硅基片上集成二維光控多波束形成的研究

周中昊， 王 凱， 王 鵬， 戴澤璟， 韓守保， 張業(yè)斌， 段宗明

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽合肥230088)

0 引 言

相控陣波束形成技術由于具有同時多波束、靈活掃描、波束切換迅速等優(yōu)勢，已經(jīng)在雷達探測等領域得到廣泛的應用和研究。基于電相移器的傳統(tǒng)相控陣技術，由于不同頻率波束的色散傾斜效應而限制了其工作帶寬，從而極大限制了傳統(tǒng)雷達系統(tǒng)的性能，如雷達分辨率、抗干擾、寬帶收發(fā)等。而無波束傾斜效應的基于真延時體制的相控陣技術能夠有效克服上述難題，但是傳統(tǒng)的基于電子學體制的真延時技術存在損耗大、幅度不均衡、系統(tǒng)復雜度高等劣勢。

微波光子學技術是利用電光轉(zhuǎn)換技術將微波信號變換到光域，在光域?qū)ξ⒉ㄐ盘栠M行處理，可以充分發(fā)揮光子學技術的優(yōu)勢。典型的微波光子技術主要包括光控真延時、光載射頻傳輸、微波光子濾波器、微波光子信道化接收、光子輔助任意波形產(chǎn)生等。其中光控真延時技術，能夠有效實現(xiàn)微波信號的真延時，能夠?qū)崿F(xiàn)無波束傾斜效應的二維寬帶同時多波束掃描。

隨著微納加工技術的不斷發(fā)展，基于二氧化硅、氮化硅、絕緣體上硅、鈮酸鋰薄膜等各種材料的硅基微納加工工藝日趨成熟，現(xiàn)今集成度更高的集成微波光子技術也得到迅猛發(fā)展。利用集成微波光子技術能夠?qū)崿F(xiàn)集成度更高、體積更小、功耗更低、性能更穩(wěn)定的微波光子系統(tǒng)，有效解決基于分立器件的微波光子技術系統(tǒng)體積大和復雜度高等問題。

二維相控陣波束形成技術由于其靈活機動等優(yōu)勢在雷達系統(tǒng)中得到了廣泛的應用，而基于微波光子學技術的二維多波束形成系統(tǒng)也得到了廣泛的研究?，F(xiàn)今國內(nèi)外關于二維光控波束形成的研究主要基于傳統(tǒng)分立器件的系統(tǒng)，2021年文獻[8]報道了利用模分復用機制的二維光控波束形成系統(tǒng)，系統(tǒng)基于單模和多模光纖等分立器件的搭建，且存在體積重量大及系統(tǒng)穩(wěn)定性差等劣勢。而硅基片上集成的二維光控系統(tǒng)則鮮有報道。2021年文獻[9]介紹了一種基于集成光真延時線網(wǎng)絡的二維光控波束形成系統(tǒng)架構，主要研究了4種延時參數(shù)的7比特集成光開關延時線，文章利用各延時線測試結(jié)果用于二維光控系統(tǒng)架構的模擬驗證。同年，文獻[10]報道了1×4通道的光波束形成網(wǎng)絡，系統(tǒng)結(jié)合磷化銦和氮化硅材料各自優(yōu)勢，實現(xiàn)了全集成的寬帶連續(xù)可調(diào)的光波束形成系統(tǒng)，限于系統(tǒng)復雜度等原因文章報道的為一維波束形成。

硅基片上集成主要包括二氧化硅、絕緣體上硅、鈮酸鋰薄膜、III-V族化合物和氮化硅等材料系統(tǒng)，其中二氧化硅材料相對于其他材料體系具有損耗小、易于耦合、工藝成熟等多種優(yōu)勢。本文提出的片上集成二維可擴展光控波束形成系統(tǒng)，是基于二氧化硅材料的微納加工工藝的集成微波光子真延時技術，通過片上集成芯片加工技術實現(xiàn)了各分立器件的片上集成封裝和小型化。利用俯仰延時模塊實現(xiàn)俯仰向延時控制，再通過基于光開關延時線實現(xiàn)方位向延時掃描控制，從而實現(xiàn)俯仰同時多波束，方位向多波束多波位獨立掃描。最后對片上光控波束形成樣機進行了測試和實驗結(jié)果分析。

1 工作原理

本節(jié)主要在雷達坐標系下對二維光控波束形成基本原理進行介紹和理論計算，并結(jié)合理論計算分析片上集成光控真延時模塊設計。

1.1 二維光控波束形成

在雷達坐標系下，天線陣面在0平面，方位角和俯仰角指向?qū)疽鈭D1中所示： 圖1中，目標到各天線單元的距離差決定了天線陣元接收到的目標方向信號的相位差，可以將各相鄰天線單元之間的相位差分別表示為

(1)

(2)

(a) 天線陣面示意圖

(b) 目標指向示意圖圖1 雷達坐標系天線陣和目標方向角示意圖

式中：方位向方向相鄰天線陣元間距為,相位差為；俯仰向方向相鄰天線單元間距為,相位差為；俯仰角,方位角分別對應天線陣面形成設定的波束指向角。

按照式(1)和式(2)配置各天線單元對應的相位差，約定原點處的天線單元為參考單元(0, 0)，對應的第(,)個天線單元其幅度加權系數(shù)為，可以得出天線陣面的二維方向圖函數(shù)為

(sin-)]}

(3)

式中方向天線單元數(shù)為，方向單元數(shù)為。由式(3)可知，通過改變相鄰陣元間的相位差和可以實現(xiàn)相控陣二維掃描，即實現(xiàn)不同方位角和俯仰角指向的目標信號的接收探測。

1.2 片上集成二維光控真延時技術

片上集成真延時技術，通過光信號在不同長度的平面光波導中的傳播延時不同，從而實現(xiàn)不同通道的延時控制。不同通道真延時差Δ與平面光波導相對長度差Δ之間關系可以表示如下：

(4)

式中：為平面光波導折射率，與波導材料有關；為真空中光速。

由式(3)可知，為實現(xiàn)天線陣方向圖最大值指向?qū)轿唤呛透┭鼋?，需要通過相位控制，實現(xiàn)和軸方向各相鄰天線單元間的相位差分別滿足式(1)和式(2)。由此可知，需要對各天線陣元進行延時配置以使相鄰天線單元間延時差滿足以下關系式：

(5)

(6)

式中，Δ與Δ均由式(4)確定，分別對應方向和方向相鄰陣元間的相對延時差。

要利用光波導實現(xiàn)微波信號如式(5)、式(6)所示的可調(diào)真延時控制，可采用如圖2所示的可調(diào)延時結(jié)構。各級的平面光波導延時線長度對應不同的指向角由上述計算得出，通過光開關控制光載微波信號經(jīng)過各級延時線，實現(xiàn)所需的真延時控制。由圖2中開關橫截面圖所示，光波導由芯層、包層以及硅基襯底組成，由于芯層折射率大于包層，特定光學模式的光模場主要局限在芯層波導中，典型的二氧化硅平面光波導基模光模場示意圖如圖中所示。

圖2 可調(diào)延時結(jié)構及其光開關橫截面和模場分布圖

因此，通過結(jié)合圖2中的可調(diào)真延時結(jié)構，利用式(5)、式(6)可在平面光波導芯片上設計如圖3所示的二級級聯(lián)的波導延時結(jié)構，實現(xiàn)方位向和俯仰向相結(jié)合的二維掃描。如圖3所示，天線陣面和電光轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)將接收到的目標方向的電磁信號轉(zhuǎn)換為光載微波信號，各天線陣列通過對應的俯仰向延時和方位向延時兩級延時陣面模塊，實現(xiàn)光載微波信號的二維延時控制，最后通過光電轉(zhuǎn)換與合成模塊實現(xiàn)多波束合成和電信號輸出。不同目標空間位置對應的波束指向不同，其對應的天線陣元俯仰向延時差通過俯仰向延時波導補償，以滿足式(5)；不同波束對應的方位向延時差通過圖示中的不同子陣間方位向延時差實現(xiàn)，滿足式(6)，從而實現(xiàn)俯仰方位向二維波束形成。

2 實驗研究和結(jié)果分析

2.1 片上集成二維光控波束形成樣機

基于上述分析，為實現(xiàn)硅基片上集成二維同時多波束獨立掃描系統(tǒng)，本實驗組采用的是如圖3所示的系統(tǒng)架構。基于硅基二氧化硅平面光波導加工平臺，完成關鍵硅基光芯片器件設計加工。

如圖3所示，天線接收的微波信號調(diào)制為光載射頻信號，通過光纖耦合進入到片上集成光網(wǎng)絡芯片中。利用平面光波導分束器實現(xiàn)光載射頻信號的分束，再通過俯仰延時模塊實現(xiàn)俯仰向不同通道相對延時控制。隨后光載信號輸入到片上集成開關延時芯片中，通過開關延時線實現(xiàn)方位向的延時控制，實現(xiàn)方位向波束掃描。最后通過光電探測器實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，結(jié)合功分器實現(xiàn)不同子陣間的波束的合束，最終完成俯仰同時多波束，各波束在方位向多波位獨立掃描的二維波束形成系統(tǒng)。

為驗證上述硅基集成二維多波束光控波束形成系統(tǒng)性能，完成了如圖4所示基于硅基片上平面光波導的波束形成樣機研制。在圖4(a)所示硅基集成平面光波導光網(wǎng)絡芯片模塊中，實現(xiàn)片上集成同時多波束形成網(wǎng)絡。圖4(b)展示了模塊中開關延時線光芯片實物圖。

利用矢量網(wǎng)絡分析儀，結(jié)合電光調(diào)制合成放大模塊和光電轉(zhuǎn)換模塊，完成如圖4(a)所示的系統(tǒng)模塊性能的測量。將矢網(wǎng)輸出端口分別連接電光調(diào)制合成放大模塊各通道對應的電光調(diào)制器，然后將對應的波束合成射頻信號連接到矢網(wǎng)的輸入端口。通過矢網(wǎng)完成系統(tǒng)各波束對應的通道的S21測量，獲取各通道的幅度和相對相位的實驗數(shù)據(jù)，通過對各實驗結(jié)果分析完成系統(tǒng)方向圖仿真。

圖3 典型的片上集成二維光控相控陣原理示意圖

(a) 光網(wǎng)絡芯片模塊 (b) 開關延時線光芯片圖4 硅基片上集成模塊實物圖

2.2 實驗結(jié)果數(shù)據(jù)分析

結(jié)合矢量網(wǎng)絡分析儀等實驗裝置開展對各波束對應通道的測量，完成實驗結(jié)果分析。首先是各個波束對應通道的相對相位如圖5所示。單個子陣陣面俯仰向各通道間的相對相位與頻率關系如圖5(a)所示，各通道相位均以通道CH1作為參考?？梢钥闯龈魍ǖ老鄬ο辔幌鄬τ陬l率具有良好的線性度。方位向各通道延時通過可調(diào)延時線實現(xiàn)。對于單個通道，開關延時線各種狀態(tài)的延時量對應的相對相位與頻率關系如圖5(b)所示，其中取波束指向為0°時對應的相位為參考相位，S1到S16分別對應開關延時線的16種狀態(tài)。同樣可以看出，通過真延時實現(xiàn)的各狀態(tài)的相對相位具有良好的線性度。

(a) 俯仰向不同通道相對相位

(b) 方位向不同延時狀態(tài)相對相位圖5 相對相位譜實測數(shù)據(jù)

結(jié)合對各波束對應通道測量得到的S21曲線，利用實測的相對相位和幅頻響應等實驗數(shù)據(jù)，通過公式(3)對各波束進行理論計算，可以得出典型的波束方向圖。

基于實測數(shù)據(jù)分別對各波束進行方向圖計算，得到18 GHz頻點處，對應開關延時線狀態(tài)S8，即方位向為垂直天線陣面處附近對應的各波束方位向方向圖如圖6所示。同樣，針對典型方位向指向為0°的單波束，對應的開關延時線控制的各開關延時狀態(tài)對應的方向圖的俯仰向方向圖如圖7所示，對應頻點為18 GHz，由于俯仰向天線陣元較少，因此對應的俯仰向波束較寬，副瓣幅度較大。結(jié)合上述實驗仿真結(jié)果，可以驗證各波束能夠有效覆蓋空域俯仰向±60°范圍，方位向±45°范圍，同時5波束16波位獨立掃描。

圖6 18 GHz處各波束對應俯仰延時狀態(tài)8計算的方位向方向圖

圖7 18 GHz處方位向波束3對應各開關延時線狀態(tài)計算的俯仰向方向圖

圖8 各頻點對應方位向-30°波束的方向圖

圖9 各頻點對應俯仰向30°波束的方向圖

為了分析本系統(tǒng)基于真延時的大帶寬波束無傾斜優(yōu)勢，通過對單個波束對應的各頻點測得的實驗數(shù)據(jù)分別進行分析，得到6～20 GHz各頻點對應的俯仰向剖面圖如圖8所示，方位向剖面圖如圖9所示，其中對應的波束為方位向指向-30°，俯仰向指向30°，可以看出基于真延時的光控波束形成沒有孔徑效應引起的波束傾斜效應。

通過上述對于實驗數(shù)據(jù)的分析仿真計算可知，對于基于平面光波導的真延時光控波束形成系統(tǒng)，能夠有效實現(xiàn)二維波束接收，并且無波束傾斜效應，具有大的瞬時帶寬和大的掃描范圍，能夠?qū)崿F(xiàn)同時多波束接收和各波束多波位獨立掃描的功能。

3 結(jié)束語

本文提出了一種基于片上集成的大瞬時帶寬、方位向同時多波束、俯仰向各波束獨立掃描的光控波束形成系統(tǒng)。通過子陣模塊化積木式擴展即可實現(xiàn)二維大陣列系統(tǒng)。實驗中對上述子陣性能進行測試，各通道波束指向與設計值吻合，通過實驗測試得到的方向圖顯示系統(tǒng)的無孔徑效應的帶寬達到14 GHz，波束能夠有效覆蓋空域俯仰向±60°范圍，方位向±45°范圍，同時5波束16波位獨立掃描?；谀K化子陣可實現(xiàn)大陣列擴展，只需要在各架構完全相同的子陣間加入陣間相對延時，即可實現(xiàn)大陣列擴展系統(tǒng)。這項技術能夠極大減小現(xiàn)有光控相控陣系統(tǒng)的體積重量，為將來大陣列無波束傾斜、大帶寬、二維同時多波束系統(tǒng)提供技術支撐。