基于光學晶體的雙向微波光學延時線設計

摘" 要：該文提出一種基于光學晶體的雙向微波光學延時線，由空間光學延時線、光調(diào)制模塊、光電探測器及微波開關構成，其中，空間光學延時線由磁光開關與光學晶體組成，通過高折射率光學晶體對光線的延時作用，實現(xiàn)對加載微波信號的光載波進行延遲處理。項目組根據(jù)此微波光學延時線原理，制作一批4 bit的延時線，并構建一套16通道32～38 G的收發(fā)一體光控波束形成網(wǎng)絡，并根據(jù)實際測量的延時量，仿真出網(wǎng)絡波束指向圖，證明該網(wǎng)絡具備波束形成、掃描能力，為光控波束形成網(wǎng)絡的集成化設計及大規(guī)模應用的研究提供一定的支撐。

關鍵詞：延時線；磁光開關；光學晶體；波束形成網(wǎng)絡；收發(fā)一體

中圖分類號：O439" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）19-0029-04

Abstract： In this paper， a bi-directional microwave optical delay line based on optical crystal is proposed， which is composed of a spatial optical delay line， an optical modulation module， a photodetector and a microwave switch. The spatial optical delay line is composed of a magneto-optical switch and an optical crystal. Through the delay effect of high refractive index optical crystal on light， the optical carrier loaded with microwave signal is delayed. According to the principle of microwave optical delay line， the project team made a number of 4-bit delay lines， and constructed a set of 32～38 G 16-channel optical beamforming network with integrated transceiver. According to the actual measured delay， the network beam direction map was simulated， which proved that the network has the ability of beamforming and scanning， which provides a certain support for the integrated design and large-scale application of optical beamforming network.

Keywords： delay line; magneto-optic switch; optical crystal; beamforming network; integrated transceiver

在常規(guī)相控陣系統(tǒng)中，通過調(diào)整輻射單元之間的相位關系來實現(xiàn)波束掃描，然而這種控制方式仍存在著一些難以解決的問題[1]。首先，微波移相器自身的損耗（尤其在毫米波段）和重量是制約相控陣雷達性能的重要因素；其次，通過利用信號的相位來延遲信號，導致不同頻率的信號即使有相同的相位延遲卻有不同的時間，從而使得相控陣系統(tǒng)在寬帶信號的情況下存在波束指向偏斜的問題，直接導致相控陣系統(tǒng)無法獲得大瞬時信號帶寬，制約對目標的分辨、識別、成像能力的提升。

微波光子技術因利用了光學傳輸帶寬大、損耗小、質(zhì)量輕和抗電磁干擾等優(yōu)點，深受從事相控陣雷達研究的學者們所青睞[2-4]。光控波束形成網(wǎng)絡就是微波光子技術在相控陣雷達中的應用之一，其通過光學方式實現(xiàn)對微波信號的延遲處理，并與相控陣技術融合，解決了傳統(tǒng)相控陣技術中的兩大技術瓶頸，即瞬時大帶寬的制約和波束偏斜問題，從而實現(xiàn)相控陣雷達的寬帶寬角掃描[5]。目前已有多種不同技術路線的光實時延時的方案被提出，其中包括基于色散補償光纖[6-7]、光纖光柵[8]和光波導技術[9-10]等，但受體積、損耗等因素的限制，仍無法完全替代微波延時線。并隨著雷達天線規(guī)模的不斷擴大，對光控波束形成網(wǎng)絡的體積、損耗等都提出了更加嚴格的要求。

光學延時線擁有高度集成化、小型化及低損耗的特點。項目組利用該微波光學延時線直接替換傳統(tǒng)微波延時線，構建光控波束形成網(wǎng)絡，并根據(jù)光學延時線的延時量測量數(shù)據(jù)仿真出波束方向圖，從而說明該微波光學延時線具備替換傳統(tǒng)微波延時線的能力。

1" 方案設計

圖1為通用型雙向微波光學延時線原理圖，由多個微波開關、光調(diào)制模塊、光學延時線及光電探測器構成。其中，由于光調(diào)制解調(diào)器件無法實現(xiàn)自由雙向傳輸信號，需要使用多個微波開關來實現(xiàn)對收發(fā)微波信號的雙向切換；光調(diào)制模塊由單波長半導體激光器與高速光電調(diào)制器構成，將微波信號調(diào)制到光載波上；光學延時線用于將光載波信號進行光學真延時處理；光電探測器將延時處理后的調(diào)制光載波轉(zhuǎn)換成微波信號。定義該原理圖從左到右為微波信號傳輸?shù)南滦墟溌罚次⒉ㄐ盘柕慕邮真溌?；反之，為微波信號的上行鏈路，即微波信號的發(fā)射鏈路。在下行鏈路中，進入該模塊的微波信號首先通過微波開關1和微波開關2，進入光調(diào)制模塊，將微波信號通過雙邊帶調(diào)制的方式加載到光載波上，經(jīng)調(diào)制后的光載波進入光學延時線進行所需延時的處理，通過光電探測器解調(diào)后得到延時處理后的微波信號，然后通過微波開關3和4選通輸出。在上行鏈路中，進入模塊的微波信號通過微波開關4選通到微波開關2，再通過微波開關2選通進入光調(diào)制模塊，同樣經(jīng)過調(diào)制、光學延時、解調(diào)后，通過微波開關3的選通，傳輸?shù)轿⒉ㄩ_關1，最后從模塊的上行端口輸出。通過以上信號流處理，實現(xiàn)微波信號的雙向光延時處理。

光學延時線作為本方案的核心器件，原理框圖如圖2所示，由多個磁光開關與不同長度的光學晶體通過光學集成的方式構成。其基本原理是根據(jù)光開關切換不同光路，光在不同長度的高折射率晶體中通過的時間不同，高折射率光學晶體對光的延時為

△τ=L/c×△n ，" " " " " " " " " " " （1）

式中：L為光學晶體長度，c為光速，△n為光學晶體與內(nèi)部氣體介質(zhì)之間的折射率差，從而實現(xiàn)對光信號的延時處理。每2個磁光開關間的光學晶體延時量控制策略為以2的倍數(shù)依次遞增，這樣就可以通過光開關切換選擇不同長度的光學晶體組合，從而使得延時量從0～（2n-1）△τ之間以△τ延時量為步進切換。以4 bit光學延時線為例，則內(nèi)部由2個1×2磁光開關、3個2×2磁光開關和4段不同長度的高折射率晶體組成，晶體延時量依次為△τ、2△τ、4△τ、8△τ，即可實現(xiàn)以？駐τ的延時步進進行延時切換，并達到15？駐τ的最大延時量。

2 實驗系統(tǒng)及測試結果

為了驗證該微波光學延時線的可行性，項目組搭建出16通道的基于微波光學延時線的雙向收發(fā)光控波束形成相控陣系統(tǒng)，如圖3所示，該系統(tǒng)由微波天線陣列、TR組件、微波光學延時線、1×16射頻功分器、微波開關、發(fā)射機和接收機構成。該雙向收發(fā)光控波束形成相控陣系統(tǒng)的工作原理是：當系統(tǒng)處于接收模式時，經(jīng)過各通道天線接收的微波信號通過TR組件放大后，進入不同延時步進的微波光學延時線，在微波光學延時線內(nèi)部經(jīng)過調(diào)制，轉(zhuǎn)換為光載波信號，再通過光學延時處理后，解調(diào)為微波信號，不同通道的微波信號通過延時處理后，形成等差數(shù)列的延時信號，并通過射頻功分器合成后經(jīng)微波開關進入接收機，進行信號的處理。

當該相控陣系統(tǒng)處于發(fā)射模式時，發(fā)射機產(chǎn)生的微波信號經(jīng)微波開關通過射頻功分器功分成16路信號，分別經(jīng)過各通道微波光學延時線，通過微波光學延時線中的多個微波開關切換進入光調(diào)制模塊，轉(zhuǎn)換為光載波信號，各通道光載波進入光學延時線進行不同的延時處理，延時處理后，形成各通道間相對延時差，經(jīng)TR組件和天線，輻射到空間，形成特定方向的電磁波。

該雙向收發(fā)光控波束形成相控陣系統(tǒng)的設計參數(shù)如下。

頻段32～38 G；天線間距4.2 mm；通道數(shù)16個；延時切換位數(shù)4 bit；掃描角度±15°。

根據(jù)上述光學波束形成網(wǎng)絡的設計參數(shù)，依據(jù)公式

△τ=dsinθ/c"，" " " " " " " "（2）

式中：？駐τ為通道間延時差，d為天線間距，θ為波束指向角，c為光速，計算不同波束指向角下各通道間的相對延時量，根據(jù)計算的延時量設計制作出不同的光學延時線，圖4為其中一路4 bit光學延時線實物圖，延時線自身的體積（不含控制電路）為168 mm×10 mm×10 mm（長×寬×高），內(nèi)部集成了3個2×2磁光開關和2個1×2磁光開關，以及用于延時處理的光學晶體，其高度集成化設計更易于大規(guī)模應用。

圖5為本項目中使用的不同通道光學延時線的延時量及光學損耗的測試結果。通過對光學各延時線的延時量測試結果可知，該批次光學延時線中，可達到的最小延時步進為0.3 ps，最大延時量為105.8 ps；通過對各延時線的不同步進下的光損耗測試可知，不同延時線在不同延時狀態(tài)下的光損耗均控制在3.5 dB以內(nèi)，從而說明該延時線不僅具有高度集成化的結構，還具有較低的光學損耗。

為驗證該網(wǎng)絡的波束形成能力，根據(jù)各通道延時量數(shù)據(jù)，利用PCAAD軟件進行網(wǎng)絡波束方向圖的仿真，圖6給出了在32 G、35 G、38 G微波信號下的最小掃描角度和最大掃描角度的波束指向圖。

通過仿真可以得出，該網(wǎng)絡具備最小指向角1°，最大指向角14.9°的波束形成能力。證明該微波光學延時線具有替換微波延時線的能力，為今后光控波束形成網(wǎng)絡的大規(guī)模應用和集成化設計提供了參考。

3" 結束語

本文提出的雙向微波光學延時線，利用了高折射光學晶體對光線的延時作用，采用空間光學延時線、光調(diào)制模塊、光電探測器及微波開關構成，實現(xiàn)對微波信號的雙向延時作用，通過對一組4 bit微波光學延時線的延時量的測量，實現(xiàn)了最小延時步進0.3 ps 的延時，最大延時量達到105.8 ps。最后，項目組構建了一套基于該微波光學延時線的16通道32～38 G的收發(fā)一體光控波束形成網(wǎng)絡，并根據(jù)實際測量的延時量，仿真得出該光控波束形成網(wǎng)絡最小和最大波束指向圖，證明該方案具備波束形成能力，該方案有望成為光控波束形成網(wǎng)絡在集成化設計及大規(guī)模應用上的解決方案之一。

參考文獻：

[1] 孫紅兵，李樹良，王琦，等．相控陣雷達天線延時技術的發(fā)展[J]．微波學報，2021，37（5）：9-15．

[2] YAO J P. Microwave photonics[J].Journal of Light-wave Technology，2009，27（3）：314-335.

[3] BERCELI T，HERCZFELD P R. Microwave photonicsa historical perspec tive[J].IEEE Trans.microw.Theory Tech，2010，58（11）：2992-3000.

[4] 蔣躍．現(xiàn)代雷達中的光電子技術[J]．物理，1999，28（8）：45－48．

[5] YE X， ZHANG F，PAN S. Optical true time delay unit for multi-beamforming[J].Optics express，2015，23（8）：10002-10008.

[6] CHRISTOS T，ELIAS M，PANOS G，et al. Optical beamforming network for multi-beam operation with continuous angle selection[J].IEEE Photonics Technology Letters，2019，31（2）：177-180.

[7] 張業(yè)斌，王凱，田朝暉.基于微波光子收發(fā)共用真時延網(wǎng)絡的相控陣波束合成[J].半導體光電，2022，43（3）：609-612.

[8] 周建華，任國榮，楊健君，等.啁啾光纖光柵延遲線在光控相控陣雷達中的應用研究[J].光學與光電技術，2008（1）：33-36.

[9] 周中昊，王凱，王鵬，等.硅基片上集成二維光控多波束形成的研究[J].雷達科學與技術，2022，20（4）：409-414.

[10] CHRISTOS T， EFSTATHIOS A， ADAM R， et al. True time delay optical beamforming net work based on hybrid in PSilicon-Nitride integration [J].Journal of Lightwave Technology，2021，39（18）：5845-5854.

第一作者簡介：李琳（1989-），男，碩士，工程師。研究方向為光控相控陣技術。