基于可插拔式收发组件的光控微波相控阵雷达系统及反馈控制方法

摘要

本发明公开了基于可插拔式收发组件的光控微波相控阵雷达系统及反馈控制方法。本发明所采用的技术方案是使用多种材料平台实现不同功能的光子集成芯片，通过光芯片间耦合技术，将多种芯片互联实现全光集成的收发组件，同时使用flip‑chip或者wire‑bonding技术将控制电芯片与光芯片组件封装在同一管壳内，最终得到可插拔式收发组件以及由其构成的光控相控阵雷达系统。本发明的微波相控阵雷达组件是基于光芯片构建而成，具有抗电磁干扰能力强，同时提高了信号传输容量；基于光芯片的延时器对于调制在光载波上不同频率的微波信号延时相同，克服了波束偏斜问题；所有的组件的增益可以单独控制，可以实现阵元增益的高斯分布，从而达到高旁瓣抑制比的波束扫描。

说明书

技术领域

本发明涉及微波相控阵雷达技术，特别涉及一种基于可插拔式收发组件的光控相控阵雷达系统及其控制方法。

背景技术

随着信息技术的飞速发展，未来战争将向大纵深、立体化作战方向发展，并且伴随着卫星通信技术和人工智能技术的跨越式提升，整体作战将朝着海陆空天一体化、智能化和多平台融合方向发展。并且将具备超远程、全天候、快速、灵活和精确的特点，高度发达的信息获取、控制和使用技术将在未来战争占据越来越重要的地位。作为在战争中扮演着“千里眼”和“顺风耳”的雷达发射和接收系统将在这一过程中起着至关重要的作用。因此，雷达信号的宽带接收与处理、信息的泛在感知与接入是目前雷达研究的热点与难点问题。

在通信领域中作为骨干与核心的光纤通信技术在数十年的发展中已经向人们证明了其超强的宽带数据处理能力。与此同时，传统的微波技术在泛在感知和接入上展现了一定的能力。由于相比于传统的微波技术，光通信具有超低损耗(<0.1dB/km)和抗电磁干扰的能力，将以上两种技术进行融合，诞生了微波光子技术。美国海军实验室更以“光子学照亮了雷达的未来”为题，将该技术在雷达的工程应用提升到了极为重要的高度。目前，微波光子雷达技术在国内外的研究成果显示出，微波光子技术相比于传统的微波信号处理技术展现出超大的带宽以及很强的灵活性，提升了整个雷达系统的性能。然而，目前大多数微波光子雷达系统都是基于分立光器件或者设备搭建完成。微电子产业的发展为微波光子学的发展指明方向。伴随着集成光学的快速发展，基于多材料平台发展的集成微波光子技术为微波光子雷达的小型化、通用化奠定了坚实的基础。

然而，目前大多数集成微波光子芯片都是在单一材料平台实现，只能实现一些单一功能，并且系统体积不能进一步减小。同时，大部分雷达使用的都是单天线结构，并不是基于相控阵的天线结构。相控阵雷达相比于传统的单天线或者圆形天线雷达具有稳定性高、灵活性强、探测距离远等优势，其原理是利用电磁波相干原理,通过计算机控制馈往各辐射单元电流的相位,就可以改变波束的方向进行扫描,如图1所示。传统的基于电移项器的相控阵雷达会产生波束偏斜现象，而使用基于光子真延时线仅仅通过改变天线阵元之间的时间差就可以解决这样的问题，如图1所示。多材料混合异质集成微波光子技术将多种平台的优势汇聚，为微波光子相控阵雷达的全集成化、多功能、小型化、实用化发展提供了重要支撑。目前使用异质集成技术或者多材料平台融合技术的方案鲜见报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于可插拔式收发组件的光控相控阵雷达系统及控制方法。本发明所采用的技术方案是使用多种材料平台实现不同功能的光子集成芯片，通过先进的光芯片间耦合技术，将多种芯片互联实现全光集成的收发组件，同时使用flip-chip或者wire-bonding技术将控制电芯片与光芯片组件封装在同一管壳内，最终得到可插拔式收发组件以及由其构成的光控相控阵雷达系统。

本发明的技术方案如下：

本发明首先提供了一种基于可插拔式收发组件的光控相控阵雷达系统，所述光控相控阵雷达系统的每个天线阵元均具有一个可插拔式收发组件；每个可插拔式收发组件都能产生、接收电磁波，使每个天线阵元都能独立控制，通过控制各天线阵元对应收发组件的光延时和增益可合成不同指向和发射功率的波束；

所述的可插拔式收发组件为基于全光集成芯片的可插拔式收发组件，可插拔式收发组件包括：发射端、接收端、MCU、RF Driver、带通滤波器以及FPGA或DSP；其中发射端、接收端均由信号电极和光芯片组成，信号电极和光芯片进行电互联；

所述MCU包含信号发生器，MCU用于控制RF Driver以及FPGA或DSP，并与光控相控阵雷达系统总控制模块进行通信，FPGA或DSP用于反馈控制发射端、接收端内光芯片；RFdriver用于对电信号进行放大，带通滤波器对RF driver放大后的电信号进行滤波并传输给发射端、接收端内的光芯片。

光控相控阵雷达系统总控制模块用于将需要的雷达发射增益、接收灵敏度以及波束指向角等参数提供给收发组件中的MCU，从而将系统指标分解到每一个收发组件中，实现对每个天线阵元对应收发组件的光芯片上的器件的控制。

作为本发明的优选方案，所述发射端光芯片包含有激光器、延时器以及光电探测器，根据光控相控阵雷达系统的要求，MCU产生对应指标的电信号，电信号通过RF driver的放大以及BPF的滤波之后，调制光芯片上的激光器或者调制器，被调制之后的光信号通过延时器的延时，随后由光电探测器将延时之后的光信号转换为电信号，该电信号由信号电极传导给对应的天线阵元，最后由对应的天线阵元发射。

作为本发明的优选方案，所述接收端光芯片包含有激光器、延时器以及光电探测器；根据相控阵雷达侦察角度和范围的要求，MCU传输指令给FPGA或DSP，PFGA或DSP控制光芯片上的延时器得到对应的延时与增益；从天线接收到的电信号通过接收端信号电极接入RF driver放大之后，经过BPF滤波调制光芯片上的激光器或者调制器，被调制之后的光信号通过延时器的延时，随后由光电探测器将延时之后的光信号转换为电信号，该电信号在FPGA/DSP进行信号处理，得到的参数性能由MCU反馈给光控相控阵雷达系统总控制模块。

作为本发明的优选方案，如果相控阵雷达工作的频段低于10GHz，并且系统动态范围的要求低于100dB前提下，可以使用电信号直接调制激光器方案。这样可以降低系统的复杂度以及成本；如果对于系统工作频段大于10GHz，同时链路线性度要求大于110dB·Hz

作为本发明的优选方案，所述的光芯片中的延时器为二进制集成光延时线BIOTDL，所述二进制集成光延时线BIOTDL包含顺次连接的1个偏振旋转器PR、N级2×2端口延时子单元TDSU、1级2×2马赫增德尔干涉仪结构光开关MZI-OS；2×2马赫增德尔干涉仪结构光开关MZI-OS的上输出路径顺次连接1级半导体光放大器SOA、1级连续可调延时单元和一个GePD，2×2马赫增德尔干涉仪结构光开关MZI-OS的下输出路径连接一个GePD；所述GePD用来将要输出的光信号解调为电信号。

作为本发明的优选方案，所述的MZI-OS基于载流子色散效应或硅材料的热光效应；通过FPGA或DSP输出电压对MZI-OS状态进行控制。

作为本发明的优选方案，所述的TDSU包括1个MZI-OS，MZI-OS的上下路均分别有1个可变光衰减器VOA和1个1×2端口的直接耦合器DC；上路直接耦合器DC的两端口分别接SOI-GePD和延时波导，下路直接耦合器DC的两端口分别接SOI-GePD和参考波导；所述的直接耦合器DC用来监测MZI-OS的工作状态；直接耦合器DC的两端口分光比可设定为任意比例。

本发明还提供了一种所述光控相控阵雷达系统的反馈控制方法：

A、增益控制

当使用电信号直接调制激光器时，通过控制光芯片上的VOA调节每一个天线阵元对应的链路损耗，从而实现整个雷达系统的增益调控；

当使用电信号调制外调制器SOI-MZM/SOI-LiNbO

B、指向角控制

通过控制光芯片上的延时状态切换，实现对应的单个天线阵元的延时控制，通过同时对整个相控阵雷达系统的所有天线阵元对应的收发组件中光芯片上延时器的控制，实现合成波束的指向角控制；

具体的，离散延时状态通过控制MZI-OS的驱动电压以及监测对应路径上的GePD输出光电流大小来实现实时反馈控制；连续延时的调控使用两个单音低频小信号伴随调制到激光器或调制器上，监测这两个单音信号之间的相位差，就能反映出连续延时的大小，然后反馈给DSP或FPGA，调节CTDU的有效折射率，实现连续延时的反馈控制。

对于单个阵元延时反馈控制，由于相控阵雷达的指向角决定于每个天线阵元对应收发组件上的延时，因此精准反馈控制延时是必要的。对于离散延时的反馈控制，主要通过对应路径的开关切换，而开关的状态监测主要取决于对应路径上的GePD的光电流大小，因此通过对开关施加驱动电压的同时监测GePD电流，直至对应路径上的光电流达到最大，即离散延时状态得到实时反馈控制；连续延时的调控主要用于补偿离散延时导致的延时误差，通过在发射和接收信号上添加两个低频小信号，监测小信号的相位差，即可以观察到连续延时的变化，通过调控连续延时器件上的驱动电压，直到离散误差得到完全补偿。

对于单个阵元增益控制，相控阵雷达的波束旁瓣抑制比主要取决于各个天线上的发射功率的大小，因此调控每个天线阵元上的增益是非常重要的。通过监测每个收发组件上延时器的E1端光电流的大小，来观察收发组建中增益的大小。通过调控光芯片上的VOA或者InP-SOA的驱动电压来实现对每个天线阵元增益的大小控制。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果有：

(1)由于本发明提到的微波相控阵雷达组件是基于光芯片构建而成，相比于传统电芯片架构，具有抗电磁干扰能力强；传统的电相控阵雷达，由于高频信号在金属传输线上传输，会有趋肤效应，增大了信号的传输损耗，而采用光芯片传输信号则不存在上面这些问题。同时，由于光学传输带宽是电学带宽的几百倍，提高了信号传输容量；

(2)相比于传统的电移项器，基于光芯片的延时器对于调制在光载波上不同频率的微波信号延时相同，克服了波束偏斜问题；并且由于传统的电学移项器体积大，功耗大，而光学芯片可以将整个相控阵雷达推向小型化；

(3)相比于目前已有的基于光芯片架构的微波相控阵雷达系统有很大一部分是单个光源或者相干方式，这种方式降低了系统的可靠性。本发明所述的光控微波相控阵雷达是基于光收发组件构成，每个组件都具有单独的光源、延时器等，极大地提高了系统可靠性与稳定性。并且，所有的组件的增益可以单独控制，可以实现阵元增益的高斯分布，从而达到高旁瓣抑制比的波束扫描。

附图说明

图1是相控阵雷达工作的原理示意图。

图2是本发明收发组件结构示意图。

图3是BIOTDL结构示意图。

图4是MZI-OS示意图。

图5是相控阵雷达波束指向与工作频率关系示意图。其中左边为电学相控阵雷达，有波束偏斜；右边为本发明光控相控阵雷达，无波束偏斜。

图6方案1收发组件示意图。

图7方案2收发组件示意图。

图8方案3收发组件示意图。

图9整体相控阵框架示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图9所示为本发明基于可插拔式收发组件的光控相控阵雷达系统示意图。所述光控相控阵雷达系统的每个天线阵元均具有一个可插拔式收发组件；每个可插拔式收发组件都能产生、接收电磁波，使每个天线阵元都能独立控制，通过控制各天线阵元对应收发组件的光延时和增益可合成不同指向和发射功率的波束；

所述的可插拔式收发组件为基于全光集成芯片的可插拔式收发组件，可插拔式收发组件包括：发射端、接收端、MCU、RF Driver、带通滤波器以及FPGA或DSP；其中发射端、接收端均由信号电极和光芯片组成，信号电极和光芯片进行电互联；

所述MCU包含信号发生器，MCU用于控制RF Driver以及FPGA或DSP，并与光控相控阵雷达系统总控制模块进行通信，FPGA或DSP用于反馈控制发射端、接收端内光芯片；RFdriver用于对电信号进行放大，带通滤波器对RF driver放大后的电信号进行滤波并传输给发射端、接收端内的光芯片。

如图2所示，所述的可插拔式收发组件包括：收发端光芯片以及与天线阵列的电信号接口(信号电极)、微控制单元MCU(Micro control unit)、可编程门阵列FPGA(Fieldprogrammable gate array)或数字信号处理器DSP(Digital signal processor)、射频信号驱动器(RF driver)以及电带通滤波器(BPF)。信号电极用来与天线上的对应电接口进行互联，图中三个电极仅为描述所用，不代表真实设计时只存在三个电极。微控制单元MCU用来与外围控制模块(FPGA/DSP/RF driver)以及系统总控制模块进行通信，同时，MCU包含信号发生器。FPGA/DSP用来进行反馈控制光芯片上的相应器件(例如对调制器工作点的偏置、对延时器件的状态控制等)。RF driver用来对电信号进行放大，然后经过带通滤波器BPF滤波之后再通过光芯片上的调制器将电信号转换到光域上，这样就可以在光芯片上进行信号的延时与增益加权，从而实现对相控阵雷达发射与接收波束的控制。

所述的发射端包括信号电极、光芯片组成，其中光芯片包含有激光器、延时器以及光电探测器。根据相控阵雷达系统的要求，MCU产生对应指标的电信号。该电信号通过RFdriver的放大以及BPF的滤波调制光芯片上光源或调制器，被调制之后的光信号通过延时器的延时，随后由光电探测器将延时之后的光信号转换为电信号，该电信号由信号电极传导给对应的天线阵元，最后由对应的天线阵元发射。

所述的接收端包括信号电极、光芯片组成，其中光芯片包含有激光器、延时器以及光电探测器。根据相控阵雷达侦察角度和范围的要求，MCU传输给FPGA/DSP相应指令，PFGA/DSP就会控制光芯片上的延时器得到对应的延时与增益。从天线接收到的电信号通过接收端信号电极接入RF driver放大之后，经过BPF滤波调制光芯片上的光源或者调制器，被调制之后的光信号通过延时器的延时，随后由光电探测器将延时之后的光信号转换为电信号，该电信号在DSP进行信号处理，得到的参数性能由MCU反馈给外围主控制板。

在本发明的一个具体实施例中，所述的光芯片中包含分布式反馈激光器DFBL(Distributed Feedback Laser)或马赫增德尔调制器MZM(Mach-Zehnder modulator)、延时器和光电探测器。所述的DFBL是基于磷化铟(InP)材料平台设计制造的。所述的MZM是基于硅基(silicon-on-insulator)载流子色散效应的SOI-MZM或硅基铌酸锂薄膜MZM(SOI-LiNbO

所述的InP-DFBL通过倒装焊或者多级微透镜将激光器产生的光信号耦合入SOI光芯片上，该光芯片包括调制器、延时器、光电探测器。

在本发明的一个具体实施例中，所述的延时器为二进制集成光延时线BIOTDL(Binary integrated optical time delay line)，如图3所示，包含1个偏振旋转器PR(Polarization Rotator)、N级2×2端口延时子单元TDSU(Time delay sub-unit)、1级2×2马赫增德尔干涉仪结构光开关MZI-OS(Mach-Zehnder interferometer optical switch)、1级半导体光放大器SOA(Semiconductor optical amplifier)、1级连续可调延时单元(Continuous time delay unit)以及最后两个端口分别有一个SOI-GePD。所述器件的连接关系如图3所示。

所述的MZI-OS基于载流子色散效应或硅材料的热光效应。具体方案如图4所示，2×2MZI-OS有4个光端口，其中O1和O2为输入端口，O3和O4为输出端口。假设输入端口为O1，通过电压控制移相臂从而改变上下臂的相位差，从而光信号可以从O3或O4输出。如果光信号仅从O3输出，则为bar态，如果光信号仅从O4输出，则为cross态，如果两端口均有输出，则为中间态。因此，通过FPGA/DSP输出电压可以实现对MZI-OS状态的控制。

所述的SOA为InP基材料平台，通过倒装焊方式将SOA粘在SOI光芯片对应的位置。所述的PR把具有不同偏振态光信号转化为同一个偏振态。

在本发明的一个具体实施例中，所述的TDSU如图3所示，包括1个MZI-OS、上下路分别有1个可变光衰减器VOA(variable optical attenuator)和1个1×2端口的直接耦合器DC(Direct coupler)。DC的两端口分别接SOI-GePD和延时(delay)/参考(ref)波导。所述的DC用来监测MZI-OS的工作状态。DC的两端口分光比可设定为任意比例，通常情况下5％:95％，即5％的光功率输入到SOI-GePD，95％的光功率输入到延时(delay)/参考(ref)波导。

假设第1级TDSU延时波导长度为L

所述的VOA为载流子注入型PIN结光波导或者MZI结构干涉仪，其作用为提高MZI-OS的消光比以及调控链路增益。

由于所述的TDSU为离散延时，会导致最终雷达扫描角的不连续，因此需要增加CTDU。在本发明中，CTDU的实现是通过加热或其他方式改变一段较长波导的有效折射率实现(通常为5厘米)。

所述的BIOTDL上路为输出路径，因此上路最后连接一个GePD用来将要输出的光信号解调为电信号，并从电输出端口E1输出。由于E1和E2端是互补输出端，E2设置为最后一级MZI-OS的状态监测端。

如图6-8所示，为实施例给出了基于全光集成芯片的可插拔式收发组件中光芯片的三种具体设计方案示意图。由于控制以及驱动电路部分均为相同，同时收发端的光芯片结构也相同，不同处为光芯片的结构，这里我们只讨论光芯片的结构设计。

图6为方案1光芯片的结构示意图(可以看作俯视图)，光芯片主要包含InP-DFB激光器芯片和SOI-BIOTDL芯片，这两种材料的光芯片通过多级透镜、倒装焊结构等将两块光芯片偶合在一起。InP-DFB芯片的主要作用是将需要发射或通过天线接收到的电信号调制到光域。SOI-BIOTDL的作用是在光域实现对电信号的延时以及将光信号解调为电信号；

具体的，在发射端，MCU产生所需要的电信号驱动RF driver使得电信号被放大，经过BPF滤波后然后调制InP-DFB，被调制后的光信号经过多级透镜或者倒装焊结构耦合入SOI-BIOTDL的光输入端口。该光信号经过BIOTDL中的延时器最后被GePD解调为电信号并经过所连接的天线发射。BIOTDL的延时状态(即延时量)由FPGA/DSP驱动光芯片上的开关控制，延时大小由相控阵雷达系统所需要的波束指向角度确定。角度信息由系统总控制板发出并传送给MCU，MCU将根据角度信息转换为开关状态信息以及CTDU的驱动电压信息，FPGA/DSP根据这些信息产生不同的驱动电压信号并施加在对应的电极上，从而实现对BIOTDL的延时控制。发射端的电信号增益由FPGA/DSP驱动光芯片上的VOA控制，增益的大小由相控阵雷达的发射功率决定，具体控制方式和延时控制类似。

具体的，在接收端，与发射端不同的是，电信号由天线接得到，而不是由MCU产生。并且经过GePD解调之后的电信号被FPGA/DSP采样并进行信号处理，得到信号的频率功率等信息。

图7为方案2光芯片结构示意图，相比于方案1，使用了硅基MZM载流子耗尽型调制器。InP-DFB激光器产生的光信号经过SOI-MZM被调制到光域，其他步骤同上，相比于DFB直接调制激光器方案具有更高的线性度或动态范围。

图8为方案3光芯片结构示意图，相比于方案2中的SOI-MZM使用的是载流子色散效应，虽然通过改变反偏电压可以实现高线性度，但是复杂度较高。而铌酸锂晶体本身具有一阶电光效应，通过异质集成LiNbO3薄膜MZM，可以极大地提高整个链路的线性度。其他步骤同上。

在本发明的一个具体实施例中，以阵列规模为18×18的相控阵举例，如图9所示，图中d为天线阵元间距(假设中心频率为f，光速为c，根据半波长限制，d≤c/2f)，因此收发组件的封装后的整体大小横截面积≤d×d。

所述光控相控阵雷达系统的反馈控制方法包括增益控制和指向角控制，相控阵雷达的指向角决定于每个天线阵元对应收发组件上的延时，相控阵雷达的波束旁瓣抑制比主要取决于各个天线上的发射功率的大小。

A、增益控制

当使用电信号直接调制激光器时，通过控制光芯片上的VOA调节每一个天线阵元对应的链路损耗，从而实现整个雷达系统的增益调控；

当使用电信号调制外调制器SOI-MZM/SOI-LiNbO

具体的，

当使用电信号直接调制激光器时，通过调节VOA驱动电压的大小来调控电信号的增益，增益的大小通过上输出路径E1端口输出光电流大小反馈给MCU，MCU与雷达总控制板通信，得到可插拔式收发组件所需要设定的电信号增益，MCU得到指令之后调控对应可插拔式收发组件，直至达到设定值为止；

当使用电信号调制SOI-MZM/SOI-LiNbO

B、指向角控制

通过控制光芯片上的延时状态切换，实现对应的单个天线阵元的延时控制，通过同时对整个相控阵雷达系统的所有天线阵元对应的收发组件中光芯片上延时器的控制，实现合成波束的指向角控制；

具体的，离散延时状态通过控制MZI-OS的驱动电压以及监测对应路径上的GePD输出光电流大小来实现实时反馈控制；连续延时的调控使用两个单音低频小信号伴随调制到激光器或调制器上，监测这两个单音信号之间的相位差，就能反映出连续延时的大小，然后反馈给DSP或FPGA，调节CTDU的有效折射率，实现连续延时的反馈控制。

传统的电移项器在一个频段内相位是一个常数，所以在这个频段内不同信号的延时是不同的，从而导致了波束偏斜，即不同频率(这里我们举例频率为7GHz、8GHz、9GHz)的电信号在经过由电移项器构成的波束成形网络之后，空间指向就会不同。而对于使用基于光芯片的移时器来说，该频段的所有频率信号的延时是相同的，因此不会出现波束偏斜问题。同时，波束的空间指向通过控制相邻组建中延时器的相对延时实现。如图5所示。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。