CN115333630B - 低插损微波光子相控阵接收波束合成装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种低插损微波光子相控阵接收波束合成装置及方法，涉及相控阵技术领域。本发明通过利用双输出调制器的两个出光口的光信号，减小光功率的损失，提升系统的合成增益，并通过环形架构使得两路光信号经过同样的延时网络，来保证两路信号的通道间的延时差的一致性，最终通过平衡探侧在提高系统合成增益的同时，还可以减小系统的共模噪声，降低系统的噪声系数，具有很强的工程实用性。

Description

低插损微波光子相控阵接收波束合成装置及方法
技术领域
本发明涉及相控阵技术领域，具体涉及一种低插损微波光子相控阵接收波束合成装置及方法。
背景技术
在相控阵中，传统的模拟波束形成技术采用移相器、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，但在信号瞬时带宽较大时会存在波束倾斜和孔径渡越现象。其中，光延时技术是将微波信号转换到光学域上进行延时处理，充分发挥光子技术的低损耗、宽带和抗干扰的特点，来解决目前相控阵天线中大阵列、超宽带、抗干扰等方面性能瓶颈问题的重要手段。
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，实现芯片集成后，光传输损耗依旧明显低于电传输损耗，如光信号在硅延时光波导中的传输损耗为3dB/ns，而微波信号在GaAs延时波导中的传输损耗高达10dB/ns。微波信号相比于光载波的相对带宽很小，因此宽带微波信号在光域上相当于窄带信号，因此信号会有较好的一致性，突出表现在微波信号的带内损耗一致性方面。此外，光的波分复用特性还可以使相控阵多波束形成的结构更加简单，利用光的波分复用以及特种光纤、光波导的色散特性，可以将多通道的微波信号加载在不同波长光载波上，然后在同一个光通道中进行延时处理和传输，这样可以减少通道数量，使延时架构更加简单。
虽然微波光子技术可解决相控阵系统所面临的超宽带波束合成中的孔径渡越和波束倾斜难题，但目前微波光子链路的插损仍然相对较大，随之系统的噪声系数也高，导致相应波束形成模块的技术指标还无法支撑相控阵系统在一些典型应用对“高性能”的需求。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种低插损微波光子相控阵接收波束合成装置及方法，解决了目前微波光子链路的插损仍然相对较大的技术问题。
(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：
第一方面，本发明提供一种低插损微波光子相控阵接收波束合成装置，包括若干激光器、若干双输出调制器、光波分复用器、光环形器、光延时网络和平衡探测器；
任一所述激光器的出光口与对应的双输出调制器的入光口相连接；
每一所述双输出调制器的第一出光口与上路光波分复用器的输入端相连接、第二出光口与下路光波分复用器的输入端相连接，所述双输出调制器的射频输入端口用于输入射频信号；
所述上路光波分复用器的输出端与上路光环形器的第一端口相连接；所述上路光环形器的第二端口通过光延时网络与下路光环形器的第二端口相连接；
所述下路光波分复用器的输出端与下路光环形器的第一端口相连接；所述下路光环形器的第二端口通过光延时网络与上路光环形器的第二端口相连接；
所述上路光环形器的第三端口与平衡探测器的第一输入端相连接，所述下路光环形器的第三端口与平衡探测器的第二输入端相连接，所述平衡探测器的输出端用于输出波束合成的射频信号。
优选的，所述光延时网络选用色散光纤或波导组成的单输入单输出的色散延时网络，或者选用光纤或波导长度切换的单输入单输出的长度延时网络。
第二方面，本发明提供了一种低插损微波光子相控阵接收波束合成方法，采用如上所述的低插损微波光子相控阵接收波束合成装置，其中每个天线单元对应一个接收微波光子通道，该方法包括：
每一通道对应的激光器输出不同频率的光载波信号；
各个所述双输出调制器将接收的射频信号调制在对应的光载波信号上；
每一通道调制后输出两路光信号，所有通道对应的上路光信号通过上路光波分复用器复用成一路光信号输出；所有通道对应的下路光信号通过下路光波分复用器复用成另一路光信号输出；
所述上路光波分复用器输出的光信号通过上路光环形器输出，经过光延时网络之后，进行相应通道间的延时布相，之后再经过下路光环形器之后输出进入到平衡探测器的两路输入中的下端输入；
所述下路光波分复用器输出的光信号通过下路光环形器输出，经过同一光延时网络之后，进行相应通道间的延时布相，之后再经过上路光环形器之后输出进入到平衡探测器的两路输入中的上端输入；
所述平衡探测器将两路输入信号进行反向探测相减，输出波束合成的射频信号。
优选的，不同激光器输出的频率间隔至少大于接收的射频信号最高频率的2倍。
(三)有益效果
本发明提供了一种低插损微波光子相控阵接收波束合成装置及方法。与现有技术相比，具备以下有益效果：
本发明通过利用双输出调制器的两个出光口的光信号，减小光功率的损失，提升系统的合成增益，并通过环形架构使得两路光信号经过同样的延时网络，来保证两路信号的通道间的延时差的一致性，最终通过平衡探侧在提高系统合成增益的同时，还可以减小系统的共模噪声，降低系统的噪声系数，具有很强的工程实用性。
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为本发明实施例提供的一种低插损微波光子相控阵接收波束合成装置的结构示意图。
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低插损微波光子相控阵接收波束合成装置及方法，解决了目前微波光子链路的插损仍然相对较大的技术问题。
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：
面对目前微波光子链路的插损仍然相对较大，申请人认识到关键原因之一就是现有电光调制的效率仍较低。现有技术中，一般常用的方法是通过在光链路中增加光放大器对光功率进行放大来减小系统的插损，但是在多波长的波分复用系统中，光放大器的引入会导致多个波长发生增益竞争现象，从而难以保证多个波长通道的传输插损的一致性，这将导致相控阵系统的波束合成增益和主副瓣抑制比的下降。
针对上述技术缺陷，本发明实施例提出一种低插损微波光子相控阵接收波束合成装置及方法，针对普通马赫曾德调制器的单输出下的光功率的损失，优化为一种基于双输出调制器的相控阵波束合成方案，减小光功率的损失，提升系统的合成增益，降低系统的噪声系数，并通过延时网络的共用架构，提高系统的集成度，可以更好地支撑相控阵系统的合成波束扫描。
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。
实施例1：
本发明提供一种低插损微波光子相控阵接收波束合成装置，包括若干激光器、若干双输出调制器、光波分复用器、光环形器、光延时网络和平衡探测器。
任一所述激光器的出光口与对应的双输出调制器的入光口相连接；
每一所述双输出调制器的第一出光口与上路光波分复用器(即图1中的光波分复用器1)的输入端相连接、第二出光口与下路光波分复用器(即图1中的光波分复用器2)的输入端相连接，所述双输出调制器的射频输入端口用于输入射频信号；
所述上路光波分复用器的输出端与上路光环形器(即图1中的光环形器1)的第一端口相连接；所述上路光环形器的第二端口通过光延时网络与下路光环形器的第二端口相连接；
所述下路光波分复用器的输出端与下路光环形器(即图1中的光环形器2)的第一端口相连接；所述下路光环形器的第二端口通过光延时网络与上路光环形器的第二端口相连接；
所述上路光环形器的第三端口与平衡探测器的第一输入端相连接，所述下路光环形器的第三端口与平衡探测器的第二输入端相连接，所述平衡探测器的输出端用于输出波束合成的射频信号。
特别的，所述光延时网络选用色散光纤或波导组成的单输入单输出的色散延时网络，或者选用光纤或波导长度切换的单输入单输出的长度延时网络。
实施例2：
本发明实施例提供了一种低插损微波光子相控阵接收波束合成方法，采用如上述实施例介绍的低插损微波光子相控阵接收波束合成装置。其中，对相控阵系统来说，天线阵面前端的通道数为M，则低插损微波光子相控阵接收波束合成装置包括M个激光器、M个双输出调制器、2个光波分复用器、2个光环形器、1个光延时网络以及1个平衡探测器等单元等组成。
该方法包括：
S1、每一通道对应的激光器输出不同频率的光载波信号。
M个激光器的输出光信号的波长不同，对应不同的微波光子通道，输出连接到对应的M路调制器中。相控阵系统天线阵面接收到的M路射频信号依次通过相应的M个双输出调制器调制在对应的光载波信号上，M个激光器输出光载波的频率间隔至少大于系统接收射频信号最高频率的2倍。
S2、各个所述双输出调制器将接收的射频信号调制在对应的光载波信号上；每一通道调制后输出两路光信号，所有通道对应的上路光信号通过上路光波分复用器复用成一路光信号输出；所有通道对应的下路光信号通过下路光波分复用器复用成另一路光信号输出。
具体的，设每个通道的光载波表达式为E0(t),其中t为时间变量，则经过双输出调制器后，采用传输矩阵进行分析其输出的表达式为：
其中，E1(t)为双输出调制器的上端输出，E2(t)为双输出调制器的下端输出，α为双输出调制器的光损耗系数，为接收加载在双输出调制器上的射频信号。经过化简，上述的表达式为：
S3、所述上路光波分复用器输出的光信号通过上路光环形器输出，经过光延时网络之后，进行相应通道间的延时布相，之后再经过下路光环形器之后输出进入到平衡探测器的两路输入中的下端输入；所述下路光波分复用器输出的光信号通过下路光环形器输出，经过同一光延时网络之后，进行相应通道间的延时布相，之后再经过上路光环形器之后输出进入到平衡探测器的两路输入中的上端输入。
S4、所述平衡探测器将两路输入信号进行反向探测相减，输出波束合成的射频信号。
具体的，所述的经过光延时网络的两路信号分别输入到平衡探测器中，其经过探测器分别探测后其输出的电流对应的表达式为：
其中，I0为对应光载波的光强，A为光链路的光电转换效率，从上式可以看出，由于两路信号的光载波信号来自相同的激光器，上下两端转换后的电流信号基频相同，通过反向探测相减输出，可以使得输出射频信号变为原来的2倍，同时可以对链路由激光器产生的共模噪声进行抑制，从而得到高增益低噪声的波束合成的射频信号输出。
综上所述，与现有技术相比，具备以下有益效果：
本发明实施例通过利用双输出调制器的两个出光口的光信号，减小光功率的损失，提升系统的合成增益，并通过环形架构使得两路光信号经过同样的延时网络，来保证两路信号的通道间的延时差的一致性，最终通过平衡探侧在提高系统合成增益的同时，还可以减小系统的共模噪声，降低系统的噪声系数，具有很强的工程实用性。
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 (4)

1.一种低插损微波光子相控阵接收波束合成装置，其特征在于，包括若干激光器、若干双输出调制器、光波分复用器、光环形器、光延时网络和平衡探测器；
任一所述激光器的出光口与对应的双输出调制器的入光口相连接；
每一所述双输出调制器的第一出光口与上路光波分复用器的输入端相连接、第二出光口与下路光波分复用器的输入端相连接，所述双输出调制器的射频输入端口用于输入射频信号；
所述上路光波分复用器的输出端与上路光环形器的第一端口相连接；所述上路光环形器的第二端口通过光延时网络与下路光环形器的第二端口相连接；
所述下路光波分复用器的输出端与下路光环形器的第一端口相连接；所述下路光环形器的第二端口通过光延时网络与上路光环形器的第二端口相连接；
所述上路光环形器的第三端口与平衡探测器的第一输入端相连接，所述下路光环形器的第三端口与平衡探测器的第二输入端相连接，所述平衡探测器的输出端用于输出波束合成的射频信号。
2.如权利要求1所述的低插损微波光子相控阵接收波束合成装置，其特征在于，所述光延时网络选用色散光纤或波导组成的单输入单输出的色散延时网络，或者选用光纤或波导长度切换的单输入单输出的长度延时网络。
3.一种低插损微波光子相控阵接收波束合成方法，其特征在于，采用如权利要求1或者2所述的低插损微波光子相控阵接收波束合成装置，其中每个天线单元对应一个接收微波光子通道，该方法包括：
每一通道对应的激光器输出不同频率的光载波信号；
各个所述双输出调制器将接收的射频信号调制在对应的光载波信号上；
每一通道调制后输出两路光信号，所有通道对应的上路光信号通过上路光波分复用器复用成一路光信号输出；所有通道对应的下路光信号通过下路光波分复用器复用成另一路光信号输出；
所述上路光波分复用器输出的光信号通过上路光环形器输出，经过光延时网络之后，进行相应通道间的延时布相，之后再经过下路光环形器之后输出进入到平衡探测器的两路输入中的下端输入；
所述下路光波分复用器输出的光信号通过下路光环形器输出，经过同一光延时网络之后，进行相应通道间的延时布相，之后再经过上路光环形器之后输出进入到平衡探测器的两路输入中的上端输入；
所述平衡探测器将两路输入信号进行反向探测相减，输出波束合成的射频信号。
4.如权利要求3所述的低插损微波光子相控阵接收波束合成方法，其特征在于，不同激光器输出的频率间隔至少大于接收的射频信号最高频率的2倍。
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