CN109001709A - 基于线性调频光栅5bit光纤延时网络装置及其设计方法 - Google Patents

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郭红霞
蔡宸怡
张少瑶
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Abstract

本发明公开了一种基于线性调频光栅5bit光纤延时网络装置及其设计方法，包括光输入模块、线性调频光栅以及N路光开关，N为正整数，其中，所述光输入模块用于将待延时射频信号搭载在光信号上，所述线性调频光栅用于对搭载在光信号上的射频信号进行一级延时，所述N路光开关每一路上设置有不同长度的单模光纤，用于将经过一级延时的射频信号分为N路并进行不同时间的二级延时。本发明应用调频光栅，极大地减少了光纤的使用，仅仅需要根据实际需求设计光栅型号，便可实现光控相控阵雷达波束连续可调，具有延时范围大，精度高，结构简单，可以灵活设计。

Description

基于线性调频光栅5bit光纤延时网络装置及其设计方法
技术领域
本发明属于光纤通信技术及光延迟器技术领域，具体涉及一种基于线性调频光栅5bit光纤延时网络装置及其设计方法。
背景技术
到目前为止，光控相控阵雷达要实现全光集成化仍是一个技术难点，当前所设计的光延迟网络都比较复杂，不易于集成。光纤光栅是近年来崛起的新星，其早期主要用于光纤通信中，但是近几年已经广泛应用于相控阵领域。
传统基于光开关的延迟线，虽然结构比较简单，但是可实现的延迟状态比较少，光路切换比较快的光开关价格昂贵，而且要用到大量光纤，不易于集成，存在光路损耗和噪声大及可靠性低等问题。而光纤光栅制作的光纤延迟线具有体积小、波长选择性好、易于与光纤系统连接、便于使用和维护，而且光纤光栅制作工艺比较成熟，易于形成规模生产，成本低。
国内外学者对光纤光栅应用于相控阵雷达的研究主要集中在对光纤光栅调谐或者对可调谐激光器调谐。韩国首尔崇实大学Gab-Yong Lee在《Optical True Time-DelayFeeder for Linear Phased-Array Antennas Implemented with Chirped FiberGratings》一文中提出了一种基于线性啁啾光纤光栅的并行延时系统，通过不同频率的光波控制波束调谐。但是该系统引用的啁啾光栅数量比较多，而且每个光栅都需要设计，比较复杂，延时范围也比较小。
发明内容
本发明提出了一种基于线性调频光栅5bit光纤延时网络装置及其设计方法，以解决现有光控相控阵雷达波束指向精度低，延时误差大等问题。
实现本发明的技术解决方案为：一种基于线性调频光栅5bit光纤延时网络装置，包括光输入模块、线性调频光栅以及N路光开关，N为正整数，其中，所述光输入模块用于将待延时射频信号搭载在光信号上，所述线性调频光栅用于对搭载在光信号上的射频信号进行一级延时，所述N路光开关每一路上设置有不同长度的单模光纤，用于将经过一级延时的射频信号分为N路并进行不同时间的二级延时。
所述线性调频光栅中啁啾系数、线性调频光栅周期线性变化的系数、线性调频光栅长度根据相控阵天线阵列结构确定，具体公式为：
式中，θB为相控阵天线的波束指向角，τ为相邻阵元信号辐射或接收的时间差，dPAA为相邻阵元之间的间隔，c为光在真空中的传播速度，n为纤芯折射率，dλ为不同波长光的间隔，C为线性调频光栅啁啾系数，Δ为线性调频光纤周期线性变化的系数，L为线性调频光栅长度。
本发明还提出了一种基于线性调频光栅5bit光纤延时网络装置的设计方法，具体步骤为：
步骤1、根据相控阵天线阵列结构设置线性调频光栅中啁啾系数、线性调频光栅周期线性变化的系数、线性调频光栅的长度；
步骤2、对步骤1中设置好参数的线性调频光栅进行光学切趾，将光学切趾后的线性调频光栅作为一级延时装置；
步骤3、根据实际延时需求确定单模光纤的长度，将每一路上设置有不同长度单模光纤N路光开关作为二级延时装置；
步骤4、搭载在光信号上的待延时射频信号依次经过一级延时装置和二级延时装置进行延时后输出。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)本发明采用线性调频光栅作为一级延时装置，相比于普通光栅延时装置，本发明采用了光开关作为光路补偿，只需使用一个光栅，标准单模光纤长度大大缩短，延时装置中所需器件相对较少，利于集成化；
(2)本发明所需光栅为线性调频光栅，其反射频谱要与输入波长相匹配。在实际应用中，光栅各类参数易于调整，光谱特性与时延特性可以灵活设计，型号易于制作，成本较其他光器件低；
(3)本发明能够实现相控阵波束指向角最大为60°的连续扫描；
(4)本发明延时精度高，误差小。可以实现0.5ps左右的延时误差，延时范围相比于普通光栅延时系统大有提高。
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
图1为实施例1中基于线性调频光栅组成的5bit光纤延时网络装置结构图。
图2为实施例1中基于线性调频光栅组成的5bit光纤延时网络装置建模仿真图。
图3为实施例1中基于线性调频光栅组成的5bit光纤延时网络装置线性调频光栅仿真图。
图4为实施例1中基于线性调频光栅组成的5bit光纤延时网络装置其中一个延时波形图。
图5为实施例1中基于线性调频光栅组成的5bit光纤延时网络装置32个延时状态理论值与测试数据的拟合曲线。
图6为实施例1中基于线性调频光栅组成的5bit光纤延时网络装置32个延时状态理论值与测试数据的拟合曲线其中一路曲线的放大状态图。
下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。
具体实施方式
一种基于线性调频光栅5bit光纤延时网络装置，包括光输入模块、线性调频光栅3以及N路光开关5，N为正整数，其中，所述光输入模块用于将待延时射频信号搭载在光信号上，所述线性调频光栅3用于对搭载在光信号上的射频信号进行一级延时，所述N路光开关5每一路上设置有不同长度的单模光纤，用于将经过一级延时的射频信号分为N路并进行不同时间的二级延时。在某些实施例中，N为4，即4路光开关。经线性调频光栅3一级延时的射频信号进入光开关，通过单模光纤进行4路并行延时补偿，从而实现二次延时，便可得到4*8共32种不同的延时状态，然后经合束器进入相控阵天线阵列形成波束。
进一步的实施例中，所述光输入模块包括可调谐激光器1和电光调制器2，所述可调谐激光器1产生的光波经电光调制器2与待延时射频信号相干涉。
进一步的实施例中，所述单模光纤的长度根据实际需求延迟时间确定，具体公式为：
式中，n表示光纤的折射率，c为光在真空中的传播速度，Δt为实际需求延迟时间，L为单模光纤的长度。
进一步的实施例中，所述线性调频光栅3中啁啾系数、线性调频光栅3周期线性变化的系数、线性调频光栅3长度根据相控阵天线阵列结构确定，具体公式为：
式中，θB为相控阵天线的波束指向角，τ为相邻阵元信号辐射或接收的时间差，dPAA为相邻阵元之间的间隔，c为光在真空中的传播速度，n为纤芯折射率，dλ为不同波长光的间隔，C为线性调频光栅3啁啾系数，Δ为线性调频光纤3周期线性变化的系数，L为线性调频光栅3长度。
进一步的实施例中，还包括光环形器4，搭载在光信号上的射频信号从光环形器4的第一端口输入光环形器4，从光环形器4的第二端口输出至线性调频光栅3，经一级延时的射频信号从光环形器4的第二端口输入至光环形器4，从光环形器4的第三端口输出至N路光开关。
进一步的实施例中，所述光输入模块光信号的波长范围落入线性调频光栅3的反射谱内。
特定波长的光信号经过线性调频光栅，只会在光栅的某一位置反射回来。对于固定的线性调频光栅，光信号在线性调频光栅中的反射点与光波波长有关，调节光波波长，即可实现不同时延。反射位置与光波波长的关系满足：
λd＝2neff(Δ·z+Λ0)-L/2<z<L/2
式中λd是线性调频光栅3位置z处的反射波长，neff是线性调频光栅3的有效折射率，Δ为线性调频光栅3周期线性变化的系数，Λ0为线性调频光栅3中间位置处的光栅周期，L为线性调频光栅3长度。
可调谐激光器1产生高斯包络的光信号经电光调制器2与射频信号相干涉，使射频信号搭载在光信号上；搭载有射频信号的光信号经光环形器1端口进入，2端口输出进入线性调频光栅3，在线性调频光栅3反射位置反射后，经光环形器3端口输出，得到一级时间延迟；光环形器3端口输出的光信号经过每路上设置有不同长度的单模光纤的4路光开关，得到4路二次延时补偿；4路延迟信号通过光合束器合束，进入相控阵天线阵列。32路延时信号替换相控阵阵列中的移相器，在光波导中传输，实现相控阵的相位延时，从而实现空间波束。通过控制可调谐激光器的波长，即可实现波束扫描。
一种基于线性调频光栅5bit光纤延时网络装置的设计方法，具体步骤为：
步骤1、根据相控阵天线阵列结构设置线性调频光栅中啁啾系数、线性调频光栅周期线性变化的系数、线性调频光栅的长度。
进一步的实施例中，线性调频光栅中啁啾系数、线性调频光栅周期线性变化的系数、线性调频光栅的长度的具体计算公式为：
式中，θB为相控阵天线的波束指向角，τ为相邻阵元信号辐射或接收的时间差，dPAA为相邻阵元之间的间隔，c为光在真空中的传播速度，n为纤芯折射率，dλ为不同波长光的间隔，C为线性调频光栅啁啾系数，Δ为线性调频光纤周期线性变化的系数，L为线性调频光栅长度。
步骤2、对步骤1中设置好参数的线性调频光栅进行光学切趾，将光学切趾后的线性调频光栅作为一级延时装置。
进一步的实施例中，切趾系数为0.5。
步骤3、根据实际延时需求确定单模光纤的长度，将每一路上设置有不同长度单模光纤N路光开关作为二级延时装置。
进一步的实施例中，单模光纤长度的具体计算公式为：
式中，n表示光纤的折射率，c为光在真空中的传播速度，Δt为实际需求延迟时间，L为单模光纤的长度。
步骤4、将搭载在光信号上的待延时射频信号经过一级延时装置和二级延时装置进行延时后输出。经步骤1～步骤3设计好一级延时装置和二级延时装置后，即可根据现有技术将搭载有射频信号的光信号依次送入一级延时装置和二级延时装置进行延时后输出。
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
结合图1所示，本实施例的基于线性调频光栅5bit光纤延时网络装置，包括可调谐激光器1，电光调制器2，线性调频光栅3，光环形器4，4路光开关5，G.652标准单模光纤7.4mm6-1，14.9mm 6-2，29.8mm 6-3，
可调谐激光器1输出光波经电光调制器2与射频信号相干涉，使射频信号搭载在光信号上；搭载有射频信息的光信号经光环形器4的1端口进入，2端口输出进入线性调频光栅3，在线性调频光栅3特定反射位置反射后，经光环形器4的3端口输出，得到一级时间延迟；光环形器4的3端口输出的光信号经过4路光开关5，4路光开关5的任意3路上分别设置有单模光纤6-1、6-2、6-3，光环形器4的3端口输出的光信号经过4路二次延时补偿。
结合图2所示，本实施例中基于线性调频光栅5bit光纤延时网络装置的建模方法为：
步骤1、在建模仿真中，利用高斯脉冲信号模拟输入光源的信号，初始信号与示波器相连接，用于观察初始光脉冲；
步骤2、光脉冲接入线性调频光栅。由图3仿真结果得到线性调频光栅设计参数。由于射频信号搭载在光信号上，其在光延时模块传输和光信号等同，所以模拟仿真可以不考虑射频信号部分；
步骤3、经过4路光开关，光开关用伪随机序列产生器控制；
步骤4、二级延迟补偿模块，采用同等长度单模光纤所对应的延时器替代；
经延时后的信号通过4x1合束器，进行下一步操作。在4x1合束器后接入示波器，观察延时完成后的波形。其中一个延时状态的波形图见图4。由图4可以看出光波经过延时模块后，信号发生延时，且峰值功率下降，这主要是由于光栅以及各种光器件损耗引起。
结合图3所示，本实施例中的线性调频光栅的设计步骤为：
步骤1、根据相控阵天线阵列结构设置线性调频光栅中啁啾系数、线性调频光栅周期线性变化的系数、线性调频光栅的长度。
本实施例中，光栅长度为50mm，折射率调制深度为1×10-4，延迟步长为45ps，相控阵天线的波束扫描最大为60°，光栅周期线性变化的系数选取为0.005μm，啁啾系数为2.9nm/cm。
步骤2、对步骤1中设置好参数的线性调频光栅进行光学切趾，将光学切趾后的线性调频光栅作为一级延时装置，其中，切趾系数为0.5。
对设计好的调频光栅，进行仿真分析，得到图3。由图可得本实施例中可调谐激光器产生的光源波长在所设计光栅的反射谱带宽内，满足实施例设计要求。
表1为本实施例中4路光开关在第一路延迟状态时的8个光波的测试数据，由建模仿真得到。
表1
本实施例的工作原理如下：
可调谐激光器波长符合ITU-T 100GHz划分标准，选取光栅长度为L＝50mm,中心波长为λ0＝1550nm，光源波长范围为1547.72nm～1553.33nm，波长间隔为0.8nm的8个不同波长。10GHz的射频信号经电光调制器与不同波长的光相干涉，经过线性调频光栅系统反射后带有不同的延时，然后不同延时的光波经过不同线路长度的光纤进一步延时，4路光开关做4路并行延时处理，最后得到4*8共32种不同的延时。
结合图1和图2，理论结果和实测结果相拟合之后的数据见图5和图6，由图可得到本实施例中基于线性调频光栅5bit光纤延时网络装置实验结果理论值与测试值基本吻合，其误差很小，在0.5ps左右，而且延迟线的线性度很好，延迟范围也比较大，延时精度相对较高。

Claims (10)

1.一种基于线性调频光栅5bit光纤延时网络装置，其特征在于，包括光输入模块、线性调频光栅(3)以及N路光开关(5)，N为正整数，其中，所述光输入模块用于将待延时射频信号搭载在光信号上，所述线性调频光栅(3)用于对搭载在光信号上的射频信号进行一级延时，所述N路光开关(5)每一路上设置有不同长度的单模光纤，用于将经过一级延时的射频信号分为N路并进行不同时间的二级延时。
2.根据权利要求1所述的基于线性调频光栅5bit光纤延时网络装置，其特征在于，所述光输入模块包括可调谐激光器(1)和电光调制器(2)，所述可调谐激光器(1)产生的光波经电光调制器(2)与待延时射频信号相干涉。
3.根据权利要求1所述的基于线性调频光栅5bit光纤延时网络装置，其特征在于，所述单模光纤的长度根据实际需求延迟时间确定，具体公式为：
式中，n表示光纤的折射率，c为光在真空中的传播速度，Δt为实际需求延迟时间，L为单模光纤的长度。
4.根据权利要求1所述的基于线性调频光栅5bit光纤延时网络装置，其特征在于，所述线性调频光栅(3)中啁啾系数、线性调频光栅(3)周期线性变化的系数、线性调频光栅(3)长度根据相控阵天线阵列结构确定，具体公式为：
式中，θB为相控阵天线的波束指向角，τ为相邻阵元信号辐射或接收的时间差，dPAA为相邻阵元之间的间隔，c为光在真空中的传播速度，n为纤芯折射率，dλ为不同波长光的间隔，C为线性调频光栅(3)啁啾系数，Δ为线性调频光纤(3)周期线性变化的系数，L为线性调频光栅(3)长度。
5.根据权利要求1所述的基于线性调频光栅5bit光纤延时网络装置，其特征在于，还包括光环形器(4)，搭载在光信号上的射频信号从光环形器(4)的第一端口输入光环形器(4)，从光环形器(4)的第二端口输出至线性调频光栅(3)，经一级延时的射频信号从光环形器(4)的第二端口输入至光环形器(4)，从光环形器(4)的第三端口输出至N路光开关。
6.根据权利要求1所述的基于线性调频光栅5bit光纤延时网络装置，其特征在于，所述光输入模块的光信号的波长范围落入线性调频光栅(3)的反射谱内。
7.一种如权利要求1所述的基于线性调频光栅5bit光纤延时网络装置的设计方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤1、根据相控阵天线阵列结构设置线性调频光栅中啁啾系数、线性调频光栅周期线性变化的系数、线性调频光栅的长度；
步骤2、对步骤1中设置好参数的线性调频光栅进行光学切趾，将光学切趾后的线性调频光栅作为一级延时装置；
步骤3、根据实际延时需求确定单模光纤的长度，将每一路上设置有不同长度单模光纤N路光开关作为二级延时装置；
步骤4、将搭载在光信号上的待延时射频信号经过一级延时装置和二级延时装置进行延时后输出。
8.根据权利要求7所述的基于线性调频光栅5bit光纤延时网络装置的设计方法，其特征在于，线性调频光栅中啁啾系数、线性调频光栅周期线性变化的系数、线性调频光栅的长度的计算公式为：
式中，θB为相控阵天线的波束指向角，τ为相邻阵元信号辐射或接收的时间差，dPAA为相邻阵元之间的间隔，c为光在真空中的传播速度，n为纤芯折射率，dλ为不同波长光的间隔，C为线性调频光栅(3)啁啾系数，Δ为线性调频光纤(3)周期线性变化的系数，L为线性调频光栅(3)长度。
9.根据权利要求7所述的基于线性调频光栅5bit光纤延时网络装置的设计方法，其特征在于，步骤2中切趾系数为0.5。
10.根据权利要求7所述的基于线性调频光栅5bit光纤延时网络装置的设计方法，其特征在于，根据实际延时需求确定单模光纤的长度，具体公式为：
式中，n表示光纤的折射率，c为光在真空中的传播速度，Δt为实际需求延迟时间，L为单模光纤的长度。
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