多波長光控相控陣天線系統的研究

摘 要：研究了一種新型的多波長光纖控制相控陣天線系統。此系統采用可編程色散矩陣（PDM）和開關光延遲網絡（SODL）串接的方法，PDM控制掃描波束的仰角，SODL控制波束的方位角，實現了波束的全方位掃描。此系統與傳統的點對點傳輸系統相比結構大為簡化，激光器的數量和光纖鏈路的數量大為降低，但是對激光器和光纖放大器的性能提出了更高的要求。針對系統的插入損耗和噪聲性能給出了估算的結果并提出了采用摻鉺光纖放大器進行分布補償的方法，使系統的實用性更為增加。多波長光控相控陣系統在高性能雷達和通信網絡中有非常大的應用前景。

關鍵詞：光控相控陣(OCPAA)；波分復用(WDM)；色散矩陣(PDM)

中圖分類號：TN821文獻標識碼：A文章編號：1672-3198（2008）04-0249-02

1 引言

光控相控陣天線正在飛速發展，根據相位延遲的傳輸方法，光控相控陣天線系統一般可以分為三大類：①點對點傳輸系統、時分多路（TDM）傳輸系統和波分多路（WDM）傳輸系統。②點對點傳輸系統是對每個天線單元直接地使用分開的光纖鏈路。這種系統的分離損耗小，其代價是需要大量的激光器，如對M個天線單元和N位不同相位延遲精度組成的系統，所需的激光器的數量是M×N。另外，在控制器和天線陣之間，需要精確控制M根光纖的長度。③TDM系統按時間對相位延遲進行編碼，采用串行激勵，減少光器件的數量，但須花費雷達停機的時間對串行線路重新加載，脈沖長度也不得大于單元之間的傳輸時間。④WDM系統對這些延遲按波長進行編碼，光延遲信號可以由光濾波器或相干檢波來完成。WDM系統大大減少了波束形成網絡的復雜性，大多數系統使用一個多波長激光源(MWL)，其產生的每一光波長對應一個不同的掃描角。本文采用一個多波長激光源和一個可編程色散矩陣（PDM）組成一個波束形成網絡，它使每一波長對應特定的天線單元，從而起到控制天線波束掃描的方向。

2 一維多波長光控相控陣系統

圖1給出了p單元一維多波長光控相控陣系統的原理框圖，它包括四個部分：①有p種波長輸出的多波長激光源MWL，輸出λ1、λ2、…、λp，當然，可以用單片集成分布反饋激光陣列或半導體鎖模調制器代替。②一個電光調制器EOM，使射頻信號調制到光載波上。③一個可編程色散矩陣PDM，其對不同波長的光提供相關時間延遲。④一個解波分復用器DWDM使特定波長的載波進入特定的天線前端的光電檢測器。

對所有的射頻頻率，實現了波束的無偏斜掃描。

3 二維多波長光控相控陣系統

上節所說的多波長系統同樣可以擴展到二維系統。為了介紹二維光波束形成系統，我們首先介紹一下開關光延遲網絡SODL的工作原理，圖3給出了m-b精度的SODL的原理框圖

通過控制耦合器的輸出是從上還是下而控制光的時間延遲，這樣，對應于Δl0的時間延遲為

這里，作以下三點說明：

其一，由于PDM單元是依賴于載波波長的梯度而產生延遲，而SODL是對所有的載波信號提供群延遲，與光載波的波長沒有關系。由于這樣的原因，二者可以串接而不發生沖突。

其二，我們設計的系統是p×q的矩形陣。SODL單元是控制每一列的群延遲，從而實現波束在方位角方向的掃描。我們知道，各單元的延遲梯度是波束偏離軸線方向的必要條件，所以，為了提供方位掃描，各列的相位梯度是必須的，所以，各列的SODL是不能相同的，即各段的Δl0是不同的，它們之間必須有線性梯度關系。顯然，通過控制光耦合器，

這里的Pi是各級光耦合器的控制值，可以為0或1。特別注意這里的t0不是一個常量。

其三，各列的耦合器的控制組值是一樣的，從而保證同種頻率的光所載的射頻信號在陣列的各行之間有線性的相位遞變，不會使掃描波束變形。所以，在方位角度方向上產生的掃描角為

4 PMD和SODL的插入損耗

因為PMD和SODL組成了系統的饋電鏈路，其插入損耗將直接影響系統的性能。在此鏈路中，插入損耗主要是由于2×2光開關，光環行器，光柵組成。PMD和SODL的插入損耗可以表示為

5 結論

我們發現，多波長光控相控陣天線系統（MWOCPAA）有很大的硬件壓縮能力，一個p×q的精度為n-b×m-b的MWOCPAA系統，只需要一個p波長的多波長激光源，一個n-b的PDM，一個1×q的光耦合器，(q-1)個m-b的SODL，q個WDM解復用器。這在高性能雷達和通信網絡中有很大的應用前景。

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