硅基片上集成二维光控多波束形成的研究

周中昊， 王 凯， 王 鹏， 戴泽璟， 韩守保， 张业斌， 段宗明

(中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽合肥230088)

0 引 言

相控阵波束形成技术由于具有同时多波束、灵活扫描、波束切换迅速等优势，已经在雷达探测等领域得到广泛的应用和研究。基于电相移器的传统相控阵技术，由于不同频率波束的色散倾斜效应而限制了其工作带宽，从而极大限制了传统雷达系统的性能，如雷达分辨率、抗干扰、宽带收发等。而无波束倾斜效应的基于真延时体制的相控阵技术能够有效克服上述难题，但是传统的基于电子学体制的真延时技术存在损耗大、幅度不均衡、系统复杂度高等劣势。

微波光子学技术是利用电光转换技术将微波信号变换到光域，在光域对微波信号进行处理，可以充分发挥光子学技术的优势。典型的微波光子技术主要包括光控真延时、光载射频传输、微波光子滤波器、微波光子信道化接收、光子辅助任意波形产生等。其中光控真延时技术，能够有效实现微波信号的真延时，能够实现无波束倾斜效应的二维宽带同时多波束扫描。

随着微纳加工技术的不断发展，基于二氧化硅、氮化硅、绝缘体上硅、铌酸锂薄膜等各种材料的硅基微纳加工工艺日趋成熟，现今集成度更高的集成微波光子技术也得到迅猛发展。利用集成微波光子技术能够实现集成度更高、体积更小、功耗更低、性能更稳定的微波光子系统，有效解决基于分立器件的微波光子技术系统体积大和复杂度高等问题。

二维相控阵波束形成技术由于其灵活机动等优势在雷达系统中得到了广泛的应用，而基于微波光子学技术的二维多波束形成系统也得到了广泛的研究。现今国内外关于二维光控波束形成的研究主要基于传统分立器件的系统，2021年文献[8]报道了利用模分复用机制的二维光控波束形成系统，系统基于单模和多模光纤等分立器件的搭建，且存在体积重量大及系统稳定性差等劣势。而硅基片上集成的二维光控系统则鲜有报道。2021年文献[9]介绍了一种基于集成光真延时线网络的二维光控波束形成系统架构，主要研究了4种延时参数的7比特集成光开关延时线，文章利用各延时线测试结果用于二维光控系统架构的模拟验证。同年，文献[10]报道了1×4通道的光波束形成网络，系统结合磷化铟和氮化硅材料各自优势，实现了全集成的宽带连续可调的光波束形成系统，限于系统复杂度等原因文章报道的为一维波束形成。

硅基片上集成主要包括二氧化硅、绝缘体上硅、铌酸锂薄膜、III-V族化合物和氮化硅等材料系统，其中二氧化硅材料相对于其他材料体系具有损耗小、易于耦合、工艺成熟等多种优势。本文提出的片上集成二维可扩展光控波束形成系统，是基于二氧化硅材料的微纳加工工艺的集成微波光子真延时技术，通过片上集成芯片加工技术实现了各分立器件的片上集成封装和小型化。利用俯仰延时模块实现俯仰向延时控制，再通过基于光开关延时线实现方位向延时扫描控制，从而实现俯仰同时多波束，方位向多波束多波位独立扫描。最后对片上光控波束形成样机进行了测试和实验结果分析。

1 工作原理

本节主要在雷达坐标系下对二维光控波束形成基本原理进行介绍和理论计算，并结合理论计算分析片上集成光控真延时模块设计。

1.1 二维光控波束形成

在雷达坐标系下，天线阵面在0平面，方位角和俯仰角指向对应示意图1中所示： 图1中，目标到各天线单元的距离差决定了天线阵元接收到的目标方向信号的相位差，可以将各相邻天线单元之间的相位差分别表示为

(1)

(2)

(a) 天线阵面示意图

(b) 目标指向示意图图1 雷达坐标系天线阵和目标方向角示意图

式中：方位向方向相邻天线阵元间距为,相位差为；俯仰向方向相邻天线单元间距为,相位差为；俯仰角,方位角分别对应天线阵面形成设定的波束指向角。

按照式(1)和式(2)配置各天线单元对应的相位差，约定原点处的天线单元为参考单元(0, 0)，对应的第(,)个天线单元其幅度加权系数为，可以得出天线阵面的二维方向图函数为

(sin-)]}

(3)

式中方向天线单元数为，方向单元数为。由式(3)可知，通过改变相邻阵元间的相位差和可以实现相控阵二维扫描，即实现不同方位角和俯仰角指向的目标信号的接收探测。

1.2 片上集成二维光控真延时技术

片上集成真延时技术，通过光信号在不同长度的平面光波导中的传播延时不同，从而实现不同通道的延时控制。不同通道真延时差Δ与平面光波导相对长度差Δ之间关系可以表示如下：

(4)

式中：为平面光波导折射率，与波导材料有关；为真空中光速。

由式(3)可知，为实现天线阵方向图最大值指向对应方位角和俯仰角，需要通过相位控制，实现和轴方向各相邻天线单元间的相位差分别满足式(1)和式(2)。由此可知，需要对各天线阵元进行延时配置以使相邻天线单元间延时差满足以下关系式：

(5)

(6)

式中，Δ与Δ均由式(4)确定，分别对应方向和方向相邻阵元间的相对延时差。

要利用光波导实现微波信号如式(5)、式(6)所示的可调真延时控制，可采用如图2所示的可调延时结构。各级的平面光波导延时线长度对应不同的指向角由上述计算得出，通过光开关控制光载微波信号经过各级延时线，实现所需的真延时控制。由图2中开关横截面图所示，光波导由芯层、包层以及硅基衬底组成，由于芯层折射率大于包层，特定光学模式的光模场主要局限在芯层波导中，典型的二氧化硅平面光波导基模光模场示意图如图中所示。

图2 可调延时结构及其光开关横截面和模场分布图

因此，通过结合图2中的可调真延时结构，利用式(5)、式(6)可在平面光波导芯片上设计如图3所示的二级级联的波导延时结构，实现方位向和俯仰向相结合的二维扫描。如图3所示，天线阵面和电光转换模块实现将接收到的目标方向的电磁信号转换为光载微波信号，各天线阵列通过对应的俯仰向延时和方位向延时两级延时阵面模块，实现光载微波信号的二维延时控制，最后通过光电转换与合成模块实现多波束合成和电信号输出。不同目标空间位置对应的波束指向不同，其对应的天线阵元俯仰向延时差通过俯仰向延时波导补偿，以满足式(5)；不同波束对应的方位向延时差通过图示中的不同子阵间方位向延时差实现，满足式(6)，从而实现俯仰方位向二维波束形成。

2 实验研究和结果分析

2.1 片上集成二维光控波束形成样机

基于上述分析，为实现硅基片上集成二维同时多波束独立扫描系统，本实验组采用的是如图3所示的系统架构。基于硅基二氧化硅平面光波导加工平台，完成关键硅基光芯片器件设计加工。

如图3所示，天线接收的微波信号调制为光载射频信号，通过光纤耦合进入到片上集成光网络芯片中。利用平面光波导分束器实现光载射频信号的分束，再通过俯仰延时模块实现俯仰向不同通道相对延时控制。随后光载信号输入到片上集成开关延时芯片中，通过开关延时线实现方位向的延时控制，实现方位向波束扫描。最后通过光电探测器实现光电转换，结合功分器实现不同子阵间的波束的合束，最终完成俯仰同时多波束，各波束在方位向多波位独立扫描的二维波束形成系统。

为验证上述硅基集成二维多波束光控波束形成系统性能，完成了如图4所示基于硅基片上平面光波导的波束形成样机研制。在图4(a)所示硅基集成平面光波导光网络芯片模块中，实现片上集成同时多波束形成网络。图4(b)展示了模块中开关延时线光芯片实物图。

利用矢量网络分析仪，结合电光调制合成放大模块和光电转换模块，完成如图4(a)所示的系统模块性能的测量。将矢网输出端口分别连接电光调制合成放大模块各通道对应的电光调制器，然后将对应的波束合成射频信号连接到矢网的输入端口。通过矢网完成系统各波束对应的通道的S21测量，获取各通道的幅度和相对相位的实验数据，通过对各实验结果分析完成系统方向图仿真。

图3 典型的片上集成二维光控相控阵原理示意图

(a) 光网络芯片模块 (b) 开关延时线光芯片图4 硅基片上集成模块实物图

2.2 实验结果数据分析

结合矢量网络分析仪等实验装置开展对各波束对应通道的测量，完成实验结果分析。首先是各个波束对应通道的相对相位如图5所示。单个子阵阵面俯仰向各通道间的相对相位与频率关系如图5(a)所示，各通道相位均以通道CH1作为参考。可以看出各通道相对相位相对于频率具有良好的线性度。方位向各通道延时通过可调延时线实现。对于单个通道，开关延时线各种状态的延时量对应的相对相位与频率关系如图5(b)所示，其中取波束指向为0°时对应的相位为参考相位，S1到S16分别对应开关延时线的16种状态。同样可以看出，通过真延时实现的各状态的相对相位具有良好的线性度。

(a) 俯仰向不同通道相对相位

(b) 方位向不同延时状态相对相位图5 相对相位谱实测数据

结合对各波束对应通道测量得到的S21曲线，利用实测的相对相位和幅频响应等实验数据，通过公式(3)对各波束进行理论计算，可以得出典型的波束方向图。

基于实测数据分别对各波束进行方向图计算，得到18 GHz频点处，对应开关延时线状态S8，即方位向为垂直天线阵面处附近对应的各波束方位向方向图如图6所示。同样，针对典型方位向指向为0°的单波束，对应的开关延时线控制的各开关延时状态对应的方向图的俯仰向方向图如图7所示，对应频点为18 GHz，由于俯仰向天线阵元较少，因此对应的俯仰向波束较宽，副瓣幅度较大。结合上述实验仿真结果，可以验证各波束能够有效覆盖空域俯仰向±60°范围，方位向±45°范围，同时5波束16波位独立扫描。

图6 18 GHz处各波束对应俯仰延时状态8计算的方位向方向图

图7 18 GHz处方位向波束3对应各开关延时线状态计算的俯仰向方向图

图8 各频点对应方位向-30°波束的方向图

图9 各频点对应俯仰向30°波束的方向图

为了分析本系统基于真延时的大带宽波束无倾斜优势，通过对单个波束对应的各频点测得的实验数据分别进行分析，得到6～20 GHz各频点对应的俯仰向剖面图如图8所示，方位向剖面图如图9所示，其中对应的波束为方位向指向-30°，俯仰向指向30°，可以看出基于真延时的光控波束形成没有孔径效应引起的波束倾斜效应。

通过上述对于实验数据的分析仿真计算可知，对于基于平面光波导的真延时光控波束形成系统，能够有效实现二维波束接收，并且无波束倾斜效应，具有大的瞬时带宽和大的扫描范围，能够实现同时多波束接收和各波束多波位独立扫描的功能。

3 结束语

本文提出了一种基于片上集成的大瞬时带宽、方位向同时多波束、俯仰向各波束独立扫描的光控波束形成系统。通过子阵模块化积木式扩展即可实现二维大阵列系统。实验中对上述子阵性能进行测试，各通道波束指向与设计值吻合，通过实验测试得到的方向图显示系统的无孔径效应的带宽达到14 GHz，波束能够有效覆盖空域俯仰向±60°范围，方位向±45°范围，同时5波束16波位独立扫描。基于模块化子阵可实现大阵列扩展，只需要在各架构完全相同的子阵间加入阵间相对延时，即可实现大阵列扩展系统。这项技术能够极大减小现有光控相控阵系统的体积重量，为将来大阵列无波束倾斜、大带宽、二维同时多波束系统提供技术支撑。