基于色散光纤棱镜的光控多波束接收技术研究

范晶晶，林桂道

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州225101)

0 引 言

随着科技的发展，战场电磁环境变得日益复杂，呈现了频谱覆盖范围宽、信号密度大、瞬时带宽宽等特点，这些电磁环境对电子战系统设备的截获、识别等能力提出了更高的要求。传统的相控阵天线在宽角度扫描的情况下，受波束指向倾斜及天线孔径渡越时间的影响，很难获得大的瞬时信号带宽，基于光真延时的波束形成技术可克服传统相控阵波束倾斜和孔径渡越等难题。目前，光真延时波束形成技术的应用主要集中于基于改变光纤物理长度的光控波束形成技术和基于色散光纤棱镜的光控波束形成技术。相比而言，后者具有延时精度高、光纤长度控制精度要求低、结构简单、工程性好等特点，自提出以来受到了广泛关注[1-3]。

在基于色散光纤棱镜的光控波束形成技术中，当延时及波长间隔一定时，所用光纤的长度与光纤的色散系数成反比。设计时为了减小设备体积及外部环境的影响，通常需要减少使用光纤的长度，故采用的光纤从色散系数小的普通单模光纤[2-3]到大色散系数的色散补偿光纤[1]，最后到色散系数更高的光子晶体光纤[4]。但随着光纤色散系数的提高，其色散系数随波长的变化也由原来的相对平坦变得陡峭，如果仍采用参考波长处的色散系数进行设计，将引入很大的延时误差。本文从一款商用色散补偿光纤的色散斜率入手，分析色散光纤的色散斜率对光波束形成质量的影响，为光源波长的选择提供依据。同时，为验证基于色散光纤棱镜的光控多波束接收技术的温度环境适应性，理论分析了温度对基于色散产生的延时的影响，并开展了实验验证。在光纤中的传输速度不同，进而产生一定的延时差。设光纤的长度为L，相邻通道的光载波的波长间隔为Δλ，光纤的色散系数为D(λ)，则该相邻通道经过光纤传输后产生的延时差Δτ为：

当相控阵天线阵面需要接收指向角为θ的波束时，则色散光纤棱镜中色散光纤的长度满足下式即可：

1 基于色散光纤棱镜的多波束接收技术

1.1 光纤色散延时原理

由于光纤色散效应的影响，不同波长的光载波

式中：c为光在真空中的传播速度；d为天线阵面相邻单元的间距。

1.2 系统组成和工作原理

图1 基于色散光纤棱镜的多波束接收系统原理框图

图1所示为基于色散光纤棱镜的光控多波束接收系统原理框图，系统由激光器阵列(各激光器波长不同)、电光调制器阵列(马赫曾德尔调制器MZM)、波分复用器、掺铒光纤放大器(EDFA)、光分路器、色散光纤棱镜、光电探测器阵列等组成。针对M个射频接收通道，激光器阵列采用M个激光器用于产生M路不同波长的光载波，电光调制器阵列采用M个电光调制器用于将射频接收通道的M路射频信号调制到光载波上。波分复用器将经过调制的光信号复用到一根光纤传输，光信号经掺铒光纤放大器放大后进入光分路器。光分路器将复用的光信号等功率分配到色散光纤棱镜中，色散光纤棱镜由N路不同长度的色散光纤构成，每一路里相邻波长的光信号之间产生与某一波束方向相对应的延时间隔，光电探测器将每一路的光信号再转化为射频信号，因此，每一路可形成一个波束方向的接收波束，N路最终形成N个接收波束。

2 色散光纤色散斜率对多波束接收性能的影响

由前述光纤色散延时原理可知，不同长度的色散光纤可形成不同的接收角度，图2展示了采用3种不同色散系数的光纤形成不同波束接收角时所需的光纤长度。图中3种光纤分别为普通单模光纤、色散补偿光纤和光子晶体光纤，波长1 550 nm处的色散系数分别为17 ps/nm/km、200 ps/nm/km、600 ps/nm/km，计算时天线阵列通道间距为8.33 mm，波长间隔为0.8 nm。从图2可以看出，随着接收角度的增大，所需光纤的长度也在增大，同一接收角度下，色散系数越大，所需光纤的长度越短。例如，在接收角度为90°时，普通单模光纤需要2.04 km，色散补偿光纤需要0.17 km，而光子晶体光纤仅需0.058 km。因此，为了减少系统体积，应尽量选用色散系数大的光纤，但由于光子晶体光纤的制作工艺及普通单模光纤的熔接工艺较为复杂，因而色散补偿光纤成为了色散光纤棱镜中常用的器件。下面以一款商用色散补偿光纤为例，分析色散光纤色散斜率对多波束接收性能的影响。

图2 不同色散系数光纤扫描角度与光纤长度的关系

首先通过光纤色散测试仪尽可能多地测试多个波长处的色散系数，然后通过高阶拟合，残差控制在±0.1 ps/nm/km，绘制其色散系数随波长的变化曲线，如图3所示。

图3 色散系数随波长变化关系图

以48路射频接收通道设计为例，需采用48个不同波长的激光器，若选用1 529.5 534 nm 波长(ITU标准通道中的波长)为参考波长，同时向长波长方向选用对应ITU 标准的0.8 nm 波长间隔的其它47路激光器。通过对色散系数曲线采用插值算法可得出上述48个波长处的色散系数，如图4所示。

图4 等波长间隔处的色散系数

假设工作频率f为6～18 GHz，天线阵列通道间距d为8.33 mm，接收角度θ为30°，则通道间延时间隔Δτ为13.88 ps，所需色散补偿光纤长度L为108.526 m。此时各通道间产生的延时如图5所示。

图5 等波长间隔产生的延时与通道间理论延时对比

从图5可以看出，由于色散系数随波长变化较大，相邻波长间产生的延时间隔已远远大于通道间的理论延时间隔，在第48个通道处相差达15.4 ps。下面分别对理论延时和色散斜率影响下的延时产生的方向图进行仿真，射频频率取工作频率的上下限18 GHz和6 GHz，如图6所示。从图6可以看出，理论延时情况下，在扫描角度30°时可形成波束，且频率不同时未产生波束倾斜现象，而由于色散斜率的影响，通道间产生了较大的延时误差，导致波束已无法形成，且随着工作频率的增加，影响更加严重。

图6 归一化方向图

因此，需要根据色散系数的变化来选择相应波长的激光器，各通道根据色散系数变化选择的波长与原等间隔选择的波长比较如图7所示。

从图中可以看出，两者波长最大相差约9 nm，故对于该色散补偿光纤而言，由于其色散斜率较大，已不能像普通单模光纤那样，选用等间隔波长的激光器，然后通过微调激光器波长来达到相邻通道间延时一致的目的，在设计时就需要根据色散系数的变化选用合适波长的激光器。

3 温度对色散光纤棱镜波束形成性能的影响

3.1 理论分析

2路波长差引入的色散延时为：

式中：L为光纤长度；D为光纤色散系数。

求温度对色散延时的影响，上式对温度T求导：

光纤热膨胀系数的典型值为5.5×10-7/℃，而色 散 系 数 随 温 度 的 变 化 典 型 值 为0.0 012 ps/(km·nm·℃)[5]，取 Δλ=0.8 nm，D=200 ps/nm/km，L=1 km，代入上式得：从上述理论分析中可以看出，温度对两波长间的相对延时的影响可忽略不计。

3.2 实验验证

为了简化验证实验，本实验只选取2个波长，通过测试它们在不同温度下的相对延时变化情况来验证波束形成时的稳定性，实验框图如图8所示。

实验时将色散光纤置于温度箱内，温度箱的温度分别设为-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃，10℃，并在各自温度下保持30 min，目的是为了使色散光纤温度与温度箱的温度达到平衡状态，然后用示波器测试各温度下2路信号的相对延时。最后又回到10℃，是为了验证其重复性，测试结果如表1所示。

表1 不同温度下两路信号之间的相对延时

光纤的温度延时性能约为40 ps/km/℃，因此，基于改变光纤物理长度的光真延时波束形成技术容易受到温度的影响。而从表1可以看出，基于色散延时的2路信号之间的相对延时没有变化，从而验证了基于色散棱镜光控波束形成技术具有良好的温度环境稳定性。

4 结束语

本文介绍了基于色散光纤棱镜的光控多波束接收技术，对色散光纤色散斜率对光波束形成的影响进行了分析，对于色散斜率变化较大的色散补偿光纤，在设计时就需要根据色散系数的变化选用合适波长的激光器。如果通道过多，将导致难以根据ITU 标准来选择相应波长的激光器，一定程度上将限制通道的数量。因此，色散光纤的选择要综合考虑通道数、色散系数大小、色散斜率等因素。另外，从理论和实验验证上可以看出，相比于基于改变光纤物理长度的光控波束形成技术，基于色散光纤棱镜的光控波束形成技术具有良好的温度环境稳定性。