光控相控阵雷达光延时技术研究

李曙光，薛 峰

（上海航天技术研究院第八〇四研究所，上海201109）

0 引言

近年来，利用光学传输带宽大、损耗小、质量轻、体积小、抗电磁干扰等优点，微波相移技术被广泛应用于光控相控阵雷达中，成为世界电子对抗研究领域的研究热点［1－4］。基于波分复用技术的光控相控阵雷达，光载波波长数和相控阵天线子阵的数目对应，可以同时控制多子阵延时，具有突出的优势和良好的性能。多波长延时网络主要采用WDM或光栅（空间光栅或光纤光栅）实现。加拿大渥太华大学姚建平课题组在利用光纤光栅进行光控相控阵雷达方面开展工作较早［5－6］。利用分离排布的光纤光栅延迟网络结构，经由啁啾光栅、布拉格光栅和单模光纤固定延迟相结合，利用波分复用技术可以实现最高到18GHz的近1000ps的延迟。以色列特拉维夫大学的Moshe Tur课题组于2008年、2011年提出基于波分复用和光纤真时延迟的技术［7－8］。该方案的核心是在波分复用器不同的波长通道设置不同的延迟，利用光纤镀银端面作为反射镜来实现微波延迟，波长通道间延迟间隔约50ps。

文献［7～8］采用分束器对不同延迟单元进行分配，但是没有进行延迟组合。为了实现波束的连续扫描，其延迟需要按照等差数列延迟量的方式进行分配。该结构存在调节能力和延迟量有限等问题，不利于实际应用。本文提出基于波分复用和光纤真时延迟技术的多波长延迟网络的光控波束形成方案。该延迟网络的基本单元由密集波分复用器（DWDM）的通道数与需要相移控制的天线子阵数目相等。DWDM每个通道采用Backward方式的延迟线，在通道延迟线尾端利用法拉第旋转镜作为反射镜。DWDM通道间光纤长度按照等差数列分布。为了实现更大的延迟量，将该延迟单元进行级联，且级联的延迟间隔按照级数增加，通过引入光开关进行控制与组合，实现不同级数的延迟控制和波束形成。

1 工作原理

图1为波分复用光控相控阵雷达原理架构。雷达微波信号外调制激光，将微波信号加载到光波上，之后，加载有微波信号的光波通过光纤传输，实现低损耗的天馈线。光波经过光环形器进入光延迟网络。进入光延时网络的光波，在经过波分复用器后，不同波长的光会进入不同的延迟通道。加载有微波信号的光波经过光／电转换后，微波信号即被解调出来，经过电放大后，由天线阵列发射出去。

接收时，天线接收到的微波信号经过低噪放大之后，进行电／光转换，将微波调制到光载波，再进入光延时网络实现波束形成。进入光／电转换器，然后到达预处理单元。主要包括对微波信号的低噪放大、滤波及下变频处理，将X波段的微波信号下变频到中频，然后进行采样及量化。之后进入数据处理单元，完成雷达对目标的检测、识别等功能。

图1 光控相控阵雷达框图

在光控相控阵雷达的核心单元光延时网络部分，本文提出的基于光纤真时延迟线的可编程多波长波束形成网络结构如图2所示。该结构由N级延迟线构成，每一级延迟线包含K个光通道。单级延迟线结构由光开关、光环形器、波分复用器、光纤延迟线和光纤反射镜组成。假设进入波分复用延时网络的波长为λ1、λ2，…，λK，波长间隔均匀且为常数Δλ。第一级光纤延迟线通道线间真时延迟为ΔT（1）＝Δτ。通过设计并精确制作光纤延迟线长度，使第二级延迟线单元通道间间形成的真时延迟为ΔT（2）＝2Δτ。依此类推，在第N级延迟线单元中通道间形成的真时延迟为ΔT（N）＝2N－1Δτ。将基本单元通过环形器和光开关串联起来，形成连续、快速可调的多波长光波束成形延时网络。很显然，这种级数增长的延迟间隔，可以实现0～2（N－1）逐次变化的共2N种延迟组合，大幅增加了延迟能力和形成波束的数目。

图2 可编程多波长光纤延迟网络

2 实验与验证

在验证实验中，采用4个DWDM、3个环形器、2个2×2光开关和2个2×1光开关组成3级的延迟网络。设定ΔL＝4mm（物理长度）进行延迟线的制作，这样，第二级通道间长度差为8mm，第三级延迟线DWDM通道间长度差为16mm。制作过程中，分别制作三个延迟单元，然后进行链路相连，实现可编程多波长延迟网络。

利用光纤精密反射仪对制作好的DWDM延迟线结构进行各通道延迟量的测量。图3为对应第一级、第二级和第三级的延迟测量结果和线性拟合结果。通过其斜率特征，可以方便读取三条直线的延迟间隔比为1∶2∶4。内嵌图为第二级光纤延迟线测量结果，其16通道总延迟达到592ps，平均通道间隔约40ps。

图3 DWDM多波长三级光延迟线光学延迟测量

制作好适用于多波长相移的延迟网络之后，将微波信号调制到光载波上，形成了多波长相控阵天线。由于第一级延迟线通道间隔4mm，对应往返延时约40ps，则对于本文采用的2GHz微波信号来说，其相移约为28°。

图4 第一级16通道微波相移测试框图与结果

以第一级延迟线单元为例，对16个通道的微波相移进行测量，测试原理图如图4（a）所示，16通道微波波形的测试结果如图4（b）所示。从通道1开始，微波波形以基本相等的相位间隔平移。对于2GHz的微波信号，第14个通道相对于第1个通道即形成364o的相移，因此从图4（b）中可以看到第15、16通道的波形已经和其他通道的波形看起来几乎重叠。计算表明，第一级中各个通道间延迟间隔为40ps，在2GHz的微波信号调制下，其相移为：0.16π，通道1到通道16的总相移超过2π。三级相移单元的延迟测试结果如图4（c）所示，可以看到，它们均具有比较好的线性度，且三条直线的斜率比为1∶2∶4，与设计的二进制光延迟线是相符的。

利用4个光开关，可以实现如表1所示通道间延迟步进约40ps、8个状态的选通。

根据表1所形成的8个状态，本文仿真计算了16个天线所构成的阵列（对应于波分复用的16个波长通道）能够实现的8个波束，即实现了光控相控阵天线的快速扫描，结果如图5所示。

以图5（a）、（d）和（h）为例进行说明。图5（a）所示为各子阵间相移间隔为零，故其形成波束指向0°位置。图5（d）为第一级、第二级打开状态，其通道间真时延迟间隔为120ps，在2GHz微波源情况下，对应微波相移间隔为0.48π。图5（h）对应三级延迟线均打开状态，其通道间真时延迟间隔为280ps，对应于2GHz的1.12π。

表1 三级延迟线开关选通状态（1：开，0：关）

3 结束语

本文介绍了光控相控阵雷达的基本组成和工作原理，提出基于波分复用技术的可编程多通道光纤真时延迟网络。制作了开关控制的3级光纤真时延迟线结构，实现并验证了8个扫描角度的可编程波束成形延迟网络。采用2GHz微波信号外调制进行测试，三级延迟线通道间微波时延间隔分别为40ps、80ps、160ps，通过开关控制与组合，实现40ps延时量的0～7倍连续可调。最后仿真计算了16个天线单元形成的8个波束方向图。不过，本文仅介绍了发射支路的16通道延迟线网络的设计、制作与验证。对于发射、接收完整体制的光控相控阵雷达的研究仍在开展之中。真时延迟技术是解决宽带相控阵雷达波束偏斜的重要方法之一，而光纤真时延迟线可以为相控阵雷达提供大带宽、低传输损耗、抗电磁辐射的技术支撑，同时为今后光子集成真时延迟工作提供原理验证，为大带宽、轻量化光控相控阵雷达的实用化奠定基础。■

图5 可编程8状态光控波束形成仿真模拟图

［1］ Chen MY.Hybrid photonic true－time delay modules for quasi－continuous steering of 2－D phased－array antennas［J］.J.Lightw.Technol.，2013，31（6）：910－917.

［2］ Yi X，Huang TXH，Minasian RA.Photonic beamforming based on programmable phase shifters with amplitude and phase control［J］.IEEE Photonics Technol.Lett.，2011，23（6）：1286－1288.

［3］ Juswardy B，et al.Opto－VLSI－based photonic true－time delay architecture for broadband adaptive nulling in phased array antennas［J］.Optics Express，2009，17（6）：4773－4781.

［4］ Vidal B，Mengual T，Ibá~nez－López C，MartíJ.Optical beamforming network based on fiber optical delay lines and spatial light modulators for large antenna arrays［J］.IEEE Photonic Technol.Lett.，2006，18（24）：2590－2592.

［5］ Shahoei H，Li M，Yao J.Continuously tunable time delay using an optically pumped linear chirped fiber bragg grating［J］.J.Lightw.Technol.，2011，29（10）：1465－1472.

［6］ Li W，Zhang W，Yao J.A wideband 360°photonic－assisted microwave phase shifter using apolarization W modulator and a polarization－maintaining fiber Bragg grating［J］.Optics Express，2012，20（28）：29838－29843.

［7］ Raz O，Barzilay S，Rotma R，et al.Submicrosecond scanangle switching photonic beamformer with flat RF response in the C and X bands［J］.J.Lightw.Technol.，2008，26（15）：2774－2781.

［8］ Yaron L，Rotman R，Zach S，et al.Photonic beamformer receiver with multiple beam capabilities［J］.IEEE Photon.Technol.Lett.，2010，22（23）：1723－1725.