CN113067635B - 基于集成光延迟芯片的收发一体相控阵波束合成装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于集成光延迟芯片的收发一体相控阵波束合成装置，其中天线收发连接到光调制解调单元，光调制解调单元包括若干组光发射解调模块和光接收调制模块，收发一体延时单元对应设置若干个第一光环行器，每个第一光环行器的输入端连接对应组的光接收调制模块，输出端连接对应组的光发射解调模块，且每个第一光环行器通过一光延迟芯片连接到另一第二光环行器，第二光环行器连接到合波/分波单元的光分束器和光合成器。本发明利用集成光延迟芯片可精确控制的延时量的优点，并结合收发共用一套延时网络的系统架构，克服了微波光子波束合成现有长度延时和色散延时体制中的延时精度不足、色散系数不均匀性以及激光波长精确控制等问题。

Description

基于集成光延迟芯片的收发一体相控阵波束合成装置
技术领域
本发明涉及相控阵技术领域，具体涉及微波光子技术。
背景技术
在传统相控阵系统中，天线波束扫描是通过调整辐射单元之间的相位关系来实现，然而用微波元器件实现相控阵天线单元的全电子控制系统还存在着许多问题。首先，用微波技术实现的移相器本身具有很高的复杂性，且微波移相器自身的损耗（尤其在毫米波段）和重量也是制约相控阵雷达性能的重要因素之一。其次，相控阵是控制信号的相位来延迟信号，这导致不同频率的信号即使有相同的相位延迟却有不同的时间延时，从而传统相控阵天线在宽带信号情况下存在波束指向偏斜的问题，而导致传统相控阵雷达技术无法获得大瞬时信号带宽，直接影响雷达对目标的分辨、识别和成像能力的提升。
近年来，微波光子技术被应用于雷达、通信及电子战系统中，通过在光域进行实时延迟的方法补偿孔径渡越时间，可实现相控阵雷达的宽带宽角扫描；同时，光学真延时传输具有损耗低、频带宽、抗电磁干扰等固有优势。因此，可满足现代战争对雷达全方位、高性能的发展要求，成为相控阵雷达发展的一个重要方向。
如公开号为CN111181683A的专利申请公开了一种基于微波光子的超宽带接收机的装置及设计方法，通过光波分复用技术将光控波束合成和光信道化功能模块通过光传输连接起来，实现了光域处理微波射频信号宽带接收的过程。本发明中不同天线列的微波信号被调制到不同波长的光载波上，通过光波长切换选择不同的延时路径实现不同的波束指向；通过多波长光频率梳实现携带不同列路的射频信号信息并直接光传输进入到微波光子信道化模块中去，在模块中通过解波分复用将不同波长光分配到不同的信道化单元中去，通过不同的信道化单元获取到对应列的中频信道化信号，并最终合束到一起，实现了波束合成的目标。
目前微波光子波束合成技术主要有基于色散延时和基于长度延时两种体制，上述公开的专利文献采用的为和基于长度延时的合成体制。基于色散延时体制微波光子波束合成一般采用光纤作为延时单元，利用色散效应对不同波长激光信号延时的不同实现天线单元对应通道信号延时。基于色散光纤技术实现延时处理的系统设备量需求小，不同指向的波束通过不同长度的色散光纤即可实现，但其对光载波波长需要精确控制，同时色散光纤的色散系数不均匀性而造成的延时不一致限制了其实用性。基于长度延时体制微波光子波束合成采用对应不同通道的光载射频信号经过不同的光路而产生的延时差来实现天线单元对应通道信号延时。基于长度延时体制的波束合成系统结构简单，但当天线阵元数较多时，其设备量庞大，同时当相控阵系统在高频段工作时，特别是毫米波以上频段，每个通道延时长度的精确控制要求很高，在实际工程应用中难度很大。发明内容
本发明所要解决的技术问题在于如何克服现有技术中使用微波光子波束合成系统进行延时的延时精度不足、色散系数不均匀性以及激光波长精确控制等问题。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种基于集成光延迟芯片的收发一体相控阵波束合成装置，包括天线收发前端、光调制解调单元、收发一体延时单元、合波/分波单元以及光电转换单元，所述天线收发前端连接到光调制解调单元，所述光调制解调单元包括若干组光发射解调模块（3）和光接收调制模块（4），收发一体延时单元对应若干组光发射解调模块（3）和光接收调制模块（4）设置若干个第一光环行器（5），每个第一光环行器（5）的输入端连接对应组的光接收调制模块（4），输出端连接对应组的光发射解调模块（3），且每个第一光环行器（5）通过一光延迟芯片（6）连接到另一第二光环行器（7），第二光环行器（7）连接到合波/分波单元的光分束器（8）和光合成器（9），光分束器（8）和光合成器（9）与光电转换单元连接，所述收发一体相控阵波束合成装置工作在接收和发射状态时，共用一套所述收发一体延时单元，不同天线单元通道对应的光接收调制模块（4）中激光器的波长不同，不同天线单元通道对应的光发射调制模块（10）中激光器的波长不同，通过控制不同通道的光延迟芯片（6）的片上延时量来实现对不同通道的延时量的控制和补偿，所述的光延迟芯片（6）是基于光子芯片集成的波导延时线和光开关级联组成的可调延时线。
本发明提出一种基于集成光延迟芯片的收发一体相控阵波束合成方法及装置，利用集成光延迟芯片可精确控制的延时量的优点，并结合收发共用一套延时网络的系统架构，克服了微波光子波束合成现有长度延时和色散延时体制中的延时精度不足、色散系数不均匀性以及激光波长精确控制等问题，同时降低了系统的体积、重量和复杂度，可有效提升相控阵系统的精确扫描能力以及环境适应能力。
作为进一步改进的技术方案，所述天线收发前端包括若干天线阵列单元（1）以及一一对应连接到天线阵列单元（1）的收发切换开关（2），每个收发切换开关（2）连接到光调制解调单元的对应组的光发射解调模块（3）和光接收调制模块（4）。
作为进一步改进的技术方案，所述光电转换单元包括光发射调制模块（10）和光接收解调模块（11），光发射调制模块（10）的输出端连接光分束器（8），光合成器（9）的输出端连接光接收解调模块（11），光发射调制模块（10）接收发射射频信号，光接收解调模块（11）输出射频信号合成。
作为进一步改进的技术方案，所述的光接收调制模块（4）和所述的光发射调制模块（10）均由激光器、电光调制器组成，激光器输出的激光通过光纤连接到电光调制器。
作为进一步改进的技术方案，光子芯片的基底具体为硅基。
作为进一步改进的技术方案，所述的光合成器（9）采用波分复用器，光合成器（9）的各输入光端口的通带与不同通道的光载波的波长相对应。
作为进一步改进的技术方案，所述的光发射解调模块（3）和光接收解调模块（11）均由大饱和功率的探测器组成。
本发明还提供一种采用上述任一方案所述的基于集成光延迟芯片的收发一体相控阵波束合成装置进行波束合成的方法，其中相控阵系统工作在接收状态时的工作过程如下：
天线收发前端中的天线阵列单元（1）接收到的射频信号通过收发切换开关（2）选通接入到光调制解调单元的光接收调制模块（4）中；
天线单元接收下行的射频信号通过加载在光接收调制模块（4）中进行调制；
调制后的光信号分别经过收发一体延时单元中的光环行器（5）下行输入光延迟芯片（6）中，根据接收波束指向的设定，通过控制不同通道的光延迟芯片（6）的片上延时量来实现对不同通道的延时量的控制和补偿；
其后光信号再下行通过第二光环行器（7）输出到光合成器（9）进行光合束；
合束后的光信号再输入到光电转换单元中光接收解调模块（11）转换成合束后的射频信号；
所述的相控阵系统工作在发射状态时的工作过程如下：
射频信号源输出的射频信号通过光电转换单元中的光发射调制模块（10）调制在光载波上，并输出到合波/分波单元中的光分束器（8）；
所述的光分束器（8）用于将该调制后的光载波信号进行分束，分束后的路数与天线阵面通道数相一致。
分束后的光信号再分别经过相应通道的收发一体延时单元中的第二光环行器（7），上行输入到光延迟芯片（6）中，同样根据发射波束指向的设定，通过控制不同通道的片上延时量来实现对不同通道的延时量的控制和补偿。
其后光信号再上行通过第一光环行器（5）输出到光调制解调单元中的光发射解调模块（3），所述的光发射解调模块（3）实现调制光信号转换成射频信号输出；
该射频信号再分别通过天线收发前端中的收发切换开关（2）后激励天线阵列单元（1）进行电磁场辐射。
本发明的优点在于：本发明提出一种基于集成光延迟芯片的收发一体相控阵波束合成方法及装置，利用集成光延迟芯片可精确控制的延时量的优点，并结合收发共用一套延时网络的系统架构，克服了微波光子波束合成现有长度延时和色散延时体制中的延时精度不足、色散系数不均匀性以及激光波长精确控制等问题，同时降低了系统的体积、重量和复杂度，可有效提升相控阵系统的精确扫描能力以及环境适应能力。
附图说明
图1是本发明实施例的一种基于集成光延迟芯片的收发一体相控阵波束合成装置系统示意图。
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，下面将结合本发明实施例，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。
请参阅图1，本发明一种基于集成光延迟芯片的收发一体相控阵波束合成装置包括天线收发前端、光调制解调单元、收发一体延时单元、合波/分波单元以及光电转换单元。
所述天线收发前端包括若干天线阵列单元1以及一一对应连接到天线阵列单元1的收发切换开关2，收发切换开关2连接到光调制解调单元。
所述光调制解调单元包括若干组光发射解调模块3和光接收调制模块4，每个所述收发切换开关2同时连接一个光发射解调模块3和一个光接收调制模块4，光发射解调模块3和光接收调制模块4连接到收发一体延时单元。
所述收发一体延时单元对应若干组光发射解调模块3和光接收调制模块4设置若干个光环行器5，每个光环行器5的输入端连接对应组的光接收调制模块4，输出端连接对应组的光发射解调模块3，且每个光环行器5通过光延迟芯片6连接到另一光环行器7，光环行器7连接到合波/分波单元。
所述合波/分波单元包括光分束器8和光合成器9，光分束器8的输出端分别连接到每个光环行器7，每个光环行器7的输出端均连接到光合成器9。
所述光电转换单元包括光发射调制模块10和光接收解调模块11，光发射调制模块10的输出端连接光分束器8，光合成器9的输出端连接光接收解调模块11。
光发射调制模块10接收发射射频信号，光接收解调模块11输出射频信号合成。
相控阵系统工作在接收状态时的工作过程如下：
天线收发前端中的天线阵列单元1接收到的射频信号通过收发切换开关2选通接入到前端光电转换单元的光接收调制模块4中。
所述的光接收调制模块4由激光器、电光调制器组成，激光器输出的激光通过光纤连接到电光调制器，天线单元接收下行的射频信号通过加载在电光调制器上完成对激光信号的调制，不同天线单元通道对应的光接收调制模块4中激光器的波长不同，以便后续进行合波时不发生干涉。
调制后的光信号分别经过收发一体延迟单元中的光环行器5下行输入光延迟芯片6中。所述的光延迟芯片6是基于光子集成的波导延时线和光开关级联组成的可调延时线，可以精确的控制波导延时量，光子芯片的基底可以根据系统的需要以及制备的难易程度选择硅基、氮化硅等材料。根据接收波束指向的设定，通过控制不同通道的片上延时量来实现对不同通道的延时量的控制和补偿。
其后光信号再下行通过光环行器7输出到光合成器9进行光合束，所述的光合成器9采用波分复用器，光合成器9的各输入光端口的通带与不同通道的光载波的波长相对应。合束后的光信号再输入到光电转换单元中光接收解调模块11转换成合束后的射频信号。所述的光接收解调模块11主要由大饱和功率的探测器组成。
所述的相控阵系统工作在发射状态时的工作过程如下：
射频信号源输出的射频信号通过光电转换单元中的光发射调制模块10调制在光载波上，并输出到合波/分波单元中的光分束器8。所述的光发射调制模块10同样由激光器、电光调制器组成。
所述的光分束器8用于将该调制后的光载波信号进行分束，分束后的路数与天线阵面通道数相一致。
分束后的光信号再分别经过相应通道的收发一体延时单元中的光环行器7，上行输入到光延迟芯片6中。同样根据发射波束指向的设定，通过控制不同通道的片上延时量来实现对不同通道的延时量的控制和补偿。
其后光信号再上行通过环行器5输出到光调制解调单元中的光发射解调模块3。所述的光发射解调模块3中通过光电探测器来实现调制光信号转换成射频信号输出。
该射频信号再分别通过天线收发前端中的收发切换开关2后激励天线阵列单元1进行电磁场辐射。
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 (8)

1.一种基于集成光延迟芯片的收发一体相控阵波束合成装置，其特征在于：包括天线收发前端、光调制解调单元、收发一体延时单元、合波/分波单元以及光电转换单元，所述天线收发前端连接到光调制解调单元，所述光调制解调单元包括若干组光发射解调模块（3）和光接收调制模块（4），收发一体延时单元对应若干组光发射解调模块（3）和光接收调制模块（4）设置若干个第一光环行器（5），每个第一光环行器（5）的输入端连接对应组的光接收调制模块（4），输出端连接对应组的光发射解调模块（3），且每个第一光环行器（5）通过一光延迟芯片（6）连接到另一第二光环行器（7），第二光环行器（7）连接到合波/分波单元的光分束器（8）和光合成器（9），光分束器（8）和光合成器（9）与光电转换单元连接，所述收发一体相控阵波束合成装置工作在接收和发射状态时，共用一套所述收发一体延时单元，不同天线单元通道对应的光接收调制模块（4）中激光器的波长不同，不同天线单元通道对应的光发射调制模块（10）中激光器的波长不同，通过控制不同通道的光延迟芯片（6）的片上延时量来实现对不同通道的延时量的控制和补偿，所述的光延迟芯片（6）是基于光子芯片集成的波导延时线和光开关级联组成的可调延时线。
2.如权利要求1所述的基于集成光延迟芯片的收发一体相控阵波束合成装置，其特征在于：所述天线收发前端包括若干天线阵列单元（1）以及一一对应连接到天线阵列单元（1）的收发切换开关（2），每个收发切换开关（2）连接到光调制解调单元的对应组的光发射解调模块（3）和光接收调制模块（4）。
3.如权利要求2所述的基于集成光延迟芯片的收发一体相控阵波束合成装置，其特征在于：所述光电转换单元包括光发射调制模块（10）和光接收解调模块（11），光发射调制模块（10）的输出端连接光分束器（8），光合成器（9）的输出端连接光接收解调模块（11），光发射调制模块（10）接收发射射频信号，光接收解调模块（11）输出射频信号合成。
4.如权利要求1所述的基于集成光延迟芯片的收发一体相控阵波束合成装置，其特征在于：所述的光接收调制模块（4）和所述的光发射调制模块（10）均由激光器、电光调制器组成，激光器输出的激光通过光纤连接到电光调制器。
5.如权利要求1所述的基于集成光延迟芯片的收发一体相控阵波束合成装置，其特征在于：光子芯片的基底具体为硅基。
6.如权利要求1所述的基于集成光延迟芯片的收发一体相控阵波束合成装置，其特征在于：所述的光合成器（9）采用波分复用器，光合成器（9）的各输入光端口的通带与不同通道的光载波的波长相对应。
7.如权利要求1所述的基于集成光延迟芯片的收发一体相控阵波束合成装置，其特征在于：所述的光发射解调模块（3）和光接收解调模块（11）均由大饱和功率的探测器组成。
8.如权利要求1-7任一项所述的基于集成光延迟芯片的收发一体相控阵波束合成装置，其特征在于：相控阵系统工作在接收状态时的工作过程如下：
天线收发前端中的天线阵列单元（1）接收到的射频信号通过收发切换开关（2）选通接入到光调制解调单元的光接收调制模块（4）中；
天线单元接收下行的射频信号通过加载在光接收调制模块（4）中进行调制；
调制后的光信号分别经过收发一体延时单元中的第一光环行器（5）下行输入光延迟芯片（6）中，根据接收波束指向的设定，通过控制不同通道的光延迟芯片（6）的片上延时量来实现对不同通道的延时量的控制和补偿；
其后光信号再下行通过第二光环行器（7）输出到光合成器（9）进行光合束；
合束后的光信号再输入到光电转换单元中光接收解调模块（11）转换成合束后的射频信号；
所述的相控阵系统工作在发射状态时的工作过程如下：
射频信号源输出的射频信号通过光电转换单元中的光发射调制模块（10）调制在光载波上，并输出到合波/分波单元中的光分束器（8）；
所述的光分束器（8）用于将该调制后的光载波信号进行分束，分束后的路数与天线阵面通道数相一致；
分束后的光信号再分别经过相应通道的收发一体延时单元中的第二光环行器（7），上行输入到光延迟芯片（6）中，同样根据发射波束指向的设定，通过控制不同通道的片上延时量来实现对不同通道的延时量的控制和补偿；
其后光信号再上行通过第一光环行器（5）输出到光调制解调单元中的光发射解调模块（3），所述的光发射解调模块（3）实现调制光信号转换成射频信号输出；
该射频信号再分别通过天线收发前端中的收发切换开关（2）后激励天线阵列单元（1）进行电磁场辐射。
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