CN104466404B - 基于波长扫描的光真延时平面相控阵发射天线系统 - Google Patents

Abstract

一种基于波长扫描的光真延时平面相控阵发射天线系统，包括：一射频振荡器；多个可调激光器；多个电光调制器，每一电光调制器的电输入端与射频振荡器的输出端连接，每一电光调制器的光输入端分别与每一可调激光器的输出端连接；多个色散补偿单元及依序连接的多个光分束器、多个扫描真延时单元、一光电探测器阵列、一相位微调器阵列和一天线阵列。本发明可以实现相控阵面阵天线的宽带宽角度扫描。

Description

基于波长扫描的光真延时平面相控阵发射天线系统

技术领域

本发明属于光控相控阵天线技术领域，特别涉及一种基于波长扫描的光真延时平面相控阵发射天线系统。

背景技术

传统的相控阵天线是一种基于移相器的电子扫描天线，在进行宽角度扫描时，由于孔径效应、渡越时间的影响，使得信号的瞬时带宽受限，因而难以实现相控阵天线的宽带宽角度扫描功能。若在阵列天线的各个单元采用相应的光实时延迟线(Optical True TimeDelay，简称OTTD)取代传统相控阵雷达中的移相器，就可以大大减轻天线孔径效应、渡越时间的影响，使得相控阵雷达瞬时信号带宽对天线波束指向的影响减小，也使得天线渡越时间对瞬时信号带宽的限制减小，实现宽带宽角扫描，其具有很多优点，如：带宽非常宽、损耗比较低、对电磁波的抗辐射干扰能力很强以及体积重量小易封装等等。尤其是光纤延迟线的单位延时损耗与频率无关，这使得其在宽带信号处理中具有很大的优势，光真时延波束形成逐渐地成为了一种具有广阔前景的相控阵技术。

光真时延波束形成系统的构成方式有：集成光开关时延线、色散棱镜、离散布拉格光栅、啁啾光栅、压电光纤伸展系统、光子晶体光纤、超结构光纤布拉格光栅、色散补偿光纤和多波长激光器等。其中，基于色散的多波长时延方案由于具有结构简单，易于小型化、集成化，可实现连续扫描等优点，而且色散器件相对比较成熟，有利于实现实用化的真时延方案，因此基于色散的多波长时延方案备受关注。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明的目的在于，提供一种基于波长扫描的光真延时平面相控阵发射天线系统，以实现相控阵面阵天线的宽带宽角度扫描。

本发明提供一种基于波长扫描的光真延时平面相控阵发射天线系统，包括：

一射频振荡器；

多个可调激光器；

多个电光调制器，每一电光调制器的电输入端与射频振荡器的输出端连接，每一电光调制器的光输入端分别与每一可调激光器的输出端连接；

多个色散补偿单元，每一色散补偿单元的输入端分别与每一电光调制器的光输出端连接，该多个补偿单元构成俯仰角波长扫描真延时单元；

多个光分束器，每一光分束器的输入端分别与每一色散补偿单元的输出端连接，每一光分束器具有m个输出端；

多个扫描真延时单元，每一扫描真延时单元的输入端分别与每一光分束器的输出端连接，该多个扫描真延时单元构成方位角波长扫描真延时单元；

一光电探测器阵列，该光电探测器阵列包括多组光电探测器，该光电探测器阵列中的每一组光电探测器的输入端分别与多个扫描真延时单元的输出端连接；

一相位微调器阵列，该相位微调器阵列的每一相位微调器的输入端分别与光电探测器阵列中的每一光电探测器的输出端连接；

一天线阵列，该天线阵列中的每一天线分别与相位微调器阵列中的每一相位微调器的输出端连接。

由上述技术方案可以看出，本发明基于波长扫描的光真延时平面相控阵发射天线系统，成本低、损耗低、对电磁波的抗辐射干扰能力强、延时损耗与频率无关、体积重量小、易封装，可实现宽带宽角度扫描。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：

图1是本发明基于波长扫描的光真延时平面相控阵发射天线系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种基于波长扫描的光真延时平面相控阵发射天线系统，请参照图1，该系统包括：

一射频振荡器1；

多个可调激光器21-2n；

多个电光调制器31-3n，每一电光调制器的电输入端与射频振荡器1的输出端连接，每一电光调制器的光输入端分别与每一可调激光器的输出端连接；

多个色散补偿单元41-4n，每一色散补偿单元的输入端分别与每一电光调制器的光输出端连接，每一色散补偿单元为大色散系数色散补偿光纤，各色散补偿光纤长度相等，色散系数相等，该多个补偿单元41-4n构成俯仰角波长扫描真延时单元；

多个光分束器51-5n，每一光分束器的输入端分别与每一色散补偿单元的输出端连接，每一光分束器具有m个输出端；

多个扫描真延时单元61-6n，每一扫描真延时单元的输入端分别与每一光分束器的输出端连接，每一扫描真延时单元61-6n分别包含m个总长相等的小色散系数色散补偿光纤与普通单模光纤组合6i1-6im，i＝1，2，…，n，其中小色散系数色散补偿光纤长度不等且递增，普通单模光纤长度不等且递减，该多个扫描真延时单元616n构成方位角波长扫描真延时单元；

一光电探测器阵列7，该光电探测器阵列7包括多组光电探测器，该光电探测器阵列7中的每一组光电探测器的输入端分别与多个扫描真延时单元61-6n的输出端连接；

一相位微调器阵列8，该相位微调器阵列8的每一相位微调器的输入端分别与光电探测器阵列7中的每一光电探测器的输出端连接；

一天线阵列9，该天线阵列9中的每一天线分别与相位微调器阵列8中的每一相位微调器的输出端连接。

其中，可调激光器与电光调制器之间的连接为普通单模光纤，射频振荡器与电光调制器、光电探测器与相位微调器、相位微调器与天线之间的连接为标准射频连接线。

以下分别对本实施例基于波长扫描的光真延时平面相控阵发射天线系统的各个组成部分进行详细的说明。

射频振荡器1通过n组相同的电光调制器31-3n将射频信号分别调制到波长为λ1、λ2、…、λn的载波信号上。n个可调激光器21-2n输出波长分别为λi＝λ11+(i-1)×Δλ，i＝1，2，…，n。其中，λ11为第一组方位角光真延时单元波束形成的设定扫描波长，Δλ为一微小波长差。

经过调制后的光信号分别经过n段长度相等色散系数相等的色散补偿单元41-4n，光信号经过色散补偿光纤后获得相邻两行间延时差ΔT＝D×L×Δλ，其中D为色散系数，L为色散补偿光纤的长度。在本实施例中，使用DL＝-1000ps/nm的大色散系数色散补偿光纤，根据的俯仰角波束形成，其中c为真空中光速，dAA为天线阵元间距，为获得±60°的宽俯仰角扫描，Δλ扫描范围在-0.043至+0.043nm以内，即利用各行波长微小差别控制行间延时获得宽角度俯仰角波束形成。

n组相同结构且总长相等的小色散系数色散补偿光纤与普通单模光纤组合611-6nm，其中每组中6i1-6im的色散补偿光纤长度不等且递增，普通单模光纤长度不等且递减。每组6i1-6im中载波波长相等，以不同的D’L’获得列间延时。在本实施例中，用于方位角波长扫描真延时(列间延时)单元的色散补偿光纤色散系数D’＝-100ps/nm/km，为获得±60°的宽方位角扫描，6ij(j＝1，2，…，m)中色散补偿光纤的长度L’分别设为0，10m，20m，…，(m-1)×10m，每一可调激光器的波长扫描范围Δλ'在-43至+43nm以内，即利用各路色散补偿光纤长度递增控制列间延时获得宽角度方位角波束形成。

结合以上说明，行间延时41-4n由Δλ扫描控制，列间延时6i1-6im(i＝1，2，…，n)由Δλ’扫描控制。n行扫描波长分别为λ1＝λ11+Δλ’，λ2＝λ11+Δλ+Δλ’，λ3＝λ11+2Δλ+Δλ’，…，λn＝λ11+(n-1)×Δλ+Δλ’。选取合适的n值，由于Δλ值相较Δλ'很小，行间波束形成扫描所需波长微小变化Δλ在列间延时中引起的误差影响在一定范围内可忽略不计；列间波束形成扫描所需波长变化Δλ’同时发生在n行中，对行间延时无影响。

光电探测器阵列7将n行m列光信号转化为射频信号，由于基于波长扫描的光真延时与射频信号频率无关，可获得宽带的波束形成。

相位微调器阵列8用于在Δλ＝Δλ’＝0nm时，调齐各路延时，即当波长扫描为零值时，调齐信号辐射为法线方向。

天线阵列9用于将经过行间及列间真延时的射频信号辐射出去，完成平面相控阵天线波束形成。

至此，已经结合附图对本实施例基于波长扫描的光真延时平面相控阵发射天线系统进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明有了清楚的认识。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于波长扫描的光真延时平面相控阵发射天线系统，包括：

一射频振荡器；

多个可调激光器；

多个电光调制器，每一电光调制器的电输入端均与射频振荡器的输出端连接，每一电光调制器的光输入端分别与对应的一可调激光器的输出端连接；

多个色散补偿单元，每一色散补偿单元的输入端分别与对应的一电光调制器的光输出端连接，该多个色散补偿单元构成俯仰角波长扫描真延时单元；

多个光分束器，每一光分束器的输入端分别与对应的一色散补偿单元的输出端连接，每一光分束器具有m个输出端；

多个扫描真延时单元，每一扫描真延时单元的输入端分别与对应的一光分束器的输出端连接，该多个扫描真延时单元构成方位角波长扫描真延时单元；

一光电探测器阵列，该光电探测器阵列包括多组光电探测器，该光电探测器阵列中的每一组光电探测器的输入端分别与对应的多个扫描真延时单元的输出端连接；

一相位微调器阵列，该相位微调器阵列的每一相位微调器的输入端分别与对应的光电探测器阵列中的每一光电探测器的输出端连接；

一天线阵列，该天线阵列中的每一天线分别与对应的相位微调器阵列中的每一相位微调器的输出端连接。

2.根据权利要求1所述的基于波长扫描的光真延时平面相控阵发射天线系统，其中多个色散补偿单元4l-4n中的每一色散补偿单元为大色散系数色散补偿光纤，各色散补偿光纤长度相等，色散系数相等。

3.根据权利要求1所述的基于波长扫描的光真延时平面相控阵发射天线系统，其中方位角波长扫描真延时单元中的每组扫描真延时单元分别包含m个总长相等的小色散系数色散补偿光纤与普通单模光纤组合6il-6im，i＝1，2，…，n，其中小色散系数色散补偿光纤长度不等且递增，普通单模光纤长度不等且递减。

4.根据权利要求1所述的基于波长扫描的光真延时平面相控阵发射天线系统，其中可调激光器与电光调制器之间的连接为普通单模光纤。

5.根据权利要求1所述的基于波长扫描的光真延时平面相控阵发射天线系统，其中射频振荡器与电光调制器、光电探测器与相位微调器、相位微调器与天线之间的连接为标准射频连接线。