基于色散光學(xué)的光波束形成網(wǎng)絡(luò)

鄭 偉，王 超，楊文麗，吳春邦，張振杰

(中國空間技術(shù)研究院西安分院 空間天線技術(shù)研究所，西安 710100)

引 言

相控陣天線系統(tǒng)中波束形成網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)之一是微波信號的移相，然而電子移相技術(shù)中孔徑效應(yīng)和渡越時間限制了系統(tǒng)工作帶寬[1]。基于光真延時(optical true time delay，OTTD)的光波束形成網(wǎng)絡(luò)(optical beamforming network，OBFN)克服了孔徑效應(yīng)和渡越時間的限制，具有工作帶寬大、重量輕、損耗低和抗電磁干擾等優(yōu)勢，因而成為相控陣天線系統(tǒng)領(lǐng)域的研究熱點[2-4]。

光真延時網(wǎng)絡(luò)作為光波束形成網(wǎng)絡(luò)的核心部件受到了廣泛關(guān)注，研究人員提出了多種技術(shù)實現(xiàn)OTTD，包括空間光調(diào)制技術(shù)[5-6]、光程切換技術(shù)[7-9]和光學(xué)色散技術(shù)[10-15]等?？臻g調(diào)制技術(shù)有利于實現(xiàn)集成化和空間多波束，但工作帶寬受調(diào)制方式限制。光程切換技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢，但存在使用器件多和性能受開關(guān)指標限制的問題。光學(xué)色散技術(shù)通過控制光載波實現(xiàn)波束掃描，降低了系統(tǒng)中器件的數(shù)量和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，成為了具有吸引力的技術(shù)方案?；诠鈱W(xué)色散技術(shù)的OTTD可以基于光學(xué)微環(huán)[10-11]、高色散光纖[12-13]、線性啁啾光柵[14-15]等器件實現(xiàn)。然而，基于光學(xué)微環(huán)的OTTD存在工作帶寬限制；基于高色散光纖的OTTD可以實現(xiàn)大范圍等延時差切換，但難以實現(xiàn)小步進調(diào)諧；基于線性啁啾光纖光柵的OTTD可以實現(xiàn)小步進等延時差調(diào)諧，但難以實現(xiàn)大范圍切換。同時，基于高色散光纖和線性啁啾光纖光柵等色散器件的OTTD通常采用激光器波長調(diào)諧實現(xiàn)波束掃描，受激光器掃描速度限制。

為解決上述技術(shù)難題，本文中采用固定波長間隔的多波長激光器和光學(xué)色散器件實現(xiàn)OBFN中的核心部件OTTD。通過光開關(guān)實現(xiàn)N路高色散光纖路徑切換獲得大步進等延時差，進而實現(xiàn)波束指向的大范圍和大步進調(diào)節(jié)；通過調(diào)諧線性啁啾光纖光柵色散系數(shù)連續(xù)調(diào)諧獲得小步進等延時差，進而實現(xiàn)波束指向的小范圍和小步進調(diào)節(jié)，最終實現(xiàn)大波束指向范圍和精細步進調(diào)節(jié)的光波束形成網(wǎng)絡(luò)。

1 系統(tǒng)模型

圖1所示為基于色散光學(xué)技術(shù)的光波束形成網(wǎng)絡(luò)原理圖。一束具有等波長間隔的多波長光波由多波長激光源產(chǎn)生，波長分別為λ1,λ2,λ3,…,λM，波長間隔為Δλ。具有M個波長的光波輸入電光調(diào)制器中被微波信號調(diào)制，被調(diào)制后的光信號通過環(huán)形器傳輸至色散系數(shù)可調(diào)的線性啁啾光纖布喇格光柵(linear chirped fiber Bragg grating，LCFBG)中，不同的波長在LCFBG中不同位置反射，并通過環(huán)形器輸入高色散光纖陣列中。高色散光纖陣列由兩個1×N光開關(guān)和N路具有不同長度的高色散光纖組成，通過1×N光開關(guān)切換使得光信號通過不同長度的高色散光纖。通過高色散光纖陣列的光信號輸入波分復(fù)用器中解調(diào)為M路不同波長的光信號，M路光信號通過不同長度的單模光纖傳輸后至M個光電探測器，M路光信號分別在光電探測器中轉(zhuǎn)換為微波信號，并通過等距離天線陣列發(fā)射到空間中，形成具有M路OTTD的光波束形成網(wǎng)絡(luò)。

Fig.1 The schematic of the proposed OBFN based on optical dispersion

在如圖1所示的光波束形成網(wǎng)絡(luò)中，色散系數(shù)可調(diào)的LCFBG的色散系數(shù)為D1，單位為ps/(km·nm)；高色散光纖的色散系數(shù)為D2，單位為ps/nm。LCFBG的色散系數(shù)可以通過溫度調(diào)節(jié)和長度拉伸等方法進行微調(diào)。N路高色散光纖的長度分別為F1,F2,F3,…,FN。因此,LCFBG與高色散光纖在波束形成網(wǎng)絡(luò)中引入的等延時差為:

Δτ1=D1FNΔλ+D2Δλ

(1)

式中，第1項為LCFBG引入的等延時差，第2項為高色散光纖引入的等延時差。

多波長光信號經(jīng)波分復(fù)用器解復(fù)用后傳輸光纖長度分別為L1,L2,L3,…,LM，各個光纖長度等延時差為Δτ2，因此如圖1所示的光波束形成網(wǎng)絡(luò)中，M路OTTD等延時差為:

Δτ=Δτ1+Δτ2

(2)

取天線距離為d=c/(2f)，其中,c為光在真空中的傳播速度,f為微波信號的頻率。光波束形成網(wǎng)絡(luò)的指向角為：

θ=arcsin(2fΔτ)

(3)

根據(jù)(1)式～(3)式，可通過光開關(guān)實現(xiàn)N路高色散光纖路徑切換獲得大步進等延時差，進而實現(xiàn)波束指向的大范圍和大步進調(diào)節(jié)；通過調(diào)諧線性啁啾光纖光柵色散系數(shù)連續(xù)調(diào)諧獲得小步進等延時差，進而實現(xiàn)波束指向的小范圍和小步進調(diào)節(jié)，最終實現(xiàn)大波束指向范圍和精細步進調(diào)節(jié)的光波束形成網(wǎng)絡(luò)。

2 數(shù)值計算與結(jié)果分析

以f=20GHz微波信號為例。設(shè)計天線距離為d=c/(2f)，激光器波長間隔為國際電信聯(lián)盟標準波長間隔0.4nm，激光器波長范圍為3.2nm，高色散光纖色散系數(shù)D1=600ps/(km·nm)，LCFBG色散系數(shù)調(diào)諧范圍和步進分別為5ps/nm～20ps/nm和0.5ps/nm，高色散光纖通道數(shù)量為N=9，長度分別為F1=0m,F2=25m,F3=50m,F4=75m,F5=100m,F6=125m,F7=150m,F8=175m,F9=200m，光纖長度分別為L1=1000mm,L2=994.8mm,L3=989.6mm,L4=984.4mm,L5=979.2mm,L6=974mm,L7=968.8mm,L8=963.6mm，則各個光纖長度等延時差Δτ2=-26ps。

根據(jù)(1)式，固定LCFBG的色散系數(shù)，通過光開關(guān)切換光信號在色散光纖陣列中的傳輸路徑，圖1所示系統(tǒng)中OTTD可以實現(xiàn)等延時差切換范圍為0ps～48ps，步進為6ps，如圖2a所示。其中參考值為傳輸路徑F1=0m時OTTD的等延時差。

Fig.2 Equally delay difference caused by the path switching of N-way high dispersion fiber or tuning the dispersion coefficient of the LCFBG

固定光信號在色散光纖陣列中的傳輸路徑，通過調(diào)節(jié)LCFBG的色散系數(shù)，圖1所示系統(tǒng)中OTTD可以實現(xiàn)等延時差切換范圍為0ps～6ps，步進為0.2ps，如圖2b所示。其中參考值為LCFBG色散系數(shù)為5ps/nm時OTTD的等延時差。

當Δτ2=-26ps時，根據(jù)(2)式計算得圖1所示系統(tǒng)中OTTD的等延時差切換范圍為-24ps～+24ps,步進為0.2ps，如圖3a所示。根據(jù)(3)式，光波束形成網(wǎng)絡(luò)的波束指向切換步進如圖3b所示。圖1所示的光波束形成網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)的波束指向角范圍為-73.74°～+73.74°，在波束指向0°附近，波束指向角度切換步進約為0.458°，切換色散光纖路徑時，波束指向角度切換步進約為13.89°。

Fig.3 Equally delay difference and the beam pointing of OBFNa—switching delay difference b—switching beam pointing

圖4為八陣元光波束形成網(wǎng)絡(luò)切換色散光纖路徑時波束指向圖。圖4a和圖4b分別為極坐標圖與笛卡爾坐標圖。當指向角度大于60°時，波束寬度急劇增大，光波束形成網(wǎng)絡(luò)無法提供有效的波束指向。圖5為調(diào)節(jié)LCFBG色散系數(shù)時波束指向圖。圖5a和圖5b分別為極坐標圖與笛卡爾坐標圖。當波束指向角度切換步進約為0.458°時，波束指向變化不明顯，無法形成有效的波束切換。這是由于天線陣元數(shù)目較少，波束寬度較寬，因此在波束指向小步進切換不明顯。

Fig.4 Beam pointing diagram of an 8-array-elements OBFN when switching the path of high dispersion fiber

Fig.5 Beam pointing diagram of an 8-array-elements OBFN when tuning the dispersion coefficient of the LCFBG

這一問題可以通過提高天線陣元數(shù)目解決。圖1所示系統(tǒng)在不增加色散光纖陣列通道及LCFBG色散系數(shù)調(diào)節(jié)范圍的情況下，只增加激光器波長數(shù)目和天線數(shù)目即可實現(xiàn)更多陣元的波束形成網(wǎng)絡(luò)。圖6是仿真了64天線陣元光波束形成網(wǎng)絡(luò)的波束指向圖。其中，實現(xiàn)64天線陣元光波束形成網(wǎng)絡(luò)時，激光器波長范圍為25.6nm。結(jié)果表明，選擇64天線陣元后，當指向角度大于60°時，光波束形成網(wǎng)絡(luò)仍然可以提供有效的波束指向，實現(xiàn)了-73.74°～+73.74°波束指向范圍內(nèi)有效的波束切換；當波束指向角度切換步進約為0.458°時，波束指向變化明顯，可形成有效的波束切換獲得了步進約為0.458°的小步進波束指向切換。因此，基于圖1所示的光波束形成網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)波束指向角度范圍為-73.74°～+73.74°和切換步進為0.458°的相控陣天線系統(tǒng)。

Fig.6 Beam pointing diagram of an 64-array-elements OBFN

3 結(jié) 論

基于光學(xué)色散原理實現(xiàn)了光波束形成網(wǎng)絡(luò)。通過光開關(guān)實現(xiàn)N路高色散光纖路徑切換，獲得大步進等延時差，進而實現(xiàn)波束指向的大范圍和大步進調(diào)節(jié)；通過調(diào)諧線性啁啾光纖光柵色散系數(shù)連續(xù)調(diào)諧獲得小步進等延時差，進而實現(xiàn)波束指向的小范圍和小步進調(diào)節(jié)，最終實現(xiàn)大波束指向范圍和精細步進調(diào)節(jié)的光波束形成網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)基于色散原理的光波束形成網(wǎng)絡(luò)相比，本方案中使用固定等波長間隔的多波長光源，降低了解復(fù)用的技術(shù)難度，具有實現(xiàn)難度小的優(yōu)勢,為實現(xiàn)大波束指向范圍和小步進切換的相控陣天線系統(tǒng)提供了技術(shù)依據(jù)。