光控相控阵中的真时延技术

光控相控阵中的真时延技术

摘要：20世纪80年代随着计算机技术、信号处理技术、光电子技术以及器件、

材料、工艺的发展,相控阵技术的研究取得了实质性的进展,采用光学控制手段实

现雷达波束扫描的光控相控阵雷达的研究也被提到日程上来。它不仅能克服传统

相控阵雷达的缺点,还具有低损耗、无波束偏斜、扫描角度大、瞬时带宽等优点。

同时这一领域的研究对无线通信技术、光通信技术、光存储技术、天文学也将产

生深远的影响。本文分析了光控相控阵中的真时延技术。

关键词：光控相控阵；雷达；真时延技术；

为了提高相控阵雷达的抗干扰能力, 相控阵天线必须具有尽量大的带宽。要提

高雷达对目标的分辨、识别能力, 解决多目标的雷达的成像问题, 相控阵雷达必须

采用具有大瞬时信号带宽的信号。

一、工作原理

雷达微波信号外调制激光，将微波信号加载到光波上，之后，加载有微波信

号的光波通过光纤传输，实现低损耗的天馈线。光波经过光环形器进入光延迟网络。进入光延时网络的光波，在经过波分复用器后，不同波长的光会进入不同的

延迟通道。加载有微波信号的光波经过光／电转换后，微波信号即被解调出来，

经过电放大后，由天线阵列发射出去。接收时，天线接收到的微波信号经过低噪

放大之后，进行电／光转换，将微波调制到光载波，再进入光延时网络实现波束

形成。进入光／电转换器，然后到达预处理单元。主要包括对微波信号的低噪放大、滤波及下变频处理，将Ｘ波段的微波信号下变频到中频，然后进行采样及量化。之后进入数据处理单元，完成雷达对目标的检测、识别等功能。在光控相控

阵雷达的核心单元光延时网络部分，每一级延迟线包含Ｋ个光通道。单级延迟线

结构由光开关、光环形器、波分复用器、光纤延迟线和光纤反射镜组成。假设进入波分复用延时网络的波长为，波长间隔均匀且为常

数Δλ。第一级光纤延迟线通道线间真时延迟为ΔＴ（１）＝Δτ。通过设计并

精确制作光纤延迟线长度，使第二级延迟线单元通道间间形成的真时延迟为ΔＴ（２）＝２Δτ。依此类推，在第Ｎ级延迟线单元中通道间形成的真时延迟为ΔＴ（Ｎ）＝２Ｎ－１Δτ。将基本单元通过环形器和光开关串联起来，形成连续、快

速可调的多波长光波束成形延时网络。很显然，这种级数增长的延迟间隔，可以

实现０～２（Ｎ－１）逐次变化的共２Ｎ种延迟组合，大幅增加了延迟能力和形

成波束的数目。

二.光控相控阵中的真时延技术

1.轻质低功耗的波束合成。光控微波波束形成器是下一代相控阵雷达和智能

天线的核心技术，它通过控制阵列中各微波链路的相位差或真延时差，使各微波

辐射源的辐射场在远场的特定方向产生干涉极大，达到定向发射(或接收)的目的，它具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、带宽大、无波束倾斜等优点。人们对于相

控阵雷达和智能天线的研究催生了光控微波波束形成技术的相关研究。光控微波

波束形成技术是未来无线通信和军事领域的重要支撑技术，已成为各国研究计划

的前沿课题与重点项目。目前，光波束形成技术应用主要包括以下几个方面:一是

利用光电子和光纤传输技术简化阵列(相控阵) 天线控制信号的传输或实现阵列天

线的分体设计。二是利用光电子技术对阵列天线的辐射单元或子阵进行幅度和相

位控制。三是固态相控阵天线是相控阵天线技术的发展方向，T/Ｒ模块的实现是

关键。利用光电子技术实现接收多波束网络。四是用于形成接收阵的 DBF 网络。

五是利用光纤实现实时延时。六是用于常规阵列实现天线辐射孔径的幅相综合，

尤其是高精度的相位综合，从而达到设计单脉冲阵列、超低旁瓣阵列、宽带阵列

以及特殊赋形波束阵列的目的。

2.射频信号的光分配技术。射频信号的光分配技术是指ＲF 信号输入到 T/Ｒ

组件之间的传输链路是通过光纤来实现的，特别是单模光纤网络在相控阵天线信

号的分配中可以带来很多好处，比如说布局灵活，易于构造三维; 在同一光纤中

将微波和数字信号混合传输，并且能够实现实时延迟兼容，具有非常宽的带宽;

再次，对多种阵列信号是否能以波分复用技术用同一网络来分配，这是光控相控

阵雷达要解决的关键问题。

3.模拟信号传输技术。利用光子技术实现模拟信号的远距离传输，在满足低

损耗要求的同时，能够避免相位漂移，实现大的动态范围以及低的噪声系数。对

器件和制造工艺的要求比较高。要实现连续可调就必须有能实现多波长连续可调

的高性能激光器,而且对色散光纤、平面波导的制作以及光栅本身的刻制、精确定位、连接都要求有较高的工艺和操作水平。通过波分复用和解复用器或者一个定

时单元就可以将光载波传送到天线的发射端。

4.利用光子技术完成快速可调谐ＲF滤波。相控阵雷达工作频点可能需要根据

战场实况进行自适应调整，为此可以选择滤波器组来实现，但是，一般的滤波器

组具有体积大、质量大、功耗高等缺点不适于无人机等平台。希望基于光子技术

的可调谐滤波器可以满足无人机的需求。另外，如何利用光纤的灵活性在天线部

署时实现相位稳定性，并且获得网内的低损耗和低色散也是光控相控阵雷达的关

键技术之一。希望在光的频域内实现天线波束形成所要求的移相操作，如此可以

设想是否在将来能够实现在 L 和 X 两个波段同时工作的光电馈送的相控阵天线。

国外的一些机构已经开始了这方面的研究可以预测采用集成光学技术的真延时结

构必将成为研究的一个热点。

光控相控阵天线由于具有尺寸小、重量轻、功耗低、大带宽、高精度、高隔

离度、小型化和高密度的优点，未来将可能适用于天基预警平台、太阳能无人机、舰载多功能射频系统等。宽带、大动态射频光链路，时钟、本振信号阵面光传输，射频光纤拉远和超宽带相控阵阵面光传输都将是光控相控阵发展的关键技术，这

将大大提高未来雷达的性能。

参考文献

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