江蘇中博通信有限公司 沈順元

光通信技術(shù)在相控陣天線中的應(yīng)用

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在簡(jiǎn)要介紹微波相控陣天線基本特性的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了用于微波相控陣天線的光子實(shí)時(shí)時(shí)延（TTD）波束形成網(wǎng)絡(luò)及其性能特點(diǎn)。

光纖通信；相控陣天線；實(shí)時(shí)時(shí)延；波束形成網(wǎng)絡(luò)

采用光通信技術(shù)的光控相控陣天線克服了微波延時(shí)線的固有缺點(diǎn)，能構(gòu)成快速動(dòng)態(tài)可重構(gòu)的寬帶多功能天線陣列符合未來(lái)相控陣天線系統(tǒng)發(fā)展的方向。在無(wú)線接入網(wǎng)中，光通信技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域主要在兩個(gè)方面。第一，基站與網(wǎng)絡(luò)中心之間由大量的光纖鏈路來(lái)互聯(lián)，采用波分復(fù)用（WDM）技術(shù)，構(gòu)成一個(gè)可擴(kuò)展、易管理的光纖傳播網(wǎng)。網(wǎng)中的子系統(tǒng)能完成各種功能，如E/O（電/光）、O/E（光/電）轉(zhuǎn)換及微波信號(hào)的光處理等；第二，采用光控相控陣技術(shù)，構(gòu)建智能天線，用于固定和移動(dòng)的寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)。另外，由于光纖損耗低（在1 550 nm波長(zhǎng)上僅為0.2 dB/km），因此可以將信號(hào)處理、波束控制、數(shù)據(jù)處理等設(shè)備放置在離天線較遠(yuǎn)的地方，這有利于提高雷達(dá)的生存能力，或?qū)⒋蟮睦走_(dá)陣面分散成若干較小陣面，配以適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理，以獲得更高的實(shí)孔徑角分辨能力和測(cè)角、定位精度。

1 微波相控陣天線的基本特性

圖 1 為由N個(gè)線輻射陣元構(gòu)成的微波相控陣天線結(jié)構(gòu)示意圖。兩個(gè)陣元之間的距離為d。為了操縱控制波束的方向，激勵(lì)每一個(gè)輻射單元的微波信號(hào)（頻率ωm）從射頻（RF）輸入端輸入后，首先要通過(guò)由N個(gè)移相器構(gòu)成的RF相移單元，再送到每一個(gè)陣元。各個(gè)陣元的輻射在θ方向合成天線的輻射波束。

設(shè)相移單元的RF輸出輸入之比為anexp(iφn)，式中an為單個(gè)陣元的輻射圖形，φn為移相器產(chǎn)生的相移。為了簡(jiǎn)化，設(shè)每個(gè)輻射元的輻射圖是無(wú)方向性的，則沿θ方向的天線波束遠(yuǎn)場(chǎng)圖可表示為

式中，km＝ωm/c為輻射波束的微波波數(shù)，c為光速。E(θ，t)的時(shí)間不相關(guān)部分正比于天線的陣列系數(shù)。相前如圖1中的虛線所示，因此輻射波束的方向，就可以通過(guò)電子控制陣列相鄰輻射元之間的相對(duì)相位來(lái)指向。例如，若波束指向角為θ0，則相移φn的值應(yīng)設(shè)定為

在相控陣天線中，在固定的頻率范圍內(nèi)，微波“移相器”能提供特定的相移值。

對(duì)式（2）微分，立即可見(jiàn)：對(duì)于一個(gè)固定的φn值，如果微波頻率瞬間改變了Δωm，則輻射波束方向會(huì)產(chǎn)生Δθ0的偏移。

這種波束方向的偏移是不希望的，因?yàn)樗鼘?dǎo)致了θ0方向天線增益的下降。這種現(xiàn)象通常稱(chēng)為“波束偏移（beam squint）”。

為了獲得寬的瞬時(shí)帶寬，可以考慮采用“延時(shí)器（time shifters）”來(lái)代替上述的“移相器（phase-shifters）”，以建立陣元之間的相對(duì)相移。所謂的“實(shí)時(shí)時(shí)延（TTD）”方法，實(shí)際上就是通過(guò)延長(zhǎng)饋入到輻射陣元（該陣元與微波相前之間的路徑較短）的微波傳輸時(shí)間，以補(bǔ)償兩個(gè)陣元之間的路徑差。采用一組固定的延時(shí)線，就能補(bǔ)償相應(yīng)于一個(gè)特定指向角θ0的所有頻率上的路徑差。特別是，激勵(lì)第n+1個(gè)天線元的微波，傳播通過(guò)了一條長(zhǎng)度為nL(θ0)的額外延時(shí)線。設(shè)計(jì)這條延時(shí)線的長(zhǎng)度，使第n+1個(gè)時(shí)延單元產(chǎn)生的時(shí)延為

如果微波在該延時(shí)線中的群速為vm，則有

對(duì)于所有的頻率ωm，相移φn可以表示為

將式（6）代入式（1），可以發(fā)現(xiàn)：式（6）能夠使得在θ0方向所有的頻率上產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性干涉。即使是ωm瞬時(shí)地改變，輻射的波束也不會(huì)從θ0方向產(chǎn)生偏移。這種TTD指向天線所固有的寬瞬時(shí)帶寬特性很容易得到征實(shí)：當(dāng)ωm從一個(gè)頻率跳到另一個(gè)頻率時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)波束偏移。

雖然對(duì)于TTD波束形成網(wǎng)絡(luò)的寬帶其潛力早就認(rèn)識(shí)到了，但很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)沒(méi)有能夠?qū)嶋H實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的微波同軸電纜/波導(dǎo)延時(shí)線體積大、重量重，難以構(gòu)成大規(guī)模的天線陣列。

2 光子TTD波束形成網(wǎng)絡(luò)

采用光子實(shí)時(shí)時(shí)延（TTD）技術(shù)的相控陣波束形成系統(tǒng)能克服同軸線/波導(dǎo)微波延時(shí)線的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)用的TTD波束形成，是當(dāng)前光控相控陣天線的主要研究方向。

圖 2 為光控相控陣天線（PAA）的結(jié)構(gòu)配置示意圖，其中的關(guān)鍵之一是光子TTD網(wǎng)絡(luò)，它為后面的天線陣元提供需要的實(shí)時(shí)時(shí)延。圖中的多波長(zhǎng)光源（MWL）發(fā)射N(xiāo)個(gè)獨(dú)立的光波長(zhǎng)λ1，λ2，…，λN，波長(zhǎng)數(shù)與PAA的陣元數(shù)相同；這N個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)入電光調(diào)制器（EOM）被同一個(gè)微波（RF）信號(hào)調(diào)制后，傳輸通過(guò)TTD波束形成網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)波長(zhǎng)產(chǎn)生不同的時(shí)延；然后，這N個(gè)經(jīng)過(guò)延時(shí)的調(diào)制光載波被波分復(fù)用復(fù)用器分離開(kāi)，經(jīng)光電二極管（PD）檢測(cè)還原出調(diào)制的微波信號(hào)，最后分別送入對(duì)應(yīng)的PAA陣元。

光子TTD波束形成網(wǎng)絡(luò)主要分為二類(lèi)，即路徑交換時(shí)延網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制傳播速度時(shí)延網(wǎng)絡(luò)[1]。路徑交換時(shí)延線是一種模仿微波TTD波束形成的方法：采用一組不同長(zhǎng)度的光纖，串以2×2的光開(kāi)關(guān)，通過(guò)光交換選擇一定長(zhǎng)度的光纖組合，以得到希望的某個(gè)時(shí)延值Δτ＝DLΔλ。其中D為光纖的色散系數(shù)，L為光纖的長(zhǎng)度，Δλ為光載波的波長(zhǎng)間隔。例如，用4個(gè)2×2的光開(kāi)關(guān)，中間串以三根長(zhǎng)度為L(zhǎng)、2L、4L的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，即可構(gòu)成一個(gè)有8個(gè)不同組合、3 bit的光子波束形成網(wǎng)絡(luò)，對(duì)應(yīng)于8個(gè)不同的天線指向角，見(jiàn)圖 3。采用這種TTD網(wǎng)絡(luò)的例子非常多，一個(gè)例子是工作在42.7 GHz、用于固定和移動(dòng)寬帶無(wú)線接入網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[2]。另一個(gè)典型的實(shí)驗(yàn)中，采用交換光源和檢測(cè)器的方法，實(shí)現(xiàn)了96個(gè)（24×4）陣元的指向，掃描范圍±60°，帶寬50%[3]。然而，像微波波束形成網(wǎng)絡(luò)一樣，采用這種延時(shí)線的光TTD波束形成網(wǎng)絡(luò)受到分辨率問(wèn)題的限制，除非其基礎(chǔ)相移器能提供可變的相移。為了產(chǎn)生大的時(shí)延，需要長(zhǎng)光纖，而這種時(shí)延可能伴有色散所致的RF信號(hào)衰減，限制系統(tǒng)的瞬時(shí)帶寬。

調(diào)制傳播速度的技術(shù)看來(lái)是所有光子TTD波束形成網(wǎng)絡(luò)方案中最有希望的，該波束形成網(wǎng)絡(luò)為每個(gè)天線陣元提供一個(gè)與波長(zhǎng)相關(guān)的時(shí)延，該時(shí)延正比于相應(yīng)陣元在陣列中的位置。為此，需要在陣列上采用漸變的光色散。而只要調(diào)諧光源的波長(zhǎng)，就能將這種色散漸變轉(zhuǎn)換成天線上的時(shí)延漸變，進(jìn)而產(chǎn)生時(shí)間指向的輻射圖形。色散漸變的實(shí)現(xiàn)方法有：色散光纖、色散棱鏡或光纖布拉格光柵（FBG）。當(dāng)然，這些方案需要采用可調(diào)諧光源，因此價(jià)格較高。

圖 4 為一個(gè)典型的由FBG構(gòu)成的TTD網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)調(diào)諧光源（TLS）的波長(zhǎng)時(shí)，利用FBG的對(duì)不同波長(zhǎng)的反射特性，合理配置FBG在空間的位置分布，每個(gè)波長(zhǎng)有不同的來(lái)回反射時(shí)間延時(shí)，實(shí)現(xiàn)不同的時(shí)延。

盡管這些方法在原理上的可行性已經(jīng)得到了驗(yàn)證，但它們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中的局限性也是明顯的：它們只能提供分立的而不是連續(xù)的時(shí)延變化，因而只能獲得分立的波束指向；同時(shí)，這類(lèi)結(jié)構(gòu)也缺乏擴(kuò)展成更大陣列的能力，通過(guò)波束形成網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)響應(yīng)時(shí)間也較大。另外，在采用FBG的結(jié)構(gòu)中，如果FBG之間的間隔非常小，制造難度大。

3 連續(xù)可變光子TTD波束形成系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)陣列波束的連續(xù)指向，采用調(diào)諧光載波波長(zhǎng)或調(diào)諧啁啾光柵的啁啾速率的方法，能很好地滿足對(duì)陣列的重構(gòu)及波束掃描速度等的性能要求，因此是一種最有希望的技術(shù)。其中，啁啾光纖光柵（chirped-FBG）是一種能實(shí)現(xiàn)連續(xù)時(shí)延及具有潛在快速調(diào)諧能力的簡(jiǎn)單技術(shù)，因此很有可能在未來(lái)用于實(shí)際的光子相控陣天線系統(tǒng)中。已經(jīng)提出了多種采用啁啾光纖光柵的光子相控陣系統(tǒng)方案。例如：采用單條啁啾光纖光柵的連續(xù)TTD波束形成網(wǎng)絡(luò)[4]，采用可調(diào)諧啁啾光纖光柵延時(shí)線的連續(xù)TTD波束形成系統(tǒng)[5]，采用多信道啁啾光纖光柵的連續(xù)可變TTD波束形成系統(tǒng)[6]等。

圖 5 為采用多信道啁啾光纖光柵（MCFG）的連續(xù)可變TTD波束形成系統(tǒng)，再結(jié)合波分復(fù)用技術(shù)，從而既能縮短需要的光柵長(zhǎng)度和制造難度，又降低了每個(gè)波長(zhǎng)上的插入損耗。因此，該方案不但能拓展到較大的實(shí)用上所要求的陣元數(shù)，同時(shí)又能保持緊湊簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，采用低價(jià)格的元件，能滿足陣列波束掃描和重構(gòu)速度的系統(tǒng)要求。

文獻(xiàn)[6]還報(bào)道了實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。制造了一個(gè)長(zhǎng)度約為80 mm的8信道光柵（實(shí)驗(yàn)中僅用了4個(gè)信道），光柵間隔150 GHz，每個(gè)信道的時(shí)延超過(guò)300 ps、反射帶寬約0.6 nm及反射率約80 %。該MCFG原設(shè)計(jì)是供支持8個(gè)陣元的系統(tǒng)，頻率范圍8～16 GHz，陣元間隔為半波長(zhǎng)，波束指向范圍為±40°。這就要求每個(gè)信道的最大時(shí)延為187 ps。用4個(gè)商用分布反饋（DFB）激光器，進(jìn)行了4信道的實(shí)驗(yàn)。這樣，只需要可用的300 ps時(shí)延中的88 ps。這些激光器通過(guò)熱調(diào)諧覆蓋了整個(gè)光柵的反射譜。

為了指向天線，需要把每個(gè)光源的波長(zhǎng)調(diào)諧到相應(yīng)于每個(gè)陣元指向要求的時(shí)延。圖 6 為時(shí)延要求與波束指向角的關(guān)系，圖6中也示出了每個(gè)信道相對(duì)于每個(gè)光柵短波長(zhǎng)端（信道1）要求的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍。例如，對(duì)于30°的波束角，信道2的相對(duì)信道1的時(shí)延約為20 ps，而相應(yīng)的波長(zhǎng)變化約為45 pm。

將每個(gè)激光器光源調(diào)諧到它相應(yīng)信道的前沿，就能獲得一個(gè)瞄準(zhǔn)線的波束圖形，這導(dǎo)致每個(gè)調(diào)制的載波之間產(chǎn)生零相對(duì)時(shí)延。對(duì)8～16 GHz頻率范圍內(nèi)測(cè)量的瞄準(zhǔn)線波束圖形表明，對(duì)于這些希望的指向角的波長(zhǎng)設(shè)定，是與RF頻率是無(wú)關(guān)的。也就是說(shuō)，調(diào)制信號(hào)變化時(shí)不會(huì)影響波束指向的方向。這也是TTD波束形成網(wǎng)絡(luò)的特性。

按照?qǐng)D 6 選擇每個(gè)信道的波長(zhǎng)，提供調(diào)制載波之間要求的差分時(shí)延，就能獲得陣列輻射圖形的指向。對(duì)于一個(gè)4陣元的系統(tǒng)，波束指向要求的最大時(shí)延，最大的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍約0.17 nm。預(yù)期在目前的光柵制造水平，MCFG的長(zhǎng)度可達(dá)15 cm。這樣，陣元數(shù)可超過(guò)100個(gè)，信道間隔100 GHz時(shí)，仍可保持70%的反射率，每個(gè)信道的群時(shí)延脈動(dòng)仍保持足夠的低。如果降低信道間隔和信道帶寬，并進(jìn)一步增加光柵長(zhǎng)度，陣元數(shù)還能進(jìn)一步增加。但由于制造光柵時(shí)光纖中折射率變化的飽和，信道反射率會(huì)下降。光柵長(zhǎng)度增加時(shí)，一般會(huì)使群時(shí)延的脈動(dòng)增加。因此，如果要求的陣元數(shù)較多時(shí)，該方案存在一定的局限性。

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