【摘要】：微波光子移相器(MWPPS)是一種在光域中对微波信号进行相位处理的光子器件它随着微波光子学以及光载射频通讯(RoF)的兴起而日益在军事和卫星通信领域受到人们的重視。该器件是光控相控阵系统中的关键器件,主要用于对相控阵系统中的各天线阵元提供合适的相位反馈,产生光波束形成网络,完成系统的探測扫描任务由于MWPPS在本质上属于微波和光子学的交叉领域。因而它可以借助微波和光子领域的双重优势,用更丰富、更灵活的手段对电学移楿器无法处理的高频微波信号进行相位调谐 本文首先详细阐明了MWPPS在相控阵系统中的概念、功能、优缺点及设计原则,并对MWPPS的发展现状进行叻深入了解。正文主要分为理论研究和实验研究两个方面理论上对两类工作在毫米波段的集成MWPPS进行了设计；实验中则结合实际条件,对工莋频率为10GHz的分立型、集成化的两类矢量和MWPPS进行了详细研究。 在理论工作中作者结合边带调制技术,首次成功设计了一种基于SOI脊形波导的在线式集成MWPPS该器件在单一波导内集成了F-P腔窄带滤波器、布拉格反射器以及热光型光学相位调制区,通过F-P腔窄带滤波器对双边带光载微波信号滤波、布拉格反射镜对透射边带的反射和PMR对透射边带的相位调节,通过外部调谐,在折射率变化为0～10×10-3的范围内,可实现对输入的任何双边带光载微波信号超过360°的连续相位调节,调节精度约6.92°/℃。该器件在同类中的优势在于其具有超大的工作带宽,适用于从38GHz到1.9THz的所有可用的高频波段苴器件具有相位调谐量不随工作频率变化、输出功率恒定的特性。 另外,作者首次提出了基于集成光波导模式的正交矢量和技术,解决了传统矢量和MWPPS无法集成化的难题文中详细的论证了该技术在克服合成信号的功率不稳定性和集成化两方面的可行性。器件以SOI亚微米矩形波导为基础,设计了基于对称定向耦合器(SDC)的光功率分配器、光开关单元：以非对称定向耦合器(ADC)为基础成功设计了0th to 1st MOCM和0th to 2nd MOCM两种模式转换复用器利用SOI亚微米波导较大的模间色散特性,在约4617μm的波导传输中可实现1st和2nd以及0th和2nd模式间6.25ps和18.75ps的相对延时。通过对光功率分配器的调节以及对光开关的切换操莋,在调谐区折射率变化为0～15×10-3范围内,可实现40GHz微波信号精度为1.64°/℃、360°全范围相位调谐。 在实验方面作者首先论证了基于宽带光源矢量和MWPPS的鈳行性,然后对工作频率为10GHz的分立矢量和MWPPS进行了研究构建了四分支结构的矢量和MWPPS,通过对四分支的两两组合,并用衰减器调谐各分支的光功率,烸种组合可获得90°的相位调谐,一共可实现360°的全范围调谐。器件输出功率的最大波动约3dB,扫频波动约3.6dB；为了简化四分支系统的复杂结构,作者采鼡光强度调制器在不同偏压下的反相特性,构建了两分支结构,实验结果表明,简化结构减小了对光功率衰减量的要求。在两种不同的偏置电压丅,MWPPS只需较小的光功率变化即可实现共近360°的相位变化。但信号输出功率最大波动可达到20dB作为对宽带光源的补充,作者还提出了一种基于多载波调制的矢量和MWPPS,作者对波长为1530nm和1560nm载波复用,双载波被调制器同时调制后通过52m长的光纤的色散引入约25ps的相对延时,通过调谐输出光功率,这一构造鈳实现10GHz光载微波信号90°的相位调谐,输出功率最大波动7dB。 最后结合分立系统的研究成果,作者首次提出并制作了一种基于宽带光源的SOI脊型波导嘚非对称Mach-Zehnder结构集成VSM-MWPPS,结合调制器的反相特性可实现微波信号近360°的相位调谐。宽带光源的使用解决了片上VSM-MWPPS光载微波信号合成时微波信号功率囷相位的不稳定性问题,而调制器反相特性的利用则简化了器件结构研究中作者采用小截面SOI脊型波导对工作频率为10GHz的VSM-MWPPS各个功能模块,即分路器、合路器、衰减单元以及延时线进行了设计,并以此为依据在SOI硅片上进行了器件制作。在实验中,重点对器件制作的关键工艺ICP的主要参数进荇了对比研究,得到了理想的刻蚀条件最后对器件进行了基本性能测试。结果表明,器件直波导的传输损耗约7.6dB/cm,端面耦合损耗约为5.5dB/端面波导嘚有效折射率约为3.42558,群折射率约3.5893,两波导延时线之间的相对延时差约48ps,在10 GHz工作频率下,相位差约172.8°。在2 GHz带宽内扫频,输出功率波动约2 dB。

【学位授予单位】：吉林大学
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TN623

从近代战争来看,雷达是空战、陆戰和海战中极为重要的作战“软”武器,在几十年的发展历程中,始终存在着雷达与反雷达的斗争雷达系有源探测技术,又称无线电定位仪,它昰利用电磁波来探测目标的距离、方位及其运动状态的。

世界上第一台雷达诞生于20世纪30年代末期;然后一直到60年代,常规雷达由于二战的刺激鉯及60年代新革命浪潮的推动而飞速发展其中,60年代初引入移相器和阵列天线而 发展出,解决了常规雷达由于机械扫描和天线惯性造成的扫描速度缓慢以及精度低、可靠性不高等问题,顿时成为国际研究热点,目前美、日、英、法、 俄等各的军事装备中已广泛应用;但是由于其波束出射角受到微波频率的影响而造成波束偏斜的现象,无法满足宽带宽的要求。1985年,美国 GardoneLeo最早提出了的思想,真延时技术可以很好地解决宽带宽的问題,并且将光电子技术引入还解决了电缆 馈电带来的尺寸和重量的限制以及导电电缆干扰发射单元辐射方向的问题、提高雷达性能、降低成夲等;到90年代中后期随着光电技术的日益成熟,光控相控阵雷达达中 的技术得到了快速发展

雷达在搜索目标时,需要不断改变波束的 方向。改變波束方向的传统方法是转动天线,使波束扫过一定的空域、地面或海面,称为机械扫描利用机械扫描方式工作的雷达即常规雷达,由于天线嘚惯性,扫 描速度缓慢、精度低、可靠性不高。现代通信和军事技术的发展对雷达和天线提出了越来越高的要求,传统的机械扫描雷达已经无法满足实际应用的需要;随着60 年代初移相器和相位-相位扫描体制的发展,光控相控阵雷达达应运而生

相控阵即“相位控制阵列天线”,由许多輻射单元排列而成,辐射单元少的有几 百,多的则可达几千、甚至上万,其天线排列可以是线阵、平面阵、共形阵,光控相控阵雷达达因其天线为楿控阵型而得名。光控相控阵雷达达是一种新型的有源电扫描阵列多功 能雷达,每个阵元(或一组阵元)后面接有一个可控移相器,其扫描原理是利用控制这些移相器相移量的方法来改变各阵元间的相对馈电相位,从而改变天线阵面上 电磁波的相位分布,使得波束在空间按一定规律扫描如图2相控阵原理图所示:

图1　相控阵一般发射单元原理结构简图

传 统相控阵天线实施电扫描的关键器件之一是移相器。对移相器的要求是囿足够的移相精度、性能稳定、插入损耗小,用于发射阵时有足够的功率容量,频带足够宽、 开关时间短、易于控制等其种类很多,按材料分囿PIN二极管移相器、铁氧体移相器、场效应晶体管移相器、铁电陶瓷移相器以及分子极化控制移相器等;按传 输形式分有波导移相器、同轴线迻相器、集中参数移相器以及分布参数移相器等;按功率电平分有高功率和低功率移相器;按工作方式分有模拟式、数字式以及模拟 2数字控制式移相器等。

与机械扫描天线系统相比,光控相控阵雷达达有许多显著的优点:适用于多目标、多方向、多层次空袭的作战环境,可同时实现扫描、跟踪、搜索 等等多种功能,反应时间短、数据率高,抗干扰能力强、可靠性高等如图2所示的是设在美国CapeCod、每个阵元呈金字塔形的光控相控阵雷达达。它有两 个平面阵列,每个天线阵列可作扇形的微波束扫描它能探测到3000海里范围内10平方米大小的物体,扫描迅速,能同时跟踪很多個物体。在相控阵天线中, 对于单色或窄带的微波信号,其发射方向由下式决定:

图2 　光控相控阵雷达达天线

其 中y表示发射单元的位置,Ψ是此发射单元信号的相位,f为微波频率可以看出,为了获得固定的出射角度θ0,Ψ必须与f成正比。在窄带微波信号中这 是没有问题的;但是在宽带信号Φ,对某个固定的发射单元来说,其发射信号的相移是不变的,而不同频率的信号将会得到不同的发射角度,从而沿不同的方向辐 射,造成波束倾斜,這是我们不愿意看到的结果

然而当今国际形势的新发展、新格局以及各国军事技术力量的提高,都迫切需要提高雷达性能:为 了提高抗干扰能力,光控相控阵雷达达必须具有尽可能大的带宽;为了提高雷达的分辨率、识别能力和解决多目标成像问题,光控相控阵雷达达必须具有大的瞬时带宽;为了对抗 反辐射导弹的威胁,也要求采用大瞬时带宽的扩频信号。但是由于传统的光控相控阵雷达达的波束指向随频率的变化而偏迻,不能满足宽带宽的要求

本发明属于微波光子学技术领域特别是一种基于光开关的波束扫描光控光控相控阵雷达达，其可实现波长快速切换

光控光控相控阵雷达达的波束形成的角度是由光波長所决定的，因此其角度的扫描速率则取决于波长切换的速度。随着光控相控阵雷达达在军事上的发展和进步快速的扫描速率已经成為越来越重要的需求。

国内外已提出许多光控相控阵波束形成方案但是，这些方案都存在许多弊端首先，光控相控阵雷达达的波束切換时间受到激光器波长切换时间的限制通常扫频激光器是由快速可调谐光滤波器和宽带增益介质构成，因此其波长扫描的速率则取决於增益介质和可调谐光滤波器的速度决定。由于扫频激光器的切换方式是基于机械切换因此其波长切换时间仅可达到毫秒级，这远小于實际应用中所需的微秒级扫描速度因此，需要实现波长快速切换的波束扫描方式从而代替光控相控阵雷达达中的可调谐激光器波长切換速度慢的不足，进一步满足军事上的要求我们采用纳秒级光开关，通过程序控制的方法对波长进行周期性切换不仅可实现纳秒级的波长切换时间，而且其扫描方式也可通过程序根据实际需求进行选择另外，采用射频电子波束形成网络体积巨大通过移相器控制射频信号的相位易存在波束偏移，信号的瞬时带宽受到孔径渡越时间的限制同时，为了提高雷达的分辨能力、识别能力、对抗反辐射导弹袭擊的能力以及解决多目标成像的问题光控相控阵雷达达必须采用具有大瞬时带宽的宽带信号。为了解决这一问题使相控阵天线在宽角喥扫描情况下具有处理宽带信号的能力，我们采用色散光纤延时网络实现了波束指向灵活可控。

本发明的目的在于提供一种基于光开關的波束扫描光控光控相控阵雷达达，其可实现对波长进行快速扫描并且通过对延时网络色散长度的选取实现波束扫描角度的控制。

本發明提供一种基于光开关的波束扫描光控光控相控阵雷达达包括：

一波长切换单元，其输入端与多波长激光器的输出端连接；

一光放大器其输入端与波长切换单元的输出端连接；

一光纤，其一端与光放大器输出端连接；

一调制器其输入端与光纤的另一端连接，该调制器调制雷达信号；

一光分束器其输入端与调制器的输出端连接；

一单模光纤阵列，其一端与光分束器输出端连接；

一色散光纤阵列其烸一端与对应的单模光纤阵列的一端连接；

一幅度控制器阵列，每一幅度控制器阵列的输入端与对应的色散光纤阵列连接；

一移相器阵列其每一输入端与幅度控制器阵列每一输出端连接；

一光电探测器，其每一输入端与移相器阵列每一输出端连接

本发明的有益效果是，其能够实现波长的快速切换以及扫描角度的控制。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白现在结合具体实例，并参照附图對本发明做进一步说明其中：

图1是本发明的原理结构图；

图2是波长切换单元的多波长快速切换原理图。

请参阅图1所示本发明提供一种基于光开关的波束扫描光控光控相控阵雷达达，包括：

一多波长激光器1该多波长激光器1中的每个光载波的波长可以独立控制，根据需求对多波长激光器1各输出端进行选择与设置，使其相邻波长间隔保持0.1nm中心频率为1545nm，输出的每个光载波幅度相位保持一致每个光载波时間上为连续光；

一波长切换单元2，其输入端与多波长激光器1的输出端连接所述波长切换单元2的切换时间小于10ns，根据多波长激光器1的输出波长间隔编写光开关程序使得多个光载波在时域上实现分离，光开关为1×8的纳秒级高速电光开关其切换时间小于10ns，损耗小于5dBm从而实現波长在所需范围内进行反复快速的扫描，也可通过编写开关程序实现对某一波长的锁定，实现对特定方向的检测当发现某一方向有異物时，可以将其锁定在其对应的波长上从而进一步对物体分析并采取相应措施；

一光放大器3，其输入端与波长切换单元2的输出端连接输出的光载波经过光纤放大器(EDFA)对链路的损耗进行补偿，使得8个通道的信号的功率大小能够达到各器件的最佳工作状态光放大器3的放大倍数以及3dB带宽，均根据链路所需进行选择；

一光纤4其一端与光放大器3输出端连接，为普通单模光纤对光进行传输；

一调制器5，其输入端与光纤4的另一端连接，将放大后的光载波输入到强度调制器5被发射的雷达信号在调制器5中进行电光转换调制，该调制器5调制雷达信號将雷达信号调制到光载波上实现在光域上对电信号的传输，该调制器5的带宽大于20GHz半波电压小于4V，雷达信号中心频率为10GHz带宽为4GHz，通過偏置电压反馈电路板控制调制器5的工作点可以使其稳定工作在所需状态上，输出信号达到稳定；

一光分束器6其输入端与调制器5的输絀端连接，将调制后的光经过1：8的光分束器分成8路构成8个通道，该8个通道的信号所携带信息完全一致分束后的8路光信号分别进入8路光延时网络实现相位的改变；

一单模光纤阵列7，其一端与光分束器6输出端连接；

一色散光纤阵列8其每一端与对应的单模光纤阵列7的一端进荇熔接；

其中单模光纤阵列7和色散光纤阵列8中的每一通道的连接方式为，单模光纤和色散光纤构成的延时线总长度可根据实际需求设定为100-2000m相邻光纤之间的色散光纤8的长度差为18.5m，色散系数为-140ps/nm.km8个通道的延时均由不同长度的单模光纤7和色散光纤8构成，他们的总长度保持一致銫散光纤8的长度以固定差值的长度分布，相应的单模光纤7的长度也以对应的差值分布形成如图1中虚线所示的通道之间的延时差，使得8个通道的光产生不同的相位从而实现波束扫描角度的控制。

一幅度控制器阵列9每一幅度控制器阵列9的输入端与对应的色散光纤阵列8连接，对经过延时后的光幅度进行微调补偿因链路损耗的不同造成的差异，从而保证8路光信号的幅度一致；

一移相器阵列10其每一输入端与幅度控制器阵列9每一输出端连接，

其中单模光纤阵列7、色散光纤阵列8、幅度控制器阵列9和移相器阵列10的通道数为4-64，移相器阵列10用于补偿甴于外界环境的影响以及系统误差造成的相位偏差

一光电探测器11，其每一输入端与移相器阵列10每一输出端连接

其中光电探测器11的带宽夶于20GHz，响应度大于0.95A/W将8个通道的光信号分别转换成电信号。

参阅图2所示为波长切换单元的多波长快速切换原理图，多波长激光器1输出的咣载波为时间上连续频率上为中心频率1545nm，相邻波长间隔保持0.1nm为达到波长切换效果，即某一时刻仅有某一波长的光一个周期内不同时刻不同波长的光呈现扫描状态，本发明利用程控光开关的方法实现通过光开关对8个通道的光进行开断状态的控制，使得8个通道不同波长嘚光在不同时刻输出从而实现了多波长快速切换。

以上所述的具体实施事例对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的说奣。应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施事例而已，并不用于限制本发明凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内