多波长光控相控阵天线系统的研究

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摘 要：研究了一种新型的多波长光纤控制相控阵天线系统。此系统采用可编程色散矩阵（PDM）和开关光延迟网络（SODL）串接的方法，PDM控制扫描波束的仰角，SODL控制波束的方位角，实现了波束的全方位扫描。此系统与传统的点对点传输系统相比结构大为简化，激光器的数量和光纤链路的数量大为降低，但是对激光器和光纤放大器的性能提出了更高的要求。针对系统的插入损耗和噪声性能给出了估算的结果并提出了采用掺铒光纤放大器进行分布补偿的方法，使系统的实用性更为增加。多波长光控相控阵系统在高性能雷达和通信网络中有非常大的应用前景。

关键词：光控相控阵(OCPAA)；波分复用(WDM)；色散矩阵(PDM)

中图分类号：TN821文献标识码：A文章编号：1672-3198（2008）04-0249-02

1 引言

光控相控阵天线正在飞速发展，根据相位延迟的传输方法，光控相控阵天线系统一般可以分为三大类：①点对点传输系统、时分多路（TDM）传输系统和波分多路（WDM）传输系统。②点对点传输系统是对每个天线单元直接地使用分开的光纤链路。这种系统的分离损耗小，其代价是需要大量的激光器，如对M个天线单元和N位不同相位延迟精度组成的系统，所需的激光器的数量是M×N。另外，在控制器和天线阵之间，需要精确控制M根光纤的长度。③TDM系统按时间对相位延迟进行编码，采用串行激励，减少光器件的数量，但须花费雷达停机的时间对串行线路重新加载，脉冲长度也不得大于单元之间的传输时间。④WDM系统对这些延迟按波长进行编码，光延迟信号可以由光滤波器或相干检波来完成。WDM系统大大减少了波束形成网络的复杂性，大多数系统使用一个多波长激光源(MWL)，其产生的每一光波长对应一个不同的扫描角。本文采用一个多波长激光源和一个可编程色散矩阵（PDM）组成一个波束形成网络，它使每一波长对应特定的天线单元，从而起到控制天线波束扫描的方向。

2 一维多波长光控相控阵系统

图1给出了p单元一维多波长光控相控阵系统的原理框图，它包括四个部分：①有p种波长输出的多波长激光源MWL，输出λ1、λ2、…、λp，当然，可以用单片集成分布反馈激光阵列或半导体锁模调制器代替。②一个电光调制器EOM，使射频信号调制到光载波上。③一个可编程色散矩阵PDM，其对不同波长的光提供相关时间延迟。④一个解波分复用器DWDM使特定波长的载波进入特定的天线前端的光电检测器。

对所有的射频频率，实现了波束的无偏斜扫描。

3 二维多波长光控相控阵系统

上节所说的多波长系统同样可以扩展到二维系统。为了介绍二维光波束形成系统，我们首先介绍一下开关光延迟网络SODL的工作原理，图3给出了m-b精度的SODL的原理框图

通过控制耦合器的输出是从上还是下而控制光的时间延迟，这样，对应于Δl0的时间延迟为

这里，作以下三点说明：

其一，由于PDM单元是依赖于载波波长的梯度而产生延迟，而SODL是对所有的载波信号提供群延迟，与光载波的波长没有关系。由于这样的原因，二者可以串接而不发生冲突。

其二，我们设计的系统是p×q的矩形阵。SODL单元是控制每一列的群延迟，从而实现波束在方位角方向的扫描。我们知道，各单元的延迟梯度是波束偏离轴线方向的必要条件，所以，为了提供方位扫描，各列的相位梯度是必须的，所以，各列的SODL是不能相同的，即各段的Δl0是不同的，它们之间必须有线性梯度关系。显然，通过控制光耦合器，

这里的Pi是各级光耦合器的控制值，可以为0或1。特别注意这里的t0不是一个常量。

其三，各列的耦合器的控制组值是一样的，从而保证同种频率的光所载的射频信号在阵列的各行之间有线性的相位递变，不会使扫描波束变形。所以，在方位角度方向上产生的扫描角为

4 PMD和SODL的插入损耗

因为PMD和SODL组成了系统的馈电链路，其插入损耗将直接影响系统的性能。在此链路中，插入损耗主要是由于2×2光开关，光环行器，光栅组成。PMD和SODL的插入损耗可以表示为

5 结论

我们发现，多波长光控相控阵天线系统（MWOCPAA）有很大的硬件压缩能力，一个p×q的精度为n-b×m-b的MWOCPAA系统，只需要一个p波长的多波长激光源，一个n-b的PDM,一个1×q的光耦合器，(q-1)个m-b的SODL，q个WDM解复用器。这在高性能雷达和通信网络中有很大的应用前景。

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