一种大带宽、大角度、连续扫描光控相控阵天线接收装置及方法

摘要

本发明公开了一种大带宽、大角度、连续扫描光控相控阵天线接收装置及方法，属于微波光子技术领域。该装置及方法采用反谐振工作的级联微环构成延时连续调控子单元，采用光开关切换不同长度的波导构成延时离散调控子单元，二者组合构成的光延时单元为大带宽、大角度、连续扫描的相控阵天线微波信号接收提供所需的延时补偿。采用电光相位调制实现天线接收微波信号的光电转换，避免了偏置点控制电路的使用，简化了系统结构。采用光学单边带滤波降低了对延时单元带宽的要求，采用差分平衡光电探测有效降低共模噪声，提升了系统的性能。

说明书

技术领域

本发明属于微波光子技术领域，涉及一种大带宽、大角度、连续扫描光控相控阵天线接收装置及方法。

背景技术

光控相控阵天线可克服传统基于电相移器的相控阵天线所固有的孔径效应和渡越时间的限制，在实现大带宽、大角度扫描方面具有显著的优势，在新一代无线通信技术等领域具有广阔的应用前景。在实际应用中，尤其是在微波信号接收过程中，光控相控阵天线应能够在更大的接收角度范围内无空间盲区进行信号接收，这就要求光控相控阵天线中的光延时单元既能够提供足够大的延时补偿量，又能够对延时量进行连续扫描。

在先技术[1](王建，蔡海文，侯培培，王书楠.基于微光学元件堆栈集成技术的收发一体化宽带光控相控阵天线，光子学报，2015，第44卷，第11期，1125002)中，研究了基于棱镜组微光学元件的光控相控阵方案，通过调节相邻棱镜组之间的距离产生光延时，来实现波束指向角的扫描。虽然该方案可以实现波束的准连续扫描，但其系统由诸多微光学元件堆栈构成，结构复杂、体积大、功耗高。

在先技术[2](李曙光，姚庆璐，刘宇，薛峰.波分复用光控相控阵雷达的控制技术.无线电工程，2015，第45卷，第4期，pp.60-64)中，研究了基于光开关切换波分复用反射光路延时的光控相控阵方案，每个阵元与波分复用的一个波长相对应，波分复用每个通道采用Backward方式的延迟线，在通道延迟线尾端利用法拉第旋转镜作为反射镜，波分复用通道间光纤长度按照等差数列递增。该方案只能实现离散扫描，并且随着天线阵元数目的增加，所需的波长数及波分复用通道数也相应增加，这将大大增加系统的复杂度。

在先技术[3](李琳，吴彭生.光控相控阵波束接收网络，现代雷达，2017，第39卷，第10期，pp.72-75)中，研究了基于光纤色散延时机制的光控相控阵方案，利用光纤对不同波长光载波的色散效应，实现在光域上对多通道微波信号的延时。通过控制光载波的波长间隔，可以得到多通道微波信号之间的等间隔的时间延迟，形成波束指向；通过光开关切换不同长度色散光纤实现波束扫描。该方案同样只能实现离散扫描，并且随着天线阵元数目的增加，所需的波长数也相应增加，这将大大增加系统的复杂度。

因此，上述光控相控阵接收技术方案或存在结构复杂、体积大、功耗高的不足，或者只能实现离散扫描，难以实现大规模天线阵的扩展应用等限制。

发明内容

本发明提供一种大带宽、大角度、连续扫描光控相控阵天线接收装置及方法，有效解决背景技术中难以同时满足难以实现连续扫描、结构复杂难以实现大规模天线阵扩展应用等问题。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

所述光控相控阵接天线收装置包括：单波长激光源、光放大器、1×(M+1)光功率分路器、电光转换单元、光延时单元、1×N光功率合路器、1×M光功率合路器、光学边带滤波器和差分光电探测单元。

所述单波长激光源、光放大器、1×(M+1)光功率分路器、电光转换单元、光延时单元、1×N光功率合路器、1×M光功率合路器、光学边带滤波器和差分光电探测单元通过光纤或光波导依次连接。

所述的电光转换单元的微波光调制方式为电光相位调制。

所述的光延时单元包括延时连续调控子单元和延时离散调控子单元。延时连续调控子单元由Q个延时波导微环串联构成，Q＝1、2、3······，延时波导微环工作在反谐振状态，克服微环延时的带宽限制，实现在0～Δτ₀范围内延时连续扫描功能。延时离散调控子单元由2个1×2光开关、P个2×2光开关依次串联构成，相邻连接光开关的上下两路延时差为2^P-1Δτ，P＝1、2、3······，实现在Δτ～(2^P-1)Δτ范围内以步长Δτ进行延时扫描，获得大的延时扫描功能，且有Δτ₀≥Δτ。

所述的单波长激光源，其输出光波的波长处于延时连续可控子单元的波导微环的反谐振波长处。

所述的光延时单元OTTD-11、OTTD-12、OTTD-13……OTTD-1N实现第1列阵元的俯仰角度扫描，光延时单元OTTD-11、OTTD-12、OTTD-13……OTTD-1N输出的信号经第一1×N光功率合路器合路后进入光延时单元OTTD-1；所述的光延时单元OTTD-21、OTTD-22、OTTD-23……OTTD-2N实现第2列阵元的俯仰角度扫描，光延时单元OTTD-21、OTTD-22、OTTD-23……OTTD-2N输出的信号经第二1×N光功率合路器合路后进入光延时单元OTTD-2；所述的光延时单元OTTD-31、OTTD-32、OTTD-33……OTTD-3N实现第3列阵元的俯仰角度扫描，光延时单元OTTD-31、OTTD-32、OTTD-33……OTTD-3N输出的信号经第三1×N光功率合路器合路后进入光延时单元OTTD-3；所述的光延时单元OTTD-M1、OTTD-M2、OTTD-M3……OTTD-MN实现第M列阵元的俯仰角度扫描，光延时单元OTTD-M1、OTTD-M2、OTTD-M3……OTTD-MN输出的信号经第M 1×N光功率合路器合路后进入光延时单元OTTD-M；

所述的光延时单元OTTD-1、OTTD-2、OTTD-3……OTTD-M分别实现第1列阵元、第2列阵元、第3列阵元……第M列阵元的水平角度扫描，光延时单元OTTD-1、OTTD-2、OTTD-3……OTTD-M输出的信号经1×M光功率合路器合路后进入光学边带滤波器；

所述的光学边带滤波器选通经1×M光功率合路器输出的光载微波信号的一个边带，即左边带或右边带；

所述的光延时单元只对光载微波信号的左边带或右边带提供延时补偿；

所述的差分光电探测单元包括2×2光耦合分路子单元和平衡光电探测子单元，实现光载微波左边带或右边带与光载波的差分平衡光电探测，输出目标微波信号。

一种大带宽、大角度、连续扫描光控相控阵天线接收方法，步骤如下：

单波长激光源发出频率为f_C的光载波经光放大器进行功率放大后进入1×(M+1)光功率分路器，分路后的第1支路、第2支路、第3支路……第M支路光载波分别传输至第1列阵元、第2列阵元、第3列阵元、……第M列阵元对应的电光转换单元；M×N阵列天线中每个天线阵元接收的微波信号经电光转换单元调制到光载波f_C上，调制方式为电光相位调制，输出光载微波信号；

光延时单元OTTD-11、OTTD-12、OTTD-13、……OTTD-1N实现第1列阵元对应的光载微波信号的俯仰角度扫描；输出的N路光载微波信号经第一1×N光功率合路器合路进入光延时单元OTTD-1；光延时单元OTTD-1实现第1列阵元的水平角度扫描；

光延时单元OTTD-21、OTTD-22、OTTD-23……OTTD-2N实现第2列阵元对应的光载微波信号的俯仰角度扫描；输出的N路光载微波信号经第二1×N光功率合路器合路进入光延时单元OTTD-2；光延时单元OTTD-2实现第2列阵元的水平角度扫描；

光延时单元OTTD-31、OTTD-32、OTTD-33……OTTD-3N实现第3列阵元对应的光载微波信号的俯仰角度扫描；输出的N路光载微波信号经第三1×N光功率合路器合路进入光延时单元OTTD-3；光延时单元OTTD-3实现第3列阵元的水平角度扫描；

……

光延时单元OTTD-M1、OTTD-M2、OTTD-M3……OTTD-MN实现第M列阵元对应的光载微波信号的俯仰角度扫描；输出的N路光载微波信号经第M 1×N光功率合路器合路进入光延时单元OTTD-M；光延时单元OTTD-M实现第M列阵元的水平角度扫描；

光延时单元OTTD-1、OTTD-2、OTTD-3……OTTD-M输出的M路光载微波信号经1×M光功率合路器合路后进入光学边带滤波器，光学边带滤波器选通光载微波信号的左边带f_C-f_RF或右边带f_C+f_RF；

光学边带滤波器输出的光载微波单边带信号f_C-f_RF或f_C+f_RF和1×(M+1)光功率分路器分路后的第(M+1)支路光载波f_C进入差分光电探测单元；差分光电探测单元中的2×2光耦合分路器对光载微波单边带信号f_C-f_RF或f_C+f_RF和光载波f_C进行耦合分路，然后分别进入平衡光电探测器的两个光输入端口；平衡光电探测器中的光电探测器1和光电探测器2分别进行差分光电转换，生成的微波信号经电路相减消除共模噪声，最后输出目标微波信号；

光延时单元中的延时离散调控子单元在Δτ～(2^P-1)Δτ范围内以步长Δτ进行延时扫描，延时连续调控子单元在0～Δτ₀范围内进行连续延时扫描，通过调控光延时单元来进行M×N阵列天线阵元的俯仰角度扫描和水平角度扫描，实现对大带宽、大角度、连续扫描的微波信号接收功能。

本发明的有益效果是：

(1)本发明一种大带宽、大角度、连续扫描光控相控阵天线接收装置及方法，延时连续调控子单元由工作在反谐振状态下的级联微环构成，可以提供大带宽、低损耗、延时连续扫描功能；延时离散调控子单元由光开关切换不同长度的波导构成，可以提供大的延时总量；二者组合构成的光延时单元可以实现大带宽、大角度、连续扫描的微波信号接收功能。

(2)本发明一种大带宽、大角度、连续扫描光控相控阵天线接收装置及方法，采用电光相位调制实现天线接收微波信号的光电转换，避免了通常马赫-曾德电光强度调制器所必须的偏置点控制电路，简化了系统结构，对于大规模光控相控阵天线系统的简化优势更为突出。

(3)本发明一种大带宽、大角度、连续扫描光控相控阵天线接收装置及方法，采用光学边带滤波器选通微波光调制信号的一个边带，延时单元只需对该边带提供延时补偿，降低了对延时单元带宽的要求；采用差分平衡光电探测进行微波信号恢复，可有效降低共模噪声，提升系统的性能。

附图说明

图1是本发明大带宽、大角度、连续扫描光控相控阵天线接收装置框图。

图2是光延时单元结构框图。

图3是差分光电探测单元结构框图。

图4(a)是进入光学边带滤波器之前的光载微波信号频谱示意图。

图4(b)是光学边带滤波器的滤波响应曲线与光载微波频谱的对应关系。

图4(c)是光学边带滤波器之后的光载微波信号频谱示意图。

图5是图中符号示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明光控相控阵天线接收装置及方法具有为M×N天线阵列的微波信号接收提供大带宽、大角度、连续扫描的功能。

图1是本发明一种大带宽、大角度、连续扫描光控相控阵天线接收装置框图。该光控相控阵天线接收装置包括：单波长激光源、光放大器、1×(M+1)光功率分路器、电光转换单元、光延时单元、1×N光功率合路器、1×M光功率合路器、光学边带滤波器、差分光电探测单元，依次通过光纤或光波导连接。

电光转换单元的微波光调制方式为电光相位调制。图1中的EOM-11，EOM-12，EOM-13，······，EOM-1N为第1列阵元分别对应的电光调制单元；EOM-21，EOM-22，EOM-23，······，EOM-2N为第2列阵元分别对应的电光调制单元；EOM-31，EOM-32，EOM-33，······，EOM-3N为第3列阵元分别对应的电光调制单元；······，EOM-M1，EOM-M2，EOM-M3，······，EOM-MN为第M列阵元分别对应的电光调制单元。

图1中的OTTD-11，OTTD-12，OTTD-13，······，OTTD-1N为第1列阵元分别对应的光延时单元；OTTD-21，OTTD-22，OTTD-23，······，OTTD-2N为第2列阵元分别对应的光延时单元；OTTD-31，OTTD-32，OTTD-33，······，OTTD-1N为第3列阵元分别对应的光延时单元；······，OTTD-M1，OTTD-M2，OTTD-M3，······，OTTD-MN为第M列阵元分别对应的光延时单元。上述光延时单元阵列为天线波束的俯仰扫描提供延时补偿，称之为俯仰扫描光延时单元阵列。

图1中的OTTD-1，OTTD-2，OTTD-3，······，OTTD-M分别为第1列，第2列,第3列，······，第M列天线阵元对应的光延时单元。上述光延时单元阵列为天线波束的水平扫描提供延时补偿，称之为水平扫描光延时单元阵列。

图2是光延时单元结构框图，包括延时连续调控子单元和延时离散调控子单元。延时连续调控子单元由Q个延时波导微环串联构成，Q＝1,2,3，······，实现在0～Δτ₀范围内延时连续扫描功能。延时离散调控子单元由2个1×2光开关、P个2×2光开关依次串联构成，相邻连接光开关的上下两路延时差为2^P-1Δτ，P＝1,2,3，······，实现在Δτ～(2^P-1)Δτ范围内以步长Δτ进行延时扫描，获得大的延时扫描功能。且有Δτ₀≥Δτ。

图3是分光电探测单元结构框图，包括2×2光耦合分路子单元和平衡光电探测子单元。

单波长激光源发出频率为f_C的光载波经光放大器进行功率放大后进入1×(M+1)光功率分路器，分路后的第1支路，第2支路，第3支路，……，第M支路光载波分别传输至第1列阵元，第2列阵元，第3列阵元，……，第M列阵元对应的电光转换单元。M×N阵列天线中每个天线阵元接收的微波信号经电光转换单元调制到光载波f_C上，调制方式为电光相位调制，输出光载微波信号。

光载微波信号进入俯仰扫描光延时单元阵列，该光延时单元阵列为俯仰方向大角度的微波信号接收提供延时补偿。俯仰扫描光延时单元阵列输出的光载微波信号分别经1×N光功率合路器合路进入水平扫描光延时单元阵列(OTTD-1，OTTD-2，OTTD-3，……，OTTD-M)，该光延时单元阵列为水平方向大角度的微波信号接收提供延时补偿。

水平扫描光延时单元阵列输出的光载微波信号经1×M光功率合路器合路后进入光学边带滤波器。

图4是光学边带滤波器滤波过程的频谱示意图。图4(a)是进入光学边带滤波器之前的光载微波信号频谱示意图；图4(b)是光学边带滤波器的滤波响应曲线与光载微波频谱的对应关系；图4(c)是光学边带滤波器之后的光载微波信号频谱示意图。可以看出，光学边带滤波器选通了光载微波信号的左边带f_C-f_RF。

光学边带滤波器输出的光载微波单边带信号f_C-f_RF和1×(M+1)光功率分路器分路后的第(M+1)支路光载波f_C进入差分光电探测单元。差分光电探测单元中的2×2光耦合器对光载微波单边带信号f_C-f_RF和光载波f_C进行耦合分路，然后分别进入平衡光电探测器的两个光输入端口；平衡光电探测器中的光电探测器1和光电探测器2分别进行差分光电转换，生成的微波信号经电路相减消除共模噪声，最后输出目标微波信号。

光延时单元中的延时离散调控子单元在Δτ～(2^P-1)Δτ范围内以步长Δτ进行延时扫描，延时连续调控子单元在0～Δτ₀范围内进行连续延时扫描，通过调控光延时单元来进行M×N阵列天线阵元的俯仰角度扫描和水平角度扫描，实现对大带宽、大角度、连续扫描的微波信号接收功能。