CN116388818A - 一种基于波长选择开关的收发共用波束形成网络 - Google Patents

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CN116388818A CN202310182057.7A CN202310182057A CN116388818A CN 116388818 A CN116388818 A CN 116388818A CN 202310182057 A CN202310182057 A CN 202310182057A CN 116388818 A CN116388818 A CN 116388818A
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Abstract

本发明公开了一种基于波长选择开关的收发共用波束形成网络，包括：多波长激光器、多个光开关、多个电光强度调制器、掺铒光纤放大器、1×n光分束器、多个光环形器、多个光准直耦合器、衍射光栅、硅基液晶器件、多个色散光纤、波分复用器和多个光电探测器。本发明提供的基于波长选择开关的收发共用波束形成网络，可实现收发共用的多通道任意可重构延时、幅度调控特性，实现微波光子波束形成网络。

Description

一种基于波长选择开关的收发共用波束形成网络
技术领域
本发明属于相控阵天线领域，尤其涉及一种基于波长选择开关的收发共用波束形成网络。
背景技术
传统的模拟波束合成方法中，电移相器具有频率依赖特性，导致宽带下产生波束斜视；而电延时线的宽带真时延性能有限，且在高频下会有很大的损耗；因此传统电域模拟波束合成方法不能满足宽带宽角扫描的波束合成需求。数字波束合成方法充分利用了数字处理的优势，为波束合成提供了巨大的灵活性，但受限于模数转换技术有限的处理带宽及数字域有限的信息处理能力，在应对上述需求时仍然显得捉襟见肘。相比于上述两种方案，基于微波光子延时技术的光波束形成网络具有大瞬时带宽、抗电磁干扰、与光纤网络兼容的特点，在相控阵雷达、多功能一体化电子对抗系统中具有极大的应用价值。
光子真延时以实现波束形成网络主要有自由空间光学、集成光学、光纤光学三类方案，主要包括：利用啁啾光纤布拉格光栅来形成色散延时、级联多级光开关和延时光纤、片上集成光波导方案、色散增强的光子晶体光纤以及高阶模色散多模光纤等。上述这些方案虽然可以实现高效的光波束形成网络，但是它们通常需要对每一个延时通道单独设置延时器件，无法通过单一器件实现多路并行光延时，也无法对单一通道的幅度和延时量进行同步灵活调控。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于波长选择开关的收发共用波束形成网络，包括多波长激光器1，多波长激光器1的输出端与第一光开关2的输入端连接，第一光开关2的输出端分别连接第一电光强度调制器3的输入端和第二光开关4的第二输入端，第一电光强度调制器3的输出端连接第二光开关4的第一输入端，第二光开关4的输出端通过掺铒光纤放大器5连接1×n光分束器6的输入端，1×n光分束器6的第一～第n输出端分别连接第3～第n+2光开关7-1～7-n的输入端，第3～第n+2光开关7-1～7-n的第一输出端分别连接第2～第n+1电光强度调制器8-1～8-n的输入端，第2～第n+1电光强度调制器8-1～8-n的输出端与第n+3～第2n+2光开关9-1～9-n的第一输入端连接；第3～第n+2光开关7-1～7-n的第二输出端分别与第n+3～第2n+2光开关9-1～9-n的第二输入端对应连接；
第n+3～第2n+2光开关9-1～9-n的输出端与第一～第n光环形器10-1～10-n的第一端口连接，第一～第n光环形器10-1～10-n的第二端口分别通过第一～第n色散光纤14-1～14-n与第2n+3～第3n+2光开关15-1～15-n的输入端对应连接，第2n+3～第3n+2光开关15-1～15-n的第一输出端分别通过第一～第n光电探测器16-1～16-n与第一～第n射频环形器17-1～17-n的射频输入端口对应连接，第一～第n色散光纤14-1～14-n与第2n+3～第3n+2光开关15-1～15-n的第二输出端连接波分复用器19，波分复用器19与光电探测器20连接；第一～第n射频环形器17-1～17-n的射频输出端口分别与第2～第n+1电光强度调制器8-1～8-n的射频输入端口对应连接，第一～第n射频环形器17-1～17-n的光纤端口分别与第一～第n天线18-1～18-n连接；
第一～第n光环形器10-1～10-n的第三端口分别与第一～第n光准直耦合器11-1～11-n的输入端对应连接，第一～第n光准直耦合器11-1～11-n的输出端通过衍射光栅12连接硅基液晶器件13；
所述光开关均为1×2光开关，n为大于等于2的正整数。
进一步地，所述多波长激光器1具有m个输出波长，分别为λ1～λm，相邻波长保持相同的波长间隔Δλ。
进一步地，所述第一电光强度调制器3用于加载射频发射信号，第2～第n+1电光强度调制器8-1～8-n用于加载从各天线处接收的射频回波信号。
进一步地，所述衍射光栅12在长方向上具有固定周期的相位梯度分布，即
Figure BDA0004102599620000021
其中/>
Figure BDA0004102599620000022
为衍射光栅12的相位，l为衍射光栅12的长边，Λ为光栅周期。
进一步地，所述硅基液晶器件13在长和宽方向上具有若干液晶像素，通过下方的硅基CMOS驱动控制的像素化金属电极实现每个像素上精确的相位调控；由于各通道和各波长的光斑会覆盖一定面积的液晶像素区域，若选择某一通道中的某一波长分量λi沿原路径返回，则其光斑所在区域的相位分布应满足：
Figure BDA0004102599620000023
其中/>
Figure BDA0004102599620000024
为硅基液晶器件在该区域所需的相位分布，θi为λi入射到硅基液晶器件上的入射角。
进一步地，所述硅基液晶器件13在x方向产生特定的相位梯度分布使返回的光相对于第i光准直耦合器11-i产生x方向光斑偏移，使其部分耦合进光纤中，形成光强度调制效果；光链路中的光强度调制会影响输出的射频信号的强度，其关系为：光上损耗每增大1dB，输出的射频损耗增大2dB；其中，i＝1、2、…、n。
进一步地，所述多个色散光纤的长度、色散系数均保持一致，波长为λi和λj的光在长度为L的色散光纤传输产生的延时差为Δτ＝DL(λj-λi)，其中D为色散系数，通过改变所述多波长激光器1的最大波长λm和最小波长λ1的波长差以及色散光纤的长度改变最大延时量，最小延时精度则由所述多波长激光器1的波长间隔Δλ来决定；若发射/接收波束方向为ψ，则相邻通道的延时量差值满足Δτ＝dsinψ/c，其中d为相邻通道天线间距，c为真空中光速。
进一步地，所述收发共用波束形成网络工作于发射模式时，多波长激光器1输出波长为λ1、λ2、…、λm，相邻波长间隔为Δλ的连续波激光，控制第一光开关2和第二光开关4选择上支路，射频发射信号被第一电光强度调制器3调制到光载波上，经掺铒光纤放大器5进行增益放大，经1×n光分束器6将光信号等功率地分为n路，每一路均包含等功率的λ1～λm波长分量，控制第3～第n+2光开关7-1～7-n和第n+3～第2n+2光开关9-1～9-n选择下支路，经第一～第n光环形器10-1～10-n和第一～第n光准直耦合器11-1～11-n准直后输出到自由空间。
进一步地，所述收发共用波束形成网络工作于接收模式时，多波长激光器1输出波长为λ1、λ2、…、λm，相邻波长间隔为Δλ的连续波激光，控制第一光开关2和第二光开关4选择下支路，经掺铒光纤放大器5进行增益放大，经1×n光分束器6将光信号等功率地分为n路，每一路均包含等功率的λ1～λm波长分量，控制第3～第n+2光开关7-1～7-n、第n+3～第2n+2光开关9-1～9-n选择上支路，从第一～第n天线18-1～18-n处接收的射频回波信号经第一～第n射频环形器17-1～17-n后被第2～第n+1电光强度调制器8-1～8-n调制到光载波上，经第一～第n光环形器10-1～10-n和第一～第n光准直耦合器11-1～11-n准直后输出到自由空间。
本发明与现有技术相比，具备以下优点：
此波束形成网络采用收发共用架构，用多个光开关实现接收支路和发射支路的快速切换，使多波长激光器、掺铒光纤放大器、自由空间波长选择模块、光电探测器等光有源器件和光功分器、光环形器、光耦合准直器、色散光纤等光无源器件得以收发共用，极大地简化了系统结构，提高了集成度；由衍射光栅和LCOS组成的波长选择开关可以对多路光信号进行并行的波长选择，结合色散光纤实现多路光延时，相较于每一路都需要独立延时调控器件的基于光开关切换的光延时方案，极大地简化了光延时设备量；另外，该技术方案另一个显著优点是高可重构性，任意发射/接收通路里任何一个或几个波长可以通过为LCOS动态地加载特定设计的相位全息图来实现波长选择，实现任意的一组或几组不同的阵列延时，从而实现任意多波束形成，同时，由于射频信号的延时和幅度可以被同时调控，还可以实现低副瓣波束形成。
附图说明
图1为本发明实施例的具有n个通道的收发共用波束形成网络原理框图。
图2为本发明实施例的自由空间光路模块原理示意图。
图3为本发明实施例的硅基液晶(LCOS)的二维平面光斑分布示意图。
图中标号所代表的含义为：
多波长激光器1、第一光开关2、第二光开关4、第3～第n+2光开关7-1～7-n、第n+3～第2n+2光开关9-1～9-n、第2n+3～第3n+2光开关15-1～15-n、第一电光强度调制器3、第2～第n+1电光强度调制器8-1～8-n、掺铒光纤放大器5、1×n光分束器6、第一～第n光环形器10-1～10-n、第一～第n光准直耦合器11-1～11-n、衍射光栅12、硅基液晶器件13、第一～第n色散光纤14-1～14-n、第一～第n光电探测器16-1～16-n、第一～第n射频环形器17-1～17-n、第一～第n天线18-1～18-n、波分复用器19、光电探测器20。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。此外，以下实施例中的“连接”，如果被连接的对象之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
本发明提供了一种基于波长选择开关的收发共用波束形成网络，具体包括：一个多波长激光器，用于产生多个波长的光载波；多个光开关，用于选择接收或发射支路；多个电光强度调制器，用于将射频发射信号和从各天线处接收的射频回波信号调制到光载波上；一个掺铒光纤放大器，用于光信号的放大；一个1×n光分束器，用于将多波长光信号等功率地分为n路；多个光环形器，用于各路光信号的指定路径传输；多个光准直耦合器，用于各路光信号的光纤到自由空间的准直输出以及自由空间到光纤的耦合；一个衍射光栅，用于将各路光信号中的不同波长分量反射到不同的角度，被相位可编程的硅基液晶器件调制；一个硅基液晶器件(LCOS)，通过编程控制每一个液晶像素的相位，用于各路光信号的波长选择以及幅度选择，被选择的波长光信号会通过原光路耦合进光纤中，其他未被选择的波长则不耦合进光纤中；多个色散光纤，用于各路光信号的延时；多个电环行器，用于隔离接收支路与发射支路；一个波分复用器，用于光上波束合成；多个光电探测器，用于将光载射频信号解调出射频信号。
该波束形成网络的一般性原理框图请参照附图1，假设该网络包含n个接收/发射通道，则该网络包括：
多波长激光器1，用于产生光载波。多波长激光器具有m个输出波长，分别为λ1～λm，相邻波长保持相同的波长间隔Δλ。
第一光开关2、第二光开关4、第3～第n+2光开关7-1～7-n、第n+3～第2n+2光开关9-1～9-n、第2n+3～第3n+2光开关15-1～15-n，用于选择接收或发射支路。本发明所述光开关均为1×2光开关。
第一电光强度调制器3、第2～第n+1电光强度调制器8-1～8-n，用于将射频信号调制到光载波上。其中，第一电光强度调制器3用于加载射频发射信号，第2～第n+1电光强度调制器8-1～8-n用于加载从各天线处接收的射频回波信号。
掺铒光纤放大器5，用于光信号的增益放大。
1×n光分束器6，用于将λ1～λm的多波长光信号等功率地分为n路。
第一～第n光环形器10-1～10-n，用于各路光信号的指定路径传输。
第一～第n光准直耦合器11-1～11-n，用于各路光信号的光纤到自由空间的准直输出以及自由空间到光纤的耦合。
衍射光栅12，用于将各路光信号中的不同波长分量反射到不同的角度，被相位可编程的硅基液晶器件13调制。
硅基液晶器件13(LCOS)，通过编程控制每一个液晶像素的相位，用于各路光信号的波长选择以及幅度选择，被选择的波长光信号会通过原光路耦合进光纤中，其他未被选择的波长则不耦合进光纤中。
第一～第n色散光纤14-1～14-n，用于各路光信号的延时。各色散光纤的长度、色散系数等参数均保持一致。
第一～第n光电探测器16-1～16-n，用于将发射路的光载射频信号解调出射频信号送往天线进行发射。
第一～第n射频环形器17-1～17-n，用于选择发射路或接收路。
第一～第n天线18-1～18-n，用于射频信号发射或回波信号接收。
波分复用器19，用于接收路的光上波束合成。
光电探测器20，用于接收路的光载射频信号解调，送往后续处理单元。
具体地，如图1所示多波长激光器1的输出端与第一光开关2的输入端连接，第一光开关2的输出端分别连接第一电光强度调制器3的输入端和第二光开关4的第二输入端，第一电光强度调制器3，的输出端连接第二光开关4的第一输入端，第二光开关4的输出端通过掺铒光纤放大器5连接1×n光分束器6的输入端，1×n光分束器6的第一～第n输出端分别连接第3～第n+2光开关7-1～7-n的输入端，第3～第n+2光开关7-1～7-n的第一输出端分别连接第2～第n+1电光强度调制器8-1～8-n的输入端，第2～第n+1电光强度调制器8-1～8-n的输出端与第n+3～第2n+2光开关9-1～9-n的第一输入端连接；第3～第n+2光开关7-1～7-n的第二输出端分别与第n+3～第2n+2光开关9-1～9-n的第二输入端对应连接；
第n+3～第2n+2光开关9-1～9-n的输出端与第一～第n光环形器10-1～10-n的第一端口连接，第一～第n光环形器10-1～10-n的第二端口分别通过第一～第n色散光纤14-1～14-n与第2n+3～第3n+2光开关15-1～15-n的输入端对应连接，第2n+3～第3n+2光开关15-1～15-n的第一输出端分别通过第一～第n光电探测器16-1～16-n与第一～第n射频环形器17-1～17-n的射频输入端口对应连接，第一～第n色散光纤14-1～14-n与第2n+3～第3n+2光开关15-1～15-n的第二输出端连接波分复用器19，波分复用器19与光电探测器20连接；第一～第n射频环形器17-1～17-n的射频输出端口分别与第2～第n+1电光强度调制器8-1～8-n的射频输入端口对应连接，第一～第n射频环形器17-1～17-n的光纤端口分别与第一～第n天线18-1～18-n连接；
第一～第n光环形器10-1～10-n的第三端口分别与第一～第n光准直耦合器11-1～11-n的输入端对应连接，第一～第n光准直耦合器11-1～11-n的输出端通过衍射光栅12连接硅基液晶器件13；
所述光开关均为1×2光开关，n为大于等于2的正整数。
图1中各器件间通过实线连接的为光纤光路，通过虚线连接的为自由空间光路，通过点画线连接的为射频路。
该波束形成网络在架构上是典型的微波光子链路架构，发射/接收信号被电光强度调制器调制从而加载到光载波上，然后通过由衍射光栅和硅基液晶器件组成的波长选择开关和色散光纤实现光延时，最后经光电探测器解调出射频信号。以下以应用例1和2分别对该系统工作于发射模式和接收模式进行原理阐述。
应用例1：工作于发射模式的波束形成网络。
多波长激光器1输出波长为λ1、λ2、…、λm，相邻波长间隔为Δλ的连续波激光，控制第一光开关2和第二光开关4选择图1中上支路，射频发射信号被第一电光强度调制器3调制到光载波上，经掺铒光纤放大器5进行增益放大，经1×n光分束器6将光信号等功率地分为n路，每一路均包含等功率的λ1～λm波长分量，控制第3～第n+2光开关7-1～7-n、第n+3～第2n+2光开关9-1～9-n选择图1中下支路，经第一～第n光环形器10-1～10-n和第一～第n光准直耦合器11-1～11-n准直后输出到自由空间。
光信号在自由空间中的传输示意图如图2所示，其中虚线代表光传输路径。沿着x方向排列的n路准直光束均沿y方向传输，分别照射到衍射光栅12的不同x方向位置，经衍射光栅12反射至下方的硅基液晶器件13。对于从任一路光准直耦合器11-i(i＝1、2、…、n)输出的包含λ1、λ2、…、λm波长分量的光信号，衍射光栅12会将这些波长分量反射到不同的角度，其原理为：由广义Snell定律，当光在具有一定相位梯度
Figure BDA0004102599620000081
的表面发生反射时，其入射角θi和反射角θr的关系可表示为：
Figure BDA0004102599620000082
其中，ni为介质的折射率(自由空间中ni＝1)，λ为入射光的波长，令衍射光栅12具有沿l方向的相位梯度分布
Figure BDA0004102599620000083
对于沿相同入射角θi入射的λ1、λ2、…、λm波长分量，考虑λ1到λm波长逐渐增大，则与这些波长分量所对应的反射角θr1、θr2、…、θrm的关系为从θr1到θrm逐渐增大。
因此，同一输出通道中的不同的波长分量会经衍射光栅12反射至下方的硅基液晶器件13的不同y方向位置，通道中第一～第n光准直耦合器11-1～11-n的输出光斑在硅基液晶器件13上的位置沿着x方向依次排列，硅基液晶器件13上各通道和各波长的光斑分布如图3所示。
硅基液晶器件13的作用是将各通道中特定的某个波长或某几个波长沿原路径返回耦合至光纤中，经后续的色散光纤传输获得所需要的延时量，并且可以对耦合至光纤中的光产生幅度调制效果，其原理为：
硅基液晶器件13主要由上层的玻璃盖板、1/4波片、ITO透明电极层、液晶取向层，中间层的液晶层和下方的液晶取向层和硅基CMOS驱动控制的像素化金属电极层构成。上下的液晶取向层用于对液晶分子排列方向进行预取向，ITO透明电极层与像素化金属电极层用于对液晶层进行加电，液晶分子在电场驱动下其取向方向会发生偏转，等效折射率发生改变，产生对入射光的相位调制效果。1/4波片保证此相位调制效果的偏振无依赖特性。通过编程控制不同像素位置的驱动电压，可以产生任意设计的二维相位调制分布。在此实施例中，各通道和各波长的光斑会覆盖一定面积的液晶像素区域(图3)，若通道1中选择λi的波长分量沿原路径返回，则其反射角和入射角的关系为θr＝-θi，由公式(1)，得到通道1中λi光斑所在液晶像素区域的相位分布
Figure BDA0004102599620000084
需满足：
Figure BDA0004102599620000085
由于各通道和各波长的光斑所在液晶像素区域均可以独立地控制其相位分布，从而可以实现各通道内任意一个波长或某几个波长沿原路返回耦合至光纤中，从而实现波长选择效果。
除了波长选择外，在x方向产生特定的相位梯度分布可以使返回的光相对于光准直耦合器11-i产生一定的x方向光斑偏移，使其部分耦合进光纤中，形成光强度调制效果。光链路中的光强度调制会影响输出射频信号的强度，其关系为：光上每损耗1dB，输出的射频损耗2dB。
各通道中被选择的波长经第一～第n光环形器10-1～10-n进入第一～第n色散光纤14-1～14-n，当色散光纤14-i(i＝1、2、…、n)的长度和色散系数等参数均相同时，光在其中传输的延时量与光波长成线性关系，从而可以获得每个通道所需的特定延时量，光开关15-1、15-2、…、15-n切换到左侧支路，光载射频信号经过第一～第n光电探测器16-1～16-n解调出射频信号后经第一～第n射频环形器17-1～17-n以及第一～第n天线18-1～18-n进行信号发射。
应用例2：工作于接收模式的波束形成网络。
多波长激光器1输出波长为λ1、λ2、…、λm，相邻波长间隔为Δλ的连续波激光，控制第一光开关2和第二光开关4选择图1中下支路，经掺铒光纤放大器5进行增益放大，经1×n光分束器6将光信号等功率地分为n路，每一路均包含等功率的λ1～λm波长分量，控制第3～第n+2光开关7-1～7-n、第n+3～第2n+2光开关9-1～9-n选择图1中上支路，从第一～第n天线18-1～18-n处接收的射频回波信号经第一～第n射频环形器17-1～17-n后被第2～第n+1电光强度调制器8-1～8-n调制到光载波上，经第一～第n光环形器10-1～10-n和第一～第n光准直耦合器11-1～11-n准直后输出到自由空间。
光信号在自由空间中的传输示意图如图2所示，其中虚线代表光传输路径。沿着x方向排列的n路准直光束均沿y方向传播，分别照射到衍射光栅12的不同x方向位置，经衍射光栅12反射至下方的硅基液晶器件13。经硅基液晶器件13可编程相位调制后，被选择的波长沿原路返回耦合至光纤中，经第一～第n光环形器10-1～10-n进入第一～第n色散光纤14-1～14-n，相同长度的色散光纤中传输的延时量与波长成线性关系，从而获得每个通道所需的特定延时量，光开关15-1、15-2、…、15-n切换到右侧支路，各通道光载射频信号经波分复用器19合波后进入光电探测器20，解调出射频信号，送入后续接收处理单元。
若发射/接收波束方向为ψ，则相邻通道的延时量差值应满足Δτ＝dsinψ/c，其中d为相邻通道天线间距，c为真空中光速。波长为λi和λj的光在长度为L的色散光纤传输产生的延时差为Δτ＝DL(λj-λi)，其中D为色散系数，通过改变所述多波长激光器的最大波长λm和最小波长λ1的波长差以及色散光纤的长度可以改变最大延时量，最小延时精度则由所述多波长激光器的波长间隔Δλ来决定。
上述两个应用例阐述了此波束形成网络在收/发状态下的多通道任意可重构延时、幅度调控特性，可用于微波光子相控阵，其优越性主要体现在以下几方面：
(1)收发共用架构相对于收发分离架构的优势：此波束形成网络采用收发共用架构，用多个光开关实现接收支路和发射支路的快速切换，使多波长激光器、掺铒光纤放大器、自由空间波长选择模块、光电探测器等光有源器件和光功分器、光环形器、光耦合准直器、色散光纤等光无源器件得以收发共用，极大地简化了系统结构，提高了集成度；
(2)波长选择开关用于光延时的优势：由衍射光栅和LCOS组成的波长选择开关可以对多路光信号进行并行的波长选择，结合色散光纤实现多路光延时，相较于每一路都需要独立延时调控器件的基于光开关切换的光延时方案，极大地简化了光延时设备量；另外，该技术方案另一个显著优点是高可重构性，任意发射/接收通路里任何一个或几个波长可以通过为LCOS动态地上载特定设计的相位全息图来实现波长选择，实现任意的一组或几组不同的阵列延时，从而实现任意多波束形成，同时，由于射频信号的延时和幅度可以被同时调控，还可以实现低副瓣波束形成。
综上所述，本发明提供了一种基于波长选择开关的收发共用波束形成网络，可实现收发共用的多通道任意可重构延时、幅度调控特性，实现微波光子波束形成网络；在架构上采用收发共用架构，极大地简化了系统结构，提高了集成度；采用衍射光栅和LCOS组成的波长选择开关对多路光信号进行并行的波长选择，结合色散光纤实现多路光延时，显著简化了光延时系统，突破现有的光学真延时系统设备量大、无法通过单一器件实现多路并行光延时的技术瓶颈；提供一种高可重构性光延时方案，实现任意的一组或几组不同的阵列延时，从而实现任意多波束形成，同时，由于射频信号的延时和幅度可以被同时调控，还可以实现低副瓣波束形成。
以上所述仅为本发明的较佳实施例、并不用以限制本发明、凡在本发明的精神和原则之内、所作的任何修改、等同替换、改进等、均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于波长选择开关的收发共用波束形成网络，其特征在于，包括多波长激光器(1)，多波长激光器(1)的输出端与第一光开关(2)的输入端连接，第一光开关(2)的输出端分别连接第一电光强度调制器(3)的输入端和第二光开关(4)的第二输入端，第一电光强度调制器(3)的输出端连接第二光开关(4)的第一输入端，第二光开关(4)的输出端通过掺铒光纤放大器(5)连接1×n光分束器(6)的输入端，1×n光分束器(6)的第一～第n输出端分别连接第3～第n+2光开关(7-1～7-n)的输入端，第3～第n+2光开关(7-1～7-n)的第一输出端分别连接第2～第n+1电光强度调制器(8-1～8-n)的输入端，第2～第n+1电光强度调制器(8-1～8-n)的输出端与第n+3～第2n+2光开关(9-1～9-n)的第一输入端连接；第3～第n+2光开关(7-1～7-n)的第二输出端分别与第n+3～第2n+2光开关(9-1～9-n)的第二输入端对应连接；
第n+3～第2n+2光开关(9-1～9-n)的输出端与第一～第n光环形器(10-1～10-n)的第一端口连接，第一～第n光环形器(10-1～10-n)的第二端口分别通过第一～第n色散光纤(14-1～14-n)与第2n+3～第3n+2光开关(15-1～15-n)的输入端对应连接，第2n+3～第3n+2光开关(15-1～15-n)的第一输出端分别通过第一～第n光电探测器(16-1～16-n)与第一～第n射频环形器(17-1～17-n)的射频输入端口对应连接，第一～第n色散光纤(14-1～14-n)与第2n+3～第3n+2光开关(15-1～15-n)的第二输出端连接波分复用器(19)，波分复用器(19)与光电探测器(20)连接；第一～第n射频环形器(17-1～17-n)的射频输出端口分别与第2～第n+1电光强度调制器(8-1～8-n)的射频输入端口对应连接，第一～第n射频环形器(17-1～17-n)的光纤端口分别与第一～第n天线(18-1～18-n)连接；
第一～第n光环形器(10-1～10-n)的第三端口分别与第一～第n光准直耦合器(11-1～11-n)的输入端对应连接，第一～第n光准直耦合器(11-1～11-n)的输出端通过衍射光栅(12)连接硅基液晶器件(13)；
所述光开关均为1×2光开关，n为大于等于2的正整数。
2.根据权利要求1所述的基于波长选择开关的收发共用波束形成网络，其特征在于，所述多波长激光器(1)具有m个输出波长，分别为λ1～λm，相邻波长保持相同的波长间隔Δλ。
3.根据权利要求2所述的基于波长选择开关的收发共用波束形成网络，其特征在于，所述第一电光强度调制器(3)用于加载射频发射信号，第2～第n+1电光强度调制器(8-1～8-n)用于加载从各天线处接收的射频回波信号。
4.根据权利要求3所述的基于波长选择开关的收发共用波束形成网络，其特征在于，所述衍射光栅(12)在长方向上具有固定周期的相位梯度分布，即
Figure FDA0004102599610000021
其中/>
Figure FDA0004102599610000022
为衍射光栅(12)的相位，l为衍射光栅(12)的长边，Λ为光栅周期。
5.根据权利要求4所述的基于波长选择开关的收发共用波束形成网络，其特征在于，所述硅基液晶器件(13)在长和宽方向上具有若干液晶像素，通过下方的硅基CMOS驱动控制的像素化金属电极实现每个像素上精确的相位调控；由于各通道和各波长的光斑会覆盖一定面积的液晶像素区域，若选择某一通道中的某一波长分量λi沿原路径返回，则其光斑所在区域的相位分布应满足：
Figure FDA0004102599610000023
其中/>
Figure FDA0004102599610000024
为硅基液晶器件在该区域所需的相位分布，θi为λi入射到硅基液晶器件上的入射角。
6.根据权利要求5所述的基于波长选择开关的收发共用波束形成网络，其特征在于，所述硅基液晶器件(13)在x方向产生特定的相位梯度分布使返回的光相对于第i光准直耦合器11-i产生x方向光斑偏移，使其部分耦合进光纤中，形成光强度调制效果；光链路中的光强度调制会影响输出的射频信号的强度，其关系为：光上损耗每增大1dB，输出的射频损耗增大2dB；其中，i＝1、2、…、n。
7.根据权利要求6所述的一种基于波长选择开关的收发共用波束形成网络，其特征在于，所述多个色散光纤的长度、色散系数均保持一致，波长为λi和λj的光在长度为L的色散光纤传输产生的延时差为Δτ＝DL(λj-λi)，其中D为色散系数，通过改变所述多波长激光器(1)的最大波长λm和最小波长λ1的波长差以及色散光纤的长度改变最大延时量，最小延时精度则由所述多波长激光器(1)的波长间隔Δλ来决定；若发射/接收波束方向为ψ，则相邻通道的延时量差值满足Δτ＝dsinψ/c，其中d为相邻通道天线间距，c为真空中光速。
8.根据权利要求2所述的一种基于波长选择开关的收发共用波束形成网络，其特征在于，所述收发共用波束形成网络工作于发射模式时，多波长激光器(1)输出波长为λ1、λ2、…、λm，相邻波长间隔为Δλ的连续波激光，控制第一光开关(2)和第二光开关(4)选择上支路，射频发射信号被第一电光强度调制器(3)调制到光载波上，经掺铒光纤放大器(5)进行增益放大，经1×n光分束器(6)将光信号等功率地分为n路，每一路均包含等功率的λ1～λm波长分量，控制第3～第n+2光开关(7-1～7-n)和第n+3～第2n+2光开关(9-1～9-n)选择下支路，经第一～第n光环形器(10-1～10-n)和第一～第n光准直耦合器(11-1～11-n)准直后输出到自由空间。
9.根据权利要求2所述的一种基于波长选择开关的收发共用波束形成网络，其特征在于，所述收发共用波束形成网络工作于接收模式时，多波长激光器(1)输出波长为λ1、λ2、…、λm，相邻波长间隔为Δλ的连续波激光，控制第一光开关(2)和第二光开关(4)选择下支路，经掺铒光纤放大器(5)进行增益放大，经1×n光分束器(6)将光信号等功率地分为n路，每一路均包含等功率的λ1～λm波长分量，控制第3～第n+2光开关(7-1～7-n)、第n+3～第2n+2光开关(9-1～9-n)选择上支路，从第一～第n天线(18-1～18-n)处接收的射频回波信号经第一～第n射频环形器(17-1～17-n)后被第2～第n+1电光强度调制器(8-1～8-n)调制到光载波上，经第一～第n光环形器(10-1～10-n)和第一～第n光准直耦合器(11-1～11-n)准直后输出到自由空间。
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