微波光子移相器輔助的均勻圓形相控陣測(cè)向

張先玉，梁 濤，安 康，喬曉強(qiáng)

(國防科技大學(xué)第六十三研究所，江蘇 南京 210007)

0 引言

測(cè)向是無線信號(hào)測(cè)量、分類和識(shí)別的重要內(nèi)容，具有作用距離遠(yuǎn)、定位精度高、受環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、導(dǎo)航、移動(dòng)通信、救援和電子戰(zhàn)等諸多民事和軍事領(lǐng)域中[1-2]。基于相位、幅度、頻率、到達(dá)時(shí)間等信號(hào)參數(shù)，目前已經(jīng)發(fā)展出了最大/最小幅度法、和/差方向圖法、瓦特森-瓦特測(cè)向法、多普勒測(cè)向法、到達(dá)時(shí)間差測(cè)向法、相位干涉儀測(cè)向、相關(guān)干涉儀測(cè)向等多種體制。這些測(cè)向體制原理明晰，處理過程簡(jiǎn)單直觀，測(cè)向設(shè)備也較為簡(jiǎn)單，但是無法同時(shí)分辨多個(gè)時(shí)頻重疊信號(hào)[3]；而陣列響應(yīng)型測(cè)向技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)目標(biāo)信號(hào)的同時(shí)測(cè)向。相控陣測(cè)向是一種與陣列天線配合使用的信號(hào)處理技術(shù)，它通過對(duì)陣列輸出進(jìn)行加權(quán)實(shí)現(xiàn)波束成形和空域?yàn)V波，進(jìn)而通過波束掃描實(shí)現(xiàn)信號(hào)的方位測(cè)定[4]。另外，均勻圓陣具有天線孔徑小、可實(shí)現(xiàn)二維測(cè)向、適用頻段寬、測(cè)向精度均勻等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的關(guān)注和研究[5-6]。

作為相控陣的關(guān)鍵器件，移相器的性能參數(shù)對(duì)相控陣系統(tǒng)的性能起決定性作用。然而，傳統(tǒng)的電移相器受“電子瓶頸”的影響，工作頻率及帶寬受限，并且存在體積損耗大、易受電磁干擾等缺點(diǎn)，難以滿足現(xiàn)代通信及雷達(dá)等系統(tǒng)的發(fā)展需求。為此，業(yè)界嘗試?yán)霉馍⒉夹g(shù)實(shí)現(xiàn)移相[7-8]。微波光子移相器具有工作頻率高、帶寬大、相位調(diào)諧范圍大、穩(wěn)定性好、體積功耗小、抗電磁干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可滿足未來相控陣技術(shù)的發(fā)展需求?，F(xiàn)有的微波光子移相器主要有基于光真延時(shí)技術(shù)(optical true-time delay, OTTD)、矢量和技術(shù)及外差混頻技術(shù)三類方案?；贠TTD的移相器適用于寬帶波束控制系統(tǒng)，是利用不同長(zhǎng)度的光實(shí)時(shí)延時(shí)線具有不同的相移來實(shí)現(xiàn)移相。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于OTTD的波束成型器，并且避免了波束成形器的可擴(kuò)展性問題。文獻(xiàn)[10]利用開光控制和波長(zhǎng)循環(huán)回路構(gòu)成OTTD波束形成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)從-60°～60°的掃描范圍?；贠TTD的移相器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且相位調(diào)節(jié)精度不高。基于矢量和技術(shù)的微波光子移相器利用外加信號(hào)與輸入信號(hào)的矢量和實(shí)現(xiàn)移相。文獻(xiàn)[11]基于矢量和技術(shù)提出了利用色散位移光纖的移相器?；谑噶亢偷奈⒉ü庾右葡嗥鹘Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但難以實(shí)現(xiàn)大范圍的可控相移，輸出微波信號(hào)的波動(dòng)幅度較大。而基于外差混頻技術(shù)的微波光子移相器具有結(jié)構(gòu)緊湊，便于集成，相位調(diào)節(jié)中不需調(diào)節(jié)幅度等優(yōu)勢(shì)，因此該技術(shù)方案得到了關(guān)注和研究。文獻(xiàn)[12]利用單邊帶偏振調(diào)制器實(shí)現(xiàn)了11～43 GHz范圍內(nèi)信號(hào)-180°～180°的連續(xù)相移[12]。文獻(xiàn)[13]研究了一種基于雙驅(qū)馬赫曾德爾調(diào)制器的微波光子移相器。文獻(xiàn)[14]利用線性啁啾布拉格光柵設(shè)計(jì)了一種微波光子移相器方案。文獻(xiàn)[15]利用雙偏振馬赫-曾德爾調(diào)制器實(shí)現(xiàn)了10～33 GHz范圍內(nèi)-180°～180°的相移。文獻(xiàn)[16]提出了一種基于偏振調(diào)制器的微波光子移相器，能夠?qū)崿F(xiàn)寬帶微波信號(hào)的處理?；谕獠罨祛l技術(shù)的移相器能實(shí)現(xiàn)相位的精確連續(xù)調(diào)控，發(fā)展和應(yīng)用前景更明確，但以上介紹的方案大多需要利用光濾波器件，作用頻段和帶寬受限，價(jià)格昂貴，且系統(tǒng)功能相對(duì)單一。

本文基于微波光子移相器的均勻圓形相控陣測(cè)向技術(shù)，提出一種基于雙平行馬赫曾德爾(DPMZM)的微波光子移相器方案，分別利用DPMZM和PM產(chǎn)生單邊帶信號(hào)和相位可調(diào)的載波信號(hào)，耦合后經(jīng)過拍頻實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻信號(hào)的相位控制。

1 相控陣測(cè)向算法

經(jīng)典的相控陣測(cè)向技術(shù)就是通過調(diào)整陣列接收信號(hào)的相位值來改變波束的指向，實(shí)現(xiàn)對(duì)指定區(qū)域的掃描，利用接收陣列信號(hào)的最大值判斷信號(hào)的來波方向。為克服傳統(tǒng)電域移相器的諸多缺陷，本文提出一種基于微波光子移相器的相控陣測(cè)向技術(shù)，實(shí)現(xiàn)方案如圖1所示。

圖1 微波光子移相器輔助的相控陣測(cè)向系統(tǒng)Fig.1 Schematic diagram of phased array direction finding system based on microwave photonic phase shifter

用微波光子移相器對(duì)每個(gè)天線陣元的接收信號(hào)進(jìn)行相位控制，進(jìn)而對(duì)處理后的信號(hào)進(jìn)行求和，使得陣列天線的接收增益聚焦在某一特定方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的自動(dòng)掃描，其中最大輸出功率所對(duì)應(yīng)的方向即為信號(hào)的來波方向值。

不失一般性，設(shè)定各天線陣元各向同性，接收通道一致且不考慮天線互耦等因素的影響。假定Q個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)窄帶信號(hào)發(fā)送到陣元數(shù)為N的天線陣，各天線通道同步接收，則天線陣接收的第i個(gè)信號(hào)可表示為

si(t)=ui(t)ej(ω t+φi)，

(1)

式(1)中，ui(t)表示第i個(gè)接收信號(hào)的幅度，ω為信號(hào)的頻率，φi為接收信號(hào)的初始相位。

基于窄帶遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)的假設(shè)，可知

si(t-τ)≈si(t)e-j ω τ。

(2)

天線陣第l陣元的接收信號(hào)可表示為

(3)

式(3)中，gli表示第l個(gè)陣元對(duì)第i個(gè)信號(hào)的增益，τli表示第i個(gè)信號(hào)到達(dá)第l個(gè)陣元相對(duì)參考陣元的時(shí)延，nl(t)表示第l個(gè)陣元接收的噪聲信號(hào)。

基于通道一致性的考慮，可對(duì)通道增益進(jìn)行歸一化處理，即gli=1，則天線陣接收的信號(hào)向量可表示為

(4)

式(4)可寫為矩陣形式為

x(t)=As(t)+n(t)，

(5)

(6)

設(shè)定信號(hào)來波方向?yàn)?αi,βi)，設(shè)定陣列中某個(gè)參考點(diǎn)為(0,0,0)，第k陣元坐標(biāo)設(shè)定為(xk,yk,zk)，則目標(biāo)信號(hào)到達(dá)該陣元的時(shí)延為

(7)

陣列可同時(shí)對(duì)來波信號(hào)的方位角和俯仰角進(jìn)行二維測(cè)向。設(shè)定圓陣的圓心為參考點(diǎn)，圓陣半徑為r，則信號(hào)到達(dá)第k個(gè)陣元的相應(yīng)時(shí)延可表示為[3]

(8)

均勻圓陣的導(dǎo)向矢量可表示為

(9)

假設(shè)天線陣的加權(quán)矢量為

(10)

則陣列信號(hào)加權(quán)求和之后的輸出為

y(t)=wTx(t)。

(11)

同時(shí)，陣列輸出信號(hào)的平均功率為

(12)

2 基于DPMZM的微波光子移相器

為克服傳統(tǒng)的電域移相器存在工作頻率低、帶寬小、體積功耗大、電磁干擾強(qiáng)等缺點(diǎn)，有必要利用微波光子技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)微波信號(hào)的相位控制[17]。為此，提出一種基于DPMZM的微波光子移相器方案，其方案結(jié)構(gòu)如圖2所示。工作原理為，選取一個(gè)連續(xù)可調(diào)激光器作為光源，通過分束器分為上下兩路，上支路信號(hào)通過DPMZM，通過調(diào)整偏置電壓，實(shí)現(xiàn)抑制載波單邊帶調(diào)制(CS-SSB)。下支路載波信號(hào)通過一個(gè)相位調(diào)制器PM，改變直流偏置電壓值即可實(shí)現(xiàn)不同的相位偏移量，最后通過合束器將兩路信號(hào)合并，通過光電探測(cè)器(photodiode, PD)可得到相移的射頻信號(hào)。

圖2 基于DPMZM的微波光子移相器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The principle of proposed microwave photonic phase shifter based on DPMZM

DPMZM的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，由兩個(gè)平行的MZM調(diào)制器和一個(gè)PM組成，兩個(gè)MZM分別有一個(gè)射頻接口和一個(gè)直流接口，PM有一個(gè)直流接口，通過調(diào)整不同的端口輸入，DPMZM可以靈活實(shí)現(xiàn)各種調(diào)制方式[18]。

圖3 DPMZM結(jié)構(gòu)原理圖Fig.3 Schematic of the DPMZM

設(shè)定激光器的輸入信號(hào)為

Ein(t)=E0cos(ω0t)，

(13)

式(13)中，E0和ω0分別表示光載波的幅度和角頻率。

令DPMZM中上下兩路MZM的輸入射頻信號(hào)分別為Vesinωet和Vecosωet，即兩路信號(hào)有90°相移。調(diào)整兩個(gè)MZM均工作在最小傳輸點(diǎn)，假定兩個(gè)MZM具有相同的半波電壓Vπ1，則輸入直流偏置電壓為VD1=VD2=Vπ1。

因此，DPMZM中上支路MZM的輸出信號(hào)可表示為[19-20]：

(14)

式(14)中，Jn為n階貝塞爾函數(shù)，β為MZM調(diào)制器的調(diào)制系數(shù)?？梢?，此MZM調(diào)制器抑制了偶次階邊帶，僅剩余奇次階邊帶。

類似地，DPMZM中下支路MZM的輸出信號(hào)可表示為

(15)

(16)

在小信號(hào)調(diào)制下，由貝塞爾函數(shù)的性質(zhì)可知，相對(duì)低階貝塞爾函數(shù)，其高階貝塞爾函數(shù)值可以忽略。因此，DPMZM的輸出信號(hào)為

(17)

下支路載波信號(hào)通過PM調(diào)制器，通過調(diào)節(jié)偏置電壓VDC引入相移量，即輸出信號(hào)為

(18)

上下路信號(hào)經(jīng)耦合后的合并信號(hào)為

(19)

通過PD拍頻，可得到輸出信號(hào)為

(20)

可見，通過調(diào)節(jié)下路PM的偏置電壓VDC即可實(shí)現(xiàn)微波相位-180°～180°的相移，并且輸出的微波信號(hào)幅度不受調(diào)制電壓的影響，能輸出幅度平坦的微波移相信號(hào)。

3 仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文所提測(cè)向方案綜合利用了光學(xué)和電學(xué)技術(shù)，能充分利用兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高頻段多時(shí)頻重疊微波信號(hào)的測(cè)向。為驗(yàn)證所提方案的有效性，有必要分別設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證移相器和測(cè)向算法的性能。

3.1 微波光子移相器性能驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提微波光子移相器的性能，利用VPI軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析。設(shè)置連續(xù)可調(diào)激光器的頻率為193.1 THz(波長(zhǎng)為1 552.52 nm)，功率為10 dBm。DPMZM中分別輸入兩路相位差為90°頻率為10 GHz的射頻信號(hào)，兩路射頻信號(hào)可通過電移相器得到。DPMZM的半波電壓設(shè)置為5 V，其中兩個(gè)MZM調(diào)制器均工作在最小傳輸點(diǎn)，即VD1=VD2=5 V。上路PM調(diào)制器的直流電壓設(shè)置為VD3=-2.5 V。下路載波信號(hào)經(jīng)過PM調(diào)制器，通過調(diào)整下路PM的直流偏置電壓值可改變生成光載波信號(hào)的相位。為提高信號(hào)功率，在信號(hào)拍頻之前增加一個(gè)增益為24 dB的摻鉺光纖放大器(Er-doped fiber amplifier, EDFA)。

3.1.1鏈路輸出信號(hào)

將上路微波信號(hào)通過DPMZM調(diào)制器調(diào)制，由于DPMZM中兩個(gè)MZM調(diào)制器均工作于最小傳輸點(diǎn)，輸出信號(hào)為CS-DSB信號(hào)，通過調(diào)整DPMZM中PM調(diào)制器的偏置電壓可抑制下邊帶信號(hào)，上路DPMZM的輸出信號(hào)光譜圖如圖4所示，圖中橫坐標(biāo)Δf表示相對(duì)于193.1 THz的頻偏值?？梢姡啾纫浑A邊帶，載波被抑制了29 dB，輸出信號(hào)為一路純凈的CS-SSB信號(hào)。

圖4 抑制載波單邊帶信號(hào)輸出光譜圖Fig.4 Optical spectrum of the carrier suppressed single-sideband modulation signal

下路射頻信號(hào)經(jīng)過PM調(diào)制后，和上路信號(hào)進(jìn)行合路輸出，經(jīng)功率合束器合并后輸出信號(hào)的光譜圖如圖5所示，圖中橫坐標(biāo)Δf的含義與圖4一致?？梢姡颜{(diào)的上邊帶信號(hào)和載波信號(hào)頻譜清晰，且高階信號(hào)得到了較好的抑制，功率相差超過30 dB。經(jīng)PD拍頻之后的微波信號(hào)功率譜如圖6所示，為一路純凈的載波和一階邊帶信號(hào)，因此所提微波光子移相器能夠產(chǎn)生純度很高的射頻信號(hào)。另外，由圖6可知，生成的射頻信號(hào)中依然有高階信號(hào)分量，這是由器件的非線性引起的，為減小高階信號(hào)的影響，可通過采用濾波器或信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行高階信號(hào)抑制。

圖5 功率合束器合并后的輸出信號(hào)光譜圖Fig.5 Optical spectrum of the output signal through the power combiner

3.1.2移相器性能

將下路中PM偏置電壓在-5～5 V變化，即可得到不同相位的信號(hào)，如圖7所示，可見所提方案能實(shí)現(xiàn)-180°～180°的連續(xù)相移。此外，仿真時(shí)設(shè)置輸入射頻信號(hào)的頻率在2～20 GHz之間連續(xù)變化，通過調(diào)整偏置電壓值，該方案均能輸出穩(wěn)定的相移信號(hào)。輸出RF信號(hào)的功率曲線如圖8所示，圖中橫坐標(biāo)表示不同射頻信號(hào)頻率和不同偏置電壓下的掃描點(diǎn)數(shù)?？梢娫撘葡嗥髂芷椒€(wěn)輸出相移的射頻信號(hào)，輸出信號(hào)的功率波動(dòng)僅為0.21 dB。另外，該移相器可通過電動(dòng)控制PM的偏置電壓，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)快速的相位調(diào)諧，完全能夠滿足相控陣測(cè)向系統(tǒng)的需求。

圖7 不同偏置電壓下輸出的射頻信號(hào)波形圖Fig.7 Waveform of RF signal output under different bias voltage

圖8 不同射頻頻率及偏置電壓下輸出射頻信號(hào)的功率曲線Fig.8 Power curve of RF signal output under different RF frequency and bias voltage

3.2 均勻圓形相控陣測(cè)向算法驗(yàn)證

均勻圓形相控陣測(cè)向算法是通過測(cè)量比較功率峰值來確定來波方向的估計(jì)值，因此評(píng)價(jià)天線陣掃描方向圖的性能即可有效評(píng)價(jià)算法性能。仿真參數(shù)設(shè)置如下：M=1 000，N=8，d/λ=1.2，假設(shè)有兩個(gè)目標(biāo)信號(hào)，來波方向分別設(shè)定為(70°,30°)和(210°,50°)，信號(hào)的信噪比SNR=10。該均勻圓形相控陣估計(jì)算法的功率譜如圖9所示。圖9中兩個(gè)紅點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的方向即為目標(biāo)方向，明顯可見，陣列能形成較窄的波束，算法能準(zhǔn)確估計(jì)出來波方向。當(dāng)然，在實(shí)際測(cè)向之前，還需估計(jì)出目標(biāo)信號(hào)的個(gè)數(shù)，可根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景采用信息論準(zhǔn)則、最小描述長(zhǎng)度準(zhǔn)則、有效檢測(cè)準(zhǔn)則、子空間投影等探測(cè)算法[3]。另外，為了更為直觀地評(píng)價(jià)算法的性能，可通過方向角或者俯仰角的掃描方向圖進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖9 均勻圓陣相控陣測(cè)向算法方向估計(jì)功率譜Fig.9 Power spectrum versus DOA directions of the proposed direction finding algorithm

3.2.1方位角及俯仰角

選取一個(gè)目標(biāo)信號(hào)，分別設(shè)置在不同的來波方向(70°,80°)，(70°, 0°)，(260°,80°)和(260°,0°)。圖10和圖11分別表示方位角和俯仰角的方向圖。從兩圖中可見：方位角對(duì)主瓣的影響不大，但俯仰角對(duì)方向圖的影響較大，俯仰角越大(越接近圓陣的法線方向)，方位角的主瓣越寬，方位角估計(jì)精度較差，而俯仰角的主瓣越窄，俯仰角的估計(jì)就越準(zhǔn)確；當(dāng)俯仰角較小時(shí)，即方向越接近圓陣平面時(shí)，方位角的主瓣越窄，方位角估計(jì)精度較高，而俯仰角的主瓣越寬，俯仰角的估計(jì)性能就越差?？梢?，方位角和俯仰角的估計(jì)性能隨著來波方向呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)，可考慮調(diào)整其他因素改變算法的估計(jì)精度。為減小篇幅，接下來的分析中僅考慮方位角方向圖的變化趨勢(shì)，俯仰角情況類似，不再具體展示。

圖10 不同來波方向下方位角方向圖Fig.10 Azimuth pattern in different direction of arrival

圖11 不同來波方向下俯仰角方向圖Fig.11 Pitch-angle pattern in different direction of arrival

3.2.2天線孔徑

一般情況下，天線孔徑是影響陣列性能的重要因素。本節(jié)將分析評(píng)價(jià)圓陣半徑與信號(hào)波長(zhǎng)的比值對(duì)測(cè)向性能的影響。設(shè)定一個(gè)目標(biāo)信號(hào)的來波方向?yàn)?170°, 30°)，分別設(shè)定d/λ=0.2、0.5、1、1.8，方位角的方向圖如圖12所示?？梢姡S著天線孔徑(d/λ)的增大，天線主瓣的寬度變窄，即算法的估計(jì)精度變高。另外，隨著天線孔徑的增大，天線圖出現(xiàn)的旁瓣逐漸增大，但對(duì)于目前的天線陣列(N=8)，旁瓣不會(huì)增大到影響算法的估計(jì)性能(即不會(huì)超過主瓣)?？梢?，均勻圓陣可適用于不同的頻段，工作帶寬更大。

圖12 不同天線孔徑下方位角方向圖Fig.12 Azimuth pattern with different antenna apertures

3.2.3天線陣元數(shù)目

考慮陣元個(gè)數(shù)N對(duì)測(cè)向算法性能的影響。設(shè)定單個(gè)目標(biāo)信號(hào)的來波方向?yàn)?170°，30°)，天線孔徑為d/λ=1.8，天線陣元數(shù)分別設(shè)定為N=4、8、16、32，方位角的方向圖如圖13所示?？梢姡较驁D主瓣幾乎不受天線陣元數(shù)的影響。但是隨著天線數(shù)目的增加，旁瓣會(huì)得到很好的抑制，減少了假峰的影響。另外，當(dāng)N=4時(shí)，陣列方向圖出現(xiàn)了多個(gè)假峰，即出現(xiàn)了珊瓣效應(yīng)，算法難以正確分辨出來波方向值，這與均勻線陣的情況類似。現(xiàn)有的研究表明，當(dāng)均勻圓陣中天線數(shù)目奇數(shù)不小于5偶數(shù)不小于6時(shí)，算法不會(huì)出現(xiàn)珊瓣效應(yīng)。明顯地，圖13也從實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了這一結(jié)論。

圖13 不同天線陣元數(shù)下方位角方向圖Fig.13 Azimuth pattern with different antenna array elements

4 結(jié)論

為克服傳統(tǒng)電域移相器工作頻段低、帶寬窄、體積功耗大、易受電磁干擾等諸多“瓶頸”問題，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)多個(gè)時(shí)頻重疊信號(hào)的測(cè)向，本文基于微波光子移相器和均勻圓形天線陣的測(cè)向技術(shù)，提出一種微波光子移相器方案，利用DPMZM和PM分別實(shí)現(xiàn)CS-SSB調(diào)制和相位調(diào)制，合并兩路信號(hào)后通過拍頻即可產(chǎn)生移相的微波射頻信號(hào)。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了測(cè)向算法的有效性，并證實(shí)了所提微波光子移相器方案能夠產(chǎn)生穩(wěn)定可調(diào)諧的微波移相信號(hào)，可滿足相控陣測(cè)向系統(tǒng)的性能要求。目前的微波光子方案在瞬時(shí)帶寬、頻率覆蓋范圍、頻率相關(guān)損耗等方面存在優(yōu)勢(shì)，但是在分辨率、靈敏度和系統(tǒng)集成等方面仍有限制，這些也是該領(lǐng)域目前重點(diǎn)關(guān)注和亟待解決的問題。