一种宽带光控相控阵实现方法

邵微笑，王思雅，张俊莎，关文硕，王 森

(中国航天科工集团第三研究院第三○三研究所，北京 100074)

0 引 言

相控阵雷达以相控阵天线阵列为核心，由多个辐射单元排列组合而成，每个阵元后接一个移相器和放大器，是一种新型有源电子扫描阵列雷达。其工作的基本原理是使用可控移相器对相移量进行控制，实现对各阵元间相对馈电相位的改变。通过馈电相位的改变，进而实现对天线阵面上电磁波分布的改变，最终实现按照一定规律对空间波束进行扫描的功能。

基于传统移相器的普通相控阵雷达，其相控阵天线带宽受到天线孔径效应和天线孔径渡越时间的限制，工作时会出现波束发散、增益降低的问题，使得它只能在相对窄的信号带宽下工作，所以传统的相控阵不能适应宽带射频。

为了获得大的瞬时带宽，一般方法是在阵列各单元或子阵级别上采用实时延迟线来消除孔径效应和孔径渡越时间的影响。由于阵列单元数目较多，即使在子阵级别上实现实时延时，也需要大量的微波延时线，再加上微波延时线体积大，重量大，调节困难，因此实现难度大。另一种方法是基于群延迟的机理，利用光信号完成射频信号的实时延时来实现大的瞬时带宽，即真实时间延迟线(OTTD)。

图1为传统移相器和真延时器2种方式下天线波束指向角度。由图1可知，传统移相器产生的相移量与频率有关，当频率发生改变时波长发生改变，导致波束角度发生偏斜，即天线的孔径效应。当使用真延时器实现相移时，天线波束角度对所有频率都是一样，因此不会发生波束偏移现象。

图1 移相器和真延时器产生的波束角度

本文介绍了基于宽带阵列天线、微波光子延时网络和波束控制单元实现的一种宽带光控阵的控制方法，其工作流程如图2 所示。

图2 宽带光控阵工作流程

1 宽带阵列天线设计

阵列天线，就是由若干个在空间以一定的排列方式分布的、相位上相干的离散辐射单元组成的天线系统。相对于单个天线而言，阵列天线可以完成多波束、多功能、波束赋形和空时自适应等功能。

随着电磁环境的日益复杂，对阵列信号处理应用范围及阵列天线的技术指标要求进一步提高，需要阵列天线具备处理不同频带信号的能力。设计宽带阵列天线可以提高天线的抗干扰能力和目标识别能力。然而，工作频率的变化必然导致阵列天线孔径发生改变，这给阵列天线带来了很多新的挑战，其核心问题在于如何实现阵列天线的宽频带适应性。

如图3所示，天线的基本辐射单元为偶极子天线，偶极子并排组阵形成偶极子阵列，图中深色部分即为一个个并排的偶极子单元。常规偶极子单元的频带特性较窄，若将天线的单元间距布置得较近时，互相的耦合影响会使天线性能发生变化。通常这种耦合产生的影响是在天线设计时需要避免的，而本文的设计却正好利用了这一特性来增强天线的频带特性。

图3 天线的偶极子单元排列示意图

如图4所示，在天线相邻的位置增设强耦合结构，以进一步增强单元间的互耦作用。通过对耦合结构形状、尺寸、位置的设计，可最终实现拓宽偶极子频带特性的目的。

图4 强耦合结构示意图

天线若想具有良好的宽频带适应性，除了强耦合结构之外，还需进行多级阻抗匹配结构的设计。从图5偶极子单元的三维结构可看到，标注“1”的两层强耦合结构将2个偶极子的连接处夹在中间层，同时强耦合结构接地，保持共电位。此时，原本独立的一个个小尺寸的偶极子天线，就被串成了一个大尺寸的天线。这样，天线既可以在小尺寸天线对应的频段谐振，又可以在多个天线拼成的大尺寸天线上谐振，从而实现良好的宽频特性。

图5 偶极子单元的三维结构示意图

除了天线辐射结构需要有很强的频带特性外，馈电结构也需要有足够的带宽。图5中标注“2”的结构即为宽带馈电结构。馈电结构基于Marchand巴伦设计，先根据天线结构特征将Marchand巴伦基于带状线设计成环状结构，再通过多级开孔实现多级阻抗转换，从而实现多级阻抗匹配的宽带特性。

管理制度的落后，管理部门的不健全，在这双重的缺失之下，管理者对自己的管理职责不清楚，互相推诿。这就会直接导致一个问题，几个部门会下发多个管理政策和文件，重复的文件会让工作的效率大大减弱，也让改革的步伐很难加快。

本文天线工作频率范围为2～18 GHz，在主从边界条件下建立模型，如图6所示。

图6 天线模型示意图

选取不同频点进行仿真，得到天线的增益如图7～图9所示。

图7 f=3 GHz不扫描时天线增益

图8 f=10 GHz不扫描时天线增益

图9 f=17 GHz不扫描时天线增益

由表1可得，当频率在2～18 GHz变化时，频率越临近两边边界，天线的口径效率越小，在60%左右；越到中心频点处，口径效率越高，在10 GHz可达到92.57%的效率。

表1 不同频点参数对比图

以10 GHz为例，当天线分别沿轴和轴进行-45°～ 45°扫描时，得到天线的增益如图10～图13所示。

图10 f=10 GHz天线沿X轴正向扫描45°时天线增益

图11 f=10 GHz天线沿X轴负向扫描45°时天线增益

图12 f=10 GHz天线沿Y轴正向扫描45°时天线增益

图13 f=10 GHz天线沿Y轴负向扫描45°时天线增益

从表2可得，在相同频率下，天线不扫描时天线口径效率最高，当天线沿轴或轴开始扫描时，增益降低，相应的天线口径效率也减小，但是天线扫描角度在±45°之内时，天线口径效率都达到了60%左右。

表2 10 GHz时不同方向扫描参数对比图

综合表1和表2，可证明该天线的强耦合结构和多级阻抗匹配结构设计，使得天线具备2～18 GHz的宽频带适应性，并且在俯仰和方位-45°～45°都能进行有效扫描。

2 基于光延时网络的光控阵波束形成方法

基于上述内容，本文提出了一种融合了宽带阵列天线、微波光子延时网络的宽带光控阵波束形成方法，具体为：

(1) 通过宽带阵列天线进行波束扫描获得多组检测射频信号。宽带阵列天线采用第2节内容中描述的宽带紧耦合阵列和平面阵列天线相结合的形式，与系统波控配合能实现宽带二维波束扫描，也可仅连接其中一行或一列实现一维波束扫描。图14为8×8阵元的二维天线阵列示意图。

图14 8×8阵元天线阵列示意图

(2) 为提高天线波束扫描的灵活性，精密控制各天线单元以实现低的空间旁瓣，需要对每一天线单元提供波束控制信号。

根据波束扫描需求得到波束指向角，由公式(1)计算获得电磁波波程差，再根据公式(2)计算获得延时信息，通过这些延时信息生成控制码。通过控制到达每个阵元的信号延时，实现天线阵元合成波束的二维扫描，则：

Δ=·sin

(1)

(2)

式中：为阵元间距；为波束指向角；Δ为2阵元间电磁波波程差；为延时信息。

图15为4×4阵列天线波控设计示意图。

图15 4×4阵列天线波控设计示意图

(3) 将多组检测射频信号分别转换为对应的光信号，根据生成的控制码对得到的光信号进行对应的光延时处理，获得检测光信号，再将检测光信号解调为延时后的检测射频信号。

光延时处理单元包含调制模块、时延处理模块和解调模块。调制模块用于将接收到的多组检测射频信号分别转换为对应的光信号；时延处理模块与产生控制码的波控单元相连接，用于通过接收到的控制码对接收到的光信号进行对应的光延时处理，精确控制光学延时获得检测光信号；解调模块用于将检测光信号转换为延时检测射频信号。由此，完成多路“射频变光+可控光延时+光变射频”功能，与装置配合实现多通道射频信号的延时控制，控制分辨率可达皮秒级。图16所示为高精度延时网络示意图。

图16 高精度延时网络示意图

以4阶延迟网络为例，若光纤1～4的延时量分别为10 ps、20 ps、40 ps和80 ps，通过控制光开关的通断选择，可实现延时从0 ps 到150 ps，步进为10 ps，共16种延时状态。

(4) 将延时检测射频信号先进行放大处理，再合成射频检测信号，最后输出至电子信号处理设备。

3 结束语

该宽带光控相控阵实现方案，应用了宽带阵列天线技术，通过天线的强耦合结构和多级阻抗匹配结构设计，使得阵列天线可以在2～18 GHz宽频带、俯仰和方位扫描范围-45°～45°进行有效的波束扫描；应用光真实延时技术，通过可预先设置的光延时网络控制码，对接收的多路射频信号进行光延时处理，最终实现了2～18 GHz频率范围内宽带射频信号的接收和波束扫描。

基于以上优点，宽带光控相控阵可广泛应用于雷达系统设计中，全面提升空间目标探测能力；若与电子对抗相结合，还可应用于电子对抗设备升级换代中，实现微波光子学与电子对抗技术的融合，提升传统电子对抗装置的性能。