李曙光，薛 峰

（上海航天技術(shù)研究院第八〇四研究所，上海201109）

0 引言

近年來(lái)，利用光學(xué)傳輸帶寬大、損耗小、質(zhì)量輕、體積小、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，微波相移技術(shù)被廣泛應(yīng)用于光控相控陣?yán)走_(dá)中，成為世界電子對(duì)抗研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［1－4］?；诓ǚ謴?fù)用技術(shù)的光控相控陣?yán)走_(dá)，光載波波長(zhǎng)數(shù)和相控陣天線子陣的數(shù)目對(duì)應(yīng)，可以同時(shí)控制多子陣延時(shí)，具有突出的優(yōu)勢(shì)和良好的性能。多波長(zhǎng)延時(shí)網(wǎng)絡(luò)主要采用WDM或光柵（空間光柵或光纖光柵）實(shí)現(xiàn)。加拿大渥太華大學(xué)姚建平課題組在利用光纖光柵進(jìn)行光控相控陣?yán)走_(dá)方面開展工作較早［5－6］。利用分離排布的光纖光柵延遲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，經(jīng)由啁啾光柵、布拉格光柵和單模光纖固定延遲相結(jié)合，利用波分復(fù)用技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)最高到18GHz的近1000ps的延遲。以色列特拉維夫大學(xué)的Moshe Tur課題組于2008年、2011年提出基于波分復(fù)用和光纖真時(shí)延遲的技術(shù)［7－8］。該方案的核心是在波分復(fù)用器不同的波長(zhǎng)通道設(shè)置不同的延遲，利用光纖鍍銀端面作為反射鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)微波延遲，波長(zhǎng)通道間延遲間隔約50ps。

文獻(xiàn)［7～8］采用分束器對(duì)不同延遲單元進(jìn)行分配，但是沒有進(jìn)行延遲組合。為了實(shí)現(xiàn)波束的連續(xù)掃描，其延遲需要按照等差數(shù)列延遲量的方式進(jìn)行分配。該結(jié)構(gòu)存在調(diào)節(jié)能力和延遲量有限等問題，不利于實(shí)際應(yīng)用。本文提出基于波分復(fù)用和光纖真時(shí)延遲技術(shù)的多波長(zhǎng)延遲網(wǎng)絡(luò)的光控波束形成方案。該延遲網(wǎng)絡(luò)的基本單元由密集波分復(fù)用器（DWDM）的通道數(shù)與需要相移控制的天線子陣數(shù)目相等。DWDM每個(gè)通道采用Backward方式的延遲線，在通道延遲線尾端利用法拉第旋轉(zhuǎn)鏡作為反射鏡。DWDM通道間光纖長(zhǎng)度按照等差數(shù)列分布。為了實(shí)現(xiàn)更大的延遲量，將該延遲單元進(jìn)行級(jí)聯(lián)，且級(jí)聯(lián)的延遲間隔按照級(jí)數(shù)增加，通過引入光開關(guān)進(jìn)行控制與組合，實(shí)現(xiàn)不同級(jí)數(shù)的延遲控制和波束形成。

1 工作原理

圖1為波分復(fù)用光控相控陣?yán)走_(dá)原理架構(gòu)。雷達(dá)微波信號(hào)外調(diào)制激光，將微波信號(hào)加載到光波上，之后，加載有微波信號(hào)的光波通過光纖傳輸，實(shí)現(xiàn)低損耗的天饋線。光波經(jīng)過光環(huán)形器進(jìn)入光延遲網(wǎng)絡(luò)。進(jìn)入光延時(shí)網(wǎng)絡(luò)的光波，在經(jīng)過波分復(fù)用器后，不同波長(zhǎng)的光會(huì)進(jìn)入不同的延遲通道。加載有微波信號(hào)的光波經(jīng)過光／電轉(zhuǎn)換后，微波信號(hào)即被解調(diào)出來(lái)，經(jīng)過電放大后，由天線陣列發(fā)射出去。

接收時(shí)，天線接收到的微波信號(hào)經(jīng)過低噪放大之后，進(jìn)行電／光轉(zhuǎn)換，將微波調(diào)制到光載波，再進(jìn)入光延時(shí)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)波束形成。進(jìn)入光／電轉(zhuǎn)換器，然后到達(dá)預(yù)處理單元。主要包括對(duì)微波信號(hào)的低噪放大、濾波及下變頻處理，將X波段的微波信號(hào)下變頻到中頻，然后進(jìn)行采樣及量化。之后進(jìn)入數(shù)據(jù)處理單元，完成雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)、識(shí)別等功能。

圖1 光控相控陣?yán)走_(dá)框圖

在光控相控陣?yán)走_(dá)的核心單元光延時(shí)網(wǎng)絡(luò)部分，本文提出的基于光纖真時(shí)延遲線的可編程多波長(zhǎng)波束形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。該結(jié)構(gòu)由N級(jí)延遲線構(gòu)成，每一級(jí)延遲線包含K個(gè)光通道。單級(jí)延遲線結(jié)構(gòu)由光開關(guān)、光環(huán)形器、波分復(fù)用器、光纖延遲線和光纖反射鏡組成。假設(shè)進(jìn)入波分復(fù)用延時(shí)網(wǎng)絡(luò)的波長(zhǎng)為λ1、λ2，…，λK，波長(zhǎng)間隔均勻且為常數(shù)Δλ。第一級(jí)光纖延遲線通道線間真時(shí)延遲為ΔT（1）＝Δτ。通過設(shè)計(jì)并精確制作光纖延遲線長(zhǎng)度，使第二級(jí)延遲線單元通道間間形成的真時(shí)延遲為ΔT（2）＝2Δτ。依此類推，在第N級(jí)延遲線單元中通道間形成的真時(shí)延遲為ΔT（N）＝2N－1Δτ。將基本單元通過環(huán)形器和光開關(guān)串聯(lián)起來(lái)，形成連續(xù)、快速可調(diào)的多波長(zhǎng)光波束成形延時(shí)網(wǎng)絡(luò)。很顯然，這種級(jí)數(shù)增長(zhǎng)的延遲間隔，可以實(shí)現(xiàn)0～2（N－1）逐次變化的共2N種延遲組合，大幅增加了延遲能力和形成波束的數(shù)目。

圖2 可編程多波長(zhǎng)光纖延遲網(wǎng)絡(luò)

2 實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，采用4個(gè)DWDM、3個(gè)環(huán)形器、2個(gè)2×2光開關(guān)和2個(gè)2×1光開關(guān)組成3級(jí)的延遲網(wǎng)絡(luò)。設(shè)定ΔL＝4mm（物理長(zhǎng)度）進(jìn)行延遲線的制作，這樣，第二級(jí)通道間長(zhǎng)度差為8mm，第三級(jí)延遲線DWDM通道間長(zhǎng)度差為16mm。制作過程中，分別制作三個(gè)延遲單元，然后進(jìn)行鏈路相連，實(shí)現(xiàn)可編程多波長(zhǎng)延遲網(wǎng)絡(luò)。

利用光纖精密反射儀對(duì)制作好的DWDM延遲線結(jié)構(gòu)進(jìn)行各通道延遲量的測(cè)量。圖3為對(duì)應(yīng)第一級(jí)、第二級(jí)和第三級(jí)的延遲測(cè)量結(jié)果和線性擬合結(jié)果。通過其斜率特征，可以方便讀取三條直線的延遲間隔比為1∶2∶4。內(nèi)嵌圖為第二級(jí)光纖延遲線測(cè)量結(jié)果，其16通道總延遲達(dá)到592ps，平均通道間隔約40ps。

圖3 DWDM多波長(zhǎng)三級(jí)光延遲線光學(xué)延遲測(cè)量

制作好適用于多波長(zhǎng)相移的延遲網(wǎng)絡(luò)之后，將微波信號(hào)調(diào)制到光載波上，形成了多波長(zhǎng)相控陣天線。由于第一級(jí)延遲線通道間隔4mm，對(duì)應(yīng)往返延時(shí)約40ps，則對(duì)于本文采用的2GHz微波信號(hào)來(lái)說，其相移約為28°。

圖4 第一級(jí)16通道微波相移測(cè)試框圖與結(jié)果

以第一級(jí)延遲線單元為例，對(duì)16個(gè)通道的微波相移進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試原理圖如圖4（a）所示，16通道微波波形的測(cè)試結(jié)果如圖4（b）所示。從通道1開始，微波波形以基本相等的相位間隔平移。對(duì)于2GHz的微波信號(hào)，第14個(gè)通道相對(duì)于第1個(gè)通道即形成364o的相移，因此從圖4（b）中可以看到第15、16通道的波形已經(jīng)和其他通道的波形看起來(lái)幾乎重疊。計(jì)算表明，第一級(jí)中各個(gè)通道間延遲間隔為40ps，在2GHz的微波信號(hào)調(diào)制下，其相移為：0.16π，通道1到通道16的總相移超過2π。三級(jí)相移單元的延遲測(cè)試結(jié)果如圖4（c）所示，可以看到，它們均具有比較好的線性度，且三條直線的斜率比為1∶2∶4，與設(shè)計(jì)的二進(jìn)制光延遲線是相符的。

利用4個(gè)光開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)如表1所示通道間延遲步進(jìn)約40ps、8個(gè)狀態(tài)的選通。

根據(jù)表1所形成的8個(gè)狀態(tài)，本文仿真計(jì)算了16個(gè)天線所構(gòu)成的陣列（對(duì)應(yīng)于波分復(fù)用的16個(gè)波長(zhǎng)通道）能夠?qū)崿F(xiàn)的8個(gè)波束，即實(shí)現(xiàn)了光控相控陣天線的快速掃描，結(jié)果如圖5所示。

以圖5（a）、（d）和（h）為例進(jìn)行說明。圖5（a）所示為各子陣間相移間隔為零，故其形成波束指向0°位置。圖5（d）為第一級(jí)、第二級(jí)打開狀態(tài)，其通道間真時(shí)延遲間隔為120ps，在2GHz微波源情況下，對(duì)應(yīng)微波相移間隔為0.48π。圖5（h）對(duì)應(yīng)三級(jí)延遲線均打開狀態(tài)，其通道間真時(shí)延遲間隔為280ps，對(duì)應(yīng)于2GHz的1.12π。

表1 三級(jí)延遲線開關(guān)選通狀態(tài)（1：開，0：關(guān)）

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了光控相控陣?yán)走_(dá)的基本組成和工作原理，提出基于波分復(fù)用技術(shù)的可編程多通道光纖真時(shí)延遲網(wǎng)絡(luò)。制作了開關(guān)控制的3級(jí)光纖真時(shí)延遲線結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證了8個(gè)掃描角度的可編程波束成形延遲網(wǎng)絡(luò)。采用2GHz微波信號(hào)外調(diào)制進(jìn)行測(cè)試，三級(jí)延遲線通道間微波時(shí)延間隔分別為40ps、80ps、160ps，通過開關(guān)控制與組合，實(shí)現(xiàn)40ps延時(shí)量的0～7倍連續(xù)可調(diào)。最后仿真計(jì)算了16個(gè)天線單元形成的8個(gè)波束方向圖。不過，本文僅介紹了發(fā)射支路的16通道延遲線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、制作與驗(yàn)證。對(duì)于發(fā)射、接收完整體制的光控相控陣?yán)走_(dá)的研究仍在開展之中。真時(shí)延遲技術(shù)是解決寬帶相控陣?yán)走_(dá)波束偏斜的重要方法之一，而光纖真時(shí)延遲線可以為相控陣?yán)走_(dá)提供大帶寬、低傳輸損耗、抗電磁輻射的技術(shù)支撐，同時(shí)為今后光子集成真時(shí)延遲工作提供原理驗(yàn)證，為大帶寬、輕量化光控相控陣?yán)走_(dá)的實(shí)用化奠定基礎(chǔ)。■

圖5 可編程8狀態(tài)光控波束形成仿真模擬圖

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