CN107078810A - 相控阵列天线接收机的光子波束成形系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的一个目的是一种对具有N天线元件的相控阵列天线所接收的无线电信号执行波束成形的光子系统。它提供通过可调谐光延迟线(6)实现的具有周期性频率响应的真时间延迟波束成形。本发明提供了四个关键优点：光子RF相移；利用本征光子频率下转换的高灵敏度相干检测；相位噪声消除，因为频移光本振信号可从用于供给电光调制器(5)的同一激光源(1)获得；仅需要单个延迟线的可能性，该单个延迟线在所有可调谐光延迟线之间共享。这些优点的集合使所提出系统对于高端无线接收机极其有吸引力，高端无线接收机是诸如卫星通信系统和宽带无线信号传输的高要求应用所需要的。

Description

相控阵列天线接收机的光子波束成形系统
技术领域
本发明的一个目的是用于执行具有N个天线元件的相控阵列天线所接收的无线电信号的波束成形的光子系统。
本发明的光子系统执行相控阵列天线所接收的无线电信号的波束成形。系统提供具有周期性频率响应的、通过可调谐光延迟线实现的真时间延迟波束成形。在可能实施例中的一个中，马赫-曾德尔延迟干涉仪能够提供这种操作。
这种干涉仪在其臂/分支之间有预设的差分时间延迟，以及还有施加到其臂的功率之间的可调节耦合比率。可通过调节这种耦合比率来配置时间延迟。在所提出系统的第一阶段中，通过使用电光调制器的阵列将由相控阵列天线的所有天线元件输出的RF信号转换到光域。经调制的光信号的幅度可通过使用可变光衰减器和/或光放大器来调节；经调制的光信号的相位可通过使用移相器来调节；并且它们的时间延迟通过使用所提出的可调光延迟线来限定。然后将经调节信号组合成单个信号，然后通过使用从用于供给电光调制器的同一激光源获得的频移的光本振信号来相干检测该单个信号。由于系统所执行的功能是线性的，所以可以在光域中或电域中执行不同的功能。此外，某些功能还可具有简化的实现方式。在不同实施例中对此进行探索。
本发明提供了四个关键优点：光子RF相移；利用本征光子频率下转换的高灵敏度相干检测；相位噪声消除，因为频移的光本振信号可从用于供给电光调制器的同一激光源获得；以及仅需要单个延迟线的可能性，该单个延迟线在所有可调谐光延迟线之间共享。这些优点的集合使所提出系统对于高端无线接收机极其有吸引力，高端无线接收机是诸如卫星通信系统和宽带无线信号传输的高要求应用所需要的。
现有技术
相控阵列天线包括多个天线元件，这些天线元件常常以诸如正方形的二维配置来布置。为了在给定方向上发送信号，调节被供给到每个天线元件的射频(RF)信号的相位和幅度，使得相控阵列天线的辐射图在目标方向上被最大化。对供给到每个天线元件的信号的相位和幅度进行个体调节，允许完全地定制相控阵列天线的辐射图，从而能够进行更精密的应用，诸如其中对于多于一个方向将辐射图最大化的多波束操作。由于相控阵列天线是双向的，所以上述的操作原理也应用于接收无线电信号。相比于使用单个天线(常常比相控阵列天线的天线元件精密得多)，使用相控阵列天线的主要优点是不需要天线的物理移位或旋转来操控辐射图，还有由相控阵列天线给出的整形其辐射图的特有灵活性。
为了整形具有N个天线元件的相控阵列天线的辐射图，需要波束成形系统来处理由天线元件输出的N个RF信号。这种系统应该接收N个输入信号，各自控制它们的幅度和相位，并将所得信号组合成单个输出。为了执行信号的相位控制，典型的解决方案是使用相移器，相移器为广范围的频率提供恒定的相移。然而，向给定信号施加的相移仅对于单个频率是正确的。这意味着，利用包括相移器的波束成形系统的相控阵列天线仅对单个频率提供正确操作，该单个频率通常是输入无线电信号的载波频率。对于任何其他频率，相移是不正确的，意味着辐射图仅对于操作频率而言是如期望的那样准确的。该问题通常被命名为波束偏斜。虽然对于准单频信号而言这并不是问题，但对于在光谱上丰富的信号(诸如RADAR信号、承载高比特率数据的无线信号和射电天文信号)而言是严重的限制。
可通过使用相移与频率成正比变化的相移器来避免波束偏斜。通过使用时间延迟替代恒定频率的相移器，由此提供真时间延迟波束成形，实现这种性质。理想的真时间延迟波束成形系统提供与操作频率无关的一致辐射图，由此是理想的解决方案。然而，可调谐电延迟线的实现具有挑战性，特别是对于高的RF频率(例如，30GHz)而言。在这种高频率下，这种装置的衰减和频率相关响应是应考虑的。这些装置的体积也大并且通常具有长的调谐时间。
可通过光子技术，特别是通过微波光子技术来克服电子技术的这些典型限制。微波光子是跨学科领域，微波光子通过使用光子技术来在光域中应对RF信号的处理。光子技术给出了具有宽带宽(大约THz)且非常低损耗、轻重量、低功耗以及对于太空相关应用而言非常重要的不受电磁干扰影响的波导。光子系统的操作带宽常常受电光转换器和光电转换器的带宽限制，虽然如此，该带宽现在可容易地超过30GHz。在光子波束成形系统中，首先，通过调制一个或多个输入激光信号，将相控阵列天线所接收的信号转换到光域。然后，每个经调制的光信号被可调谐光延迟线(TODL)延迟，并且通过可变光衰减器和/或通过光放大器来调节该光信号的幅度。然后，将所得光信号组合成单个光信号，该单个光信号然后通过使用光接收器而被转换到电域。还可以至少部分地在电域中进行由光子波束成形系统执行的功能中的一些(特别是时间延迟、幅度调节和信号组合)。
已经提出了许多不同的光子波束成形系统。以下的现有技术描述了与本发明中公开的技术相关的技术。
美国专利No.5,428,218公开了基于空间复用的TODL。在这种自由空间实现方式中，通过反射镜的调节将光信号引导至给定的光纤中。因为不同的光纤具有不同的长度，所以可实现被添加至光信号的时间延迟的离散调谐。该实现方式还包括具有多波束系统(即，系统可被多个光信号同时使用)的可能性。提出了采用若干可调节反射镜的TODL的多波束实现方式作为用于相控阵列天线接收机的真时间延迟波束成形系统。
美国专利No.5,461,687公开了基于反射色散介质的TODL。通过调谐输入光信号的波长，传播信号的路径长度改变，从而得到可调谐的时间延迟。在第一实施例中，在使用衍射光栅和倾斜的反射镜的自由空间设备中实现扩散介质。在第二实施例中，具有不同中心波长的光纤布拉格光栅位于光纤的不同点处。提出了使用所公开TODL的真时间延迟光子波束成形系统。
美国专利No.7,558,450 B2公开了由耦合到波导的谐振元件构成的TODL。谐振元件是基于环形谐振器。该实现方式限于包括光载波和单个边带的光信号。在一个实施例中，两个谐振元件的频率谐振的对称移动使得能够调节被引起到边带中的时间延迟，该边带承载RF信号。第三谐振元件调节光载波的相位，以限定输出RF信号的相位。比谐振方法更重要的是，在光载波和边带之间没有任何光谱内容的情况下，所提出TODL适用于RF信号。因此，TODL的频率响应与位于边带和光载波之间的频率是不相关的。提出了为使用更多谐振元件来增加功能性的其它实施例。提出了使用所公开TODL的真时间延迟光子波束成形系统。
专利No.WO2012005618 A1公开了用于相控阵列天线发送机的真时间延迟光子波束成形系统。该系统是基于TODL，TODL进而是基于具有可调谐耦合比率的马赫-曾德尔延迟干涉仪(MZDI)(MZDI-TCR)。这种干涉仪包括输入光分离器、两个延迟线和输出光耦合器。两个延迟线具有在其之间的差分时间延迟。输入光分离器和/或输出光耦合器具有可调谐耦合比率，这意味着干涉仪的两个臂之间的功率比率是可调节的。可通过改变可调谐耦合比率来调节通过这种TODL设置的时间延迟。这种TODL的周期性频率响应需要光信号的光载波和边带必须以MZDI的幅度响应的最大处为中心。这暗示了限定干涉仪的频率响应的周期的干涉仪的延迟线之间的差分时间延迟必须取决于RF信号的频率来限定。在第一实施例中，首先，将要由相控阵列天线辐射的RF信号转换到光域。然后，将经调制的光信号分离成N个拷贝，并且每个拷贝被基于MZDI-TCR的TODL延迟。然后，将经延迟的光信号转换到电域，并且将所得信号供给到相应的天线元件。在第二实施例(图3)中，所有MZDI-TCR共享同一输入光耦合器和延迟线。仅使用两个延迟线，这两个延迟线由双折射介质的两个偏振轴组成。第二实施例公开了使用波分复用激光信号，每个天线元件一个激光信号。在仅对于单边带光信号合适的另一个实施例中，MZDI-TCR的输出耦合器被部分地在光域且部分地在电域实现。通过可变光衰减器在光域中调节可调谐耦合比率，而通过使用单个光接收器同时对正交偏振信号进行光电检测来执行正交偏振信号的相加。在科技论文Drummond,Miguel V.,Paulo P.Monteiro,and Rogério N.Nogueira."Photonic true-time delay beamformingbased on polarization-domain interferometers."Lightwave Technology,Journal of28.17(2010):2492-2498,DOI:10.1109/JLT.2010.2057408中详细研究了第一实施例。
PCT/PT2010/000061中提出的光子波束成形系统对相控阵列天线接收机的简单适应将是要用电－光转换器来取代光－电转换器，反之亦然。在图1中展示了这种方法。考虑具有N个天线元件(4)的相控阵列天线。单个激光源(1)提供激光信号，该激光信号被光分离器(2)分离成N个拷贝。每个拷贝被对应的天线元件的经放大RF信号调制。电放大器(3)被用于放大，以及电光调制器(5)被用于电光调制。然后，通过TODL(6)处理每个经调制的光信号，TODL(6)包括具有可调谐分离比率的输入光耦合器、臂之间的差分时间延迟τ以及输出光耦合器。然后，通过光组合器(7)将经延迟的光信号组合成单个信号。通过使用光接收器(8)将所得信号转换到电域。这种方案，虽然简单，但展示了一些不足。
考虑到被视为最接近的所述技术解决方案，它具有三点不足。第一，它不包括将大幅改善系统的灵敏度的相干检测。第二，它不包括光子频率下转换，这意味着输出电信号将仍然具有高的载波频率，由此需要高频电子装置。第三，由于TODL的周期性响应，所以这种系统仅适应于一组离散的RF频率，因为TODL的周期性频率响应需要光信号的光载波和边带必须以MZDI的幅度响应的最大处为中心。本发明应对了这些不足。
发明内容
本发明因此公开了一种用于执行相控阵列天线所接收的无线电信号的真时间延迟波束成形的光子系统。
本发明的一个目的是一种用于具有N个天线元件(4)的相控阵列天线的光子波束成形系统，在第一实施例中，该光子波束成形系统包括：
●用于生成第一光载波和第二光载波的部件，其中，第一光载波和第二光载波具有不同的频率；
●用于光学处理来自N个天线元件的N个信号的部件，该部件包括：
○N个电光调制器(5)的阵列，每个电光调制器用第一光载波的拷贝作为输入并且由N个天线元件中的一个所生成的RF信号来驱动；
○N个可调谐光延迟线(TODL)(6)的阵列，每个可调光延迟线用N个电光调制器(5)中的一个的输出信号作为输入，其中，每个TODL(6)具有周期性频率响应；
○光组合器(7)的阵列，用N个TODL的阵列的输出信号作为输入，并且产生至少一个输出信号；
●用于将来自用于光学处理来自N个天线元件(4)的N个信号的所述部件的至少一个输出信号转换成电输出信号的部件，该部件包括：
○相干接收器(14)的阵列，每个相干接收器用光组合器(7)的阵列的输出信号中的一个作为第一输入，以及用充当光本振信号(OLO)的第二光载波的拷贝作为第二输入；
●电组合器(15)的阵列，用相干接收器(14)的阵列的输出信号作为输入，并且产生至少一个输出信号，该至少一个输出信号是该光子波束成形系统的电输出信号。
本发明的另一个目的是一种通过先前描述的系统(以其实施例中的任一个)实现的将具有N个天线元件的相控阵列天线所接收的无线电信号波束成形的方法，该方法包括以下步骤：
●生成第一光载波和第二光载波；
●将该第一光载波的N个拷贝输入到用于光学处理来自N个天线元件的N个信号的部件中，具体地，输入到所述部件包括的电光调制器阵列的每个电光调制器(5)中；
●利用该N个天线元件中的一个所生成的RF信号来调制第一光载波的每个拷贝；
●处理每个在N个TODL中的一个中得到的信号；
●将经处理的信号光组合成至少一个输出光信号；
●将所述至少一个输出光信号转换成电输出信号，该步骤包括：
○使用第二光载波的拷贝作为OLD，对相干接收器(14)的阵列中的每个得到的信号进行外差相干检测；
●将得到的信号组合成至少一个电输出信号，该至少一个电输出信号中的一个是该光子波束成形系统的电输出信号。
通过使用具有周期性频率响应的TODL，实现真时间延迟波束成形。这种TODL(6)基本上是具有有限或(准)无限脉冲响应的可调谐光滤波器。在本发明的两个具体实施例中，具有周期性频率响应的每个TODL(6)是：
●具有可调谐耦合比率的马赫-曾德尔延迟干涉仪(MZDI-TCR)
或者
●具有可调谐耦合比率的环形谐振器。
MZDI-TCR是有限脉冲响应光滤波器的一个示例，而在波导和环本身之间具有可调谐耦合比率的环形谐振器充作准有限脉冲响应光滤波器的一个示例。不失一般性地，该描述是基于MZDI-TCR。MZDI-TCR具有在其臂之间的预设差分时间延迟(这里被定义为值τ)，并且还具有一个臂相对于另一个臂的平均功率之间的可调节比率。可通过调节这种耦合比率来配置时间延迟。这种TODL(6)在专利申请WO2012005618A1中被公开，并在用于相控阵列天线发送机的真时间延迟光子波束成形系统中被采用。
所有先前提到的三点不足被因使用相干检测而得到的所呈现的创新集合克服。第一，为了进行相干检测，必须使用OLO。应该在光电检测之前将波束成形系统的输出光信号与OLO组合。相干检测不仅能够实现比直接检测更高的灵敏度，而且它还允许使用除了强度调制以外的调制方案(诸如，幅度调制、相位调制或幅度与相位调制)。
在本发明的实施例中，可使用幅度调制来产生光载波(OC)被抑制的光信号。这在使用马赫-曾德尔调制器作为电光调制器时特别有利，因为这种调制器在被偏置处于最小传输点时给出最大线性度，这是调制OC被抑制的光信号的情况。使用OC被抑制的光信号之所以重要的另一个原因是，它还允许光放大器的最优使用，因为由光放大器提供的增益直接通向经调制的光信号的边带，所有信息被包含在该边带中。对于OC未被抑制的光信号，增益将必须与OC共享，这没有带来任何优点，因为没有信息被OC承载。对于低调制率而言，这将是特别不利的，因为OC的功率将相当多地高于边带的功率。
另一方面，如果不需要进行光放大，则可替代地采用相位调制，这带来需要简单相位调制器的优点。可以得知，相位调制示出了与OC被抑制的幅度调制相同的线性表现。使用相位调制器还避免了需要用相移器来控制每个路径的光相位，因为这种功能还可由相位调制器通过向供给到调制器的RF信号中添加缓慢变化的DC偏移来执行。相干检测还带来避免在将输入光信号转换到电域时的任何信息丢失的重要优点。此优点可用于使用模拟装置(诸如功率组合器)或使用数字信号处理器来进一步处理所检测到的电信号。数字信号处理可用于增强系统的线性度，或者更重要地，用于执行数字波束成形，在数字波束成形中，来自不同光子波束成形系统的输出可被组合成单个输出。
第二，存在许多执行光子频率下转换的方式。一种可能将是使用多音激光信号，使得在光电检测这些音与边带的差拍时将生成频率下转换的RF信号。然而，这将增加信号的光谱内容，鉴于基于MZDI-TCR的TODL的有限操作带宽，这是不期望的。充分利用相干检测的简单方式是使用如图2中例示并且在本发明的目的中实施的频移OLO。替代使OLO的中心在OC的同一频率处(即，设定fOLO＝fOC，由此检测位于fOC±fRF处的两个边带，并且产生在频率fRF处的电信号)，使OLO的中心更靠近一个边带，该边带在图中是最高频率为fOLO＝fxC+fIF的边带。因此，检测到的信号具有与输入光信号的边带对应的两个分量。一个边带位于下转换频率fRF-fIF处，而另一个位于上转换频率fRF+fIF处。可通过使用带通滤波器对频率下转换信号滤波，该滤波理论上等同于对具有最低频率的边带执行单边带(SSB)滤波。对于外差检测，如本发明的情况下那样，最小的下转换频率被边带的光谱宽度以及频率波动限制。
基本上存在三个选项来实现频移OLO，三个选项提供了本发明的三个可能的实施例。
第一个选项是使用独立于输入激光源(1)的自由运转激光源(1)，其中输入激光源(1)供给光子波束成形系统。为了使OLO频率和相位锁定到输入激光信号，需要控制回路，诸如，模拟光锁相回路，或在处理下转换电信号的数字信号处理器中实现的数字载波频率和相位恢复。然而，这两种控制回路的实现都很复杂。
第二个选项是使用生成具有给定频率间隔的至少两个音的多音激光源(1)。这些音中的两个被光梳状滤波器(optical interleaver)分开，并且一个音供给光子波束成形系统，而另一个音被用作OLO。该选项具有以下不足：在至少两个音之间分离激光输出功率，以及需要波长相关的光梳状滤波器将一个音与另一个音分开。
第三个选项是从输入激光信号获得OLO。在这种情况下，从所述第一光载波生成所述第二光载波。一种可能的实现方式将是调制信号激光源(1)的拷贝，使得经调制的光信号将包含处于频率fOLO的单个音。另一种可能的实现方式将是调制输入激光信号的拷贝，使得经调制的光信号将具有处于频率fOLO的音。这种经调制的光信号将然后注入锁定被调谐到频率fOLO的第二激光源(1)，由此产生具有频率为fOLO的单个音的光信号。
所有的实现方式都产生频率和相位被锁定到输入激光信号并且还被从fOC频移到fOLO的OLO信号。使波束成形系统的输入激光信号以及进而输出光信号与频移OLO相位锁定的非常重要的优点在于，存在相位噪声消除，由此大幅放松对输入激光源(1)的线宽要求。使输出电信号处于更低频率带来的优点是：例如通过有可能省去高频模拟或数字频率下转换器，放松剩余的电子电路。由此，输出电信号可立即通过模数转换器数字化，并且在数字信号处理器中被进一步处理。
第三，还是由于如由本发明实现的那样频移了OLO，因为仅光信号的边带中的一个被相干检测，所以仅需要延迟此边带。因此，TODL仅需要处理边带中的一个，即，TODL的频率响应仅需要与所处理的边带对准。作为结果，不再需要取决于fRF来离散限定每个干涉仪的延迟线之间的差分时间延迟，即，TODL(6)的频率响应的周期不再需要与fRF相关。仅检测光信号的边带中的一个还使得能够有可能使光子RF相移。通过将光信号相对于经频移的OLO相移给定值，所得的相干检测的频率下转换电信号的相位被移动相同值。如果检测两个边带，将不是这种情况。
由于系统所执行的功能是线性的，可以在光域、在电域或在这两个域中执行不同的功能。例如，可使用光组合器(7)的阵列仅在光域中、使用电组合器(15)的阵列仅在电域中或者使用这两种组合器的阵列在这两个域中执行信号组合。此外，系统的某些部件可彼此组合，使得完整系统得以简化。例如，并且如实施例中的一个所探索的，通过将光组合器(7)的阵列嵌入N个TODL(6)的阵列中，则仅需要单个光延迟线(17)。
参照图7的实施例，其中，所有在相干检测中被用作OLO的光载波(由激光信号实施)被频移fIF(图7中的点B)。图7的实施例可以使得用于产生光载波的部件由两个均用于生成单个光载波的不同部件组成。这里，相干检测现在得到中心在±fRF-fIF处的两个信号，而不是中心在fRF-fIF的一个单个信号。低通滤波造成中心在-fRF-fIF处的信号被抑制。实际上，这意味着在相干检测期间执行单边带(SSB)滤波。除了在相干检测期间同时实现频率下转换由此使平衡接收器的带宽从～fRF放松降至～fRF-fIF外的优点，现在还可仅仅通过改变OLO和/或经调制的光信号的相位而在光域中实现RF相移。
总之，本发明提出了国际专利申请PCT/PT2010/000061中公开的可调谐光延迟线的用于在接收模式下操作的相控阵列天线的新应用，由此也能够实现真时间延迟操作。然而，应该注意，在本发明中引入了进一步创新，从而能够实现RF信号的光子频率下转换、光子RF相移以及减轻与RF-光信号转换相关的若干损害。
本发明的优选实施例和国际专利申请PCT/PT2010/000061之间的不同可总结如下。在本发明的所述优选实施例中：
1.光子波束成形网络在接收模式下操作，即，相控阵列天线接收无线信号而不是生成无线信号；
2.主要的创新性在于使用相干检测来检测由所有天线元件提供的组合信号，其中，光本振信号源自同一激光源，但是经历了频移。这得到如以下看到的多个优点；
3.延迟线可支持任何RF频率，因为不再需要限于MZDI的自由光谱范围。
4.提供MZDI的详细实现方式，该实现方式与光子集成电路完全兼容。这是非常相关的，因为仅在光子集成电路中有可能实现这种系统。
5.提供不仅在光域中而且在电域中从多个天线元件(4)执行信号组合的完整系统的描述。
附图说明
以下，更详细地说明本发明的示例性实施例。
图1示出使用单个激光源(1)的用于相控阵列接收机的光子波束成形系统的基本实现方式，其中，所有经调制的光信号被各自延迟，并且然后被组合成单个光信号。
图2例示相干接收器(14)的输入处的光谱，包括输出光信号和频移光本振信号二者。
图3示出用于相控阵列接收机的所提出的波束成形系统的第二实施例，其中在光域中进行信号组合，由此需要单个相干接收器(14)。通过使输入激光信号的拷贝频移来获取光本振信号。
图4示出所提出的波束成形系统的第三实施例。仅在电域中进行信号组合，由此需要N个相干接收器(14)。
图5示出使用单个光延迟线(17)的所提出的波束成形系统的第四实施例。为了实现这样，来自所有MZDI的具有可调谐耦合比率的输入光耦合器的上输出的信号被组合成单个光信号，这个光信号被供给到光延迟线(17)。来自所有MZDI的具有可调谐耦合比率的输入光耦合器的下输出的信号被同样组合成单个光信号，这个光信号被供给到输出光耦合器(18)。
图6示出第五实施例，第五实施例与第三实施例相同，不同之处在于使用了单个电延迟线(19)，即，延迟线被从光域移到电域中。为了实现这样，使用两个相干接收器(14)，一个相干接收器(14)用于检测所有MZDI的具有可调谐耦合比率的输入光耦合器的上输出的组合信号，而另一个相干接收器(14)用于检测所有MZDI的具有可调谐耦合比率的输入光耦合器的下输出的组合信号。
图7示出第六实施例，第六实施例与第一实施例相同，不同之处在于使用了两个激光源(1)。所有激光源(1)应该具有不同波长，并且每个激光源(1)供给至少一个电光调制器(5)。所有激光信号在底部分支处频移，由此生成波分复用频移OLO。仅使用一个相干接收器(14)来同时检测所有波分复用信号。
图8示出图7的不同点处的光谱。
具体实施例
在本发明的发明内容中定义了本发明的基本系统架构和操作原理。在以下的行中详述若干配置。
在本发明的系统的第七实施例中，光组合器(7)的阵列被嵌入N个TODL的阵列中，其中：
●每个MZDI-TCR包括具有可调谐耦合比率的输入光耦合器，该输入光耦合器具有第一输出和第二输出；
●光组合器(7)的阵列包括三组光组合器，使得：
○第一组光组合器(16)被布置成使得它将来自N个具有可调谐耦合比率的输入光耦合器的第一输出的信号组合；
○第二组光组合器(16)被布置成使得它将来自N个具有可调谐耦合比率的输入光耦合器的第二输出的信号组合；
○第一组光组合器(16)的至少一个输出被连接到光延迟线(17)；
○第三组光组合器(18)被布置成使得它将来自第二组光组合器(16)的至少一个输出信号与来自光延迟线(17)的输出信号组合。
在该实施例中，N个TODL的阵列被简化使得所有TODL共享同一光延迟线(17)。优点在于，仅需要单个光延迟线(17)。然而，此优点的代价是需要两组光组合器(16)，该实施例由此可以需要与第一实施例相比高达两倍数量的监视点(13)。如果光延迟线(17)是可调谐的，则实现了增加的灵活性。
在本发明的系统的第八实施例中，作为先前描述的配置的替换方式，光组合器(7)的阵列、相干接收器(14)的阵列和电组合器(15)的阵列被嵌入N个TODL的阵列中，使得：
●每个MZDI-TCR包括具有可调谐耦合比率的输入光耦合器，该输入光耦合器具有第一输出和第二输出；
●光组合器(7)的阵列包括两组光组合器，使得：
○第一组光组合器(16)被布置成使得它将来自N个具有可调谐耦合比率的输入光耦合器的第一输出的信号组合；
○第二组光组合器(16)被布置成使得它将来自N个具有可调谐耦合比率的输入光耦合器的第二输出的信号组合；
●相干接收器(14)的阵列包括两组相干接收器(14)，使得：
○第一组相干接收器(14)中的每个相干接收器(14)用第一组光组合器(16)的输出信号作为第一输入，并且用充当OLO的第二光载波的拷贝作为第二输入；
○第二组相干接收器(14)中的每个相干接收器(14)用第二组光组合器(16)的输出信号作为第一输入，并且用充当OLO的第二光载波的拷贝作为第二输入；
●电组合器(15)的阵列包括三组电组合器(15)，使得：
○第一组电组合器(15)被布置成使得它组合来自第一组相干接收器(14)的信号；
○第二组电组合器(15)被布置成使得它组合来自第二组相干接收器(14)的信号；
○第一组电组合器(15)的至少一个输出被连接到电延迟线(19)；
○第三组电组合器(15)被布置成使得它将来自第二组电组合器(15)的至少一个输出信号与来自电延迟线(19)的输出信号组合。
该实施例与前述实施例类似，但是这里系统仅具有单个电延迟线(19)。
在可以与前面实施例中的任一个组合的本发明的光子波束成形系统的特定实施例中，它还包括被连接到用于生成第一光载波和第二光载波的部件的光分离器(2)，以生成第一光载波的N个拷贝。
在可以与前面实施例中的任一个组合的本发明的光子波束成形系统的特定实施例中，系统还包括光放大器(10)的阵列，其中，每个光放大器(10)被连接到N个光电调制器(5)中的一个光电调制器(5)的输出。
在本发明的光子波束成形系统的另一个特定实施例中，系统还包括相移器的阵列，其中，一个相移器连接到每个MZDI-TCR的具有可调谐耦合比率的输入光耦合器的每个输出。
在本发明的光子波束成形系统的另一个特定实施例中，该系统还包括相移器(11)的阵列，其中，每个相移器(11)连接到N个电光调制器(5)中的一个的输出。
在可以与前面实施例中的任一个组合的包括MZDI-TCR的本发明的光子波束成形系统的可能实施例中，每个MZDI-TCR具有至少两个输出，其中，至少一个输出是监视点(13)。
在本发明的光子波束成形系统的可能实施例中，光组合器(7)的阵列和电组合器(15)的阵列的至少一个输出是监视点(13)。
在可以与前面实施例中的任一个组合的本发明的光子波束成形系统的特定实施例中，系统还包括监视和控制系统，其中，这种系统从监视点(13)或者从光子波束成形系统的电输出和光输出读取信息，在数字信号处理器中处理该信息，并且启动N个电光调制器(5)的阵列、光放大器(10)的阵列和相移器(11)的阵列。
使用基于相干检测的光子波束成形系统需要特别小心，因为输出信号取决于所有延迟光信号的相对相位。因此，优选仔细监视和控制所有光学路径的相位稳定性。
可通过使用紧凑的实现方式来实现被动稳定，在该实现方式中，机械振动和热振动的效果被最小化或至少是更均匀的。光子电路集成由此是对于本申请的关键技术。
使用典型的基于反馈的监视和控制系统可以实现主动稳定。从位于系统战略点的监视输出读取信息。这种信息被处理，然后基于这种信息启动诸如相移器(11)或相位调制器的控制输入。主动稳定可涉及或可不涉及系统的至少部分的暂时性操作中断。如果经系统处理的信号还用于监视目的，则系统没有中断。如果向输入信号添加非干扰监视信号(例如，带外导频音)，则同样适用。然而，如果输入信号被监视信号取代或支配，则操作中断是不可避免的。
实施例
在图3中示出第二实施例。该实施例并入先前部分中描述的所有有利特征。除了处理来自所有N个天线元件的输入信号所需的N个上路径外，在底部处存在用于生成频移OLO信号的另一条路径。输入激光信号的拷贝被频移器(9)从频率fOC频移至频率fOLO＝fOC+fIF。
在针对输入RF信号的电光调制和针对OLO的频移之后，所得信号通过光放大器(10)的阵列放大。随后，每个经调制的光信号被相移器βi(11)(i＝1、…、N)相移。相移器(11)的阵列可以不仅对于个体RF光子相移是有用的，而且对于每个路径的主动相位稳定是有用的。如果使用电光相位调制，则可避免相移器(11)的使用，因为可在相位调制的同时执行相移。
然后，通过N个TODL的阵列来处理经相移的光信号。这里描绘TODL(6)的优选实现方式。它包括具有两个输出的马赫-曾德尔干涉仪，该马赫-曾德尔干涉仪充作具有可调谐耦合比率的输入光耦合器，其中，耦合比率通过相移器φi(i＝1、…、N)来控制。上输出被连接到延迟为τ的光延迟线，而下输出连接到相移器γi(i＝1、…、N)。此相移器的目的是，将TODL(6)的频率响应与TODL的输入光信号的经处理边带的中心频率对准。然后，通过2×2光耦合器来组合来自光延迟线和相移器的输出信号。上输出的光信号是TODL的输出光信号，而下输出的光信号可用于监视目的，具体地，用于控制相移器φi和γi。
然后，通过光组合器来组合经延迟的光信号，光组合器在这里被描绘为多个2×2光耦合器(12)的布置。这种布置具有高达N个输出，其中，一个输出(图3中的上输出)产生组合的光信号，而剩下的输出可用于监视目的(13)。
这些监视点(13)对于控制相移器(11)βi，即，对于限定和稳定所有经延迟光信号的相对相位，是有用的。组合光信号与频移OLO组合，然后由相干接收器(14)进行相干检测。
图3中描绘的实施例是第一实施例的一具体情况，因为信号仅在光域中被组合。这意味着，第一实施例中提到的光组合器(7)的阵列在图3中被实现为多个2×2光耦合器(12)的布置，而电组合器(15)的阵列可简单地视为与相干接收器(14)的输出连接的1×1电组合器。
即使图3描绘了包括平衡光电检测器的外差相干接收器(14)的优选实现方式，但零差接收和/或单端检测也是有效选项。可通过使用以频率fRF-fIF为中心的带通滤波器来恢复经频率下转换的输出电信号。滤波信号可被解调，经受进一步模拟或数字信号处理，或用于监视目的。
在图4中示出第三实施例。该实施例例示了原本在光域中执行的某些功能如何可以在电域中执行，由此包括具有N个输入的电组合器(15)的阵列。
在这种情况下，在电域中进行经延迟的光信号的组合。电组合器(15)由此具有N个输入。每个经延迟的光信号首先被相干检测。
频移OLO信号被分离成N个拷贝，其中，每个拷贝供给一个相干接收器(14)。然后，通过使用电组合器(15)将N个输出电信号组合成单个信号，电组合器(15)被实现为多个2×2电耦合器(15)的布置。
图4中描绘的实施例也是第一实施例的一具体情况，因为信号仅在电域中被组合。这意味着，第一实施例中提到的光组合器(7)的阵列在图4中被简单地实现为N个1×1光耦合器(12)，从而每个1×1光耦合器(12)将一个TODL(6)的输出连接到一个相干接收器(14)的一个输入。电组合器(15)的阵列被实现为多个2×2电组合器(15)的布置。
同样地，在第一实施例中描绘的光组合器(7)、监视点(13)对于控制相移器(11)而言是有用的。在电域中进行信号组合的主要优点是，光子集成电路中实现光子功能性需要更小的芯片面积。另外，电组合器(15)的插入损耗可低于光组合器(7)，具体是因为要组合的电信号已经被频率下转换。
在图5中示出另一个可能实施例，其中，N个TODL的阵列被简化，使得所有TODL共享同一光延迟线(17)。本实施例实现了单个光延迟线(17)被N个TODL共享的简化系统。
在这种情况下，TODL的阵列如下进行操作。每个TODL(6)仍然包括具有两个输出的、充作可调谐输入光耦合器的输入马赫-曾德尔干涉仪，在该光耦合器中，通过相移器φi(i＝1、…、N)来控制耦合比率。所有干涉仪的上输出被组合成供给光延迟线(17)的单个输出。需要相移器βi来限定和稳定这种光组合器(16)的相对相位。所有干涉仪的下输出被同样组合成单个输出，该单个输出供给输出2×2光耦合器(18)的下输入。需要相移器γi来限定和稳定这种光组合器的相对相位。
虽然在第一实施例中所有TODL相互独立，但在该实施例中，通过在N个TODL的阵列中嵌入光组合器(16)的阵列，所有TODL现在共享MZDI-TCR的上臂和下臂，其中，光延迟线(17)被包括在上臂中。如先前提到的，优点在于仅需要单个光延迟线(17)。然而，这种优点的代价是需要两组光组合器(16)，由此会需要相比于第一实施例高达两倍数量的监视点(13)。如果光延迟线(17)是可调谐的，则实现增加的灵活性。
在图6中示出第五实施例。该实施例与第四实施例具有相似性，但是这里系统仅具有单个电延迟线(19)。为了实现这样，所有干涉仪的上输出被组合成单个输出，上相干接收器(14)对该单个输出进行相干检测。同样地，所有干涉仪的下输出被组合成单个输出，下相干接收器(14)对该单个输出进行相干检测。上相干接收器(14)的输出电信号被电延迟线(19)延迟，然后与下相干接收器(14)的输出电信号组合，成为最终电输出信号。如果电延迟线(19)是可调谐的，则实现增加的灵活性。
在图7中示出第六实施例。相比于第一实施例，该实施例使用多个激光源(1)，使得所有激光源(1)具有不同的波长。即使在图7中一个激光源(1)被分派给一个电光调制器，但实际上一个激光源(1)可被各种电光调制器(5)共享。经延迟的光信号被组合成单个波分复用信号，该单个波分复用信号有与激光源的数量一样多的颜色或通道。频移OLO的生成与第一实施例类似，但现在存在与激光源的数量一样多的频移LO。因为理论上相干检测对于输入信号的波长而言是透明的，所以仅使用一个相干接收器(14)，由此将所有输入光信号相加。因此，还在相干检测中执行将信号组合成最终信号。如在图8中观察到的，光谱与图2中示出的原始光谱非常相似。
本发明的架构的主要创造性特征可被描述为：
●SSB滤波使得能够在相干检测期间进行频率下转换。因此，将平衡接收器的所需带宽从～fRF放松降至～fRF-fIF；
●除了由MZDI提供的真时间延迟功能外，通过操纵相移器βi(11)来实现光子RF相移。这还可以通过SSB滤波来实现。
●系统末端处的带通滤波允许不仅过滤中心在fRF-fIF处的所期望RF信号，而且还减轻数据调制时的谐波失真，抑制由于MZM和/或IQ调制器的有限ER而生成的RF音(位于fIF处)，并抑制由于平衡光电二极管的不平衡而生成的音(处于DC和2fRF)；
●对于数据调制和本振信号使用同一激光源(1)得到相位噪声消除，从而使得能够使用具有有可能更高功率的较简单的激光结构；
●系统可应付不同的RF频率，不仅是因为MZDI仅需要延迟一个边带，而且是因为可通过使用可调谐RF本振信号来变化fIF；
●可通过控制所接收的RF信号的相位并且使用RF混合耦合器来从不同波束成形系统实现理论上无损的功率组合；
●在战略点处监视系统实现了对抗制造缺陷、热和机械不稳定性以及激光频率漂移的稳健操作。
本领域的技术人员将清楚，当考虑本公开时，本发明并不严格限于所描述的实施例，许多可能的配置仍在本发明的范围内。
以上公开的实施例可以在若干可能配置中是可组合的，避免所有可能组合的重复。

Claims (16)

1.一种用于具有N个天线元件(4)的相控阵列天线的光子波束成形系统，所述光子波束成形系统包括：
●用于生成第一光载波和第二光载波的部件，其中，第一光载波和第二光载波具有不同频率；
●用于光学处理来自N个天线元件的N个信号的部件，该部件包括：
○N个电光调制器(5)的阵列，每个电光调制器用第一光载波的拷贝作为输入并且由所述N个天线元件中的一个天线元件所生成的RF信号来驱动；
○N个可调谐光延迟线TODL(6)的阵列，每个可调谐光延迟线用所述N个电光调制器(5)中的一个电光调制器(5)的输出信号作为输入，其中，每个TODL(6)具有周期性频率响应；
○光组合器(7)的阵列，用N个TODL的所述阵列的输出信号作为输入，并且产生至少一个输出信号；
●用于将来自用于光学处理来自所述N个天线元件(4)的所述N个信号的所述部件的至少一个输出信号转换成电输出信号的部件，该部件包括：
○相干接收器(14)的阵列，每个相干接收器用光组合器(7)的所述阵列的所述输出信号中的一个输出信号作为第一输入并且用充作光本振信号OLO的第二光载波的拷贝作为第二输入；
●电组合器(15)的阵列，用相干接收器(14)的所述阵列的输出信号作为输入，并且产生至少一个输出信号，所述至少一个输出信号是所述光子波束成形系统的电输出信号。
2.根据权利要求1所述的光子波束成形系统，其中，具有周期性频率响应的每个TODL(6)是具有可调谐耦合比率的马赫-曾德尔延迟干涉仪MZDI-TCR。
3.根据权利要求1所述的光子波束成形系统，其中，具有周期性频率响应的每个TODL(6)是具有可调谐耦合比率的环形谐振器。
4.根据权利要求2所述的光子波束成形系统，其中，光组合器(7)的所述阵列被嵌入N个TODL的所述阵列中，其中：
●每个MZDI-TCR包括有第一输出和第二输出的具有可调谐耦合比率的输入光耦合器；
●光组合器(7)的所述阵列包括三组光组合器，使得：
○第一组光组合器(16)被布置成使得它将来自N个所述具有可调谐耦合比率的输入光耦合器的第一输出的信号组合；
○第二组光组合器(16)被布置成使得它将来自N个所述具有可调谐耦合比率的输入光耦合器的第二输出的信号组合；
○第一组光组合器(16)的至少一个输出被连接到光延迟线(17)；
○第三组光组合器(18)被布置成使得它将来自第二组光组合器(16)的至少一个输出信号与来自所述光延迟线(17)的输出信号组合。
5.根据权利要求2所述的光子波束成形系统，其中，光组合器的所述阵列、相干接收器(14)的所述阵列和电组合器(15)的所述阵列被嵌入N个TODL的所述阵列中，其中：
●每个MZDI-TCR包括有第一输出和第二输出的具有可调谐耦合比率的输入光耦合器；
●光组合器(7)的所述阵列包括两组光组合器，使得：
○第一组光组合器(16)被布置成使得它将来自N个所述具有可调谐耦合比率的输入光耦合器的第一输出的信号组合；
○第二组光组合器(16)被布置成使得它将来自N个所述具有可调谐耦合比率的输入光耦合器的第二输出的信号组合；
●相干接收器(14)的所述阵列包括两组相干接收器(14)，使得：
○第一组相干接收器(14)中的每个相干接收器(14)用第一组光组合器(16)的输出信号作为第一输入信号，并且用充当OLO的第二光载波的拷贝作为第二输入；
○第二组相干接收器(14)中的每个相干接收器(14)用第二组光组合器(16)的输出信号作为第一输入信号，并且用充当OLO的第二光载波的拷贝作为第二输入；
●电组合器(15)的所述阵列包括三组电组合器(15)，使得：
○第一组电组合器(15)被布置成使得它组合来自第一组相干接收器(14)的信号；
○第二组电组合器(15)被布置成使得它组合来自第二组相干接收器(14)的信号；
○第一组电组合器(15)的至少一个输出被连接到电延迟线(19)；
○第三组电组合器(15)被布置成使得它将来自第二组电组合器(15)的至少一个输出信号与来自所述电延迟线(19)的输出信号组合。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的光子波束成形系统，其中，从第一光载波生成第二光载波。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的光子波束成形系统，其中，所述光子波束成形系统还包括：
●光分离器(2)，所述光分离器(2)被连接到用于生成第一光载波和第二光载波的所述部件，以生成第一光载波的N个拷贝。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的用于具有N个天线元件(4)的相控阵列天线的光子波束成形系统，还包括光放大器(10)的阵列，其中，每个光放大器被连接到所述N个电光调制器(5)中的一个电光调制器(5)的输出。
9.根据权利要求4或5中的任一项所述的用于具有N个天线元件(4)的相控阵列天线的光子波束成形系统，还包括相移器的阵列，其中，一个相移器被连接到每个MZDI-TCR的具有可调谐耦合比率的所述输入光耦合器的每个输出。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的用于具有N个天线元件(4)的相控阵列天线的光子波束成形系统，还包括相移器(11)的阵列，其中，每个相移器(11)被连接到所述N个电光调制器(5)中的一个电光调制器(5)的输出。
11.根据权利要求2和4－10中的任一项所述的光子波束成形系统，其中，每个MZDI-TCR具有至少两个输出，其中，至少一个输出是监视点(13)。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的光子波束成形系统，其中，光组合器(7)的所述阵列和电组合器(15)的所述阵列的至少一个输出是监视点(13)。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的光子波束成形系统还包括监视和控制系统，其中，这种系统从所述监视点(13)或者从所述光子波束成形系统的所述电输出和光输出读取信息，在数字信号处理器中处理所述信息，并且启动N个电光调制器(5)的所述阵列、光放大器(10)的所述阵列和相移器(11)的所述阵列。
14.一种用于将具有N个天线元件的相控阵列天线所接收的无线电信号波束成形的方法，所述方法通过根据权利要求1所述的系统来实现，并包括以下步骤：
●生成第一光载波和第二光载波；
●将第一光载波的N个拷贝输入到用于光学处理来自N个天线元件的N个信号的部件，具体地，输入到所述部件包括的电光调制器的阵列中的每个电光调制器中；
●利用所述N个天线元件中的一个天线元件所生成的RF信号来调制第一光载波的每个拷贝；
●处理每个在N个TODL中的一个TODL中得到的信号；
●将经处理的信号光组合成至少一个输出光信号；
●将所述至少一个输出光信号转换成电输出信号，该步骤包括：
○使用第二光载波的拷贝作为OLD，对相干接收器(14)的阵列中的每个得到的信号进行外差相干检测；
●将所得信号组合成至少一个电输出信号，所述至少一个电输出信号中的一个是所述光子波束成形系统的所述电输出信号。
15.根据前述权利要求所述的并且由根据权利要求4所述的系统实现的用于将具有N个天线元件(4)的相控阵列天线所接收的无线电信号波束成形的方法，所述方法还包括以下步骤：
●将从电光调制得到的信号中的每个分离成第一信号和第二信号，其中，这两个信号能具有不同的幅度；
●将得到的第一信号光组合成至少一个第一组合光信号；
●将所得的第二信号光组合成至少一个第二组合光信号；
●延迟至少一个第一组合输出信号；
●将得到的信号与至少一个第二组合输出信号光组合成至少一个输出光信号。
16.根据权利要求14所述的并且由根据权利要求5所述的系统实现的用于将具有N个天线元件(4)的相控阵列天线所接收的无线电信号波束成形的方法，所述方法还包括以下步骤：
●将从电光调制得到的信号中的每个分离成第一信号和第二信号，其中，这两个信号能具有不同的幅度；
●将得到的第一信号光组合成至少一个第一组合光信号；
●将得到的第二信号光组合成至少一个第二组合光信号；
●对至少一个第一组合光信号进行外差相干检测，从而生成第一组电信号；
●对至少一个第二组合光信号进行外差相干检测，从而生成第二组电信号；
●将第一组电信号电组合成至少一个第一组合电信号；
●将第二组电信号电组合成至少一个第二组合电信号；
●延迟至少一个第一组合电信号；
●将得到的信号与至少一个第二组合电信号电组合成至少一个输出电信号。
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