液晶光学相控阵关键技术研究

液晶光学相控阵关键技术研究

液晶光学相控阵(LC-OPA)是一种结合了微波相控阵天线技术与

液晶电光特性的新型无机械波束扫描控制器件,具有驱动电压器、功耗低、重量轻、抗振动、抗辐射干扰、大孔径和性价比高等优点,在激光雷达和空间光通信等领域具有重要的应用前景和应用价值,已成为光学相控阵中的研究热点。目前LC-OPA技术研究还存在系统分析模型不完善和偏转效率较低等问题,本文针对LC-OPA的系统建模、性能优化和波束控制三个方面开展研究,主要学术贡献如下:1、建立了完备的LC-OPA系统分析模型,包括空间传播模型、相位调制模型、波束偏转控制模型和影响因素模型,提出了反映系统对波束能量利用率的偏转效率指标;研究了液晶层厚度与LC-OPA相移特性的关系;分析了器件设计参数的选取、偏转控制方式的选择、边缘效应的大小、制作工艺误差的大小对LC-OPA偏转效率和偏转角度的影响,为LC-OPA 器件的研制提供了理论依据和指导。2、针对LC-OPA偏转效率优化的问题,设计了偏转性能闭环优化系统,提出了基于快速搜索法和随机

并行梯度下降法的偏转性能优化方法,提高了系统的偏转性能,提升

了优化过程的迭代速度,通过实验优化了LC-OPA的波束偏转效率。3、针对LC-OPA多波束形成问题,提出了子孔径多波束法,通过对LC-OPA 划分独立控制的子阵列,形成了低栅瓣干扰的多波束偏转;提出了阵

列复用多波束法,通过共享整个LC-OPA的孔径资源,形成了高分辨率的多波束偏转;提出了迭代傅里叶变换多波束扫描方法,利用阵列综

合和迭代运算的方式获得LC-OPA的多波束相位激励值,通过实验形

成了动态扫描的多波束。4、提出了LC-OPA的波束发散角控制方法,通过对LC-OPA加载不同焦距的透镜相位调制函数,实现了对高斯光

束传播参数的控制,并设计试验验证了对LCOPA入射波束发散角大小的控制能力。将该方法拓展应用于空间光通信系统,设计了基于

LC-OPA发散角控制振动干扰抑制系统,推导了振动干扰中通信波束最优发散角的计算方法,降低了振动导致的通信系统综合功率损失。5、提出了LC-OPA角度放大方法,通过级联倒置的望远镜系统,扩大了LCOPA的波束偏转角度;设计了粗-精扫级联扫描模式,实现了LC-OPA 大角度连续扫描的问题。