光控相控阵雷达中的光纤延迟线

种 , 一种是单纯的通过物理长度的改变来实现延时 , 另一种是多波长法 。本文着重介绍通过改变光纤长 度实现延时的技术 。FDL 的工作机理是利用光纤本 身的固定延迟 , 通过控制光纤的长度来实现所需的 延时 。 2 .2 光纤延迟阵列
目前 , 实现相控阵雷达所需的光纤延迟阵列有 多种 , 基于实际使用的需求和现有的技术 , 我们设计 了两种方案 。 设计的方案是针对 5 b 延迟 , 步长(相 邻两条延迟线的时延差 Δt )为 0 .25 ns , 延迟误差为 5 ps , 工作在 S 波段 , 延迟时间为 0 ～ 7 .75 ns不等 。
≥53 ≥60 ≥ 17.5 0.25 ～ 7 .75
延迟精度 τns
≤0 .040
≤0 .0 05
方案 2 中采用了激光器阵列 , 由于激光器性能 的离散性 , 故带内平坦度较差 , 但采用了精密可调延 迟器 , 提高了其延迟精度 。
4 光控相控阵雷达现状
光纤特有的工作频率高 、带宽大 、质量轻 、抗干 扰能力强和损耗低等优点 , 使其在相控阵雷达的应 用中有着无可替代的优势 , 且具有强大的吸引力 。
表 1 两种光纤延迟阵列方案的测试结果
参 数
方案 1
方案 2
工作频率 f GHz
带内平坦度 ΔGp dB
信噪比 RSN dB
路间隔离度 I dB 输 出 1 dB 压 缩 点 P -1 dB
dBm 时延 t ns
2.5～ 3.5 ≤±1 .2
≥53 ≥60 ≥17 .0 0.29～ 7.79
2.5 ～ 3 .5 ≤±1 .5
目前可以通过采用微机械的精密可调延迟器来 解决延迟误差的问题 。 但是该方案必须采用 32 个
精密可调延迟器 , 在实际使用中 , 受体积的限制 , 不 可能有这样的空间 。
光纤延迟阵列方案 2 如图 3 所示 , 是由微波开 关 、激光器阵列 、光接收阵列 、光波束形成网络 、微调 延迟器和光耦合器等优化组合而成的二进制可编程 FDL 阵列 。
致性 , 每条光路的固有延迟是不同的 , 因此延迟误差 不易控制 。由于 1 m 长的光纤的时延 t =4 .9 ns ≈5
· 36 ·
光纤 与电缆及其应用技术
2007 年第 5 期
ns , 要实现 5 ps 的延迟误差 , 对应光纤长度误差必须 小于 1 mm , 尽管采用 BOTDR 可以将光路中的光纤 长度的误差控制在 ±1 mm 以内 , 但是 1 ×16 光分路 器内部的光纤长度无法控制 。
光控相控阵雷达结构如图 1 所示 。 将经微波调 制后的激光信号分路后注入特定的延迟阵列 , 各路 经过不同延迟后的激光信号间产生了延时差 , 解调 延时后的光载波信号就得到具有不同相位的微波信 号 , 因此用它们来驱动发射单元 , 就可以实现一定角 度的波束扫描 。
图 1 光控相控阵雷达系统结构的示意图
[ 收稿日期] 2007-04-28 [ 作者简介] 郭葆 玲(1959 -), 女 , 中 国电 子科技 集团 公司
第二十三研究所高级工程师 . [ 作者地址] 上海市逸仙路 135 号 , 200437
带宽和实时延迟优点的光纤应用起来如鱼得水 , 光 控相控阵雷达应运而生[ 1] 。
1 光控相控阵雷达原理
y c
Δt
(2)
可见改变光信号在天线发射单元间的延时差就
可以改变天线的扫描角度 , 从而实现波束扫描[ 2] 。
2 光纤延迟线
2 .1 光纤延迟线工作原理 在相控阵雷达系统中 , 采用延迟线替代移相器 ,
使其相位的变化随着延时变化而改变 。 延迟线的种 类很多 , 有 SAW 延迟线 、同轴电缆延迟线 、金属波导 延迟线 , 在光控相控阵雷达系统中 , 采用光纤延迟线 (FDL)实现延时 , 与其它延迟线相比 , FDL 具有工作 频率高 、带宽大 、质量轻 、抗干扰能力强和损耗低等 许多独特的优点 , FDL 的延时机理大体上可分为两
disadvantages, respectively .In general , the second scheme is better than the first one . Key words :fiber delay line ;optical fiber delay array ;optically phased array radar ;true time delay technology
0 引 言
相控阵天线自 20 世纪 70 年代初使用以来 , 在 雷达和通信等领域的作用越来越重要 , 世界各国都 在致力于相控阵雷达技术的研究 。 相控阵雷达是通 过改变天线各发射单元驱动信号的相位来控制波束 指向 , 以提高扫描的灵活性 , 并且精确的相位和幅度 控制还可以提高波束的主副瓣比 , 从而改善雷达信 号 。 相控阵雷达包含了大量的发射 、接收单元 , 波束 控制网络中需要大量的铁氧体微波移相器 、连接电 缆和功率分配器 , 因此体积大 , 射频带宽窄 , 质量重 , 温度特性差 , 限制了大型阵列的应用 。 高性能相控 阵雷达要求波束扫描范围大 、波束无偏斜 、传输频带 宽 , 实时延迟是满足这些要求的关键技术 。 传统的 同轴电缆延迟线 、声表面波(SAW)延迟线 、电荷耦 合器件(CCD)均不 能满足需要 。 静磁波器件 技术 和超导延迟线技术离实用化还很遥远 。 随着光纤通 信技术的飞速发展 , 各种激光光源 、光探测器 、光调 制器 、光开关等光纤有源及无源器件已经商品化 , 另 外光交换和光互连技术不断成熟 , 使原本就具有大
图 3 FDL 阵列方案 2 框图
射频(RF)信号在延迟控制器的作用下 , 由微波 开关选通一特定光路实现预设所需延迟 。该方案中 之所以在激光器阵列前选用微波开关而不是在激光 器后采用光开关 , 是因为光开关的响应速度不能满 足实际使用要求 。从图 3 中可以看出 , 通过 4 ×8 光 耦合器的组合后可以得到 32 个时延 , 同样在不考虑 光路固有延迟的前提下 , 最小时延为 t 0 =0 ns , 最大 时延为 t31 =6 +7Δt =7 .75 ns 。此方案的特点是 :a . 光波束形成网络较复杂 , 但体积小 ;b .便于时延点 的扩展 , 因而更有发展前景 ;c .使用光有源器件多 , 成本高 ;d .由于采用了较多的光器件 , 因此固有延 迟的不一致性对延迟误差产生的影响更大 。
线以 Δt 的步长增加 。 光发射模块 2 的光信号先经 过 16Δt 的固定延迟后 , 再通过 1 ×16 光分路器和 16 条同上的 FDL , 此条光路的最小时延为 t16 =16Δt =
16×0 .25 =4 ns , 最 大时 延为 t31 =16Δt +15Δt =
31 ×0 .25 =7 .75 ns 。 由此可见 , 每相邻两条延迟线 的时延差为 0 .25 ns , 33 条延迟线可以获得 0 ～ 7 .75 ns 的不同时延差 , 32 个经延迟的光信号经光接收器 转换成电信号后 , 由计算机对 32 ×1 选通器预设置 , 以获得所需延迟的微波信号 。 此方案的特点是 :a . 光经过不同长度的光纤实现不同的时延 , 光波束形 成网络结构较简单 , 易实现 , 但 1 个延迟点对应 1 根 光纤 , 体积大 ;b .由于采用的器件多 , 离散性大 , 因 而相位一致性难以达到 ;c .延迟阵列所需的光纤数 随着延迟点的增加而同比增加 , 不易扩展 ;d .延迟 是由光纤长度和器件的固有延迟两部分组成 , 以上 的设计是在光路固有延迟一致的前提下进行的 , 而 实际上由于器件的离散性和光无源器件的光路不一
在一些发达国家和地区 , 光控相控阵雷达系统 的研制早在 20 世纪 90 年代就已开始 , 美国的 Huges (休斯)研 究所曾经演示了 3 b 并行 FDL 双波段(L 和 X 波段)波束控制网络 。为实现 3 b 扫描精度 , 采
郭葆玲 :光控相控阵雷达中的光 纤延迟线
· 37 ·
用 8 条延迟线 , 提供 8 个离散延迟 , 最小延迟对应于 控制精度 。 通过偏置开关选择光路得到所需时延 , 控制 4 个发射单元或阵列 。 这种结构易于实现 , 其 缺点是当控制精度提高时 , 延迟线百度文库量成指数增加 。 美国海军研究实验室提出了波长连续可调的激光器
我们通过 BOTDR 可以将光纤长度的误差控制 在 ±1 mm 以内 , 而事实上 , 器件的离散性 、光纤的熔 接和耦合器的制作都会不同程度地产生延迟时差 , 因此要减少延时误差 , 必须通过微调延迟器修正误 差 。 该微调延迟器是通过调节光在空气中的光程来 实现的 , 由于采用了精密的微机械结构 , 光程的调节 精度在 μm 级 , 因此延迟精度也可达 ps 级 。 目前现 有成熟的微调延迟器的延迟精度可达 1 ps , 在该方 案中 , 只需采用 8 个微调延迟器就可实现 32 个时延 点的微调 。
光纤与电缆及其应用技术 Optical Fiber &Electric Cable
2007 年第 5 期 No .5 2007
应用技术
光控相控阵雷达中的光纤延迟线
郭葆玲
(中国电子科技集团公司第二十三研究所 , 上海 200437)
[ 摘 要] 着重介绍了利用光纤的延迟 特性实 现光控相 控阵雷 达的实 时延迟 技术 。 设 计了两种 延迟阵 列 , 并 分别进行了试验验证 , 试验结果表明这两 种延迟阵列各有利弊 。 综合考虑 , 方案 2 优于方案 1。 [ 关键词] 光纤延迟线 ;光纤延迟阵列 ;光控相控阵雷达 ;实时延迟技术 [ 中图分类号] TN253 [ 文献标识码] A [ 文章编号] 1006-1908(2007)05-0034-04
FDL for Optically Phased Array Radar
GUO Bao-ling
(The 23rd Research Institute , CETC, Shanghai 200437 , China) Abstract:The true time delay technology for optically phased array radar using the delay characteristics of optical fiber is presented.Two delay arrays are designed and tested.The results show that these two delay arrays have their own advantages and
3 试验结果分析
我们对上述两种方案分别进行了试验验证 , 测 试结果如表 1 所示 。 测试结果表明 , 两种方案的主
要技术指标基本满足使用要求 。 方案 1 的延迟精度 较方案 2 的低 , 且体积大 , 但实现容易 , 可 靠性高 。 方案 2 的延迟精度高 , 体积较小 , 可扩展 , 但成本高 。
方案 1 如图 2 所示 , 是由功分器 、光发射模块 、 光分路器 、16 单元 FDL 、光接收器 、32 ×1 选通器和 后置放大器等组成的二进制可编程 FDL 阵列 。
图 2 FDL 阵列方案 1 框图
为了便于讨论 , 假设每条光路的固有延迟 t′是 一致的 , 从光控相控阵雷达工作原理可知 , 控制波束 扫描的参数是 Δt , 因此在理论上 , t′将不对 天线的 波束扫描角度 θ产生任何影响 , 所以在下面的设计 中不考虑固有延迟的因素 。
5 b 延迟对应 25 =32 个离散延迟点 , 我们将射 频信号通过功分器后分别调制两个光发射模块 , 光 发射模块 1 的光信号经 1 ×16 光分路器后分别通过 16 条 FDL , 在该条光路中 , 最小时延 t 0 =0 ns , 最长
的时延为 t 15 =15Δt =15 ×0 .25 =3 .75 ns , 每条延迟
以两个天线发射单元结构为例 , 天线的扫描角
度 θ和两条相邻单元的时延差 Δt 之间的关系为 :
Δt
=
y c
sin θ
(1)
式中 y 为两个天线发射单元间的间隔 , c 为电磁场
郭葆玲 :光控相控阵雷达中的光 纤延迟线
· 35 ·
在自由空间的传播速度 。 式(1)可变换为 :
θ=arcsin