CN110501779A - 微环延时矩阵及微波光子集成多波束相控阵芯片、系统 - Google Patents

微环延时矩阵及微波光子集成多波束相控阵芯片、系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微环延时矩阵，该微环延时矩阵包含由N×M个上传/下载型（add/drop）微环单元所组成的阵列；每个微环单元包括：至少一个微环谐振器，与所述微环谐振器分别耦合的一根输入光波导和一根输出光波导，用于调节输入光波导和输出光波导与微环谐振器之间耦合系数的耦合系数调节电极，以及用于调节微环谐振器的谐振波长的谐振波长调节电极；同一行的M个上传/下载型微环单元共用一根输入光波导，且同一行的M个上传/下载型微环单元的下载端耦合为一路，作为该行的输出端。本发明还公开了一种微波光子集成多波束相控阵芯片、系统。本发明理论上没有波束倾斜效应，工作带宽更宽，工作结构更加紧凑，控制更加灵活，且大幅降低成本。

Description

微环延时矩阵及微波光子集成多波束相控阵芯片、系统
技术领域
本发明涉及多波束相控阵技术领域，尤其涉及一种微波光子集成多波束相控阵芯片。
背景技术
随着航天和导弹技术的迅猛发展，及其隐身和电子对抗技术的应用，早期的机械式扫描雷达由于系统的限制，如结构复杂，反应速度慢等缺陷，无法满足现今雷达的性能指标，如满足雷达更短的跟踪与监视距离、多目标成像和更快的速度。当把光电技术有效的应用于雷达，实现了雷达波速的电扫描，从而发展产生的光控相控阵雷达较好的解决了这些问题。光控相控阵雷达天线的波速形成与波速扫描，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。受益于光单元件的大带宽和低损耗，微波光子波束形成有着尺寸小、控制灵活、重量轻、抗电磁干扰等优点。然而，基于移相原理的相控阵由于其固有的波束倾斜效应，只能实现窄带的波束形成。
近十年来，国内外对于微波光子多波束形成均有进展。相较于基于分立单元件的微波光子波束形成方案，将波束控制在芯片上实现，将大大减小系统的体积和成本。RoeloffzenC GH,DijkPWLV,OldenbeuvingRM,etal.等人报道了一种基于光域blass矩阵的微波光子集成多波束方案(RoeloffzenC GH,DijkPWLV,Oldenbeuving R M,etal.Integrated optical beaMforMers[C]//International Topical MeetingonMicrowavePhotonics.IEEE,2015:1-3.)，M.A.Piqueras,T.Mengual,O.Navasquillo等人报道了一种基于光域butler矩阵的微波光子集成多波束形成方案(Piqueras MA.Opto-MicrowaveButler Matrixes based front-end for aMulti-beaM large direct radiating arrayantenna[C]//Society of Photo-Optical InstruMentation Engineers.Society ofPhoto-Optical InstruMentation Engineers(SPIE)Conference Series,2017:133.)，二者都是借助光耦合单元和移相单元构成一个微环延时矩阵单元形成多个方向的波束。两种方案都是基于移相原理的，存在波束斜视等问题。2017年，TessemaN等人实现了基于时延迟技术的微波光子集成多波束形成方案，(Tessema N,Cao Z,Van Zantvoort J H C,etal.K-band RF multi-beamformer using Si3N4TTD for home-satellitecommunications[C]//Optical Fiber Communication Conference.Optical SocietyofAmerica,2017:Tu2I.5.)该方案使用传统的全通型(all-pass)微环延时线，此种微环仅具有延时功能，无法选出被调制在不同波长处的信号，从而单独控制每个波束不同阵元上信号的幅度。并且，由于可控量太少，难以在使用时调节延时量。2018年，陆梁军等人报道了(陆梁军，朱晨，周林杰，陈建平，刘娇.基于波分复用的集成多波束光相控阵延迟网络:中国，201810424574.X[F].2018.11.06)。该方案使用微环作为分束器选出调制在不同波长上的信号，使用固定延时线对信号延时，芯片尺寸较大，且无法灵活调节各个波束的指向。这两种基于时延迟的多波束形成方案虽然不具有波束倾斜效应，但是要么无法单独控制信号的幅度和延时，难以调节各阵元信号的幅度大小和波束指向，实际应用收到极大地影响和限制；要么为了实现滤波和延时使用的器件过多，系统冗余度大，芯片体积较大，不利于生产。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种可同时实现波分复用和延时，且结构更简单，各参数可灵活调节的微环延时矩阵；并基于该微环延时矩阵提供一种微波光子集成多波束相控阵芯片、系统，理论上没有波束倾斜效应，工作带宽更宽，工作结构更加紧凑，控制更加灵活，且大幅降低成本。
本发明技术方案具体如下：
一种微环延时矩阵，该微环延时矩阵包含由N×M个上传/下载型(add/drop)微环单元所组成的阵列，N、M均为大于1的整数；每个上传/下载型微环单元包括：至少一个微环谐振器，与所述微环谐振器分别耦合的一根输入光波导和一根输出光波导，用于调节输入光波导和输出光波导与微环谐振器之间耦合系数的耦合系数调节电极，以及用于调节微环谐振器的谐振波长的谐振波长调节电极；同一行的M个上传/下载型微环单元共用一根输入光波导，且同一行的M个上传/下载型微环单元的下载端耦合为一路，作为该行的输出端。
进一步优选地，同一行的M个上传/下载型微环单元的下载端各自经过一个幅度控制单元后耦合为一路。
一种微波光子集成多波束相控阵芯片，该芯片上集成有以下单元：
激光器阵列单元，其包含M个输出不同波长光载波的激光器；
单边带调制器阵列单元，其包含M个电光调制器，用于用M个微波波束对所述M个不同波长光载波分别进行单边带调制，生成M路单边带调制信号；
M×N耦合单元，用于将所述M路单边带调制信号的耦合信号均分为N路；
延时矩阵，其为如上任一技术方案所述微环延时矩阵，该微环延时矩阵的N行输入光波导与M×N耦合单元的N个输出端一一对应地连接，第i列第j行的上传/下载型微环单元被设置为谐振峰与第i个光载波所调制出的第i路单边带调制信号的波长相同并且其对第i路单边带调制信号的延时量为j×Δτi，i＝1,2,...,M，j＝1,2,...,N，Δτi为对应于第i列上传/下载型微环单元的可调延时参数，通过实时调节上传/下载型微环单元的耦合系数，可以改变Δτi，从而实现波束方向的实时调节；
光电探测器阵列单元，其包含N个光电探测器，用于一一对应地将延时矩阵的N行输出信号转换为电信号。
一种微波光子集成多波束相控阵系统，该系统包括如上所述微波光子集成多波束相控阵芯片以及由N个天线阵元所构成的天线阵，所述N个天线阵元与所述光电探测器阵列单元的N个光电探测器的输出端一一对应地连接。
优选地，所述微波光子集成多波束相控阵系统所发射的第i个微波波束的信号与天线阵法线方向的夹角θi＝arcsin(Δτi/d×c)，d为相邻天线间距，c为光速。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明微波光子集成多波束相控阵芯片在每一路上级联M个上传/下载型微环，对于第i个微环，前i-1个波束的信号分别从前i-1个微环的下载端输出，第i个波束的信号从第i个微环下载端输出，其余波束的信号从直通端输出，并在后M-i个微环的下载端输出，充分利用微环频谱资源的直通部分和下载部分，同时使用微环的滤波和延时功能，有效减小了芯片复杂度。
本发明在一块芯片上集成了激光器阵列单元、单边带调制器阵列单元、M×N耦合单元、微环延时矩阵、光电探测器阵列单元等组件，在体积、稳定性、功耗等多个方面具有显著优势。
本发明微波光子集成多波束相控阵系统基于延时原理，理论上没有波束倾斜效应，工作带宽更宽，工作结构更加紧凑，控制更加灵活，且大幅降低成本。
附图说明
图1为本发明提供的微环延时矩阵的结构示意图；
图2为微环延时矩阵中单个上传/下载型微环单元的结构示意图；
图3为本发明提供的微波光子集成多波束相控阵芯片的结构示意图
图4为2阵元2波束的本发明微波光子集成多波束相控阵芯片的结构示意图；
图5为图4芯片中微环延时矩阵的结构原理示意图；
图6为图4所示相控阵芯片中四个微环的传输响应以及输出信号功率示意图；
图7为图4所示相控阵芯片中单个微环的延时响应示意图；
图8为图4所示相控阵芯片中两个波束的方向图。
图中的附图标记含义如下：
1、微环延时矩阵，2、幅度控制单元，3、上传/下载型微环单元，4、M×1耦合单元，5、微环谐振器，6、耦合系数调节电极，7、谐振波长调节电极，8、激光器阵列单元，9、单边带调制器阵列单元，10、M×N耦合单元，11、光电探测器阵列单元。
具体实施方式
针对现有基于时延迟技术的微波光子集成多波束形成方案的不足，本发明的解决思路是利用上传/下载型微环构建微环延时矩阵，充分利用微环频谱资源的直通部分和下载部分，同时使用微环的滤波和延时功能，从而在实现大带宽可调多波束形成的同时，有效减小芯片复杂度。
为了便于公众理解，下面结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：
本发明微环延时矩阵的具体结构如图1所示，其具有N个输入端口，每个输入端口对应一行，共N行组成；微环延时矩阵的每一行由共用一根输入光波导的M个上传/下载型微环单元3组成，每个上传/下载型微环单元3的下载端分别连接一个幅度控制单元2，用于对下载端输出信号的幅度进行控制，M个经过幅度控制单元2调整后的下载端输出信号经由一个M×1耦合单元4耦合为一路，作为该行的输出端；N、M均为大于1的整数。
本发明微环延时矩阵所使用上传/下载型微环单元3的结构如图2所示，其包括：一个或多个微环谐振器5，与所述微环谐振器5分别耦合的一根输入光波导和一根输出光波导，用于调节输入光波导和输出光波导与微环谐振器5之间耦合系数的耦合系数调节电极6，以及用于调节微环谐振器5的谐振波长的谐振波长调节电极7。
基于上述微环延时矩阵可得到如图3所示的微波光子集成多波束相控阵芯片，如图3所示，该芯片上集成有以下单元：激光器阵列单元8(包含M个激光器)，单边带调制器阵列单元9(包含M个单边带调制器)，M×N耦合单元10，微环延时矩阵单元1，光电探测器阵列单元11(包含N个光电探测器)；各单元间通过光波导连接；由激光器阵列单元8输出的光载波分别接入单边带调制器阵列单元9中各单边带调制器的光载波输入端，各单边带调制器的输出端分别连接M×N耦合单元10的M个输入端，M×N耦合单元10的N个输出端分别连接微环延时矩阵单元1的N个输入端，微环延时矩阵单元1的N个输出端分别连接光电探测器阵列单元11的N个光电探测器输入端，N个光电探测器的输出信号分别输出至外接天线阵的N个天线阵元。
图3所示微波光子集成多波束相控阵芯片可以对M个不同微波波束的信号的延时和幅度进行控制，使得这M个波束指向所设定的方向，与天线阵的法线夹角分别为θ1，θ2……θM。通过调节微环延时单元的延时大小以改变相邻阵元收发信号的延时差，可以使得这M个微波波束指向发生改变。M个激光器发出M个不同光波长的光载波，波长分别为λ1、λ2……λM，M个波束的信号分别加载到M个单边带调制器上，得到M路由载波和﹢1或-1阶边带所组成的单边带信号。每路单边带信号通过M×N耦合单元被耦合为一路后，然后耦合信号又被分为N路输出。在微环延时矩阵中，每一行都输入了M个单边带调制信号所组成的耦合信号，调整各上传/下载型微环单元的传输响应，使得第i列上传/下载型微环单元的下载端仅输出第i个波束的单边带信号；调整各上传/下载型微环单元的延时响应，使得第j行第i列上传/下载型微环单元的下载端对于信号的延时量为j×Δτi,从而使得第i列的信号波束指向为θi，θi为arcsin(Δτi/d×c),θi为第i个波束的信号与天线阵法线方向的夹角，d为相邻天线间距，c为光速。对于第i行第j列的上传/下载型微环单元，可通过实时调节耦合系数调节电极来实时调节其延时量为j×Δτi2,从而实时改变第i个波束的指向。每个上传/下载型微环单元的下载端的输出信号可通过幅度控制单元调整为幅度相等。每行的M个幅度控制单元的输出信号再通过一个M×1耦合单元合为一路，N个M×1耦合单元的输出信号分别被光电探测器矩阵单元的对应光电探测器转换为电信号后，输出至对应的天线阵元。
为了使得公众对本发明技术方案更充分理解，下面以一个最简单的2阵元2波束的微波光子集成多波束相控阵系统为例，并结合理论分析来进行进一步详细说明：
如图4所示，本实施例中的2阵元2波束微波光子集成多波束相控阵芯片上集成有：激光器阵列单元8(包含2个激光器)，单边带调制器阵列单元9(包含2个单边带调制器)，2×2耦合单元10，微环延时矩阵单元1，光电探测器阵列单元11(包含2个光电探测器)；各单元间通过光波导连接；由激光器阵列单元8输出的两路波长分别为λ1、λ2的光载波分别接入单边带调制器阵列单元9中两个单边带调制器的光载波输入端，两个单边带调制器的输出端分别连接2×2耦合单元10的两个输入端，2×2耦合单元10的两个输出端分别连接微环延时矩阵单元1的两个输入端，微环延时矩阵单元1的两个输出端分别连接光电探测器阵列单元11的两个光电探测器输入端，两个光电探测器的输出信号分别输出至外接天线阵的两个天线阵元。
本实施例中的微环延时矩阵单元1如图5所示，包括四个上传/下载型微环单元3所组成的2×2阵列，每个上传/下载型微环单元3的下载端分别连接一个幅度控制单元2，用于对下载端输出信号的幅度进行控制，每一行上传/下载型微环单元3的下载端输出信号分别经过幅度控制单元2调整后经由一个2×1耦合单元4耦合为一路，作为该行的输出端。
设两个激光器输出的连续激光为：
Ec1(t)＝Ec1cos(ωc1t)
Ec2(t)＝Ec2cos(ωc2t)
其中Ec1，Ec2分别是两束激光的幅度，ωc1，ωc2分别为两束激光频率。
经过相位调制后，两束光为
E1(t)＝Ec1cos(ωc1t+βcos(ωRt))
E2(t)＝Ec2cos(ωc2t+βcos(ωRt))
β为调制系数，ωR为带宽为B的射频信号的中心频率。
经过放大、单边带滤波、波分复用后，输入微环延时矩阵单元1的光为：
E＝Ec1[J0(β)cos(ωc1t)+J1(β)cos((ωc1+ωR)t+π/2)]+Ec2[J0(β)cos(ωc2t)+J1(β)cos((ωc2+ωR)t+π/2)]
进入微环延时矩阵单元1后，分为两路传输，使用各路的微环调节输出的相位和幅度，上传/下载型微环单元3的功率函数为：
T(λ)为传输端功率函数，D(λ)为下载端功率函数，t1和t2分别为微环上下耦合区的传输系数，α为环内衰减常数,n为有效折射率，L为微环周长，λ为输入波长，为电极引入的相位变化。通过在电极上加直流电压调节t1和t2以及使信号落在微环的延时带宽内，且延时带宽内幅度函数近似平坦。
上传/下载型微环单元3的延时函数为：
其中，τt为传输端延时，τd为下载端延时，延时量与t1和t2有关，如图7所示，单个微环的延时范围为[0,τ]。如图6所示，调节t1和t2以及使得第1个波束的信号从第一行的第一个上传/下载型微环单元(简称环1)的下载端输出，第二个波束的信号从环1的直通端通过，并在第一行的第二个上传/下载型微环单元(简称环2)的下载端输出，在第二行，第1个波束的信号从第二行的第一个上传/下载型微环单元(简称环3)的下载端输出，第二个波束的信号从环3的直通端通过，并在第二行的第二个上传/下载型微环单元(简称环4)的下载端输出，调整各个微环单元的t1和t2，可改变通过各个微环信号的延时量，从而调整光电转换后射频信号的发射方向。对于环1，ωc1+ωR频点两侧射频信号延时为Δτ1；对于环2，ωc2+ωR频点两侧射频信号延时为Δτ2；对于环3，ωc1+ωR频点两侧射频信号延时为2Δτ1；对于环4，ωc2+ωR频点两侧射频信号延时为2Δτ2(τ>2Δτ2)；图8是本实施例2阵元2波束的微波光子集成多波束相控阵系统的方向图，Δτ1对应方向θ1，在[0,τ/2]范围可调；Δτ2对应方向θ2，在[0,τ/2]范围可调。环1～环4独立实时可调，对于每个上传/下载型微环单元，通过实时调节t1和t2，使得环1的延时量为Δτ1’，环3的延时量为2Δτ1’，环2的延时量为Δτ2’，环4的延时量为2Δτ2’，则可将第一个波束的指向调整为θ1’；将第二个波束的指向调整为θ2’。
微环延时矩阵单元1输出信号经过光电转换后，阵元1发射信号正比于A1cos(ωR(t+Δτ1))+A2cos(ωR(t+Δτ2))，阵元2发射信号正比于A1cos(ωR(t+2Δτ1))+A2cos(ωR(t+2Δτ2))。两个光电探测器的输出信号分别连接至外接天线阵的两个天线阵元，可同时发射方向为θ1和θ2的两个不同波束的信号。并且，通过调整微环单元的t1和t2，可以改变信号延时量，从而实时调整两个波束的方向。
综上，本发明提供的微波光子集成多波束相控阵芯片是是一种紧凑，可靠性高，复杂度低的波束形成方案。

Claims (5)

1.一种微环延时矩阵，其特征在于，该微环延时矩阵包含由N×M个上传/下载型微环单元所组成的阵列，N、M均为大于1的整数；每个上传/下载型微环单元包括：至少一个微环谐振器，与所述微环谐振器分别耦合的一根输入光波导和一根输出光波导，用于调节输入光波导和输出光波导与微环谐振器之间耦合系数的耦合系数调节电极，以及用于调节微环谐振器的谐振波长的谐振波长调节电极；同一行的M个上传/下载型微环单元共用一根输入光波导，且同一行的M个上传/下载型微环单元的下载端耦合为一路，作为该行的输出端。
2.如权利要求1所述微环延时矩阵，其特征在于，同一行的M个上传/下载型微环单元的下载端各自经过一个幅度控制单元后耦合为一路。
3.一种微波光子集成多波束相控阵芯片，其特征在于，该芯片上集成有以下单元：
激光器阵列单元，其包含M个输出不同波长光载波的激光器；
单边带调制器阵列单元，其包含M个电光调制器，用于用M个微波波束对所述M个不同波长光载波分别进行单边带调制，生成M路单边带调制信号；
M×N耦合单元，用于将所述M路单边带调制信号的耦合信号均分为N路；
延时矩阵，其为如权利要求1或2所述微环延时矩阵，该微环延时矩阵的N行输入光波导与M×N耦合单元的N个输出端一一对应地连接，第i列第j行的上传/下载型微环单元被设置为谐振峰与第i个光载波所调制出的第i路单边带调制信号的波长相同并且其对第i路单边带调制信号的延时量为j×Δτi，i＝1,2,...,M，j＝1,2,...,N，Δτi为对应于第i列上传/下载型微环单元的可调延时参数，通过实时调节上传/下载型微环单元的耦合系数，可以改变Δτi，从而实现波束方向的实时调节；
光电探测器阵列单元，其包含N个光电探测器，用于一一对应地将延时矩阵的N行输出信号转换为电信号。
4.一种微波光子集成多波束相控阵系统，其特征在于，该系统包括如权利要求3所述微波光子集成多波束相控阵芯片以及由N个天线阵元所构成的天线阵，所述N个天线阵元与所述光电探测器阵列单元的N个光电探测器的输出端一一对应地连接。
5.如权利要求4所述微波光子集成多波束相控阵系统，其特征在于，其所发射的第i个微波波束的信号与天线阵法线方向的夹角θi＝arcsin(Δτi/d×c)，d为相邻天线间距，c为光速。
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