光控相控阵多通道芯片集成方案研究

韩 威，杨 旭，闫瑞涛，刘子龙

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

相控阵天线能避免波束指向的机械控制，又可以获得极大的增益。在相控阵天线中，通过波束形成网络控制阵列中各个天线单元接收的射频信号，进行幅度和相位调节，实现相干处理。传统的波束形成网络都是在电学域实现,随着微波和射频技术向宽带高频技术发展，波束形成网络中的传统微波模拟器件(如微波延迟线或移相器等)和信号处理技术存在诸多限制，如体积较大、带宽受限等。光控相控阵就是将微波光子技术应用在相控阵中，借助于光电子器件的大带宽、抗电磁干扰等固有优势，实现了宽带微波模拟信号处理，有效突破了电子瓶颈的限制。将微波光子技术与射频信道兼容，基于光链路实现真时间延迟[1-3]，具有大瞬时带宽、波束无偏斜和高集成、抗电磁干扰等独特优势[4-5]。

现阶段光控相控阵常用的光控波束形成手段多通过激光器、光纤加开关或色散光纤、探测器等分立器件的形式实现[6-9]，即使采用集成芯片也是将延时部分在片上集成[10-14]，在系统应用中多段光纤耦合损耗会大大增加。随着光电集成技术的不断发展，可以把包含激光器、电光调制器、光延时网络以及光电探测器等多个通道的光链路全部集成在同一芯片上，集成化程度高，大大减小系统的尺寸和重量。

针对基于多通道全集成波束形成网络光学芯片方案设计，本文研究了在全集成芯片设计过程中探测器路数、载波抑制、激光是否同源以及延时精度要求等诸多问题的影响。基于理论分析的基础上，提出了全集成芯片的架构方案，搭建了多通道光链路验证实验，该方案可用于光控相控阵波束形成网络芯片设计。

1 方案选择及参数分析

全集成波束形成网络光芯片主要包括光电探测器、激光器、电光调制器、延时网络等，以下对各主要器件进行分析。

1.1 探测器路数与载波抑制

首先对探测器路数进行讨论，当天线阵列接收到的射频信号通过电光转换调制到光载波上进入光延时网络，在光电探测器处光电转换，解调出射频信号。在整个延时网络中有两种方案[15-17]：一种是采用多路探测器，每个通道载波独立与边带信号拍频出射频信号；另一种是多通道的光调制信号和路后在一路探测器上拍频解调出射频信号。但此时须对每个通道的载波进行抑制，即载波不通过延时网络，只有各边带信号通过各延时通道后，在探测器处再次载入载波，各自拍频解调出射频信号。否则由于载波在各通道中的延时量不同，会造成各通道信号相互干扰[18]，下面对这一问题进行讨论。设调制射频信号为：

Vs(t)=acos(ωst+φ(t))，

(1)

式中a，φ(t)为射频信号幅度和初始相位。

当包含载波的双边带调制光信号为：

(2)

经过多通道延时后的光场为载波信号为：

(3)

边带信号为：

φ(t)](n=1,2,…)，

(4)

式中，n为第…个通道数，φn(ω0)为载波相移，Tn为每个通道光延时量。当链路中包含一路探测器时，输出电流为：

Es1(t)+Ec2(t)+Es2(t)]*。

(5)

一阶边带分量为：

I1(t)=Ec1Es1*+Ec1Es2*+Ec2Es1*+…+

Es2Ec1*+Es2Ec2*=

cosφ2(ω0)]。

(6)

从式(6)可以看出，拍频信号中含有光载波频率相位信息，由于光载波在各通道经过不同的延时量，在同一路探测器处拍频时会引入各通道的延时相位干扰，导致射频信号无法恢复。因此必须采用载波抑制方案，将载波在探测器处再次引入，以消除各通道载波延时量不同的影响，载波抑制方案还需采用滤波器滤除载波，并且增加了一路载波通道。

通过上述分析，为了解决各延时通道延时量导致载波相位不一致的问题，可采用多路探测器方案，在多路探测器后进行射频和路。在光电子集成工艺中，探测器版图面积非常小，路数的增加几乎没有增加面积和工艺难度，同时各延时通道独立传输，不需要滤掉载波分量，简化了设计的复杂度。

1.2 激光器选择

为降低光链路噪声系数，可采用窄线宽、低相对强度噪声的半导体激光器，但受现有工艺水平制约，片上激光器输出功率有限。而光链路射频增益与激光器功率正相关，射频增益是衡量光链路性能的重要指标，因此为实现较高的射频增益，应使光源输出功率最大化，即每个光链路通道的光源选用不同的激光器。下面对激光器是否须为同源激光器进行讨论，设激光器输出初始光场为：

(7)

式中，P0为光源输出光功率，ω0为光载波频率，φ0为光载波初始相位。

射频信号经过MZI电光调制器上调制到光载波上后，输出光场为：

(8)

式中，α为插入损耗，φ1，φ2为调制器两臂相位差，则输出光功率为：

(9)

φ1=φ1+Δφ1，

(10)

φ2=φ2+Δφ2，

(11)

其中，φ1和φ2为电光调制器调制臂的总相位差，φ1和φ2为直流偏置相位差，Δφ1和Δφ2为射频信号调制相位差。

假设调制器工作在正交偏置点：φ1-φ2=±π/2，信号工作在其中一个臂上(非推挽模式)，则式(8)简化为：

(12)

式中，Vπ为半波电压，VDC为直流偏置电压，VS(t)为射频输入信号。调制光信号经过光延时网络后进入光电探测器，得到电流信号为：

(13)

式中，R为光电探测器响应度。

对上式做贝塞尔展开，一般的，对于小信号调制，高阶边带由于幅度过小而被忽略，直流分量为：

(14)

一阶边带分量为：

(15)

从式(15)可以看出，输出电信号包含射频输入信号信息，并且与光载波的频率、初始相位无关，所以可选用多个激光器作为不同光链路通道的激光光源，使得光链路通道输入光功率最大化。

1.3 延时网络精度对合成增益的影响

在实际应用中，由于存在工艺误差，芯片中延时网络部分(光开关或者微环)均具有一定的延时误差，当延时误差较大时，信号合成损失也会大大增加。为了研究延时精度对合成增益的影响，在Matlab环境下，以双通道光链路射频信号合成为例对所需延时精度与射频信号频率间的关系进行仿真分析，仿真结果如图1所示。

图1中延时补偿偏差为-500～500 ps，信号频率为0～20 GHz，灰度值表示合成信号幅度，白色区域表示几乎没有合成损失的情况。从图中可以看出，随着频率的增加，延时精度要求越来越高，若令合成损失小于0.5 dB，则在Ku，Ka频段宽带光控相控阵中，光延时网络的延时精度应控制在±4 ps以内，在S频段延时控制精度则应控制在±40 ps以内。根据以上仿真结果可以对多通道光芯片集成方案延时网络延时精度进行约束。

图1 延时精度、信号频率与合成增益关系Fig.1 Relationship between delayaccuracy, signal frequency and synthesis gain

2 光芯片全集成架构方案

基于以上分析，得到光控相控阵中波束形成网络芯片架构如图2所示。

图2 光控相控阵波束形成网络原理图Fig.2 Schematic diagram of optical phased array beamforming network

波束形成网络芯片包括多个片上激光器、电光调制器、多通道延时网络以及多路波导集成光电探测器。片上激光器光源通过电流控制单元输出匹配的连续光载波，光载波分别耦合到相应的电光调制器。RF信号经过滤波器、低噪放等射频器件，输出的射频信号加载到电光调制器上，通过电光调制器将射频信号调制到光载波上，为了实现最大增益调制，调制器偏置到π/2相移对应的电压。调制的光载波经调制器输出到波束形成网络，由波束控制单元控制各个通道的延迟量，对应于不同的阵列天线扫描角，经过延迟网络的时间延迟，各通道调制光载波时间同步，最后由波导集成探测器电光转换，提取出调制光载波中的RF信号，输出到芯片外合路，进行后续信号处理。

3 实验设计与结果

为对上述理论、仿真结果以及架构方案进行验证，本文利用分立器件搭建了S频段的双通道微波光子链路实验验证平台。实验系统平台示意图如图3所示，实验系统平台主要包括矢量网络分析仪、DFB激光器、MZI电光调制器、数控光纤延时线、GaAs光电探测器以及射频分路器等。

图3 多通道光链路测试平台Fig.3 Multichannel optical link test platform

激光光源由2个DFB激光器分别提供，载波中心波长1 550 nm。矢量网络分析仪输出射频信号经射频分路器分成两路，通过长度不同的射频电缆，输入到电光调制器，通过MZI调制到光载波。调制光信号经过数控光延时线(延时精度0.1 ps，最大延时范围1 ns)后被光电探测器接收，进行光电转换，输出两路射频信号，将两路信号进行和路，再送入矢量网络分析仪。实验中保持长射频电缆链路光延时不变，对短射频电缆链路的光延时进行扫描，并实时测量整个链路的S21参数，直至在2 GHz带宽范围S21保持平坦，测试结果如图4所示。为了验证多通道光延时在光学域的合成结果，同样测试了将2个通道信号光学合成后送入探测器的S21参数，结果如图5所示。

图4 信号合成实验结果Fig.4 Experimental results of signal synthesis

图5 光学域合成实验结果Fig.5 Experimental results of optical domain syntheses

从图4可以看出，输出射频信号经过双通道光链路探测器后，在1～3 GHz频段范围内成功合成射频信号，增益较单链路提升了约3 dB(单链路插损-49 dB@2 GHz)。并且根据数控光纤延时的扫描结果显示，在射频链路增益保持平坦时的延时范围与仿真结果基本一致。而从图5可以看出，双通道光链路在光学域无法直接合成。本文提出的多通道架构方案可行，验证了上述分析，对延时精度这一参量的确定提供了参考依据。

4 结束语

本文对光控相控阵中全集成芯片是否可采用多路光电探测器、多路激光器等问题进行了研究，总结了光延时网络中载波抑制、延时精度等因素的影响。在上述基本原理的分析基础上提出了一种可用于光控相控阵波束形成网络多通道集成芯片设计架构方案，并进行了实验验证。实验结果表明，该多通道光芯片的架构方案可行，在宽频段范围内成功进行了射频链路增益合成。本文的研究内容对光控相控阵多通道集成光芯片设计具有较强的指导意义。