基于雙平行馬赫曾德調(diào)制器的微波光子測(cè)向技術(shù)研究*

張業(yè)斌 ，王 凱 ，童 陽(yáng)

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088；2.安徽省天線與微波工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230088)

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的全面感知至關(guān)重要，是決定這戰(zhàn)爭(zhēng)成敗的關(guān)鍵因素之一。電子偵察[1-2]就是獲得戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)繼而控制戰(zhàn)場(chǎng)主動(dòng)權(quán)的重要手段，通過(guò)接收和分析敵方的雷達(dá)等主要電子信息系統(tǒng)的電磁信號(hào)，在空間上精確定位目標(biāo)、識(shí)別敵方目標(biāo)才能更有針對(duì)性地開(kāi)展干擾、欺騙甚至摧毀等有效的電子對(duì)抗。微波信號(hào)測(cè)向技術(shù)是電子偵察技術(shù)的重要組成部分，通過(guò)測(cè)向可以判定敵方雷達(dá)等輻射源的方向，結(jié)合距離探測(cè)便可進(jìn)而定位到敵方目標(biāo)的精確位置。微波測(cè)向系統(tǒng)可以提供敵方輻射源所在的方向或者位置。根據(jù)工作的方式測(cè)向技術(shù)一般分為兩個(gè)大類(lèi)，即主動(dòng)測(cè)向技術(shù)和被動(dòng)測(cè)向技術(shù)。主動(dòng)測(cè)向技術(shù)主要是雷達(dá)系統(tǒng)采用，通過(guò)系統(tǒng)本身產(chǎn)生信號(hào)并通過(guò)天線輻射出去，再接收反射回來(lái)的電磁波信號(hào)，通過(guò)在一定的角度范圍內(nèi)掃描，并根據(jù)信號(hào)的大小來(lái)判斷目標(biāo)信號(hào)的空間位置、敵方所在的位置。該方法由于接收的是己方發(fā)射的特定頻率和制式的信號(hào)，因此系統(tǒng)的接收帶寬要求不高，但由于其本身也是個(gè)輻射源，從而導(dǎo)致其輻射的電磁信號(hào)也容易被敵方捕獲進(jìn)而被打擊的風(fēng)險(xiǎn)大大提高。被動(dòng)測(cè)向技術(shù)是只通過(guò)捕獲和接收敵方目標(biāo)主動(dòng)輻射的電磁信號(hào)，進(jìn)行分析從而得出其方向和位置信息，系統(tǒng)本身并不主動(dòng)產(chǎn)生和向外輻射電磁射信號(hào)。因此，相對(duì)主動(dòng)測(cè)向技術(shù)，被動(dòng)測(cè)向技術(shù)具有更強(qiáng)的隱蔽性，但由于其接收和分析的是未知頻率的電磁信號(hào)，故對(duì)接收系統(tǒng)的帶寬要求一般較高。

隨著電子技術(shù)水平的不斷提高和軍事裝備的快速發(fā)展，通信、雷達(dá)、電子戰(zhàn)[3]等電子系統(tǒng)對(duì)信號(hào)處理的要求也越來(lái)越高，其工作帶寬越來(lái)越大，工作頻率也越來(lái)越高，這也給傳統(tǒng)的電學(xué)測(cè)向方法帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。在高頻段工作時(shí)傳統(tǒng)的微波電路的瞬時(shí)帶寬很難做大，同時(shí)在工作帶寬內(nèi)的幅頻響應(yīng)也較差，微波傳輸線的高頻損耗也會(huì)急劇增加，并且傳統(tǒng)電子系統(tǒng)進(jìn)行超寬帶信號(hào)處理時(shí)往往需要多臺(tái)設(shè)備的堆疊，導(dǎo)致其體積和功耗也較大，并且容易受電磁干擾。受到上述這些“電子瓶頸”的限制，使得其很難滿足電子裝備發(fā)展的需要。微波光子技術(shù)[4]相對(duì)電子技術(shù)具有工作帶寬大、帶內(nèi)平坦度好、抗電磁干擾等優(yōu)勢(shì)，因此得到了廣泛的關(guān)注。微波光子技術(shù)有望突破現(xiàn)有電子技術(shù)的瓶頸，一般對(duì)于10 GHz以上帶寬的超寬帶射頻信號(hào)的測(cè)向精度要求在3°以內(nèi)，一些基于微波光子技術(shù)的微波信號(hào)測(cè)向系統(tǒng)[5-10]相繼被提出且其測(cè)向精度也達(dá)到2°甚至更低，但系統(tǒng)對(duì)器件、設(shè)備量等的要求均較高。

1 微波光子測(cè)向技術(shù)原理

本文所提的基于微波光子的測(cè)向方法，主要是利用兩路光學(xué)調(diào)制信號(hào)的干涉，構(gòu)建出相位差與光功率的映射關(guān)系，再通過(guò)對(duì)光功率的測(cè)量實(shí)現(xiàn)對(duì)寬帶微波信號(hào)的實(shí)時(shí)相位差測(cè)量，繼而推導(dǎo)出微波信號(hào)的來(lái)向。采用雙平行馬赫曾德調(diào)制器(DP-MZM)來(lái)實(shí)現(xiàn)兩路信號(hào)的調(diào)制和疊加。雙平行馬赫曾德調(diào)制器的上下兩個(gè)子調(diào)制器均工作在載波抑制雙邊帶模式，并控制兩個(gè)調(diào)制信號(hào)的相位差再進(jìn)行相干疊加和干涉。為了消除直流項(xiàng)對(duì)測(cè)量信號(hào)的干擾，干涉后光信號(hào)采用平衡探測(cè)的方法來(lái)提高系統(tǒng)的測(cè)向的精度?；陔p平行馬赫曾德調(diào)制器的微波光子測(cè)向的原理框圖如圖1 所示。

圖1 基于雙平行馬赫曾德調(diào)制器的微波光子測(cè)向原理圖

激光器輸出的光載波信號(hào)輸入到雙平行馬赫曾德調(diào)制器中。設(shè)進(jìn)入雙平行馬赫曾德調(diào)制器的光載波的表達(dá)式為：

其中E0與ω0分別為信號(hào)的幅度和角頻率。如圖2 所示，天線陣面接收回來(lái)的兩路射頻信號(hào)分別加載在雙平行馬赫曾德調(diào)制器的兩個(gè)射頻輸入口上，設(shè)兩路射頻輸入信號(hào)的表達(dá)式為：

圖2 雙平行馬赫曾德調(diào)制器各節(jié)點(diǎn)處的輸出信號(hào)光譜圖

其中E1m(t)、E2m(t)分別表示加載在第一、第二子調(diào)制器上的射頻信號(hào)，Em表示兩個(gè)天線陣元接收到的信號(hào)幅度，φ 表示兩個(gè)陣元接收的微波信號(hào)之間的相位差。

通過(guò)控制調(diào)制器的直流偏壓，使得第一子調(diào)制器和第二子調(diào)制器均工作在載波抑制雙邊帶工作模式，即最小偏置點(diǎn)。由于天線前端接收到的信號(hào)一般都比較小，因此忽略高階級(jí)(2 階以上)的信號(hào)，經(jīng)過(guò)第一子調(diào)制和第二子調(diào)制后的光信號(hào)分別可以表示為：

其中：m 表示射頻信號(hào)的調(diào)制深度，如式(6)所示；J±1(m)分別為對(duì)應(yīng)調(diào)制深度的±1 階貝塞爾函數(shù)的值。

第一子調(diào)制和第二子調(diào)制的輸出光信號(hào)經(jīng)過(guò)第三子調(diào)制后合束輸出，通過(guò)控制雙平行馬赫曾德調(diào)制器的第三個(gè)偏置電壓，在兩路光信號(hào)之間額外引入一個(gè)相位差，其輸出表達(dá)式為：

其中θ 為第三馬赫曾德調(diào)制器上加載的直流偏壓所引入的相位差。

經(jīng)過(guò)雙平行馬赫曾德調(diào)制器后的光信號(hào)經(jīng)光耦合器后分為上、下兩路，兩路光信號(hào)分別經(jīng)過(guò)光濾波器進(jìn)行濾波，上路只有上邊帶光信號(hào)輸出，光信號(hào)的下邊帶被濾除。同樣下路只有下邊帶光信號(hào)輸出，光濾波器將其上邊帶光信號(hào)濾除。經(jīng)過(guò)濾波后的上、下兩路光信號(hào)在進(jìn)入平衡探測(cè)器前其光信號(hào)的表達(dá)式可以寫(xiě)為：

故而進(jìn)入上光探測(cè)器的光信號(hào)的能量表示為：

同時(shí)進(jìn)入下光探測(cè)器的光信號(hào)的能量表示為：

從上述的分析可以看出，當(dāng)通過(guò)設(shè)置第三子調(diào)制器的偏置電壓引入第一、第二馬赫曾德調(diào)制器輸出光信號(hào)之間的相位差θ 為90°時(shí)：

從上式可以看出，進(jìn)入平衡探測(cè)器的上下兩路信號(hào)含有兩路被測(cè)信號(hào)相位差的余弦項(xiàng)有180°的相位差，因此經(jīng)過(guò)平衡探測(cè)器后的信號(hào)輸出為：

其中R 表示探測(cè)器的響應(yīng)度。

通過(guò)測(cè)量探測(cè)器輸出信號(hào)的大小，就可以直接得出相位差信息，并推算出微波信號(hào)的來(lái)波方向。從平衡探測(cè)器的輸出表達(dá)式可以看出，通過(guò)平衡探測(cè)可以將不含相位差信息的直流無(wú)關(guān)項(xiàng)消除，從而減小其對(duì)信號(hào)項(xiàng)的干擾，可以提高測(cè)量系統(tǒng)對(duì)相位差的測(cè)量精度。一般用歸一化處理后的值來(lái)評(píng)估方向角Ф，其表達(dá)式為：

其中，In是歸一化后的探測(cè)輸出信號(hào)，而Io是來(lái)波方向?yàn)檎驎r(shí)測(cè)量出來(lái)的輸出信號(hào)值。

2 系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)與結(jié)果分析

根據(jù)上述的基于雙平行馬赫曾德調(diào)制器的微波光子測(cè)向技術(shù)方案，利用仿真軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。仿真中主要模塊的性能參數(shù)作如下設(shè)置：激光器的中心波長(zhǎng)為1 550 nm，光濾波器的帶寬均設(shè)置為5 GHz；選擇了5 GHz、20 GHz、40 GHz 三個(gè)頻點(diǎn)分別進(jìn)行仿真，在兩路微波信號(hào)的相位差為30°時(shí)該系統(tǒng)輸出的電信號(hào)如圖3 所示。

從圖3 可以看出，在同樣的30°的相位差下，5 GHz、20 GHz、40 GHz 三個(gè)不同的微波信號(hào)，經(jīng)過(guò)上述測(cè)向系統(tǒng)后其輸出信號(hào)幅度是完全一致的。同樣系統(tǒng)也仿真分析了φ 分別為0°、60°、90°情況下，輸入不同頻點(diǎn)下的信號(hào)，系統(tǒng)的輸出信號(hào)同樣也是完全一致，仿真輸出結(jié)果表明在輸入的兩路信號(hào)相位差不變的情況下，其輸出信號(hào)的大小與頻率無(wú)關(guān)，說(shuō)明系統(tǒng)具備超寬帶的工作性能，這與理論分析結(jié)果一致。

圖3 5 GHz、20 GHz、40 GHz 下平衡探測(cè)器的信號(hào)

進(jìn)一步仿真分析了在相位差不同時(shí)系統(tǒng)的輸出信號(hào)的變化。仿真過(guò)程中選取20 GHz 為工作頻點(diǎn)，由于上述已經(jīng)驗(yàn)證了輸出信號(hào)與頻率無(wú)關(guān)，選取任意工作頻點(diǎn)進(jìn)行分析對(duì)結(jié)果沒(méi)有影響。對(duì)應(yīng)天線陣面兩個(gè)天線單元的相位差，在仿真軟件中設(shè)置進(jìn)入雙平行馬赫曾德干涉儀的兩路射頻信號(hào)的相位差為0°、30°、60°和90°時(shí)，得到系統(tǒng)的輸出結(jié)果如圖4 所示。

從圖4 可以看出，在兩路輸入信號(hào)的相位差為0°、30°、60°、90°等不同的情況下的，系統(tǒng)仿真后輸出信號(hào)功率隨著相位差的變化而變化。對(duì)其進(jìn)行歸一化處理和擬合后，可得到在不同的微波信號(hào)的相位差與輸出信號(hào)功率的關(guān)系，在進(jìn)行系統(tǒng)搭建和實(shí)驗(yàn)測(cè)試后，將仿真、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果如圖5 所示。

圖4 不同相位差下平衡探測(cè)器的信號(hào)

圖5 中方塊代表仿真結(jié)果，圓點(diǎn)表示實(shí)測(cè)結(jié)果，曲線表示理論值，從圖中可以清晰地看出仿真結(jié)果與理論分析十分一致。在±90°的相位差范圍內(nèi)，比較得到實(shí)測(cè)結(jié)果的相位誤差為±2°。

圖5 歸一化的探測(cè)器輸出與相位差的關(guān)系圖

3 結(jié)論

本文提出并理論仿真了一種基于雙平行馬赫曾德調(diào)制器的微波光子測(cè)向系統(tǒng)，借助相位干涉儀測(cè)向原理，利用光學(xué)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻信號(hào)相位差測(cè)量進(jìn)而可以得到來(lái)波方向角，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在5～40 GHz 頻率范圍內(nèi)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)-90°～90°的相位差測(cè)量，測(cè)量相位誤差在±2°以內(nèi)，具有超寬帶、抗電磁干擾、結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，適合在未來(lái)電子偵察系統(tǒng)中應(yīng)用。