CN108957900A - 一种基于硅基的多波束光学相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于硅基的多波束光学相控阵天线，采用硅基波导、硅基光分路器、硅基光合路器、硅基光移相器等硅基光学器件，此天线采用M×N光移相矩阵，通过灵活配置M和N参数，可以实现N个天线子阵、M个波束的硅基光学相控阵天线，形成M个独立可控波束，实现多波束成形及独立控制。此发明可以灵活实现波束成形和波束独立控制，是一种真正意义的光学多波束相控阵天线。

Description

一种基于硅基的多波束光学相控阵天线

技术领域

本发明涉及一种基于硅基的多波束光学相控阵天线，属于卫星激光通信和激光雷达技术领域。

背景技术

近年来空间激光通信技术得到快速发展，国外成功建立了星间、星地高速激光通信演示验证系统。随着空间激光通信技术的发展，星间激光通信链路向空间激光通信网络发展，这需要实现一个用户与多个用户之间的通信。目前国内外研究的激光通信系统为点对点单链路数据传输系统，采用机械式捕跟机构和传统式捕获跟踪技术，机械式捕跟机构(包括天线)体积大、笨重，而且惯性大，不仅难以满足平台对体积和重量需求，而且难以实现多用户接入。

目前研究的硅基波导光学相控阵天线只能实现单波束扫描，没有多波束成形和控制能力。

发明内容

本发明的技术解决问题是：

为克服现有技术的不足，提供一种基于硅基的多波束光学相控阵天线，以解决多个波束的偏转问题。

本发明的技术解决方案是：

一种基于硅基的多波束光学相控阵天线，包括M个1×N光分路器，M×N个光移相器，N个M×1光合路器，N个天线单元，形成硅基光学相控阵，通过光波导传输线连接，1×N光分路器将一路入射光束分为N路；其中光分路器、光移相器、光合路器串行排列，M个1×N光分路器，M×N个光移相器，N个N×1光合路器，N个天线单元分别并行排列；光移相器对通过光移相器的光波进行移相控制，实现0-2π范围的连续相位控制；N×1光合路器将输入的N路光信号合为一路；天线单元将输入的光信号发射出去。

M个激光发射模块发出的光信号传递至硅基光学相控阵上，分别传递至后续M个1×N光分路器，对于每一个1×N光分路器，将激光发射模块输出的光信号分为N路，形成M×N路光波，并送入后续串联移相器分别进行移相，移相后的光信号分别送入N个M×1光合路器合为N路，合路得到的N路信号送入后续N个天线单元，并由此N个天线单元发射出去。

其中M个1×N光分路器、N个M×1光合路器采用空分复用技术或波分复用技术，光移相器采用热光效应或电光效应的相位控制方法，光学相控阵天线采用阵列光栅移相方法。

每个波束的偏转角度和每个波束的移相控制单元相移一一对应，根据每个波束偏转角度，计算出每个移相器的移相量，实现波束偏转控制。

根据其波束指向需求，确定对应的每一个移相器的移相量

其中k_r＝w_r/c，C为光速，d为阵元间隔，N为阵元数，w_r为光波频率，θ为天线主瓣波束指向角。

根据移相量确定移相量和电压Vn的关系，确定需要波控器输出的控制电压Vn，各个移相器在控制电压作用下实现光波移相，从而使得从天线单元发出的光信号满足波控相位移相需求，实现波束的偏转控制。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明天线采用M×N光移相矩阵，通过灵活配置M和N参数，可以实现N个天线子阵、M个波束的硅基光学相控阵天线，形成M个独立可控波束，实现多波束成形及独立控制；

(2)本发明多个用户共用(一个用户对应一个波束)相同的天线单元，实现多波束的成形和波束偏控制，此方法有效降低多波束相控阵天线的天线单元数量，系统更易于集成化设计；

(3)本发明可以灵活实现波束成形和波束独立控制，是一种真正意义的光学多波束相控阵天线，以满足下一代空间激光通信网络多用户接入技术发展需求，解决多个波束的偏转问题。

附图说明

图1为本发明硅基多波束光学相控阵天线结构示意图；

图2为本发明天线阵波束偏转指向示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实现方式进行详细说明。

一种基于硅基的多波束光学相控阵天线，如图1所示，包括M个1×N光分路器，M×N个光移相器，N个M×1光合路器，N个天线单元，形成硅基光学相控阵，通过光波导传输线连接，1×N光分路器将一路入射光束分为N路；其中光分路器、光移相器、光合路器串行排列，M个1×N光分路器，M×N个光移相器，N个N×1光合路器，N个天线单元分别并行排列；光移相器对通过光移相器的光波进行移相控制，实现0-2π范围的连续相位控制；N×1光合路器将输入的N路光信号合为一路；天线单元将输入的光信号发射出去。

M个激光发射模块发出的光信号传递至硅基光学相控阵上，分别传递至后续M个1×N光分路器，对于每一个1×N光分路器，将激光发射模块输出的光信号分为N路，形成M×N路光波，并送入后续串联移相器分别进行移相，移相后的光信号分别送入N个M×1光合路器合为N路，合路得到的N路信号送入后续N个天线单元，并由此N个天线单元发射出去。

其中M×N个光移相器，其中1×N光分路器、M×1光合路器。1×N光分路器采用功率分路，M×1光合路器采用采用波分复用技术。光移相器可以采用热光效应、电光效应等多种相位控制方法。对于此光学相控阵天线，其移相原理采用阵列光栅移相方法，图2给出其波束偏转控制示意图，这里M对应形成的波束数量。N对应天线单元数量。N的取值取决于天线的作用距离和硅基链路损耗、天线效率以及作用距离等参数。M受限于现有波分复用器的工作带宽和波束间隔。

每一个波束的偏转角度和每个波束的移相控制单元相移一一对应。光束和天线单元的关系确定后，根据每个波束偏转角度，计算出每个移相器的移相量，实现波束偏转控制。对于硅基多波束光学相控阵天线形成的M个波束中的任何一个波束，首先根据其波束指向需求，计算出其对应的每一个移相器的移相量

设阵元间隔为d，阵元数N，光波频率w_r，当天线主瓣波束指向θ方向时，要求：

其中k_r＝w_r/c。

对于光学相控阵天线，光波束偏转角度受限于天线子阵数量M、电线单元间距以及天线排列方式，最大偏转角度和最大天线口径相关。

在确定移相量后，采用目前常用的热光效应，确定每个移相器的电压(对应电流)量，即确定移相量和电压Vn的关系根据对应关系，确定需要波控器输出的控制电压Vn。由波控器对每个移相器输出不同的控制电压Vn。各个移相器在控制电压作用下实现光波移相，从而使得从天线单元发出的光信号满足波控相位移相需求，实现波束的偏转控制。

实施例

以一种双向四波束液晶光学相控阵天线为例，及具体设计机构如下：

(1)在同一光轴上依次垂直于光轴放置透射式液晶偏振光栅、透射式液晶光学相控阵和偏振分束器。液晶偏振光栅和液晶相控阵相互平行，并与入射光光轴垂直放置；所述液晶光学相控阵和液晶偏振光栅通光口径相同，液晶光学相控阵液晶偏振光栅光轴重合。液晶偏振光栅为粗捕获执行模块，控制光束对预置不确定区进行离散扫描，进行空间光通信光束扫描捕获；液晶光学相控阵为跟踪模块，控制光束进行空间光通信光束跟踪。在空间激光通信链路的激光发射终端，光发射模块发出的线偏光束依次通过液晶光学相控阵和液晶偏振光栅。激光发射终端接收到的光信号依次经过液晶偏振光栅和液晶光学相控阵后被偏振分束器分为两束，一束送入数据接收模块，对获取的光信号进行数据接收处理；另一束送入位置传感器。位置传感器获得的位置信息送入控制中心。

(2)激光通信起始阶段，采用液晶偏振光栅对空间激光通信预置不确定区进行扫描。液晶偏振光栅根据预先设定的扫描方式控制光束对预置不确定区进行扫描，粗跟踪位置传感器实时探测对方激光通信终端发出的光信号，一旦探测到对方通信终端发出的光信号，计算获得接收光信号的光斑位置误差，并将位置误差信号转换为角度偏转信号，送至液晶偏振光栅的波控器；液晶偏振光栅的波控器将角度偏转信号转化为液晶偏振光栅的波控电压，控制液晶偏振光栅对发射光束进行光束偏转控制，进一步降低粗捕获探测模块的光斑位置误差，直到粗跟踪位置传感器探测到对方通信终端发出的光信号。空间激光通信转入粗跟踪阶段。

(3)在粗跟踪阶段，粗跟踪位置传感器实时探测激光接收对方通信终端发出的光信号的光斑位置、光斑尺寸和光功率，并根据光斑位置、光斑尺寸和光功率，计算获得接收光信号的位置误差，并将位置误差信号转换为角度偏转信号送给液晶光液晶相控阵波控器，液晶相控阵波控器将角度偏转信号转换为液晶波控器的驱动电压，控制液晶相控阵对激光接收终端发出的光信号进行光束扫描，进一步降低波束偏转角度，直到精跟踪探测模块探测到光信号。空间激光通信转入精跟踪阶段。

(4)在精跟踪阶段，为了实现波束连续偏转控制，将液晶光学相控阵分为N个区域，对着N个区域进行分区控制，控制光束依次进行波束连续偏转，实现波束的连续偏转控制。这样，可以确保波束的连续性。精跟踪探测模块实时探测激光接收终端发出的光信号的光斑位置、光斑尺寸和光功率，并根据光斑位置、光斑尺寸和光功率，计算获得接收光信号的位置误差，并将位置误差信号转换为角度偏转信号送给液晶光学相控阵波控器，液晶光学相控阵波控器将角度偏转信号转换为液晶相控阵的驱动电压，控制光学相控阵对激光接收终端发出的光信号进行高精度连续偏转控制，进一步降低跟踪误差，将跟踪位置误差控制到发射端和接收端建立有效光通信链路误差阈值内。

本发明天线采用M×N光移相矩阵，通过灵活配置M和N参数，可以实现N个天线子阵、M个波束的硅基光学相控阵天线，形成M个独立可控波束，实现多波束成形及独立控制；可以灵活实现波束成形和波束独立控制，是一种真正意义的光学多波束相控阵天线，以满足下一代空间激光通信网络多用户接入技术发展需求，解决多个波束的偏转问题。

本发明说明书中其他未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种基于硅基的多波束光学相控阵天线，其特征在于：包括M个1×N光分路器，M×N个光移相器，N个M×1光合路器，N个天线单元，形成硅基光学相控阵，通过光波导传输线连接，1×N光分路器将一路入射光束分为N路；其中光分路器、光移相器、光合路器串行排列，M个1×N光分路器，M×N个光移相器，N个N×1光合路器，N个天线单元分别并行排列；光移相器对通过光移相器的光波进行移相控制，实现0-2π范围的连续相位控制；N×1光合路器将输入的N路光信号合为一路；天线单元将输入的光信号发射出去。

2.根据权利要求1所述的一种基于硅基的多波束光学相控阵天线，其特征在于：M个激光发射模块发出的光信号传递至硅基光学相控阵上，分别传递至后续M个1×N光分路器，对于每一个1×N光分路器，将激光发射模块输出的光信号分为N路，形成M×N路光波，并送入后续串联移相器分别进行移相，移相后的光信号分别送入N个M×1光合路器合为N路，合路得到的N路信号送入后续N个天线单元，并由此N个天线单元发射出去。

3.根据权利要求1所述的一种基于硅基的多波束光学相控阵天线，其特征在于：其中M个1×N光分路器、N个M×1光合路器采用空分复用技术或波分复用技术，光移相器采用热光效应或电光效应的相位控制方法，光学相控阵天线采用阵列光栅移相方法。

4.根据权利要求1所述的一种基于硅基的多波束光学相控阵天线，其特征在于：每个波束的偏转角度和每个波束的移相控制单元相移一一对应，根据每个波束偏转角度，计算出每个移相器的移相量，实现波束偏转控制。

5.根据权利要求4所述的一种基于硅基的多波束光学相控阵天线，其特征在于：根据其波束指向需求，确定对应的每一个移相器的移相量

其中k_r＝w_r/c，C为光速，d为阵元间隔，N为阵元数，w_r为光波频率，θ为天线主瓣波束指向角。

6.根据权利要求5所述的一种基于硅基的多波束光学相控阵天线，其特征在于：根据移相量确定移相量和电压Vn的关系，确定需要波控器输出的控制电压Vn，各个移相器在控制电压作用下实现光波移相，从而使得从天线单元发出的光信号满足波控相位移相需求，实现波束的偏转控制。