CN104901014A - 基于波长扫描的光真延时平面相控阵接收天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于波长扫描的光真延时平面相控阵接收天线系统，包括天线阵元单元、电光调制单元、俯仰角波长扫描真延时单元、方位角波长扫描真延时单元和混频单元。天线阵元单元实现空间辐射的电信号接收及信号的低噪声放大；电光调制单元实现将天线阵元接收到的射频信号调制光载波信号上去；俯仰角波长扫描真延时单元实现相对较大波长变化控制宽带宽角度俯仰角扫描；方位角波长扫描真延时单元实现微小波长变化控制宽带宽角度方位角扫描；混频单元实现将波长扫描光真延时波束形成的信号转换为射频信号并进行低噪声放大以补偿光纤传输带来的损耗。本发明能够满足高性能相控阵天线所要求的大瞬时带宽和大扫描角度的技术指标。

Description

基于波长扫描的光真延时平面相控阵接收天线系统

技术领域

本发明属于光控相控阵天线技术领域，特别涉及了基于波长扫描的光真延时平面相控阵接收天线系统。

背景技术

相控阵雷达即采用相控阵天线的一种雷达，其核心部件就是相控阵天线，在进行宽角扫描时，由于传统的相控阵天线电扫描方式带来的孔径效应、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雷达的宽带宽角扫描功能。将光电子技术应用在相控阵雷达中，即实现对相控阵天线波束指向的控制，用以传输、分配雷达信号和控制信号，它的应用将大大改善普通相控阵雷达系统的诸多性能。光纤延迟波束形成网络具有可全宽带应用、体积小、重量轻、结构简单、电磁兼容性好以及不同情况下损耗均匀等优点。

基于波长扫描技术的微波光子波束形成，是利用光纤延时线等波长敏感的延时单位器件来控制相控阵雷达中天线的波束指向，实现宽带宽角度的扫描。其单位延时损耗与频率无关，不会引起波束偏斜问题，这使得在宽带信号处理中具有很大的优势；同时由于光控相控阵天线的波束形成与波束扫描，是通过控制微波信号的相位延迟来实现的，从而没有机械式的运动转向，具有了精确的波束指向和强的二维扫描灵活性，能够同时满足高性能相控阵天线所要求的大瞬时带宽和大扫描角度的技术指标。

目前相关使用光真延时实现相控阵天线面阵扫描的报道为Maurizio Burla等人在2013年于Journal of Lightwave Technology中发表的文献“Multiwavelength-integrated optical beamformer basedon wavelength division

multiplexing for 2-D phasedArray antennas”，该文报道了一种使用光环形谐振器结构实现平面相控阵发射天线的结构，与本申请中不同的是，该方法所使用的光环形谐振器结构依然是电控器件，需要使用电控实现不同角度的扫描，使得系统依然存在渡越时间等方面的影响。

发明内容

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供基于波长扫描的光真延时平面相控阵接收天线系统，减轻了传统电控相控阵天线中天线孔径效应、渡越时间的影响，能够满足高性能相控阵天线所要求的大瞬时带宽和大扫描角度的技术指标。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

包括天线阵元单元、电光调制单元、俯仰角波长扫描真延时单元、方位角波长扫描真延时单元和混频单元，所述天线阵元单元包括m行×n列的接收天线阵列和m行×n列的低噪声放大器阵列，所述接收天线阵列中的各接收天线接收到的射频信号一一对应传输至低噪声放大器阵列中的各低噪声放大器的输入端，所述电光调制单元包括n个电光调制器线形阵列以及与其一一对应的n个可调激光器，所述电光调制器线形阵列包含m个电光调制器，n个电光调制器线形阵列一一对应低噪声放大器阵列的n列，m个低噪声放大器的输出端将放大后的射频信号一一对应传输至各电光调制器线形阵列的m个电光调制器的电输入端，各可调激光器分别通过m根单模光纤与对应电光调制器的m个光电调制器的光输入端连接，所述俯仰角波长扫描真延时单元包括n个m×1的光合束器及m根总长度相等的复合光纤，所述n个m×1的光合束器与前述n个电光调制器线形阵列一一对应，各光合束器的输入端分别通过m根总长度相等的复合光纤与对应电光调制器的m个光电调制器的输出端连接，所述复合光纤是由一段小色散系数色散补偿光纤和一段单模光纤连结而成，所述方位角波长扫描真延时单元包括一个n×1的光合束器及n根长度相等色散补偿光纤，所述n×1的光合束器的输入端经n根长度相等的大色散系数色散补偿光纤分别与前述n个光合束器的输出端连接，所述大色散系数色散补偿光纤的色散系数大于前述小色散系数色散补偿光纤的色散系数，且大色散系数色散补偿光纤的长度大于小色散系数色散补偿光纤的长度，所述混频单元包括高速光电探测器和低噪声放大模块，所述高速光电探测器的输入端连接前述n×1的光合束器的输出端，高速光电探测器的输出端连接低噪声放大模块。

进一步地，与同一个可调激光器相连的m根单模光纤的长度依次递增，且各根单模光纤之间的长度差大于可调激光器的相干长度。

进一步地，与每一组m×1的光合束器相连的m根复合光纤中的小色散系数色散补偿光纤的长度依次递增、单模光纤的长度依次递减，并保持所有复合光纤的总长度相等。

进一步地，上述小色散系数色散补偿光纤的色散系数为-130ps/nm.km。

进一步地，上述小色散系数色散补偿光纤的色散系数为-425ps/nm.km。

采用上述技术方案带来的有益效果：

本发明基于波长扫描的光真延时平面相控阵接收天线系统，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、易封装，可实现宽带宽角度扫描。该平面波束形成相控阵接收天线系统无需使用复杂的光开关，能够实现宽带连续的平面波束扫描，无频率变化引起的波束斜视效应，具有结构简单、成本低、宽带宽等优点。

同时，本发明将波长扫描微波光子波束形成技术引入到光控相控阵天线中，能够实现相控阵雷达的小体积以及轻重量的要求，并能够提高雷达的识别能力，分辨力，并解决多目标成像以及对抗反辐射导弹。以光纤作为传输煤质，具有损耗小，尺寸小、重量轻的特点，以及抗电磁干扰与抗电磁脉冲的能力较强，解决了电缆馈电所带来的尺寸与重量的限制，从而提高了相控阵雷达的特性，降低了成本、简化了设计，能够满足高性能雷达所要求的大瞬时带宽和大扫描角度的技术指标，在大型 L 战略预警相控阵雷达系统、舰载光控相控阵雷达系统、电子侦察超宽带相控阵接收机、X波段大型相控阵雷达系统、机载共形相控阵雷达等方面均具备一定的应用前景。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图。

标号说明：1：接收天线阵列；2：低噪声放大器阵列；3₁~3_n：n个电光调制器线形阵列；4₁~4_n：n个可调激光器；5₁~5_n：n组单模光纤；6₁₁~6_nm：n组复合光纤；7₁~7_n：n个m×1的光合束器；8₁~8_n：n根大色散系数色散补偿光纤；9：n×1的光合束器；10：高速光电探测器；11：低噪声放大电路。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，接收天线阵列1接收空间辐射的射频信号，并通过低噪声放大器阵列2进行信号放大后，通过n个电光调制器线形阵列3₁~3_n将射频信号分别调制到载波信号上，每个电光调制器线形阵列包含的m个电光调制器的载波信号波长是相同的，但n个电光调制器线形阵列之间的载波信号波长是不同的，n个可调激光器4₁~4_n输出波长分别为λ_i，i=1,2,…,n，可调激光器4₁~4_n分别通过n组单模光纤5₁~5_n给n个电光调制器线形阵列输入激光，其中每组单模光纤包含m根单模光纤，同一组的m根单模光纤的长度依次递增，且彼此之间的长度差大于可调激光器的相干长度，这主要是用于消除光干涉效应的影响。

n个电光调制器线性阵列3₁~3_n 的输出端分别通过n组复合光纤6₁₁~6_nm与n个m×1的光合束器7₁~7_n连接，每组复合光纤包含m根复合光纤，每根复合光纤由小色散系数的色散补偿光纤与单模光纤连结而成，每一组中的复合光纤中的色散补偿光纤的长度依次递增，而单模光纤的长度依次递减，每组中的各根复合光纤的总长度相等，同时保持n组情况对应相同。根据扫描角度φ=arcsin（ΔT×c/d_AA），其中，c为真空中光速，d_AA为天线阵元间距，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，在本实施例中，用于俯仰角波长扫描真延时（行间延时）单元的色散补偿光纤的色散系数D=-130ps/nm.km，对于X波段信号天线阵元间隔d_AA可设置为15mm，俯仰角扫描波长范围Δλ设置在-50~+50nm以内，即扫描波长λ_i=λ₀+Δλ，λ₀为所有激光器预设输出波长。为获得±60°的宽俯仰角扫描，每根复合光纤 6_ij（i=1,2,…,n，j=1,2,…,m）中色散补偿光纤的长度依次设为0，6.66m，13.32m，……，（m-1）×6.66m，即利用相同波长变化Δλ不同色散补偿光纤长度L获得俯仰角真延时，且色散系数小、波长变化范围大。

n组已得到行间延时的载波信号由光合束器7₁~7_n获得，载波信号分别经过n根长度相等且色散系数相等的色散补偿光纤8₁~8_n，实现方位角波长扫描真延时（列间延时）。在本实施例中，色散补偿光纤8₁~8_n的色散系数D=-425ps/nm.km，长度均为2037.6m，为获得±60°的宽方位角扫描，Δλ’扫描范围需设置在-0.05~+0.05nm以内，此时每个可调激光器输出波长应设置为λ_i’=λ_i+(n-1)Δλ’=λ₀+Δλ+(n-1)Δλ’，即利用不同波长变化(n-1)Δλ’扫描获得方位角真延时，且色散系数大、波长变化范围小。

由于用于方位角真延时的波长扫描变化范围Δλ’小，为俯仰角真延时波长扫描范围Δλ的10^-3数量级，因此在方位角扫描时的波长变化Δλ’对俯仰角的影响在一定误差范围内可忽略不计；而俯仰角扫描时，各列载波信号波长变化量Δλ相同，对方位角不产生影响；结合以上两点，实现了利用波长扫描对面阵相控阵接收天线波束形成的控制。

由n×1的光合束器9得到的已实现俯仰角及方位角延时的载波信号通过频带限定的高速光电探测器10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。低噪声放大电路11对射频信号进行低噪声放大以补偿光纤传输带来的损耗。

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.基于波长扫描的光真延时平面相控阵接收天线系统，其特征在于：包括天线阵元单元、电光调制单元、俯仰角波长扫描真延时单元、方位角波长扫描真延时单元和混频单元，所述天线阵元单元包括m行×n列的接收天线阵列和m行×n列的低噪声放大器阵列，所述接收天线阵列中的各接收天线接收到的射频信号一一对应传输至低噪声放大器阵列中的各低噪声放大器的输入端，所述电光调制单元包括n个电光调制器线形阵列以及与其一一对应的n个可调激光器，所述电光调制器线形阵列包含m个电光调制器，n个电光调制器线形阵列一一对应低噪声放大器阵列的n列，m个低噪声放大器的输出端将放大后的射频信号一一对应传输至各电光调制器线形阵列的m个电光调制器的电输入端，各可调激光器分别通过m根单模光纤与对应电光调制器的m个光电调制器的光输入端连接，所述俯仰角波长扫描真延时单元包括n个m×1的光合束器及m根总长度相等的复合光纤，所述n个m×1的光合束器与前述n个电光调制器线形阵列一一对应，各光合束器的输入端分别通过m根总长度相等的复合光纤与对应电光调制器的m个光电调制器的输出端连接，所述复合光纤是由一段小色散系数色散补偿光纤和一段单模光纤连结而成，所述方位角波长扫描真延时单元包括一个n×1的光合束器及n根长度相等色散补偿光纤，所述n×1的光合束器的输入端经n根长度相等的大色散系数色散补偿光纤分别与前述n个光合束器的输出端连接，所述大色散系数色散补偿光纤的色散系数大于前述小色散系数色散补偿光纤的色散系数，且大色散系数色散补偿光纤的长度大于小色散系数色散补偿光纤的长度，所述混频单元包括高速光电探测器和低噪声放大模块，所述高速光电探测器的输入端连接前述n×1的光合束器的输出端，高速光电探测器的输出端连接低噪声放大模块。

2.根据权利要求1所述基于波长扫描的光真延时平面相控阵接收天线系统，其特征在于：与同一个可调激光器相连的m根单模光纤的长度依次递增，且各根单模光纤之间的长度差大于可调激光器的相干长度。

3.根据权利要求1所述基于波长扫描的光真延时平面相控阵接收天线系统，其特征在于：与每一个m×1的光合束器相连的m根复合光纤中的小色散系数色散补偿光纤的长度依次递增、单模光纤的长度依次递减，并保持所有复合光纤的总长度相等。

4.根据权利要求1所述基于波长扫描的光真延时平面相控阵接收天线系统，其特征在于：所述小色散系数色散补偿光纤的色散系数为-130ps/nm.km。

5.根据权利要求1所述基于波长扫描的光真延时平面相控阵接收天线系统，其特征在于：所述小色散系数色散补偿光纤的色散系数为-425ps/nm.km。