用于由相控阵天线辐射的电场的可调谐波束形成的光子系统和方法

摘要

本发明公开了一种波束形成由相控阵天线产生的电场的光子系统。系统功能的操作依赖于光子可调谐延迟线，该光子可调谐光学延迟线包括Mach-Zehnder干涉仪，该Mach-Zehnder干涉仪具有在臂之间的预定义的时间延迟差。时间延迟通过调整在施加到干涉仪的延迟线的每一个上的功率之间的耦合比而调谐。提出了三个实施例，其中，它们之一独立于阵列基元天线的数量，仅使用单个延迟线和单个单色光源。

说明书

技术领域

本发明公开了以波束形成由相控阵天线（PAA）产生的电场为目 的的一种光子系统和方法。系统依赖于光子可调谐光学延迟线 （TODL），其是Mach-Zehnder光学干涉仪，该Mach-Zehnder光 学干涉仪具有在臂之间的预定义的差分时间延迟。时间延迟通过调整 在施加到干涉仪的延迟线的每一个上的功率之间的耦合比而调谐。提 出了三个实施例，其中，它们之一独立于相控阵的基元天线的数量， 仅使用单个延迟线和单个单色光（ML）源。描述的TODL在以波束 形成由PAA产生的电场为目的的光子系统中的应用，在目前技术状态 下还未发现。提出的系统对于具有高频RF载波的无线通信系统是适 当的，这些无线通信系统允许处理高数据传输速率。

提出的发明在用于由PAA辐射的电场的波束形成系统方面提供 一种新颖手段。PAA正在越来越多地使用，因为这样的天线允许将辐 射的波束精确地定向到任何目标方向，而不使用任何机械位移。由于 数据传输的带宽在有线或无线通信系统中正在增长，所以要求在这两 种类型的通信系统之间的互连系统，这些互连系统允许高数据传输速 率。让我们考虑如下例子：具有高数据传输速率（≥1Gb/s）的无线网 络系统可使用纤维上无线电（radio over fiber）（RoF）系统将中心 办公室连接到远程PAA上。随后，PAA将使用提出的系统在目标方 向上定向波束，因为它允许接受高数据传输速率。感兴趣的外部通信 系统的另一个领域是射电天文学，射电天文学要求高级天线技术以监 视从外部空间到达的信号，这些信号具有低功率和高带宽。

与至今报告的光子波束形成技术相比，提出的系统相当简单，并 且基于熟知的光学器件，Mach-Zehnder延迟干涉仪（MZDI）。其实 施用可买到的部件进行。它也允许非常快的波束调谐，特别是当其实 施使用集成光学时。根据其发明人的观点，主要优点是，它独立于基 元天线的数量，只要求一个光学延迟线（在图3中表示的实施例中的 双折射介质）和单个ML源。这种特征在现有技术的文献中报告的任 何技术中没有发现。

背景技术

PAA包括沿三个空间维度布置的N个天线。形成PAA的天线称 作基元天线。PAA通过发送到每个基元天线的射频（RF）信号的振 幅和相位的调整，允许辐射的电场的优化和波束形成。这是用于PAA 的专有特征，因为在单个天线中，辐射的电场的优化取决于天线的设 计。另外，辐射的电场的波束形成取决于天线的空间取向。

如以前所述，由PAA辐射的电场的波束形成可通过施加到每个 基元天线上的RF信号的相位而控制。更确切地说，PAA可由单个 RF信号馈送，该单个RF信号分解到全部基元天线上，这些基元天线 包括可调谐相移。尽管是可调谐的，但相移是恒定的。这意味着，感 应的相移值仅对于特定RF频率是正确的。在PAA中，这意味着发射 的频率应该是恒定的。否则，不同RF频率获得不同相移，并所以电 场的波束形成变得取决于发射的频率。在一个RF载波频率上的数据 传输的情况下，这意味着，数据信号带宽应该尽可能低。由于有关于 高带宽的多种用途（例如，RADAR（雷达）信号、Gb/s无线网络、 射电天文学、等等），所以辐射的电场的波束形成用这样一种技术不 能有效地进行。

这个问题可使用取决于RF频率的相移而解决。在实际中，取决 于频率的相移在于时间延迟线。因此，代替相移，每个基元天线应该 包括可调谐时间延迟。可调谐时间延迟的电气实施在高频下特别有挑 战，因为增加时间延迟意味着增加延迟线的长度，这又导致较大插入 损失和带宽的减小。这样的缺点使用可调谐延迟线的光子实施而克服。 光子系统的优点包括低损失、宽带宽、较轻重量、较小尺寸、及抗电 磁干扰。一般地，具有可调谐光子延迟线的PAA的特征在于，它具有 电光调制器，该电光调制器将RF信号转换到光学领域，该该电光调 制器之后是光学处理系统，该光学处理系统根据不同天线的需要是什 么而延迟和分配调制的光学信号。光学信号使用光电探测器转换到电 气领域。

下面概括的专利描述了光子TODL的不同实施，这些光子TODL 可应用于PAA。

美国专利5428218公开了一种基于空间多路复用的光子TODL。 在这样的自由空间实施中，光学信号通过镜的调整而引导到给定光学 纤维中。由于不同的光学纤维具有不同的长度，所以人们可获得添加 到光学信号上的时间延迟的离散调谐。这种实施也包括具有多波束系 统的可能性，例如，系统可由多于一个光学信号同时使用。

美国专利5978125公开了一种基于偏振多路复用的光子TODL。 在双折射介质中，具有特定偏振状态（SOP）的光学信号具有比正交 SOP高的时间延迟。通过选择两个SOP之一，那么可控制添加的时 间延迟。这种方法在级联构造中描述，在该级联构造中，串联双折射 介质被偏振控制器（PC）插入。结果，获得离散延迟调谐。

美国专利5461687公开了一种基于色散装置的光子TODL。通过 调谐输入光学信号的波长，信号传播的路径变化，导致可调谐时间延 迟。在这个专利中，色散装置在自由空间中使用衍射光栅实施。另一 个可能选项是使用光线布拉格光栅（FBG），这些光线布拉格光栅位 于光纤的不同点中。

美国专利5751466公开了一种光子TODL，该光子TODL使用 光子带隙器件的频率响应。这样一种器件的例子是FBG。这种器件包 括介电结构，在该介电结构中，折射率在纵向变化。沿结构的折射率 变化的控制导致改变器件的频率响应，因此影响添加到光子信号的时 间延迟。

美国专利7558450B2公开了一种光子TODL，该光子TODL包 括耦合到波导管的三个谐振元件。这种实施限于单侧带（SSB）光学 信号。两个谐振元件的频率的对称位移实现对于RF载波引起的时间 延迟的调整。第三谐振元件调整光学载波（OC）的相位，以便避免 RF信号的无意相移。比调谐方法重要的是如下事实：这个专利对于 在光学和RF载波之间没有任何频谱内容的RF信号，是清晰适当的。 结果，TODL的频率响应在位于RF载波与OC之间的频率处是不相 关的。

附图说明

如下描述基于附属于其的附图，这些附图被没有任何限制地表 示：

在图1中是振幅的响应和光子TODL的组延迟，考虑到在施加 到干涉仪的光学延迟线的每一个上的功率中的不同耦合比α。

图2表示本发明的第一实施例；

图3表示本发明的第二实施例；及

图4表示本发明的第三实施例。

图5表示本发明的第四实施例。

图6表示本发明的第五实施例。

具体实施方式

为波束形成由PAA产生的电场而提出的系统可划分成三个子系 统。在第一子系统中，RF信号调制单色光学载波。所生成的调制的 光学信号分离成N个拷贝，其中，N是基元天线的数量。每个拷贝引 入到TODL中，并且然后借助于光电探测器被重新转换到电气领域。 每个光电探测器连接到相应基元天线上。

波束形成系统的关键元件是可调谐延迟线，因为具有N个天线的 PAA一般要求N个可调谐延迟线。提出的TODL包括具有两个臂的 MZDI。MZDI包括输入光学耦合器和输出耦合器，两个延迟线连接 到该输入光学耦合器上，该输出耦合器添加来自两个线的信号。延迟 线具有固定的时间延迟差τ。光学耦合器之一具有可调谐耦合比，即两 个延迟线的光学功率比可被调谐。根据在专利PT104237中要求保护 的内容，提出的MZDI包括具有可调谐响应的光学滤光镜，该可调谐 响应近似与延迟线响应的加权平均相对应。调谐通过在两个延迟线之 间的光学功率比的调整而进行。结果，获得具有从0至τ的调谐范围的 希望的TODL。按照数学表达式，MZDI的频率响应由如下给出

$H\left(f\right)=\frac{\sqrt{2}}{2}[\alpha +\sqrt{1-{\alpha }^2}{e}^{-j2\mathrm{\pi f\tau }}],---\left(1\right)$

其中，0≤α≤1是耦合比，并且f是频率。振幅响应||H(f)||²和组 延迟τ(f)可从（1）导出，

${\left|\right|H\left(f\right)\left|\right|}^2=\frac{1}{2}\{1+2\alpha \sqrt{1-{\alpha }^2}\cos \left(2\mathrm{\pi f\tau }\right)\},---\left(2.1\right)$

$\tau \left(f\right)=\tau \left\{\frac{1-{\alpha }^2+\alpha \sqrt{1-{\alpha }^2}\cos \left(2\mathrm{\pi f\tau }\right)}{1+2\alpha \sqrt{1-{\alpha }^2}\cos \left(2\mathrm{\pi f\tau }\right)}\right\}.---\left(2.2\right)$

两个导出的公式都表示，TODL具有周期性频率响应，该周期性 频率响应具有周期1/τ。振幅响应和组延迟在图1中对于不同的α值而 描绘。如由（2.1）和（2.2）描绘的那样，振幅响应和组延迟都受到α 的影响。结果，光学信号必须适当地与MZDI的频率响应对中。振幅 响应的绝对值可借助于可变光学衰减器（VOA）、或使用用于探测的 信号的电气放大器而调整，该可变光学衰减器位于TODL的输入或输 出处。

一般地，在OC上调制的RF信号具有三个频谱线，这三个频谱 线位于f₀-f_RF、f₀及f₀+f_RF处，其中，f₀是OC频率，并且f_RF是RF信 号的频率。在数据传输的情况下，传输的序列频谱的拷贝对中在三个 频谱线处。因而，有用来将调制的信号频谱与MZDI的频率响应对中 的两种方式。第一种方式包括在MZDI的响应的单个周期内设置全部 三个频谱线。另一种方式利用如下事实：TODL的频率响应与位于RF 载波与OC之间的频率是不相关的。频谱线的每一个然后对中在MZDI 的振幅响应的不同最大值处。

用来波束形成由PAA辐射的电场的提出的光子系统的实施通过 五种不同构造而呈现。

提出的实施例

第一实施例表示在图2中。这个实施例包括ML源（1），光学 连接（2）、（6）、（8），电光调制器（4），1至N光学信号分离 器（5），基于提出的MZDI的N个TODL（7），N个光电探测器（9）， 及N个基元天线（10）。借助于电光调制器（4），由光源（1）产生 的单色信号由电气RF信号（3）调制，该电气RF信号（3）将由PAA 辐射。调制的光学信号使用1至N光学信号分离器（5）被分离成N 个拷贝。N个拷贝的每一个输入到TODL（7）中，该TODL（7）包 括MZDI（7），该MZDI（7）具有两个臂和可调谐耦合比。MZDI 的每个臂是固定的光学延迟线，其中，两个臂的传播时间差是τ。添加 到调制的信号的每个拷贝上的时间延迟，在这样的拷贝进入其TODL （7）之前，可由光学连接（6）的长度预先定义。在被时间延迟之后， 每个拷贝使用光电探测器（9）被转换到电气领域，并且随后被发送到 相应基元天线（10）。简短地说，辐射的电场的方向通过操纵用于N 个TODL（7）的耦合比被定义。

第二实施例表示在图3中。这个实施例也包括ML源（1），光 学连接（2）、（6）、（8），电光调制器（4），1至N光学信号分 离器（5），N个光电探测器（9），及N个天线（10）。新部件是PC （12）、（16），双折射介质（14），N个偏振器（18），及另外的 光学连接（11）、（13）、（15）及（17）。这个实施例基本上是在 图2中描绘的实施例的优化版本。代替N个独立MZDI（7），这个 实施例的N个干涉仪共享输入光学耦合器。调制的光学信号在电光调 制器（4）的输出处具有线性偏振状态。双折射介质（14）允许光学信 号沿两个正交偏振轴线的传播，这两个正交偏振轴线具有不同传播速 度。因此，这种介质允许在两个正交偏振的光学信号之间获得时间延 迟τ，这两个正交偏振的光学信号与介质的正交偏振轴线对准。PC（12） 将调制的光学信号的SOP设置在相对于双折射介质（14）的轴线之一 的45°角处。在所述双折射介质（14）的输出处，获得两个调制的光 学信号，这两个调制的光学信号正交地偏振，并且在彼此之间被时间 延迟τ。所以，PC（12）和双折射介质（14）是提出的MZDI的输入 光学耦合器和延迟线。光学分离器（5）用来获得正交偏振的光学信号 的N个拷贝。依据由PC（16）设置的角取向，使用偏振器（18）将 正交偏振的信号添加有不同的权重。因此，PC（16）和偏振器（18） 是输出光学耦合器，这些输出光学耦合器具有提出的MZDI的可调谐 耦合比。在被时间延迟之后，每个信号拷贝使用光电探测器（9）被转 换到电气领域，并且随后被发送到其相应基元天线（10）。简短地说， 辐射的电场的方向通过PC（16）的操纵被定义。

第三实施例表示在图4中。这个实施例包括N个ML源（19）， 这N个ML源（19）光学地连接到N个PC（21）上。由N个ML源 产生的信号使用波长多路复用器（23）按波长被多路复用，该波长多 路复用器（23）光学地连接到电光调制器（4）上。全部多路复用的信 号都按相同方式调制，并且然后被引入到双折射介质（14）中。在双 折射介质的输出处的多路复用的信号现在使用具有N个输出的波长多 路解复用器（24）被多路解复用，其中，N个输出的每一个连接到PC （16）和偏振器（18）上。几个光学连接呈现在（20）、（22）、（2）、 （11）、（15）、（6）、（17）及（8）处。当然，N个光电探测器 （9）和N个基元天线（10）与在以前描述实施例中的相同。尽管以 前实施例基于ML源（1）、和对于波长不敏感的光学分离器（5）， 但本实施例基于对于N个ML源的波长多路复用。对于波长不敏感的 光学分离器（5）由波长多路复用器（23）和多路解复用器（24）代替。 与每个ML源相关联的MZDI现在包括PC（21）、双折射介质（14）、 另一个PC（16）及其相应偏振器（18）。耦合比和因此与ML源相 关联的时间延迟可通过PC（21）被调谐。这里，全部PC（16）具有 相同功能，该功能是相对于偏振器（18）的轴线之一按45°角对准双 折射介质（14）的偏振轴线。属于PC（21）和（16）的这样的功能 可分别由PC（21）和（16）进行。应该注意，在第一情形下，要求 的是，电光调制器对于ML源（19）的偏振不敏感。因此，在这个实 施例中，MZDI可具有输入和输出光学耦合器两者，该输入和输出光 学耦合器具有可调谐耦合比。

第四实施例表示在图5中。这个实施例与共享其功能大部分的第 二实施例十分相似，但在如下细节方面不同。偏振器（18）由对于偏 振敏感的VOA（25）代替。这个器件允许对于输入光学信号的SOP 的独立衰减。PC（16）用来将双折射介质（14）的偏振正交轴线与器 件（25）的偏振正交轴线对准。作为偏振器（18）由器件（25）代替 的后果，偏振正交信号不添加到电气领域。在这个实施例中，偏振正 交信号在光电探测过程中被同时添加，这意味着，电气信号包括添加 探测的偏振正交信号。MZDI因此在光学和电气领域上都部分地实施。 耦合比可通过对于偏振敏感的VOA（25）的调整被调谐。为了进行在 电气领域中的添加，人们需要，正交偏振的光学信号的相位信息在电 气领域处被保存。结果，这个实施例限于具有SSB调制的光学信号。 在这个实施例与第二实施例之间的主要差别涉及如下事实：这个实施 例具有不相干操作，不像其中正交偏振的光学信号被相干地添加在光 学领域偏振中的第三实施例。简短地说，辐射的电场的波束形成通过 器件（25）的调谐被定义。

第五实施例表示在图6中。这个实施例与共享其功能大部分的第 三实施例十分相似，但在如下细节方面不同。偏振器（18）由对于偏 振敏感的VOA（25）代替。PC（16）用来将在双折射介质（14）的 偏振中的正交轴线与器件（25）的偏振正交轴线对准。这些修改的目 的在第四实施例中解释。因此，这个实施例也限于具有SSB调制的光 学信号。在这个实施例与第三实施例之间的主要差别涉及如下事实： 这个实施例具有不相干操作，不像其中正交偏振的光学信号被相干地 添加在光学领域偏振中的第三实施例。简短地说，辐射的电场的波束 形成通过器件（25）的调谐被定义。