光通信技术在相控阵天线中的应用

江苏中博通信有限公司 沈顺元

光通信技术在相控阵天线中的应用

江苏中博通信有限公司 沈顺元

在简要介绍微波相控阵天线基本特性的基础上，详细介绍了用于微波相控阵天线的光子实时时延（TTD）波束形成网络及其性能特点。

光纤通信；相控阵天线；实时时延；波束形成网络

采用光通信技术的光控相控阵天线克服了微波延时线的固有缺点，能构成快速动态可重构的宽带多功能天线阵列符合未来相控阵天线系统发展的方向。在无线接入网中，光通信技术的应用领域主要在两个方面。第一，基站与网络中心之间由大量的光纤链路来互联，采用波分复用（WDM）技术，构成一个可扩展、易管理的光纤传播网。网中的子系统能完成各种功能，如E/O（电/光）、O/E（光/电）转换及微波信号的光处理等；第二，采用光控相控阵技术，构建智能天线，用于固定和移动的宽带无线接入系统。另外，由于光纤损耗低（在1 550 nm波长上仅为0.2 dB/km），因此可以将信号处理、波束控制、数据处理等设备放置在离天线较远的地方，这有利于提高雷达的生存能力，或将大的雷达阵面分散成若干较小阵面，配以适当的数据处理，以获得更高的实孔径角分辨能力和测角、定位精度。

1 微波相控阵天线的基本特性

图 1 为由N个线辐射阵元构成的微波相控阵天线结构示意图。两个阵元之间的距离为d。为了操纵控制波束的方向，激励每一个辐射单元的微波信号（频率ωm）从射频（RF）输入端输入后，首先要通过由N个移相器构成的RF相移单元，再送到每一个阵元。各个阵元的辐射在θ方向合成天线的辐射波束。

设相移单元的RF输出输入之比为anexp(iφn)，式中an为单个阵元的辐射图形，φn为移相器产生的相移。为了简化，设每个辐射元的辐射图是无方向性的，则沿θ方向的天线波束远场图可表示为

式中，km＝ωm/c为辐射波束的微波波数，c为光速。E(θ，t)的时间不相关部分正比于天线的阵列系数。相前如图1中的虚线所示，因此辐射波束的方向，就可以通过电子控制阵列相邻辐射元之间的相对相位来指向。例如，若波束指向角为θ0，则相移φn的值应设定为

在相控阵天线中，在固定的频率范围内，微波“移相器”能提供特定的相移值。

对式（2）微分，立即可见：对于一个固定的φn值，如果微波频率瞬间改变了Δωm，则辐射波束方向会产生Δθ0的偏移。

这种波束方向的偏移是不希望的，因为它导致了θ0方向天线增益的下降。这种现象通常称为“波束偏移（beam squint）”。

为了获得宽的瞬时带宽，可以考虑采用“延时器（time shifters）”来代替上述的“移相器（phase-shifters）”，以建立阵元之间的相对相移。所谓的“实时时延（TTD）”方法，实际上就是通过延长馈入到辐射阵元（该阵元与微波相前之间的路径较短）的微波传输时间，以补偿两个阵元之间的路径差。采用一组固定的延时线，就能补偿相应于一个特定指向角θ0的所有频率上的路径差。特别是，激励第n+1个天线元的微波，传播通过了一条长度为nL(θ0)的额外延时线。设计这条延时线的长度，使第n+1个时延单元产生的时延为

如果微波在该延时线中的群速为vm，则有

对于所有的频率ωm，相移φn可以表示为

将式（6）代入式（1），可以发现：式（6）能够使得在θ0方向所有的频率上产生结构性干涉。即使是ωm瞬时地改变，辐射的波束也不会从θ0方向产生偏移。这种TTD指向天线所固有的宽瞬时带宽特性很容易得到征实：当ωm从一个频率跳到另一个频率时没有出现波束偏移。

虽然对于TTD波束形成网络的宽带其潜力早就认识到了，但很长时间以来没有能够实际实现，因为传统的微波同轴电缆/波导延时线体积大、重量重，难以构成大规模的天线阵列。

2 光子TTD波束形成网络

采用光子实时时延（TTD）技术的相控阵波束形成系统能克服同轴线/波导微波延时线的缺点，实现实用的TTD波束形成，是当前光控相控阵天线的主要研究方向。

图 2 为光控相控阵天线（PAA）的结构配置示意图，其中的关键之一是光子TTD网络，它为后面的天线阵元提供需要的实时时延。图中的多波长光源（MWL）发射N个独立的光波长λ1，λ2，…，λN，波长数与PAA的阵元数相同；这N个波长进入电光调制器（EOM）被同一个微波（RF）信号调制后，传输通过TTD波束形成网络，每个波长产生不同的时延；然后，这N个经过延时的调制光载波被波分复用复用器分离开，经光电二极管（PD）检测还原出调制的微波信号，最后分别送入对应的PAA阵元。

光子TTD波束形成网络主要分为二类，即路径交换时延网络和调制传播速度时延网络[1]。路径交换时延线是一种模仿微波TTD波束形成的方法：采用一组不同长度的光纤，串以2×2的光开关，通过光交换选择一定长度的光纤组合，以得到希望的某个时延值Δτ＝DLΔλ。其中D为光纤的色散系数，L为光纤的长度，Δλ为光载波的波长间隔。例如，用4个2×2的光开关，中间串以三根长度为L、2L、4L的标准单模光纤，即可构成一个有8个不同组合、3 bit的光子波束形成网络，对应于8个不同的天线指向角，见图 3。采用这种TTD网络的例子非常多，一个例子是工作在42.7 GHz、用于固定和移动宽带无线接入网的实验系统[2]。另一个典型的实验中，采用交换光源和检测器的方法，实现了96个（24×4）阵元的指向，扫描范围±60°，带宽50%[3]。然而，像微波波束形成网络一样，采用这种延时线的光TTD波束形成网络受到分辨率问题的限制，除非其基础相移器能提供可变的相移。为了产生大的时延，需要长光纤，而这种时延可能伴有色散所致的RF信号衰减，限制系统的瞬时带宽。

调制传播速度的技术看来是所有光子TTD波束形成网络方案中最有希望的，该波束形成网络为每个天线阵元提供一个与波长相关的时延，该时延正比于相应阵元在阵列中的位置。为此，需要在阵列上采用渐变的光色散。而只要调谐光源的波长，就能将这种色散渐变转换成天线上的时延渐变，进而产生时间指向的辐射图形。色散渐变的实现方法有：色散光纤、色散棱镜或光纤布拉格光栅（FBG）。当然，这些方案需要采用可调谐光源，因此价格较高。

图 4 为一个典型的由FBG构成的TTD网络，当调谐光源（TLS）的波长时，利用FBG的对不同波长的反射特性，合理配置FBG在空间的位置分布，每个波长有不同的来回反射时间延时，实现不同的时延。

尽管这些方法在原理上的可行性已经得到了验证，但它们在实际应用中的局限性也是明显的：它们只能提供分立的而不是连续的时延变化，因而只能获得分立的波束指向；同时，这类结构也缺乏扩展成更大阵列的能力，通过波束形成网络的信号响应时间也较大。另外，在采用FBG的结构中，如果FBG之间的间隔非常小，制造难度大。

3 连续可变光子TTD波束形成系统

为了实现阵列波束的连续指向，采用调谐光载波波长或调谐啁啾光栅的啁啾速率的方法，能很好地满足对阵列的重构及波束扫描速度等的性能要求，因此是一种最有希望的技术。其中，啁啾光纤光栅（chirped-FBG）是一种能实现连续时延及具有潜在快速调谐能力的简单技术，因此很有可能在未来用于实际的光子相控阵天线系统中。已经提出了多种采用啁啾光纤光栅的光子相控阵系统方案。例如：采用单条啁啾光纤光栅的连续TTD波束形成网络[4]，采用可调谐啁啾光纤光栅延时线的连续TTD波束形成系统[5]，采用多信道啁啾光纤光栅的连续可变TTD波束形成系统[6]等。

图 5 为采用多信道啁啾光纤光栅（MCFG）的连续可变TTD波束形成系统，再结合波分复用技术，从而既能缩短需要的光栅长度和制造难度，又降低了每个波长上的插入损耗。因此，该方案不但能拓展到较大的实用上所要求的阵元数，同时又能保持紧凑简单的结构，采用低价格的元件，能满足阵列波束扫描和重构速度的系统要求。

文献[6]还报道了实验的结果。制造了一个长度约为80 mm的8信道光栅（实验中仅用了4个信道），光栅间隔150 GHz，每个信道的时延超过300 ps、反射带宽约0.6 nm及反射率约80 %。该MCFG原设计是供支持8个阵元的系统，频率范围8～16 GHz，阵元间隔为半波长，波束指向范围为±40°。这就要求每个信道的最大时延为187 ps。用4个商用分布反馈（DFB）激光器，进行了4信道的实验。这样，只需要可用的300 ps时延中的88 ps。这些激光器通过热调谐覆盖了整个光栅的反射谱。

为了指向天线，需要把每个光源的波长调谐到相应于每个阵元指向要求的时延。图 6 为时延要求与波束指向角的关系，图6中也示出了每个信道相对于每个光栅短波长端（信道1）要求的波长调谐范围。例如，对于30°的波束角，信道2的相对信道1的时延约为20 ps，而相应的波长变化约为45 pm。

将每个激光器光源调谐到它相应信道的前沿，就能获得一个瞄准线的波束图形，这导致每个调制的载波之间产生零相对时延。对8～16 GHz频率范围内测量的瞄准线波束图形表明，对于这些希望的指向角的波长设定，是与RF频率是无关的。也就是说，调制信号变化时不会影响波束指向的方向。这也是TTD波束形成网络的特性。

按照图 6 选择每个信道的波长，提供调制载波之间要求的差分时延，就能获得阵列辐射图形的指向。对于一个4阵元的系统，波束指向要求的最大时延，最大的波长调谐范围约0.17 nm。预期在目前的光栅制造水平，MCFG的长度可达15 cm。这样，阵元数可超过100个，信道间隔100 GHz时，仍可保持70%的反射率，每个信道的群时延脉动仍保持足够的低。如果降低信道间隔和信道带宽，并进一步增加光栅长度，阵元数还能进一步增加。但由于制造光栅时光纤中折射率变化的饱和，信道反射率会下降。光栅长度增加时，一般会使群时延的脉动增加。因此，如果要求的阵元数较多时，该方案存在一定的局限性。

[1] MINASIAN R A, ALAMEH K E. Optical-fiber grating-based beam forming networks for microwave phased arrays[J]. IEEE Trans MTT, 1997,43 (12): 2378-2386.

[2] CRUZ J L. Chirped fiber Bragg gratings for phased-array antennas[J]. Ele Lett, 1997,33(7): 545-546.

[3] ORTEGA Beatriz. Variable delay line for phased-array antenna based on a chirped fiber grating[J]. IEEE Trans on MTT, 2000,48( 8): 1352-1360.

[4] LIU Y, YANG J, YAO J P. Continuous true-time-delay beam forming for phased array antenna using a tunable chirped fiber grating delay line[J]. IEEE Phot Tech Lett, 2002,14(8): 1172 -1174.

[5] LIU Y, YAO J P. Wideband true time-delay beam former employing a tunable chirped fiber grating prism[J]. Appl Opt, 2003,42(13): 2273-2277.

[6] HUNTER David B. Demonstration of a continuously variable true-time delay beamformer using a multichannel chirped fiber grating[J]. IEEE Trans on MTT, 2006,54(2): 861－867.B