CN113571908A - 一种收发共用的二维可重构光控波束形成网络装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种收发共用的二维可重构光控波束形成网络装置，涉及相控阵雷达领域。该装置的第一光功分器的1路输出端与第一调制解调模块连接，N路输出端与调制解调阵列的一端连接；第一调制解调模块还与光色散延时单元连接；光色散延时单元与第二光功分器的输入端连接，第二光功分器的N路输出端与光开关延时单元连接；光开关延时单元还与调制解调阵列的另一端连接。本发明适用于基于微波光子真延时的技术实现的相控阵天线，实现了波束在方位向和俯仰向二维控制，并通过上述拓扑结构，使天线发射和接收都使用同一套延时网络，实现发射波束与接收波束的双向共用。

Description

一种收发共用的二维可重构光控波束形成网络装置
技术领域
本发明涉及相控阵雷达领域，尤其涉及一种收发共用的二维可重构光控波束形成网络装置。
背景技术
传统相控阵天线在大瞬时带宽工作条件下，使用移相器进行波束扫描会发生波束指向偏斜的现象。而采用基于微波光子真延时的技术，则可以实现大瞬时带宽下的准确波束指向。
然而，目前的光控波束形成网络装置主要是针对一维线阵提出的，并且通常仅适用于天线的发射端或者接收端，无法实现双向共用的二维控制，导致目前的光控波束形成网络装置的实用性差和可拓展性差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种收发共用的二维可重构光控波束形成网络装置。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种收发共用的二维可重构光控波束形成网络装置，包括：第一光功分器、第二光功分器、第一调制解调模块、光色散延时单元、光开关延时单元和调制解调阵列，其中：
所述第一光功分器共有N+1路输出端，1路输出端与所述第一调制解调模块连接，N路输出端与所述调制解调阵列的一端连接；
所述第一调制解调模块还与所述光色散延时单元连接，所述第一调制解调模块用于将电信号加载到光载波信号上，并将电信号从光信号中解调出来；
所述光色散延时单元与所述第二光功分器的输入端连接，所述第二光功分器共有N路输出端，所述第二光功分器的N路输出端与所述光开关延时单元连接，所述光色散延时单元用于提供天线阵列在俯仰向扫描时所需的延时，所述光开关延时单元用于提供天线阵列在方位向扫描时所需的延时；
所述光开关延时单元还与所述调制解调阵列的另一端连接；
其中，N＞1，N为天线阵列的列数。
本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：
一种相控阵雷达，包括如上述技术方案所述的收发共用的二维可重构光控波束形成网络装置。
本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：
一种通信系统，包括如上述技术方案所述的收发共用的二维可重构光控波束形成网络装置。
本发明的有益效果是：本发明提供的光控波束形成网络装置，适用于基于微波光子真延时的技术实现的相控阵天线，通过光色散延时单元提供天线阵列在俯仰向扫描时所需的延时，通过光开关延时单元提供天线阵列在方位向扫描时所需的延时，实现了波束在方位向和俯仰向二维控制，并通过上述拓扑结构，使天线发射和接收都使用同一套延时网络，实现发射波束与接收波束的双向共用，有效简化天线波束控制网络的复杂度，在需要扩展天线规模时，仅需要增加少量的器件即可满足使用，提高了光控波束形成网络装置的实用性和拓展性。
本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。
附图说明
图1为本发明光控波束形成网络装置的实施例提供的结构框架示意图；
图2为本发明光控波束形成网络装置的其他实施例提供的结构示意图；
图3为本发明光控波束形成网络装置的其他实施例提供的光色散延时单元结构示意图；
图4为本发明光控波束形成网络装置的其他实施例提供的光开关延时单元结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
应理解，本发明光控波束形成网络装置用于相控阵天线，输入的光载波信号可以由多波长阵列激光器产生，从第一光功分器输入。对于M*N的天线阵列，本发明仅需要1个光色散延时单元和N个光开关延时单元即可，相比于传统方案使用的光延时单元更少，系统复杂度更低。
在非全阵工作状态下，可通过选择阵列波长激光器输出的波长范围控制实际使用的阵面位置和阵面大小。
下面结合示例对本发明做进一步说明。
如图1所示，为本发明光控波束形成网络装置的实施例提供的结构框架示意图，该光控波束形成网络装置可以实现收发共用的二维可重构，包括：第一光功分器10、第二光功分器20、第一调制解调模块30、光色散延时单元40、光开关延时单元50和调制解调阵列60，其中：
第一光功分器10为1×(N+1)功分器，共有1个输入端，N+1路输出端，用于将输入的光载波信号等功率分为N+1路。1路输出端与第一调制解调模块30连接，N路输出端与调制解调阵列60的一端连接；
第一调制解调模块30还与光色散延时单元40连接，第一调制解调模块30用于将电信号加载到光载波信号上，并将电信号从光信号中解调出来；
光色散延时单元40与第二光功分器20的输入端连接，第二光功分器20为1×N功分器，共有1个输入端，N路输出端，用于将光载波信号等功率分为N路。第二光功分器20的N路输出端与光开关延时单元50连接，光色散延时单元40用于提供天线阵列在俯仰向扫描时所需的延时，光开关延时单元50用于提供天线阵列在方位向扫描时所需的延时；
光开关延时单元50还与调制解调阵列60的另一端连接；
其中，N＞1，N为天线阵列的列数，阵列天线由M行、N列天线单元排布而成，用于发射或接收电信号。
应理解，本实施例提供的光控波束形成网络装置可以通过人为选择多波长阵列激光器输出的光波长范围，从而实现天线单元通道的选通。在非全阵工作条件下，可以实现部分天线单元工作，且其位置和大小可控。
本实施例提供的光控波束形成网络装置，适用于基于微波光子真延时的技术实现的相控阵天线，通过光色散延时单元40提供天线阵列在俯仰向扫描时所需的延时，通过光开关延时单元50提供天线阵列在方位向扫描时所需的延时，实现了波束在方位向和俯仰向二维控制，并通过上述拓扑结构，使天线发射和接收都使用同一套延时网络，实现发射波束与接收波束的双向共用，有效简化天线波束控制网络的复杂度，在需要扩展天线规模时，仅需要增加少量的器件即可满足使用，提高了光控波束形成网络装置的实用性和拓展性。
如图2所示，为本发明光控波束形成网络装置的其他实施例提供的结构示意图，下面结合图2对本发明一些可选的实施方式进行说明。
可选地，在一些可能的实施方式中，如图2所示，调制解调阵列60包括：N个调制解调子阵列，每个调制解调子阵列包括：第一光波分复用器61、第二光波分复用器62、M个第二调制解调模块63和M个电环行器64，其中：
每个第二调制解调模块63分别与每个电环行器64连接，且每个第二调制解调模块63的输入端与所述第一光波分复用器61连接，输出端与第二光波分复用器62连接；
N个调制解调子阵列的第一光波分复用器61分别与第一光功分器10的N路输出端一一对应连接，N个调制解调子阵列的第二光波分复用器62分别与第二光功分器20的N路输出端一一对应连接，第一光波分复用器61和第二光波分复用器62用于将多波长的光载波信号按照波长分离成M个不同波长的光载波信号；
其中，M＞1，M为天线阵列的行数。
可选地，在一些可能的实施方式中，如图2所示，第二调制解调模块63包括：第二光环行器631、第二电光调制器632和第二光电探测器633，其中：
第二光环行器631的一端与第二光波分复用器62连接，另一端分别与第二电光调制器632的输出端和第二光电探测器633的输入端连接，第二光环行器631用于将发射光信号和接收光信号分离，第二光电探测器633用于探测发射端光信号，将其转换为电信号送至天线单元，第二电光调制器632用于将天线单元接收的电信号加载到光载波信号上；
例如，第二电光调制器632可以采用马赫-曾德尔调制器，调制方式为正交点强度调制；
第二电光调制器632的输入端与第一光波分复用器61连接；
电环行器64分别与第二电光调制器632的电通信端和第二光电探测器633的电通信端连接。
可选地，在一些可能的实施方式中，如图2所示，电环行器64还与天线阵列的天线单元连接。
可选地，在一些可能的实施方式中，如图2所示，第一调制解调模块30包括：第一光环行器31、第一电光调制器32和第一光电探测器33，其中：
第一光环行器31的一端与光色散延时单元40连接，另一端分别与第一电光调制器32的输出端和第一光电探测器33的输入端连接，第一光环行器31用于将发射光信号和接收光信号分离，第一光电探测器33用于探测接收端经过延时补偿的光信号，将其转换为电信号，第一电光调制器32用于将待发射的电信号加载到光载波信号上；
例如，第一电光调制器32可以采用马赫-曾德尔调制器，调制方式为正交点强度调制。
第一电光调制器32的输入端与第一光功分器10的1路输出端连接。
可选地，在一些可能的实施方式中，光色散延时单元40包括：2个第一1×2光开关41、P-1个第一2×2光开关44、第一单模光纤43和第一色散光纤42，其中：
1个第一1×2光开关41、P-1个第一2×2光开关44和1个第一1×2光开关41依次串联，任意相邻的两个光开关之间的上路通过长度依次递增的第一色散光纤42连接，任意相邻的两个光开关之间的下路通过固定长度的第一单模光纤43连接；
其中，P为光色散延时单元40的位数。
如图3所示，为本发明光控波束形成网络装置的其他实施例提供的光色散延时单元40结构示意图，光开关分为两种，一种是1×2光开关，另一种是2×2光开关，1×2光开关有2个，分别设置在首尾，2×2光开关有P-1个，分别设置在中间，各个光开关依次首尾相连。
上路的第一色散光纤42的长度从光输入侧到光输出侧，依次可以为2n-1×L1，n＝1,2,3…,P，色散系数为D，下路的第一单模光纤43长度为L0，L0为相邻的两个光开关之间的距离。
下面对光色散延时单元40的工作流程进行说明。
以发射模式为例，光色散延时单元40对信号进行延时补偿后，经过第一光功分器10、光开关延时单元50和第二光波分复用器62后，光载波λ1送入第一行天线单元后端的第二光电探测器633，λ2送入第二行天线单元后端的第二光电探测器633……λM送入第M行天线单元后端的第二光电探测器633。若多波长阵列激光器产生的M个光载波波长间隔为Δλ，根据原理Δτ＝D·Δλ·L，可知λ1～λM光载波在经过光色散延时单元40后引入的延时差分别为Δτ，2Δτ……(M-1)Δτ。当光色散延时单元40通过光开关切换光信号在其中经过的物理路径长度时，Δτ随L发生变化。对于P-bit的光色散延时单元40，共可实现2P-1种延时状态。当俯仰向单元间的延时差Δτ发生变化，即可实现波束扫描。
可选地，在一些可能的实施方式中，光开关延时单元50包括：2个第二1×2光开关51、Q-1个第二2×2光开关54、第二单模光纤52和第三单模光纤53，其中：
1个第二1×2光开关51、Q-1个第二2×2光开关54和1个第二1×2光开关51依次串联，任意相邻的两个光开关之间的上路通过第二单模光纤52连接，任意相邻的两个光开关之间的下路通过第三单模光纤53连接，且相邻的两个光开关之间的上路和下路的长度差依次递增；
其中，Q为光开关延时单元50的位数。
如图4所示，为本发明光控波束形成网络装置的其他实施例提供的光开关延时单元50结构示意图，光开关分为两种，一种是1×2光开关，另一种是2×2光开关，1×2光开关有2个，分别设置在首尾，2×2光开关有Q-1个，分别设置在中间，各个光开关依次首尾相连。
上路的第二单模光纤52和下路的第三单模光纤53的长度差从光输入侧到光输出侧，依次可以为为2n-1×L2，n＝1,2,3…,Q，下路的第三单模光纤53长度为L2，L2为相邻的两个光开关之间的距离。
下面对光开关延时单元50的工作流程进行说明。
M行N列的天线阵列采用N个光开关延时单元50。如图2所示，OTTD-1控制第一列天线的方位扫描所需的延时，OTTD-2控制第二列天线方位扫描所需的延时……OTTD-N控制第N列天线方位扫描时所需的相位。以发射模式为例，多波长载波信号在经过光色散延时单元40的俯仰向延时补偿后，通过第二光功分器20送入OTTD-1，OTTD-2……OTTD-N中。在OTTD-1中，通过切换光开关的状态，使多波长光载波经过不同的物理长度。由于光开关延时单元50采用普通单模光纤进行连接，色散系数很小且长度很短，因此对于光开关延时单元50中的不同波长的光载波，基于光纤色散引入的光延时差可忽略不计。根据原理Δτ＝nL2/c，多波长光载波在OTTD-1中获得的延时补偿量均为Δτ。同理，多波长光载波在OTTD-2中获得的延时补偿为2Δτ……在OTTD-N中获得的延时补偿为NΔτ。当切换光开关，Δτ发生改变，进而实现天线阵列在方位向的波束扫描。
采用上述实施方式公开的光色散延时单元40和光开关延时单元50，对于天线瞬时带宽的限制仅取决于电光调制器和光电探测器的带宽，而电光调制器的带宽通常可达数十GHz，因此可以实现较大的瞬时带宽，满足天线的使用需求，实现波束指向无偏斜，可以实现天线波束在方位向和俯仰向的二维控制。
可选地，在一些可能的实施方式中，如图2所示，还包括：多波长阵列激光器70和放大器80，其中：
多波长阵列激光器70的输出端与放大器的输入端连接，放大器80的输出端与第一光功分器10的输入端连接，多波长阵列激光器70用于产生预设波长间隔的光载波信号，放大器80用于对多波长阵列激光器产生的光载波信号进行放大，并将放大后的光载波信号发送给第一光功分器10。
具体地，多波长阵列激光器70用于产生波长间隔为Δλ的M个光载波，载波波长分别为λ1λ2…λM。
下面结合图2，对本发明提供的光控波束形成网络装置的工作流程进行说明，本装置共涉及发射和接收两种工作方式。
在发射模式下，多波长阵列激光器70产生的多波长载波经过光放大器80放大及第一光功分器10功分后，其中一路送入第一电光调制器32，待发射的电信号通过第一电光调制器32加载到多波长光载波上，随后经第一光环行器31送入光色散延时单元40进行俯仰向延时补偿。经过第一次延时补偿后的光信号经过第二光功分器20功送入N个光开关延时单元50。各光开关延时单元50对光信号进行方位向延时补偿后送入第二光波分复用器62。第二光波分复用器62将多波长光信号分离成M个单波长光信号，经第二光环行器631，送入第二光电探测器633，将电信号解调出来。电信号经电环行器64送至天线单元并辐射出去。
在接收模式下，多波长阵列激光器70产生的多波长载波经过光放大器80放大及第一光功分器10功分后，其中N路分别送入第一光波分复用器61。第一光波分复用器61将多波长光信号分离成M个单波长光载波，并送入对应列的第二电光调制器632。天线单元接收到的电信号经过电环行器64后通过第二电光调制器632加载到光载波上。随后每一列的光信号经过第二光环行器631、第二光波分复用器62将信号合成为一路多波长光信号，并送入光开关延时单元50进行方位向的延时补偿。N路多波长光信号经过第一光功分器10合成为一路送入光色散延时单元40进行俯仰向延时补偿，随后经第一光环行器31送入第一光电探测器33，将电信号解调出来并送入下一级进行处理。
可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施方式中的部分或全部。
本发明还提供一种相控阵雷达，包括如上述任意实施方式公开的收发共用的二维可重构光控波束形成网络装置。
应理解，该相控阵雷达可以为基于微波光子真延时的技术实现的相控阵雷达。可以实现大瞬时带宽下的准确波束指向，同时具有体积小、重量轻、抗电磁干扰等优势，在超宽带雷达、电子对抗等领域拥有广阔的应用前景。
本发明还提供一种通信系统，包括如上述任意实施方式公开的收发共用的二维可重构光控波束形成网络装置。
可选地，该通信系统可以包括：服务器、终端和相控阵雷达，相控阵雷达的阵列天线采集到信号后，通过上述实施方式中公开的光控波束形成网络装置处理后发送给终端，终端在对数据进行处理和展示后，发送到服务器中存储。
读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的方法实施例仅仅是示意性的，例如，步骤的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个步骤可以结合或者可以集成到另一个步骤，或一些特征可以忽略，或不执行。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种收发共用的二维可重构光控波束形成网络装置，其特征在于，包括：第一光功分器、第二光功分器、第一调制解调模块、光色散延时单元、光开关延时单元和调制解调阵列，其中：
所述第一光功分器共有N+1路输出端，1路输出端与所述第一调制解调模块连接，N路输出端与所述调制解调阵列的一端连接；
所述第一调制解调模块还与所述光色散延时单元连接，所述第一调制解调模块用于将电信号加载到光载波信号上，并将电信号从光信号中解调出来；
所述光色散延时单元与所述第二光功分器的输入端连接，所述第二光功分器共有N路输出端，所述第二光功分器的N路输出端与所述光开关延时单元连接，所述光色散延时单元用于提供天线阵列在俯仰向扫描时所需的延时，所述光开关延时单元用于提供天线阵列在方位向扫描时所需的延时；
所述光开关延时单元还与所述调制解调阵列的另一端连接；
其中，N＞1，N为天线阵列的列数。
2.根据权利要求1所述的收发共用的二维可重构光控波束形成网络装置，其特征在于，所述调制解调阵列包括：N个调制解调子阵列，每个所述调制解调子阵列包括：第一光波分复用器、第二光波分复用器、M个第二调制解调模块和M个电环行器，其中：
每个所述第二调制解调模块分别与每个所述电环行器连接，且每个所述第二调制解调模块的输入端与所述第一光波分复用器连接，输出端与所述第二光波分复用器连接；
所述N个调制解调子阵列的第一光波分复用器分别与所述第一光功分器的N路输出端一一对应连接，所述N个调制解调子阵列的第二光波分复用器分别与所述第二光功分器的N路输出端一一对应连接；
其中，M＞1，M为天线阵列的行数。
3.根据权利要求2所述的收发共用的二维可重构光控波束形成网络装置，其特征在于，所述第二调制解调模块包括：第二光环行器、第二电光调制器和第二光电探测器，其中：
所述第二光环行器的一端与所述第二光波分复用器连接，另一端分别与所述第二电光调制器的输出端和所述第二光电探测器的输入端连接；
所述第二电光调制器的输入端与所述第一光波分复用器连接；
所述电环行器分别与所述第二电光调制器的电通信端和所述第二光电探测器的电通信端连接。
4.根据权利要求3所述的收发共用的二维可重构光控波束形成网络装置，其特征在于，所述电环行器还与所述天线阵列的天线单元连接。
5.根据权利要求1所述的收发共用的二维可重构光控波束形成网络装置，其特征在于，所述第一调制解调模块包括：第一光环行器、第一电光调制器和第一光电探测器，其中：
所述第一光环行器的一端与所述光色散延时单元连接，另一端分别与所述第一电光调制器的输出端和所述第一光电探测器的输入端连接；
所述第一电光调制器的输入端与所述第一光功分器的1路输出端连接。
6.根据权利要求1所述的收发共用的二维可重构光控波束形成网络装置，其特征在于，所述光色散延时单元包括：2个第一1×2光开关、P-1个第一2×2光开关、第一单模光纤和第一色散光纤，其中：
1个所述第一1×2光开关、P-1个所述第一2×2光开关和1个所述第一1×2光开关依次串联，任意相邻的两个光开关之间的上路通过长度依次递增的所述第一色散光纤连接，任意相邻的两个光开关之间的下路通过固定长度的所述第一单模光纤连接；
其中，P为光色散延时单元的位数。
7.根据权利要求1所述的收发共用的二维可重构光控波束形成网络装置，其特征在于，所述光开关延时单元包括：2个第二1×2光开关、Q-1个第二2×2光开关、第二单模光纤和第三单模光纤，其中：
1个所述第二1×2光开关、Q-1个所述第二2×2光开关和1个所述第二1×2光开关依次串联，任意相邻的两个光开关之间的上路通过所述第二单模光纤连接，任意相邻的两个光开关之间的下路通过所述第三单模光纤连接，且相邻的两个光开关之间的上路和下路光纤的长度差依次递增；
其中，Q为光开关延时单元的位数。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的收发共用的二维可重构光控波束形成网络装置，其特征在于，还包括：多波长阵列激光器和放大器，其中：
所述多波长阵列激光器的输出端与所述放大器的输入端连接，所述放大器的输出端与所述第一光功分器的输入端连接，所述多波长阵列激光器用于产生预设波长间隔的光载波信号，所述放大器用于对所述多波长阵列激光器产生的光载波信号进行放大，并将放大后的光载波信号发送给所述第一光功分器。
9.一种相控阵雷达，其特征在于，包括如权利要求1至8中任一项所述的收发共用的二维可重构光控波束形成网络装置。
10.一种通信系统，其特征在于，包括如权利要求1至8中任一项所述的收发共用的二维可重构光控波束形成网络装置。
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