延時(shí)誤差對(duì)光控相控陣天線性能影響的研究

摘 要：針對(duì)光控相控陣天線中光延時(shí)鏈路的延時(shí)誤差問題，從子陣劃分角度建立了一維均勻線陣最大波束偏移角的簡(jiǎn)化解析模型，分析結(jié)果表明延時(shí)誤差最大允許值與波束目標(biāo)指向角、陣元數(shù)無關(guān)，隨工作頻率的增大而減小。

關(guān)鍵詞：光控相控陣 延時(shí)誤差 工作頻率

中圖分類號(hào)：TN929.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2012）12（c）-000-02

傳統(tǒng)的相控陣天線由于采用了電移相器，天線的瞬時(shí)帶寬受到了極大的限制[1]。光控相控陣天線通過采用光實(shí)時(shí)延技術(shù)（Optical True Time Delay，OTTD），增大了相控陣天線的工作帶寬，同時(shí)光延時(shí)線有著抗電磁干擾、低損耗和易于集成等優(yōu)點(diǎn)[2]。自20世紀(jì)80年代以來，已經(jīng)提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了多種光實(shí)時(shí)延的技術(shù)方案[2]。光實(shí)時(shí)延技術(shù)的本質(zhì)是將微波/射頻信號(hào)調(diào)制到光載波上，在光域內(nèi)實(shí)現(xiàn)時(shí)間延遲，因此光鏈路的延時(shí)誤差必然會(huì)影響到光控相控陣天線的性能[3]。

該文從一維均勻線性光控陣列的方向圖出發(fā)，由簡(jiǎn)化解析模型得出了確定延時(shí)誤差最大允許值的方法，研究結(jié)果擬為光控相控陣天線的設(shè)計(jì)提供一個(gè)參考。

1 光控相控陣天線的方向圖

如圖1所示，對(duì)于N單元一維均勻線性光控發(fā)射陣列，分成m個(gè)子陣，子陣上采用光實(shí)時(shí)延技術(shù)；每個(gè)子陣內(nèi)有n個(gè)陣元，子陣內(nèi)采用移相器控制，即N=m×n。

天線的工作頻率為f，陣元間距為d，設(shè)計(jì)波束指向?yàn)椋簧鲜鼍€陣的天線方向圖函數(shù)可以表示為[1]：

上式中，第一項(xiàng)是由光實(shí)時(shí)延技術(shù)所決定的子陣因子；第二項(xiàng)為子陣方向圖函數(shù)，由移相器提供相位補(bǔ)償。為頻率f對(duì)應(yīng)的波數(shù)。假設(shè)第i條光實(shí)時(shí)延鏈路的延時(shí)誤差為，由此可得到的歸一化天線方向圖函數(shù)為：

2 延時(shí)誤差分析

2.1 簡(jiǎn)化模型的建立及結(jié)果

天線方向圖性能可以通過波束偏斜角和旁瓣電平值來評(píng)價(jià)[1]；考慮到旁瓣電平值可以通過幅度加權(quán)等方式進(jìn)行抑制[4]，在此我們主要關(guān)注主瓣偏斜角的大小。假設(shè)m條光延時(shí)鏈路的延時(shí)誤差都在某一范圍內(nèi)隨機(jī)變化；如，通過對(duì)（2）式計(jì)算機(jī)模擬可以得出：當(dāng)前m/2個(gè)為，后m/2個(gè)為（假定m為偶數(shù)，≥0）；波束指向偏移最大；≤0時(shí)相反。

由此將相控陣天線模型進(jìn)行簡(jiǎn)化為兩個(gè)子陣構(gòu)成，每個(gè)子陣均含有N/2個(gè)陣元，第一個(gè)子陣的延時(shí)誤差量為，第二個(gè)子陣的延時(shí)誤差量為。當(dāng)工作頻率不變時(shí)子陣方向圖不變，因此可用該簡(jiǎn)化模型子陣因子的最大值指向定性的分析光控相控陣天線方向圖最大值指向的變化

趨勢(shì)。

如果天線的工作頻率發(fā)生變化，要求，可以得到

2.2 簡(jiǎn)化模型與完整模型的比較

上面的簡(jiǎn)化模型中忽略了子陣方向圖，完整模型的天線方向圖主瓣偏斜角和上述分析中的存在一些偏差。通過計(jì)算機(jī)模擬得到圖3所示簡(jiǎn)化模型和完整模型下得到的主瓣偏斜角隨延時(shí)誤差變化的關(guān)系曲線（64陣元，f=2.5GHz）。由于子陣方向圖的作用，對(duì)于相同的延時(shí)誤差量，完整模型所產(chǎn)生的主瓣偏斜角比簡(jiǎn)化模型所得到的值偏小；也就是說采用簡(jiǎn)化模型得到的延時(shí)誤差最大允許值較為嚴(yán)格，能夠保證相控陣天線工作在一個(gè)較好的性能狀態(tài)下。

3 結(jié)語

該文通過建立光控相控陣天線延時(shí)誤差的簡(jiǎn)化解析模型，對(duì)光鏈路的延時(shí)誤差量最大允許值與、陣元數(shù)、工作頻率的關(guān)系進(jìn)行了分析。研究表明光鏈路的延時(shí)誤差量最大允許值與波束目標(biāo)指向角以及陣元數(shù)無關(guān)，只與天線的工作頻率相關(guān)；隨著工作頻率的增大，其允許的延時(shí)誤差越小。這一研究結(jié)果有望對(duì)光控相控陣天線中光鏈路延時(shí)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)

意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 張光義，趙玉潔.相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)[M].北京.電子工業(yè)出版社，2006.

[2] J Yao.Microwave photonics[J].J Lightw Technol，2009（27）：314-335.

[3] 高瑜翔，何子述，徐繼麟，等.光纖鏈路噪聲及其對(duì)光控相控陣列的影響研究[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，2l（1）：

21-25.

[4] 劉曉瑞，張興周，閆宏.光控相控陣天線子陣劃分方法的研究[J].應(yīng)用科技，2006，33（22）：28-30.