光通信技術在相控陣天線中的應用

江蘇中博通信有限公司 沈順元

光通信技術在相控陣天線中的應用

江蘇中博通信有限公司 沈順元

在簡要介紹微波相控陣天線基本特性的基礎上，詳細介紹了用于微波相控陣天線的光子實時時延（TTD）波束形成網絡及其性能特點。

光纖通信；相控陣天線；實時時延；波束形成網絡

采用光通信技術的光控相控陣天線克服了微波延時線的固有缺點，能構成快速動態可重構的寬帶多功能天線陣列符合未來相控陣天線系統發展的方向。在無線接入網中，光通信技術的應用領域主要在兩個方面。第一，基站與網絡中心之間由大量的光纖鏈路來互聯，采用波分復用（WDM）技術，構成一個可擴展、易管理的光纖傳播網。網中的子系統能完成各種功能，如E/O（電/光）、O/E（光/電）轉換及微波信號的光處理等；第二，采用光控相控陣技術，構建智能天線，用于固定和移動的寬帶無線接入系統。另外，由于光纖損耗低（在1 550 nm波長上僅為0.2 dB/km），因此可以將信號處理、波束控制、數據處理等設備放置在離天線較遠的地方，這有利于提高雷達的生存能力，或將大的雷達陣面分散成若干較小陣面，配以適當的數據處理，以獲得更高的實孔徑角分辨能力和測角、定位精度。

1 微波相控陣天線的基本特性

圖 1 為由N個線輻射陣元構成的微波相控陣天線結構示意圖。兩個陣元之間的距離為d。為了操縱控制波束的方向，激勵每一個輻射單元的微波信號（頻率ωm）從射頻（RF）輸入端輸入后，首先要通過由N個移相器構成的RF相移單元，再送到每一個陣元。各個陣元的輻射在θ方向合成天線的輻射波束。

設相移單元的RF輸出輸入之比為anexp(iφn)，式中an為單個陣元的輻射圖形，φn為移相器產生的相移。為了簡化，設每個輻射元的輻射圖是無方向性的，則沿θ方向的天線波束遠場圖可表示為

式中，km＝ωm/c為輻射波束的微波波數，c為光速。E(θ，t)的時間不相關部分正比于天線的陣列系數。相前如圖1中的虛線所示，因此輻射波束的方向，就可以通過電子控制陣列相鄰輻射元之間的相對相位來指向。例如，若波束指向角為θ0，則相移φn的值應設定為

在相控陣天線中，在固定的頻率范圍內，微波“移相器”能提供特定的相移值。

對式（2）微分，立即可見：對于一個固定的φn值，如果微波頻率瞬間改變了Δωm，則輻射波束方向會產生Δθ0的偏移。

這種波束方向的偏移是不希望的，因為它導致了θ0方向天線增益的下降。這種現象通常稱為“波束偏移（beam squint）”。

為了獲得寬的瞬時帶寬，可以考慮采用“延時器（time shifters）”來代替上述的“移相器（phase-shifters）”，以建立陣元之間的相對相移。所謂的“實時時延（TTD）”方法，實際上就是通過延長饋入到輻射陣元（該陣元與微波相前之間的路徑較短）的微波傳輸時間，以補償兩個陣元之間的路徑差。采用一組固定的延時線，就能補償相應于一個特定指向角θ0的所有頻率上的路徑差。特別是，激勵第n+1個天線元的微波，傳播通過了一條長度為nL(θ0)的額外延時線。設計這條延時線的長度，使第n+1個時延單元產生的時延為

如果微波在該延時線中的群速為vm，則有

對于所有的頻率ωm，相移φn可以表示為

將式（6）代入式（1），可以發現：式（6）能夠使得在θ0方向所有的頻率上產生結構性干涉。即使是ωm瞬時地改變，輻射的波束也不會從θ0方向產生偏移。這種TTD指向天線所固有的寬瞬時帶寬特性很容易得到征實：當ωm從一個頻率跳到另一個頻率時沒有出現波束偏移。

雖然對于TTD波束形成網絡的寬帶其潛力早就認識到了，但很長時間以來沒有能夠實際實現，因為傳統的微波同軸電纜/波導延時線體積大、重量重，難以構成大規模的天線陣列。

2 光子TTD波束形成網絡

采用光子實時時延（TTD）技術的相控陣波束形成系統能克服同軸線/波導微波延時線的缺點，實現實用的TTD波束形成，是當前光控相控陣天線的主要研究方向。

圖 2 為光控相控陣天線（PAA）的結構配置示意圖，其中的關鍵之一是光子TTD網絡，它為后面的天線陣元提供需要的實時時延。圖中的多波長光源（MWL）發射N個獨立的光波長λ1，λ2，…，λN，波長數與PAA的陣元數相同；這N個波長進入電光調制器（EOM）被同一個微波（RF）信號調制后，傳輸通過TTD波束形成網絡，每個波長產生不同的時延；然后，這N個經過延時的調制光載波被波分復用復用器分離開，經光電二極管（PD）檢測還原出調制的微波信號，最后分別送入對應的PAA陣元。

光子TTD波束形成網絡主要分為二類，即路徑交換時延網絡和調制傳播速度時延網絡[1]。路徑交換時延線是一種模仿微波TTD波束形成的方法：采用一組不同長度的光纖，串以2×2的光開關，通過光交換選擇一定長度的光纖組合，以得到希望的某個時延值Δτ＝DLΔλ。其中D為光纖的色散系數，L為光纖的長度，Δλ為光載波的波長間隔。例如，用4個2×2的光開關，中間串以三根長度為L、2L、4L的標準單模光纖，即可構成一個有8個不同組合、3 bit的光子波束形成網絡，對應于8個不同的天線指向角，見圖 3。采用這種TTD網絡的例子非常多，一個例子是工作在42.7 GHz、用于固定和移動寬帶無線接入網的實驗系統[2]。另一個典型的實驗中，采用交換光源和檢測器的方法，實現了96個（24×4）陣元的指向，掃描范圍±60°，帶寬50%[3]。然而，像微波波束形成網絡一樣，采用這種延時線的光TTD波束形成網絡受到分辨率問題的限制，除非其基礎相移器能提供可變的相移。為了產生大的時延，需要長光纖，而這種時延可能伴有色散所致的RF信號衰減，限制系統的瞬時帶寬。

調制傳播速度的技術看來是所有光子TTD波束形成網絡方案中最有希望的，該波束形成網絡為每個天線陣元提供一個與波長相關的時延，該時延正比于相應陣元在陣列中的位置。為此，需要在陣列上采用漸變的光色散。而只要調諧光源的波長，就能將這種色散漸變轉換成天線上的時延漸變，進而產生時間指向的輻射圖形。色散漸變的實現方法有：色散光纖、色散棱鏡或光纖布拉格光柵（FBG）。當然，這些方案需要采用可調諧光源，因此價格較高。

圖 4 為一個典型的由FBG構成的TTD網絡，當調諧光源（TLS）的波長時，利用FBG的對不同波長的反射特性，合理配置FBG在空間的位置分布，每個波長有不同的來回反射時間延時，實現不同的時延。

盡管這些方法在原理上的可行性已經得到了驗證，但它們在實際應用中的局限性也是明顯的：它們只能提供分立的而不是連續的時延變化，因而只能獲得分立的波束指向；同時，這類結構也缺乏擴展成更大陣列的能力，通過波束形成網絡的信號響應時間也較大。另外，在采用FBG的結構中，如果FBG之間的間隔非常小，制造難度大。

3 連續可變光子TTD波束形成系統

為了實現陣列波束的連續指向，采用調諧光載波波長或調諧啁啾光柵的啁啾速率的方法，能很好地滿足對陣列的重構及波束掃描速度等的性能要求，因此是一種最有希望的技術。其中，啁啾光纖光柵（chirped-FBG）是一種能實現連續時延及具有潛在快速調諧能力的簡單技術，因此很有可能在未來用于實際的光子相控陣天線系統中。已經提出了多種采用啁啾光纖光柵的光子相控陣系統方案。例如：采用單條啁啾光纖光柵的連續TTD波束形成網絡[4]，采用可調諧啁啾光纖光柵延時線的連續TTD波束形成系統[5]，采用多信道啁啾光纖光柵的連續可變TTD波束形成系統[6]等。

圖 5 為采用多信道啁啾光纖光柵（MCFG）的連續可變TTD波束形成系統，再結合波分復用技術，從而既能縮短需要的光柵長度和制造難度，又降低了每個波長上的插入損耗。因此，該方案不但能拓展到較大的實用上所要求的陣元數，同時又能保持緊湊簡單的結構，采用低價格的元件，能滿足陣列波束掃描和重構速度的系統要求。

文獻[6]還報道了實驗的結果。制造了一個長度約為80 mm的8信道光柵（實驗中僅用了4個信道），光柵間隔150 GHz，每個信道的時延超過300 ps、反射帶寬約0.6 nm及反射率約80 %。該MCFG原設計是供支持8個陣元的系統，頻率范圍8～16 GHz，陣元間隔為半波長，波束指向范圍為±40°。這就要求每個信道的最大時延為187 ps。用4個商用分布反饋（DFB）激光器，進行了4信道的實驗。這樣，只需要可用的300 ps時延中的88 ps。這些激光器通過熱調諧覆蓋了整個光柵的反射譜。

為了指向天線，需要把每個光源的波長調諧到相應于每個陣元指向要求的時延。圖 6 為時延要求與波束指向角的關系，圖6中也示出了每個信道相對于每個光柵短波長端（信道1）要求的波長調諧范圍。例如，對于30°的波束角，信道2的相對信道1的時延約為20 ps，而相應的波長變化約為45 pm。

將每個激光器光源調諧到它相應信道的前沿，就能獲得一個瞄準線的波束圖形，這導致每個調制的載波之間產生零相對時延。對8～16 GHz頻率范圍內測量的瞄準線波束圖形表明，對于這些希望的指向角的波長設定，是與RF頻率是無關的。也就是說，調制信號變化時不會影響波束指向的方向。這也是TTD波束形成網絡的特性。

按照圖 6 選擇每個信道的波長，提供調制載波之間要求的差分時延，就能獲得陣列輻射圖形的指向。對于一個4陣元的系統，波束指向要求的最大時延，最大的波長調諧范圍約0.17 nm。預期在目前的光柵制造水平，MCFG的長度可達15 cm。這樣，陣元數可超過100個，信道間隔100 GHz時，仍可保持70%的反射率，每個信道的群時延脈動仍保持足夠的低。如果降低信道間隔和信道帶寬，并進一步增加光柵長度，陣元數還能進一步增加。但由于制造光柵時光纖中折射率變化的飽和，信道反射率會下降。光柵長度增加時，一般會使群時延的脈動增加。因此，如果要求的陣元數較多時，該方案存在一定的局限性。

[1] MINASIAN R A, ALAMEH K E. Optical-fiber grating-based beam forming networks for microwave phased arrays[J]. IEEE Trans MTT, 1997,43 (12): 2378-2386.

[2] CRUZ J L. Chirped fiber Bragg gratings for phased-array antennas[J]. Ele Lett, 1997,33(7): 545-546.

[3] ORTEGA Beatriz. Variable delay line for phased-array antenna based on a chirped fiber grating[J]. IEEE Trans on MTT, 2000,48( 8): 1352-1360.

[4] LIU Y, YANG J, YAO J P. Continuous true-time-delay beam forming for phased array antenna using a tunable chirped fiber grating delay line[J]. IEEE Phot Tech Lett, 2002,14(8): 1172 -1174.

[5] LIU Y, YAO J P. Wideband true time-delay beam former employing a tunable chirped fiber grating prism[J]. Appl Opt, 2003,42(13): 2273-2277.

[6] HUNTER David B. Demonstration of a continuously variable true-time delay beamformer using a multichannel chirped fiber grating[J]. IEEE Trans on MTT, 2006,54(2): 861－867.B