CN105609954A - 一种基于光学手段的一位幅/相加权实现方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及阵列天线技术领域，本发明公开了一种基于光学手段的一位幅/相加权实现方法，其具体包括以下的步骤：步骤一、射频信号输入到电光强度调制器的射频输入口，直流源连接到电光强度调制器的直流输入口，激光器连接到电光强度调制器的光输入口；步骤二、根据控制信号，控制直流源的输出电压，从而使电光强度调制器工作于不同的偏置点处，从而实现对射频信号的一位幅/相加权。本发明提供了一种通过调节光学器件进行射频信号幅度/相位加权，从而降低阵列方向图旁瓣电平的方法。该方法不需要使用电学移相器，在采用微波光子传输的系统中不需要另加器件，就可以达到一定的旁瓣抑制。本发明还公开了一种基于光学手段的一位幅/相加权实现装置。

Description

一种基于光学手段的一位幅/相加权实现方法及装置

技术领域

本发明涉及阵列天线技术领域，本发明公开了一种基于光学手段的一位幅/相加权实现方法及装置。

背景技术

在许多雷达和通信系统的应用中，阵列天线的峰值副瓣电平是一个重要的参数。在阵列天线上常采用锥削幅度分布实现低副瓣，这样的分布可通过各种方法来得到，例如采用不等幅馈电网络，或者在接收之后使用窗函数进行幅度加权。然而，如果我们想要使用等功率的收发单元(例如有源组件)，则锥削分布必须用其它方法实现。这些方法的基本思想是，通过将单元位置随机化，避免由天线阵的周期性而引起的高副瓣。例如，密度加权阵在靠近阵列的端点采用较宽的单元间距，能产生有效的锥削分布。但是这种方法可能导致阵列体积增大、且装配复杂化的问题。

另外，文献《用数字移相器降低相控阵天线的副瓣第一部分：一位相位加权》中提出了两种思路，一种方法是把幅度随机零点引入一个等间距阵中，以产生一个有效的锥削分布。第二种是采用一位或多位相位加权的方式，该方法是在阵列的每个单元中仅仅使用0或π相移。其原理是用幅度为+1和-1的单元的阵代替幅度为+1的单元的阵。为了模拟一个锥削幅度，靠近阵列的端点引入较多的-1单元。正如密度加权阵那样，要求这种相位加权随机化。

这方面的工作现有技术通常在电学域进行，一般可以采用电相移器、电衰减器来实现，比如使用移相器进行相位加权、使用衰减器进行幅度加权，但这样的方式存在较高的硬件成本。

发明内容

针对现有技术中采用移相器进行相位加权、使用衰减器进行幅度加权实现降低阵列天线方向图旁瓣电平成本高的技术问题，本发明公开了一种基于光学手段的一位幅/相加权实现方法，不需要电相移器、电衰减器，只需要电光调制器就可以实现。本发明还公开了这种基于光学手段的一位幅/相加权实现装置。

本发明的技术方案如下

本发明公开了一种基于光学手段的一位幅/相加权实现方法，其具体包括以下的步骤：步骤一、射频信号输入到电光强度调制器的射频输入口，直流源连接到电光强度调制器的直流输入口，激光器连接到电光强度调制器的光输入口；步骤二、根据控制信号，控制直流源的输出电压，从而使电光强度调制器工作于不同的偏置点处，从而实现对射频信号的一位幅/相加权。

更进一步地，上述偏置点包括最小偏置点、第一线性偏置点、第二线性偏置点和最大偏置点；通过控制信号，控制电光调制器的偏置电压在第一线性偏置点和第二线性偏置点之间切换，以实现对射频信号的一位相位加权。

更进一步地，上述方法还包括通过控制信号，控制电光调制器的偏置电压在最大/最小偏置点与线性偏置点之间切换，以实现对射频信号的一位幅度加权。

本发明还公开了一种基于光学手段的一位幅/相加权实现装置，其具体包括：控制单元、直流源、激光器以及电光强度调制器；射频信号输入到电光强度调制器的射频输入口，激光器连接到电光强度调制器的光输入口，直流源连接到电光强度调制器的直流输入口；控制单元用于控制直流源的输出电压，从而使电光强度调制器工作于不同的偏置点处，从而实现对射频信号的一位幅/相加权。

更进一步地，上述控制单元用于控制电光调制器的偏置电压在第一线性偏置点和第二线性偏置点之间切换，以实现对射频信号的一位相位加权。

更进一步地，上述控制单元用于控制电光调制器的偏置电压在最大/最小偏置点与线性偏置点之间切换，以实现对射频信号的一位幅度加权。

通过采用以上的技术方案，本发明的有益效果为：因为电光调制器是实现电光转换的必备器件，因此，对于典型的阵列微波光子链路，通过控制电光调制器的方式实现幅/相加权，既克服了加权过程对移相器、衰减器的依赖，又不需要新增其他光学的器件，非常适用于采用微波光子处理技术的信号收/发系统。

由于系统通过调谐直流电压控制电光调制器的偏置点，既可以实现相位加权又可以实现幅度加权，而无需采用不同的加权器件，克服了传统方法使用移相器进行相位加权、使用衰减器进行幅度加权的限制，因此可以有效地降低硬件成本。

由于该发明能够通过一位相位加权方式实现低副瓣方向图，克服了典型低副瓣系统通过不等幅馈电网络或光衰减器实现锥削分布的限制，适用于要求使用等功率发射/接收单元的场合。同时，由于这种加权方式属于模拟加权，因此，克服了数字移相器误差较大的缺点。

附图说明

图1是一个典型的接收用阵列微波光子链路系统图。

图2为典型的马赫-曾德尔电光强度调制器的基本结构图。

图3是电光调制器输出的光功率(a)及射频基波电流(b)随外加电压的变化曲线。

图4为调制器特性曲线实际测试框图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，详细说明本发明的具体实施方式。

本发明公开了一种基于光学手段的一位幅/相加权实现，其具体包括以下的步骤：步骤一、天线单元接收到的射频信号经T/R组件进行前置放大滤波后(这个步骤不是必须的，一般来说，天线接收到的空间信号均太弱，普遍需要先放大一下，便于后续处理)，输入到电光强度调制器的射频输入口；同时，一束单色激光输入到电光调制器的光输入口(电光调制器需要把电信号调制到光信号上，因此需要有一个未调制的光信号作为输入)；直流源连接到电光调制器的直流输入口；步骤二、根据控制信号，控制直流源的输出电压，从而使电光强度调制器工作于不同的偏置点处，所述偏置点包括最小偏置点、第一线性偏置点、第二线性偏置点和最大偏置点。

本发明提供了一种对阵列射频信号进行一位相位加权的方法。通过调节电光调制器的偏置电压在第一线性偏置点和第二线性偏置点之间切换，输出的电信号相位可以在0度和180度之间切换。

本发明提供了一种为阵列射频信号进行一位幅度加权的方法。典型地，电光调制器偏置于线性偏置点时，输入的电信号被线性调制，并经光电探测器转化为电学信号。通过将电光调制器偏置在最小偏置点或者最大偏置点，接收到的信号幅度降低，等效于该输入端被置零。

本发明提供了一种通过调节光学器件进行幅度/相位加权，从而降低阵列方向图旁瓣电平的方法。该方法不需要使用电学移相器，在采用微波光子传输的系统中不需要另加器件，就可以达到一定的旁瓣抑制能力。

图1是一个典型的使用了微波光子链路的阵列射频接收系统。天线单元接收到的射频信号经T/R组件进行前置放大滤波后，输入到电光强度调制器的射频输入口；同时，一束单色激光输入到电光调制器的光输入口；由外部控制信号控制的直流源连接到电光调制器的直流输入口；电光调制器将输出携带了射频信息的光学信号。由于微波光子链路具有宽频带、传输损耗小、并行处理能力强等优势，因此可以在光学域实现长距离传输和一些宽带处理，经处理的微波光子信号通过光电探测器转换成射频信号，以完成后续的电学处理。

由于插入损耗较小，工作稳定，常用的电光强度调制器为马赫-曾德尔型电光调制器。因此，下文所指的电光调制器均是马赫-曾德尔型电光强度调制器。图2为一个典型的马赫-曾德尔电光强度调制器的基本结构图。通过以下理论推导，将证明改变电光调制器的直流偏置可以将输出射频信号的相位改变180度或者幅度置零。设两臂的半波电压相同，均为V_p，v₁(t)，v₂(t)为两条臂上分别加的电信号电压，v₁(t)＝v₀₁+v_R1(t)，v₂(t)＝v₀₂+v_R2(t)，其中，v₀₁，v₀₂为直流偏置电压，v_R1(t)、v_R2(t)为两条臂上分别加的交流电信号，电光调制器输出光信号的强度为：

$E_{out}\left(t\right)=\frac{E_{in}\left(t\right)}{2}\[e^{j\frac{\mathrm{\π}}{v_{\mathrm{\π}}}{v}_1\left(t\right)}+e^{j\frac{\mathrm{\π}}{v_{\mathrm{\π}}}{v}_2\left(t\right)}\]---\left(1\right)$

对于工作在推挽模式的典型电光调制器，v₁(t)＝-v₂(t)，，定义β＝π/v_p，则

$E_{out}\left(t\right)=\frac{E_{in}\left(t\right)}{2}\[e^{{\mathrm{j\βv}}_1\left(t\right)}+e^{-{\mathrm{j\βv}}_1\left(t\right)}\]---\left(2\right)$

则经调制器输出的光信号功率为：

$P_{out}\left(t\right)=\frac{{E^2}_{in}\left(t\right)}{2}\{1+cos\[2{\mathrm{\βv}}_1\left(t\right)\]\}---\left(3\right)$

可以看出，P_out(t)相对于外加电压表现为升余弦函数特性。如图3(a)所示。定义该曲线的输出功率极大值点为最大偏置点，极小值处为最小偏置点，斜率为负的中心值处为第一线性偏置点，斜率为正的中心值处为第二线性偏置点。一般地，v₀₁典型值为2～5V，而接收射频信号功率一般不大于0dBm，对应的电压值为0.32V，因此，调制器的偏置点主要由直流偏置电压v₀₁决定。

该光信号经过电光探测器后转换为电流信号，该电流强度正比于调制器输出的光功率，设射频信号v_R1(t)＝vcosΩt，并利用贝塞尔函数将式(3)展开：

$\begin{array}{c}I\left(t\right)\∝P_{out}\left(t\right)=\frac{E_{in}^2\left(t\right)}{2}\[1+\cos (2{\mathrm{\βv}}_{01}+2\mathrm{\β}v\cos (\mathrm{\Ω}t)\]\\ =\frac{E_{in}^2\left(t\right)}{2}\[1+\cos \left(2{\mathrm{\βv}}_{01}\right)\cos \left(2\mathrm{\β}v\cos \right(\mathrm{\Ω}t)-\sin \left(2{\mathrm{\βv}}_{01}\right)\sin \left(2\mathrm{\β}v\cos \right(\mathrm{\Ω}t)\]\\ =\frac{E_{in}^2\left(t\right)}{2}\left\{\begin{array}{c}1+\cos \left(2{\mathrm{\βv}}_{01}\right)\[J_0\left(2{\mathrm{\βv}}_{01}\right)+2\underset{n=1}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{(-1)}^n{J}_{2n}\left(2{\mathrm{\βv}}_{01}\right)\cos \left(2n\mathrm{\Ω}t\right)\]\\ -2\sin \left(2{\mathrm{\βv}}_{01}\right)\underset{n=0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{(-1)}^n{J}_{2n+1}\left(2{\mathrm{\βv}}_{01}\right)\cos \[(2n+1)\mathrm{\Ω}t\]\end{array}\right\}\end{array}---\left(4\right)$

可以看出，输出电流信号包含了直流电信号、射频基波和高次谐波。其中只有射频基波信号为有用信号，定义射频基波电流为：

I_f(t)＝Ksin(2βv₀₁)cos(Ωt)(5)

当激光器输出的光功率固定，输入射频信号固定为vcosΩt时，K为常数。输出射频信号的电流与sin(2βv₀₁)成正比，I_f(t)和输入电压v₁(t)的关系如图3(b)所示。根据公式(5)和图3可知：

当v₀₁＝0V时，射频基波为零，即完成幅度置零。从图3(a)可以看出，此时调制器工作于最大偏置点。

当v₀₁＝V_pV时，射频基波为零，即完成幅度置零。从图3(a)可以看出，此时调制器工作于最小偏置点。

当v₀₁＝V_p/2V时，基波信号最大，为Kcos(Ωt)，从图3(a)可以看出，此时调制器工作于第一线性偏置点；

当v₀₁＝3V_p/2V时，基波信号最大，为Kcos(Ωt+π)，相位变化了180度，即完成一位相位加权。从图3(a)可以看出，此时调制器工作于第二线性偏置点。

在实际应用时，首先需要确定上述四个偏置点对应的直流电压，即需要得到图3(a)中的调制曲线，最常见的测量方法是极值法。其测试链路如图4所示。打开激光器，让光束经偏振控制器后以一定偏振角进入电光调制器，电光调制器上不加调制信号(即v_R1(t)＝0)，在调制器允许的电压范围内，从一个固定电压(如0V)开始增加直流偏压v₀₁，并记录光功率计上显示的光强值。根据记录数据绘制曲线，即为图3(a)中的调制曲线，从而得到四个偏置点各自对应的偏置电压。

根据以上理论分析，在调制器的第一/二线性偏置点处，射频信号的基次谐波达到最大；而在调制器的最大/最小偏置点，射频信号的基次谐波达到最小。因此，通过外来控制信号，将选定天线单元对应的电光调制器偏置在最大/最小偏置点，这些天线接收到的射频基波将得到抑制。从而达到幅度置零的效果。通过在第一线性偏置点和第二线性偏置点之间切换，可以实现对阵列射频信号的一位相位加权；这两种加权方式都可以破坏阵元的周期性，从而起到降低天线副瓣的作用。

应当指出，图1是以接收微波光子系统作为例子讨论本发明的幅度、相位加权，但本发明不局限于接收，在一些发射阵列或收发共用系统中也可以采用以上思路进行一位加权处理。该技术在存在或不存在光/电学移相器时均可以使用。

上述的实施例中所给出的系数和参数，是提供给本领域的技术人员来实现或使用发明的，发明并不限定仅取前述公开的数值，在不脱离发明的思想的情况下，本领域的技术人员可以对上述实施例作出种种修改或调整，因而发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (6)

1.一种基于光学手段的一位幅/相加权实现方法，其具体包括以下的步骤：步骤一、射频信号输入到电光强度调制器的射频输入口，直流源连接到电光强度调制器的直流输入口，激光器连接到电光强度调制器的光输入口；步骤二、根据控制信号，控制直流源的输出电压，从而使电光强度调制器工作于不同的偏置点处，从而实现对射频信号的一位幅/相加权。

2.如权利要求1所述的基于光学手段的一位幅/相加权实现，其特征在于所述偏置点包括最小偏置点、第一线性偏置点、第二线性偏置点和最大偏置点；通过控制信号，控制电光调制器的偏置电压在第一线性偏置点和第二线性偏置点之间切换，以实现对射频信号的一位相位加权。

3.如权利要求1或者2所述的基于光学手段的一位幅/相加权实现，其特征在于所述方法还包括通过控制信号，控制电光调制器的偏置电压在最大/最小偏置点与线性偏置点之间切换，以实现对射频信号的一位幅度加权。

4.一种基于光学手段的一位幅/相加权实现装置，其特征在于具体包括：控制单元、直流源、激光器以及电光强度调制器；射频信号输入到电光强度调制器的射频输入口，直流源连接到电光强度调制器的直流输入口，激光器连接到电光强度调制器的光输入口；控制单元用于控制直流源的输出电压，从而使电光强度调制器工作于不同的偏置点处，从而实现对射频信号的一位幅/相加权。

5.如权利要求4所述的基于光学手段的一位幅/相加权实现装置，其特征在于所述控制单元用于控制电光调制器的偏置电压在第一线性偏置点和第二线性偏置点之间切换，以实现对射频信号的一位相位加权。

6.如权利要求4或者5所述的基于光学手段的一位幅/相加权实现装置，其特征在于所述控制单元用于控制电光调制器的偏置电压在最大/最小偏置点与线性偏置点之间切换，以实现对射频信号的一位幅度加权。