CN113960713A - 一种波束数目灵活可控的宽带光学多波束集成芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种波束数目灵活可控的宽带光学多波束集成芯片及方法，该芯片包括输入通道N个，每个通道含有M个不同波长的光信号；独立处理单元N个，每个输入通道对应一个独立处理单元，各独立处理单元包括第一级解波分复用模块、M个延时线模块、波分复用模块；综合处理单元连接所有独立处理单元，包括光合路器和第二级解波分复用模块；通过对输入波长的选择可以实现波束数目、波束指向角的选择。本发明解决了波束指向和波束数目灵活调控的问题。
Description
技术领域
本发明涉及雷达电子战技术，具体涉及一种波束数目灵活可控的宽带光学多波束集成芯片。
背景技术
近年来，随着军事高技术的不断发展，现代战场电磁环境越来越复杂，具体表现为信号密度越来越大、频率覆盖范围越来越宽、信号样式越来越复杂。这给电子对抗设备的信号侦察带来巨大挑战，电子对抗设备需具备宽空域覆盖、宽频段范围和近实时的高灵敏度信号处理。微波光子技术在解决上述问题上有着天然的优势，微波光子技术充分发挥了光在宽带、高速、并行和小巧等方面的技术特点，可以很好的解决宽带信号波束形成中波束指向随频率偏斜的问题，实现大带宽、高灵敏度、大空域覆盖范围的信号接收处理能力。
目前，利用光学手段实现光学多波束的方法非常多，主要有基于罗特曼透镜的光控波束形成、基于空间光调制的光控波束形成、基于光程切换的光控波束形成、基于光色散的光控波束形成和基于微环延时的光控波束形成。但目前报道的光波束形成网络大都基于分离器件搭建，很难突破功耗、体积、重量以及可靠性的限制。尽管对于集成光波束形成网络的研究较多，但大都为单波束或者芯片设计后波束数目不可调控，这无法满足不同应用对波束数目的灵活配置。
发明内容
本发明的目的在于提出一种波束数目灵活可控的宽带光学多波束集成芯片，以解决目前集成波束形成网络无法实现波束指向和波束数目的灵活调控的问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种波束数目灵活可控的宽带光学多波束集成芯片，包括输入通道、独立处理单元和综合处理单元，其中：
输入通道为N个，每个通道含有M个不同波长的光信号；
独立处理单元为N个，每个输入通道对应一个独立处理单元，各独立处理单元包括第一级解波分复用模块、M个延时线模块、波分复用模块，由第一级解波分复用模块对该通道输入的M个不同波长的光信号进行解复用，使得M个不同波长的光信号进入不同的延时线模块，再由波分复用模块将M路延时输出复用到同一根光波导中传输；
综合处理单元连接独立处理单元，包括光合路器和第二级解波分复用模块，由光合路器对N路波分复用模块输出的光信号进行合路，实现不同波长、不同通道信号的叠加，形成M个波束，每个波长对应一个波束指向，再由第二级解波分复用模块对含有M个波束的光信号进行分离。
进一步的，延时线模块通过不同长度的光纤实现延时，光纤的长度与波束指向角和通道数相关，将光波导长度表示为Lij，其中i代表第i个通道，取值范围为1～N，j代表第j个波长，取值范围为1～M，将同一波长下的相邻通道间光纤长度差表示为ΔLij＝Li+1，j-Lij，则ΔLij与波束指向角的关系为：
其中，θ代表波束指向角，neff代表折射率，d代表天线间距。
一种波束数目灵活可控的宽带光学多波束形成方法，基于所述的波束数目灵活可控的宽带光学多波束集成芯片，形成波束数目灵活可控的宽带光学多波束。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)波束数目(波束指向角)的选择可以通过对输入波长的选择来实现，如需要一个波束，则每个通道只需输入同一种波长，如需产生的M个波束，则每个通道输入M种波长；2)不存在光波导的交叉，可以避免光波导交叉带来的功率损耗和信号串扰。
附图说明
图1为本发明波束数目灵活可控的宽带光学多波束集成芯片的结构图。
图2为同时4波束的宽带光学多波束集成芯片的测试和理论仿真对比图，其中实线对应测试结果，虚线对应理论仿真。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
图1为一种波束数目灵活可控的宽带光学多波束集成芯片的结构图，由输入通道、独立处理单元和综合处理单元组成，具体包括：
N个输入通道，每个通道处理M个不同波长的光信号；
N个独立处理单元，每个输入通道对应一个独立处理单元，各独立处理单元包括第一级解波分复用模块、M个延时线模块、波分复用模块，对各通道信号进行独立处理；
综合处理单元连接所有独立处理单元，包括光合路器和第二级解波分复用模块，对所有通道的信号进行综合处理。
上述波束数目灵活可控的宽带光学多波束集成芯片的处理过程为：
(1)各通道的独立处理：
第一步：第一级解波分复用模块对输入的M个不同波长的光信号进行解复用，从而使得M个不同波长的光信号进入不同的延时线模块；
第二步：进入延时线模块的光信号经过不同的长度的光纤Lij(i代表第i个通道，取值范围为1～N，j代表第j个波长，取值范围为1～M)进行延时，Lij取值与波束指向角和通道数等参数相关；
设同一波长下的相邻通道间光波导长度差为ΔLij＝Li+1，j-Lij，则ΔLij取值与波束指向角的关系如下：
第三步：M个经过延时输出的光信号经波分复用模块后在同一根光纤中传输，即同一根光纤里含有M个不同延时的光信号。
(2)综合N个通道的处理：
第四步：经波分复用模块后的N路光信号通过光合路器进行合路，实现了不同波长、不同通道信号的叠加，也即实现了信号的波束合成，共形成了M个波束，每个波长对应一个波束指向；
第五步：含有M个波束的光信号经过第二级解波分复用模块，完成M个波长的分离，也即实现了M个波束的分离。
图2为4通道输入，每个通道有4个波长的宽带多波束集成芯片的测试结果，在测试中共形成4个独立的波束，覆盖±30°。
综上所述，本发明通过调控输入波束的数目，实现波束指向和波束数目的灵活调控，使得系统的SWaP大大降低，具有抗电磁干扰和抗电磁脉冲的能力，在下一代电子信息系统中有着诱人的前景。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (3)
1.一种波束数目灵活可控的宽带光学多波束集成芯片，其特征在于，包括输入通道、独立处理单元和综合处理单元，其中：
输入通道为N个，每个通道含有M个不同波长的光信号；
独立处理单元为N个，每个输入通道对应一个独立处理单元，各独立处理单元包括第一级解波分复用模块、M个延时线模块、波分复用模块，由第一级解波分复用模块对该通道输入的M个不同波长的光信号进行解复用，使得M个不同波长的光信号进入不同的延时线模块，再由波分复用模块将M路延时输出复用到同一根光波导中传输；
综合处理单元连接独立处理单元，包括光合路器和第二级解波分复用模块，由光合路器对N路波分复用模块输出的光信号进行合路，实现不同波长、不同通道信号的叠加，形成M个波束，每个波长对应一个波束指向，再由第二级解波分复用模块对含有M个波束的光信号进行分离。
2.根据权利要求1所述的波束数目灵活可控的宽带光学多波束集成芯片，其特征在于，延时线模块通过不同长度的光纤实现延时，光纤的长度与波束指向角和通道数相关，将光波导长度表示为Lij，其中i代表第i个通道，取值范围为1～N，j代表第j个波长，取值范围为1～M，将同一波长下的相邻通道间光纤长度差表示为ΔLij＝Li+1,j-Lij，则ΔLij与波束指向角的关系为：
其中，θ代表波束指向角，neff代表折射率，d代表天线间距。
3.一种波束数目灵活可控的宽带光学多波束形成方法，其特征在于，基于权利要求1-2任一项所述的波束数目灵活可控的宽带光学多波束集成芯片，形成波束数目灵活可控的宽带光学多波束。
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