CN113054397A

CN113054397A - 宽带阵列微波射频前端及雷达

Info

Publication number: CN113054397A
Application number: CN202110253151.8A
Authority: CN
Inventors: 王冰; 朱宇鹏; 高旭东; 徐珍珠; 崇毓华; 梅理; 曹继明
Original assignee: CETC 38 Research Institute
Current assignee: CETC 38 Research Institute
Priority date: 2021-03-03
Filing date: 2021-03-03
Publication date: 2021-06-29
Anticipated expiration: 2041-03-03
Also published as: CN113054397B

Abstract

本发明提供一种宽带阵列微波射频前端及雷达，涉及微电子和集成光电子技术领域。本发明包括宽带微波光电收发模块和子阵级光控波束形成网络模块，宽带微波光电收发模块与子阵级光控波束形成网络模块通过合束/波分复用技术连接。其中宽带微波光电收发模块用于根据天线阵列规模需求进行匹配并完成宽带射频信号的收发以及微波信号在光载波上的调制解调处理。子阵级光控波束形成网络模块用于对光域上的宽带射频信号进行子阵之间的真延时处理，进而完成多波束的二维扫描控制。本发明实现超大阵列规模的宽带微波射频信号的收发处理以及多波束二维扫描控制等功能，实现宽带低损耗传输。

Description

宽带阵列微波射频前端及雷达

技术领域

本发明涉及微电子和集成光电子技术领域，具体涉及一种宽带阵列微波射频前端及雷达。

背景技术

随着技术的不断发展，作战平台面临的威胁日益增多，其不得不配备多型电子设备来提升自身的生存能力。尤其是机动平台，如飞机、战舰等，都必须同时装备雷达、通信和电子战等多种电子设备。同时，为了提高等效辐射功率，往往还需要增大发射机的输出功率和天线增益，导致了系统的尺寸、重量、功耗等方面急剧增加，严重限制了机动平台的机动性能，增加了平台的RCS，降低了其在复杂电磁环境下的生存能力。为了适应战场环境的不断变化，满足机动平台在体积、重量、功耗、电磁兼容、成本等方面的要求，国内外在雷达、电子战、通信一体化设计和研制方面开展了大量工作。

如何在复杂雷达侦察/电子战综合系统中建立高集成度、可重构的宽带阵列微波射频前端，解决射频信号的宽带收发及二维多波束扫描控制是一个急需解决的应用难题。即现有的雷达射频前端无法满足上述需求。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种高集成度的宽带阵列微波射频前端及雷达，解决了现有雷达射频前端对高集成度、大瞬时带宽射频收发以及二维多波束扫描的需求问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

本发明提供了一种宽带阵列微波射频前端，所述系统包括：

宽带微波光电收发模块，用于根据天线阵列规模需求进行匹配并完成宽带射频信号的收发以及微波信号在光载波上的调制解调处理；

子阵级光控波束形成网络模块，用于对光域上的宽带射频信号进行子阵之间的真延时处理，完成多波束的二维扫描控制；

所述宽带微波光电收发模块与所述子阵级光控波束形成网络模块通过合束/波分复用技术连接。

优选的，所述宽带微波光电收发模块包括多组子阵级的微波光电收发SIP。

优选的，所述微波光电收发SIP包括微电子芯片和光电子芯片，

所述微电子芯片用于对宽带微波信号进行放大和移相，移相范围是微波信号单个周期内的；

所述光电子芯片用于对光-电信号相互转换。

优选的，所述微波光电收发SIP用于完成单个子阵内部的宽带微波信号接收和宽带微波信号发射、以及微波信号在光域的调制解调处理；

所述宽带微波信号接收包括：对于每条通道从天线端接收到的宽带微波信号，微波光电收发SIP通过微电子芯片对宽带微波信号进行放大和周期内移相预处理，预处理后的宽带微波信号通过光电子芯片将其调制到光域中，合束后传输到所述子阵级光控波束形成网络模块中；

所述宽带微波信号发射包括：对于从子阵级光控波束形成网络模块中传输光信号，经过解复用将分别传递到各个子阵对应的微波光电收发SIP中进行解调产生相应的宽带微波信号，对宽带微波信号进行放大和周期内移相预处理，传输到天线阵列端进行发射。

优选的，所述子阵级光控波束形成网络模块包括合束/波分复用组件和多组子阵级的光开关延时网络芯片。

优选的，所述光开关延时网络芯片包括高速光开关和低损耗延时波导。

优选的，所述低损耗延时波导包括啁啾波导。

优选的，所述微电子芯片和所述光电子芯片通过键合方式或倒装焊方式互联。

优选的，所述合束/波分复用组件和光开关延时网络芯片通过光波导或光纤耦合互联。

本发明还提供了一种雷达，该雷达包括上述所述宽带阵列微波射频前端。

(三)有益效果

本发明提供了一种宽带阵列微波射频前端技术及系统。与现有技术相比，具备以下有益效果：

本发明包括宽带微波光电收发模块和子阵级光控波束形成网络模块，带微波光电收发模块与子阵级光控波束形成网络模块通过合束/波分复用技术连接。其中上述宽带微波光电收发模块用于根据天线阵列规模需求进行匹配并完成宽带射频信号的收发以及微波信号在光载波上的调制解调处理。上述子阵级光控波束形成网络模块用于对光域上的宽带射频信号进行子阵之间的真延时处理，完成多波束的二维扫描控制。本发明实现超大阵列规模的宽带微波射频信号的收发处理以及多波束二维扫描控制等功能，实现宽带低损耗传输。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种宽带阵列微波射频前端的架构示意图；

图2为本发明实施例的微波光电收发SIP架构示意图；

图3为本发明实施例的子阵级光控波束形成网络模块架构示意图；

图4为本发明实施例的天线阵元间相位关系决定波束指向示意图；

图5为本发明实施例的多组光开关延时网络芯片实现多波束扫描功能的示意图；

图6为本发明实施例的啁啾波导配合光开关实现多波束扫描功能的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请实施例通过提供一种宽带阵列微波射频前端，解决了现有的雷达难以达到射频信号的高性能、低损传输的技术问题，实现超大阵列规模的宽带微波射频信号的收发处理以及多波束二维扫描控制等功能，实现宽带低损耗传输。

本申请实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

为了适应未来作战需求，未来的电子战装备将朝着集成化、通用化方向发展，而天线后端各种复杂的微波射频前端及大量的射频连接电缆逐渐成为未来电子战装备发展的技术瓶颈。如何在复杂雷达侦察/电子战综合系统中建立高集成度、可重构的宽带阵列微波射频前端，解决射频信号的宽带收发及二维多波束扫描控制是一个急需解决的应用难题。

在现有技术中，一般采用相控阵雷达完成复杂雷达侦察，相控阵技术能够满足新型电子战装备同时多波束，宽空域覆盖、高灵敏度截获的需求，是未来发展的趋势。但是模拟波束形成的传统阵列技术采用移相器、衰减器以及馈电网络来形成天线波束，技术虽然已经比较成熟，但系统组成复杂，重量大，同时传统的微波移相器因宽带工作下会出现空间色散以及时间色散等问题，因此系统宽带工作时，移相精度降低，影响功率合成效率，同时对波束指向、波束形状影响也比较大，而且多波束形成能力有限，灵活性较差。

针对上述问题，本发明实施例采用光子器件和宽带光学多波束网络的结合来解决上述问题。

与传统电子器件相比，光子器件在处理超宽带信号方面具备明显优势，同时，载波频率为1550nm的光信号在光纤中的传输损耗仅为0.2dB/km，相比于几百dB/km的同轴电缆损耗，传输优势十分明显；现阶段，集成光子芯片的传输损耗也在不断降低，逐渐达到实际应用水平。

宽带光学多波束网络采用真时延技术规避波束扫描时出现的波束主瓣倾斜和孔径渡越等色散问题，解决传统的微波延迟线在宽带时，带内一致性很难做好、损耗大等严重限制高性能相控阵系统战术指标的技术难题。宽带光学多波束网络利用微波光子技术大带宽的特点与传统阵列技术相结合实现了瞬时宽带、宽空域和高灵敏度探测，能够大幅度提升电子侦察系统的探测灵敏度，解决了传统电子侦察系统高灵敏度与宽空域覆盖无法兼顾的矛盾；同时由于光学器件多属于无源器件，因此系统功耗也能得以降低。在发明实施例中，通过宽带微波光电收发模块和子阵级光控波束形成网络模块，实现超大阵列规模的宽带微波射频信号的收发处理以及多波束二维扫描控制等功能，实现宽带低损耗传输。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

本发明实施例提供一种宽带阵列微波射频前端，如图1所示该系统包括：宽带微波光电收发模块和子阵级光控波束形成网络模块，宽带微波光电收发模块与子阵级光控波束形成网络模块通过合束/波分复用技术连接。其中上述宽带微波光电收发模块用于根据需求确定天线阵列规模，完成雷达宽带射频信号的收发以及微波信号在光载波上的调制解调处理。上述子阵级光控波束形成网络模块用于对光域上的宽带射频信号进行真延时处理，完成多波束的二维扫描控制。

本发明实施例可以实现超大阵列规模的宽带微波射频信号的收发处理以及多波束二维扫描控制等功能，同时实现宽带低损耗传输。

本发明实施例的宽带微波光电收发模块包括多组子阵级的微波光电收发SIP(system in a package封装系统)，由多通道的微电子收发芯片和光电子收发芯片组成，微波光电收发SIP架构如图2所示。

在接收通道中，天线端接收到的宽带微波信号经由低噪声放大器(LNA)放大后，通过移相器(PS)实现单个周期内的相位微调，再通过光电子芯片调制到光域上，通过光信号合束可以将子阵上的每个天线阵元接收到的微波信号汇聚成一束，进而传输到子阵级光控波束形成网络模块中进行子阵之间的大延时移相处理。

在发射通道中，由子阵级光控波束形成网络模块传输过来的光信号通过功分连接到子阵各光电子芯片中进行光电解调产生相应的宽带微波信号，经光电子芯片中的跨阻放大器(TIA)放大后，进入微电子芯片进行单个周期内移相和放大处理，然后传送天线端进行发射。

子阵级光控波束形成网络模块包括合束/波分复用组件和多组子阵级的光开关延时网络芯片，主要用于实现子阵间的大延时移相补偿以及解决光信号在子阵和总线端的信息交换问题，其架构如图3所示。子阵间的大延时采用高速光开关来选择延时路径，配合低损耗延时波导(低损耗延时波导可以选用啁啾色散性质的波导和非啁啾波导)，不同延时路径引起的延时差对应微波信号周期的整数倍，即Δt1＝m*T(m＝1，2，3，...)，再结合微波光电收发SIP内部移相器具备的周期内移相微调功能，就能控制天线阵元之间相位关系，如图4所示，进而可以实现二维方向特定指向的波束扫描功能。

需要说明的是，在实际运用过程中，可根据实际需求扩大微波光电收发SIP和子阵级光控波束形成网络模块子阵规模，具备可扩展性。

本发明实施例中多波束扫描功能的实现包括以下两种方案：

方案一：增加多组光开关延时网络芯片，以发射通道为例，如图5所示，每组光开关延时网络芯片将完成一个特点指向的波束扫描。

方案二：啁啾色散波导配合光开关延时通道，其中，使用啁啾色散波导可以基于波分复，通过改变光载波波长(λ)来改变啁啾波导中的行走光程，进而实现可调延时。如图6所示，以发射通道为例，多条长度等间隔递增的啁啾波导组成多个通道，不同光载波波长会产生不同的通道延时差(Δt)，进而产生不同的波束指向，这样在某一维度上，比如横向，多个光载波可以同时产生多个波束。

为了实现二维延时，6套图6中的延时阵列形成波束指向所需的延时阵列，通过光开关延时来实现纵向可调延时，但是只能形成纵向单波束。为了实现纵向多波束，就需要更多套图6中的延时阵列，如12套可以形成纵向同时2波束，18套可以形成纵向同时3波束。

以3*2同时多波束为例(横向3个，纵向2个)，需要3个不同波长的光载波和18套图6中延时阵列。

在本发明实施例中，微电子芯片和光电子芯片支持CMOS工艺制备，材料体系兼容硅基及其衍生物、III-V族材料体系，微电子芯片和光电子芯片支持通过键合、倒装焊等方式进行互联。光延时网络芯片和波分复用合束芯片支持COMS工艺制备，材料体系兼容硅基及其衍生物体系，不同光电子芯片之间支持光波导互联。

本发明实施例还提供了一种雷达，该雷达包括上述宽带阵列微波射频前端。

综上所述，与现有技术相比，具备以下有益效果：

1、本发明实施例可以实现超大阵列规模的宽带微波射频信号的收发处理以及多波束二维扫描控制等功能，同时实现宽带低损耗传输。

2、在实际运用过程中，可根据实际需求扩大微波光电收发SIP和子阵级光控波束形成网络模块子阵规模，具备可扩展性。

3、可以依据天线阵列规模需求进行匹配并完成宽带射频信号的收发以及微波信号在光载波上的调制解调处理。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种宽带阵列微波射频前端，其特征在于，所述系统包括：

2.如权利要求1所述的宽带阵列微波射频前端，其特征在于，所述宽带微波光电收发模块包括多组子阵级的微波光电收发SIP。

3.如权利要求2所述的宽带阵列微波射频前端，其特征在于，所述微波光电收发SIP包括微电子芯片和光电子芯片，

所述光电子芯片用于对光-电信号相互转换。

4.如权利要求2～3任一所述的宽带阵列微波射频前端，其特征在于，所述微波光电收发SIP用于完成单个子阵内部的宽带微波信号接收和宽带微波信号发射、以及微波信号在光域的调制解调处理；

5.如权利要求1～3任一所述宽带阵列微波射频前端，其特征在于，所述子阵级光控波束形成网络模块包括合束/波分复用组件和多组子阵级的光开关延时网络芯片。

6.如权利要求5所述宽带阵列微波射频前端，其特征在于，所述光开关延时网络芯片包括高速光开关和低损耗延时波导。

7.如权利要求6任一所述宽带阵列微波射频前端，其特征在于，所述低损耗延时波导包括啁啾色散波导。

8.如权利要求3所述的宽带阵列微波射频前端，其特征在于，所述微电子芯片和所述光电子芯片通过键合方式或倒装焊方式互联。

9.如权利要求5所述的宽带阵列微波射频前端，其特征在于，所述合束/波分复用组件和光开关延时网络芯片通过光波导或光纤耦合互联。

10.一种雷达，其特征在于，包括如权利要求1～9任一项所述宽带阵列微波射频前端。