diào)制電壓。令πVD/Vπ=θD，πVRF/Vπ=q，并對(duì)上述函數(shù)用貝塞爾函數(shù)級(jí)數(shù)展開(kāi)：

yin=J0qcosθD+1cosωct-

J0qsinθDsinωct+

J1qcosθDsinωc-ωRFt+

J1qsinθDcosωc-ωRFt。

(2)

式中，Jn(n是整數(shù))為第一類n階貝塞爾函數(shù)。由式(2)可以看出：① 調(diào)制器輸出(OBFN輸入)光載波調(diào)制信號(hào)，包含載波頻率、載波和RF差頻、和頻信號(hào)以及更高階邊帶信號(hào)。對(duì)于更高階邊帶，貝塞爾函數(shù)迅速減小(J0(0.2π)=0.903 7，J1(0.2π)=0.298 9，J2(0.2π)=0.047 7，J3(0.2π)=0.005)，因此可以忽略不計(jì)；② 在光電轉(zhuǎn)化中的直接探測(cè)中需要將光載波與第一直接邊帶進(jìn)行拍頻，因此直流偏置決定的θD不能等于π，否則載波將被抑制，這是調(diào)制器中的載波抑制調(diào)制；③ 通過(guò)控制直流偏置和調(diào)制器2個(gè)調(diào)制臂的RF信號(hào)相位差，可以實(shí)現(xiàn)單邊帶和雙邊帶調(diào)制。

當(dāng)調(diào)制器調(diào)制臂相位差θ=π，θD=π/2時(shí)，調(diào)制器的輸出信號(hào)式(1)簡(jiǎn)化為：

yin=J0qcosωct-sinωct+

J1qsinθDcosωc-ωRFt+

J1qsinωc+ωRFt。

(3)

在直接探測(cè)情況下，當(dāng)光傳輸?shù)讲▽?dǎo)集成探測(cè)器時(shí)，2個(gè)邊帶信號(hào)分別同光載波拍頻恢復(fù)射頻信號(hào)。但是由于波導(dǎo)的色散效應(yīng)，不同的光載波具有不同的有效折射率，因此光載波和2個(gè)邊帶信號(hào)分別有不同的相位延遲φ0，φ1，φ2，在探測(cè)器輸出端，對(duì)于RF信號(hào)，其正比于cos2(φ1/2-φ2/2)，當(dāng)相位差等于π時(shí)，RF輸出將被抑制為零，邊帶與載波的拍頻信號(hào)分別抵消，RoF鏈路的色散致RF衰退。因此在RoF鏈路中，為了保持RF輸出的穩(wěn)定，需要在探測(cè)之前濾掉一個(gè)邊帶，即單邊帶調(diào)制，但是同時(shí)要在探測(cè)器入射端保持相當(dāng)?shù)妮d波功率，以拍頻出RF信號(hào)。雙邊帶調(diào)制頻譜示意圖如圖2所示。

圖2 雙邊帶調(diào)制頻譜示意

另外，對(duì)于雙邊帶調(diào)制，在OBFN網(wǎng)絡(luò)中為了保持各個(gè)頻率的信號(hào)，需要2fmax的帶寬，如圖2所示。對(duì)于fRF=15 GHz，直徑1 m，Δf=2 GHz的線性陣列Ku天線，OBFN所要的帶寬將高達(dá)32 GHz，對(duì)于最大正負(fù)60°掃描角，首尾兩側(cè)通道的延遲單元數(shù)將高達(dá)上百個(gè)，控制復(fù)雜。因此，可考慮采用單邊帶調(diào)制，單邊帶調(diào)制可以在電光轉(zhuǎn)換時(shí)，即控制調(diào)制器的RF信號(hào)和直流偏置電壓實(shí)現(xiàn)，也可通過(guò)采用基于微環(huán)的可調(diào)濾波器實(shí)現(xiàn)。

2 單邊帶調(diào)制和載波抑制

對(duì)于圖1中的雙邊帶調(diào)制，當(dāng)調(diào)制器的上下2個(gè)調(diào)制臂RF信號(hào)延遲相位差θ=π/2，偏置電壓差等于半波電壓一半或θD=π/2時(shí)，式(1)簡(jiǎn)化為：

yin=J0qcosωct-sinωct+

J1qsinθDcosωc-ωRFt。

(4)

單邊帶調(diào)制頻譜如圖3所示，可以看出，右側(cè)高階邊帶被抑制，在直接探測(cè)時(shí)，僅有左側(cè)邊帶與光載波拍頻出RF信號(hào)。同時(shí)雖然OBFN所需的帶寬減小一半，但是仍然高達(dá)16 GHz，單通道需要的延遲單元仍然難以接受。

圖3 單邊帶調(diào)制頻譜示意

3 單邊帶濾波和載波再入

除了在電光調(diào)制器時(shí)進(jìn)行單邊帶調(diào)制外，還可以通過(guò)設(shè)置基于非對(duì)稱MZI微環(huán)級(jí)聯(lián)濾波器過(guò)濾掉兩側(cè)的某一邊帶及光載波。濾波器示意圖如圖4所示。

圖4 非對(duì)稱MZI微環(huán)級(jí)聯(lián)濾波器示意

在濾波中，邊帶和載波應(yīng)該抑制到25 dB以下，避免邊帶之間的干擾。為了提高系統(tǒng)集成度以及可靠性，在選取濾波器過(guò)程中應(yīng)該選擇結(jié)構(gòu)相似的濾波器，保持工藝上的一致性。圖4的結(jié)構(gòu)與OBFN中的光子諧振環(huán)結(jié)構(gòu)相似，在非對(duì)稱MZI調(diào)制器的短臂上增加一個(gè)微環(huán)，微環(huán)有附加相位φr，在MZI長(zhǎng)臂上有調(diào)制相位φM，MZI調(diào)制臂長(zhǎng)度相差ΔL。該調(diào)制臂耦合系數(shù)可調(diào)，共有5個(gè)相位調(diào)節(jié)單元。微環(huán)的周延遲τr應(yīng)該等于MZI延遲差τm=ΔLneff/c0的2倍。該濾波器通帶內(nèi)平坦，截止帶寬，過(guò)度陡峭，相位響應(yīng)可忽略，不會(huì)顯著引起信號(hào)相位扭曲。根據(jù)微環(huán)延遲時(shí)間可調(diào)延遲單元的傳輸矩陣，濾波器的功率傳輸函數(shù)可表示為：

(5)

微環(huán)是無(wú)耗結(jié)構(gòu)，濾波器帶寬和帶外抑制的制約關(guān)系如圖5所示。

圖5 濾波器帶寬和帶外抑制比關(guān)系

圖5可以看出，非對(duì)稱MZI微環(huán)級(jí)聯(lián)濾波器的帶寬和帶外抑制比相互制約，通帶和阻帶交替。對(duì)于頻率為11.7 GHz、帶寬為1 GHz的RF信號(hào)(邊帶信號(hào)同為1 GHz)，可以設(shè)置濾波器帶寬為6.7 GHz，耦合系數(shù)為0.78，抑制帶內(nèi)波紋峰值等于-25 dB。調(diào)制載波中除第一低頻邊帶外，包括載波和第一高頻邊帶均位于濾波器的阻帶內(nèi)。這種載波單邊帶抑制有利于進(jìn)一步減小OBFN的群延遲響應(yīng)帶寬需求。此時(shí)帶寬僅為射頻信號(hào)帶寬1 GHz遠(yuǎn)小于單邊帶調(diào)制時(shí)的12.5 GHz和雙邊帶調(diào)制時(shí)的25 GHz，簡(jiǎn)化延遲單元至可接受范圍。但是在單端探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換時(shí)，由于載波抑制，需要把載波重新插入到探測(cè)器接收端，RoF鏈路如圖6所示。

圖6 單邊帶載波抑制及再入RoF鏈路

4 非載波載入單邊帶調(diào)制

在上述RoF鏈路中，為了拍頻出RF信號(hào)，需要重新載入光載波(未調(diào)制)，光載波需要與經(jīng)過(guò)OBFN延遲的鏈路保持相干，因此對(duì)激光器的線寬提出了比較嚴(yán)苛的要求，尤其是當(dāng)線陣天線的口徑比較大時(shí)，需要比較長(zhǎng)的延遲響應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致兩路光載波退相干，導(dǎo)致信號(hào)丟失。因此這種單邊帶載波抑制結(jié)構(gòu)會(huì)因?yàn)榧す馄鞯木€寬限制天線的口徑尺寸。相比于在電光調(diào)制器中，通過(guò)控制2個(gè)調(diào)制臂之間射頻信號(hào)的相位差和偏壓差，濾波器需要引入非對(duì)稱MZI微環(huán)級(jí)聯(lián)濾波器，濾波器中額外增加了5個(gè)相位控制單元。另外濾波器的帶寬和帶外抑制都是耦合系數(shù)敏感量，由于制造中容差，會(huì)導(dǎo)致耦合系數(shù)偏差，進(jìn)而影響濾波器性能。

對(duì)比以上2個(gè)調(diào)制器調(diào)制方式以及其需要的OBFN帶寬需求，本文提出了一種新型的光鏈路結(jié)構(gòu)。首先為了減小OBFN中微環(huán)延遲量的負(fù)擔(dān)以及有效折射率的色散效應(yīng)，應(yīng)該避免雙邊帶調(diào)制；為了避免相干探測(cè)以及相干探測(cè)時(shí)激光器對(duì)天線口徑的限制，同時(shí)減小芯片中的控制單元數(shù)和提高可靠性，單邊帶調(diào)制避免采用濾波器，而是通過(guò)控制MZI調(diào)制器的偏壓差和射頻入射信號(hào)的相位差實(shí)現(xiàn)。在單邊帶調(diào)制中，由于仍然需要OBFN滿足高達(dá)RF信號(hào)頻率的帶寬需求，因此對(duì)OBFN中的微環(huán)延遲響應(yīng)配置，如圖7所示。

圖7 單邊帶調(diào)制雙周期頻譜示意

使得光載波和低頻第一邊帶分別位于微環(huán)延遲線中不同延遲周期中，由于群延遲響應(yīng)差，光載波和邊帶頻率會(huì)有一定的延遲差，但是足夠保持天線口徑尺寸中的相干特性，實(shí)現(xiàn)真正的電光直調(diào)和光電直測(cè)。此結(jié)構(gòu)中，由于需要使邊帶和載波處在不同的周期，因此頻率的可擴(kuò)展性變差，對(duì)于較小的RF輸入，需要較小的FSR，而FSR反比于微環(huán)周延遲或微環(huán)周長(zhǎng)，也就是要求微環(huán)周長(zhǎng)較大，一定程度會(huì)降低芯片的集成度。在芯片設(shè)計(jì)中，出于控制簡(jiǎn)單可靠的思路，優(yōu)先采用調(diào)制器單邊帶強(qiáng)度直接調(diào)制，雙周期群延遲響應(yīng)直接探測(cè)RoF鏈路。

針對(duì)雙周期真時(shí)延的仿真，其仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 雙周期真時(shí)延仿真

為了實(shí)現(xiàn)寬帶和較大延遲時(shí)間，圖8中每一路延遲采用2個(gè)諧振環(huán)。為了實(shí)現(xiàn)3 GHz帶寬，2個(gè)諧振環(huán)諧振頻率相差約2 GHz。帶內(nèi)平坦，最大可實(shí)現(xiàn)100 ps的延遲時(shí)間。為了實(shí)現(xiàn)較小的FSR，微環(huán)半徑約0 mm(波導(dǎo)基模有效折射率為2.92)。諧振環(huán)延遲網(wǎng)絡(luò)的2個(gè)周期相隔約30 GHz，因此，對(duì)于30 GHz的射頻信號(hào)，載波和信號(hào)分置在諧振環(huán)的2個(gè)頻率不同但是延遲響應(yīng)相等的通帶內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了雙周期大帶寬的真時(shí)延架構(gòu)。同時(shí)需要再次指出的是，為了獲得較小的FSR，需要較大諧振環(huán)直徑，不利于高密度集成。

5 結(jié)束語(yǔ)

在分析了用于光控相控陣天線的波束合成網(wǎng)絡(luò)光鏈路的基礎(chǔ)上，針對(duì)雙邊帶調(diào)制、單邊調(diào)制、單邊帶濾波和載波載入結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。雙邊帶調(diào)制和單邊帶調(diào)制均需要遠(yuǎn)大于RF帶寬的光帶寬要求，顯著增加了波束合成網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度。單邊帶濾波和載波載入技術(shù)，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)波束合成網(wǎng)路的最優(yōu)化鏈路結(jié)構(gòu)，但是，一方面增加了5個(gè)用于濾波的參量控制，同時(shí)由于載波載入，天線孔徑會(huì)受到激光相干時(shí)間的限制。本文最后提出的非載波載入單邊帶調(diào)制，充分利用了諧振環(huán)的周期結(jié)構(gòu)，避免了濾波器的引入，同時(shí)由于光載波和邊帶在同一延遲結(jié)構(gòu)內(nèi)，因此適用于任何口徑的陣列天線。