第３Ｏ卷第１期 航天电子对抗 ２９ 光控相控阵雷达光延时技术研究 李曙光，薛峰 （上海航天技术研究院第八Ｏ四研究所，上海２０１１０９）
摘要： 介绍光控相控阵雷达的基本组成，并提出可编程多通道光纤真时延迟网络结构。 制作开关控制的３级光纤真时延迟线结构，实现并验证８个扫描角度的可编程波束成形延迟 网络。以２ＧＨｚ微波信号进行测试，三级延迟线通道间微波相移间隔分别为０．１６ｎ、０．３２兀、 ０．４８７ｒ，通过开关控制与组合，实现０．１６兀相移量的Ｏ～７倍连续可调。最后仿真计算形成的波 束方向图。 关键词： 光控相控阵雷达；波分复用；光纤真时延迟线；光控波束形成 中图分类号：ＴＮ９７４ 文献标识码： Ａ
Ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｐｈａｓｅｄ ａｒｒａｙ ｒａｄａｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｉ Ｓｈｕｇｕａｎｇ，Ｘｕｅ Ｆｅｎｇ （Ｎｏ．８０４ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１１０９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｐｈａｓｅｄ ａｒｒａｙ ｒａｄａｒ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｆｉｂｅｒ ｔｒｕｅ ｔｉｍｅ ｄｅｌａｙ ｌｉｎｅｓ ｗｉｔｈ ｍｕｌｔｉ—ｃｈａａｎｅｌ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．３－ｓｔａｇｅ ＦＤＬｓ ｗｉｔｈ ＤＷＤＭ ａｎｄ ２×２ ＭＥＭＳ ｓｗｉｔｃｈｅｓ ｉｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｂｅａｍ ｆｏｒｍｉｎｇ ｎｅｔｗｏｒｋ ｗｉｔｈ ８ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｓｔａｔｕｓ ｉｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ ｗｉｔｈ ０．１６ｎ，０．３２Ⅱａｎｄ ０．４８ｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｓｔａｇｅｓ ｉｓ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｆｏｒ ２ＧＨｚ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｓｏｕｒｃｅ．Ｂｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈｅｓ，０～７ ｔｉｍｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ ０．１６ ７ｃ ｉｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ａｎｔｅｎｎａ ｐａｔｔｅｒｎ ｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｐｈａｓｅｄ ａｒｒａｙ ｒａｄａｒ；ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ；ｆｉｂｅｒ ｔｒｕｅ ｔｉｍｅ ｄｅｌａｙ １ｉｎｅｓ；ｏｐｔｉｃａｌ ｂｅａｍ ｆｏｒｍｉｎｇ ｎｅｔｗｏｒｋ
０ 引言 近年来，利用光学传输带宽大、损耗小、质量轻、体 积小、抗电磁干扰等优点，微波相移技术被广泛应用于 光控相控阵雷达中，成为世界电子对抗研究领域的研 究热点［１ ］。基于波分复用技术的光控相控阵雷达， 光载波波长数和相控阵天线子阵的数目对应，可以同 时控制多子阵延时，具有突出的优势和良好的性能。 多波长延时网络主要采用ＷＤＭ或光栅（空间光栅或 光纤光栅）实现。加拿大渥太华大学姚建平课题组在 利用光纤光栅进行光控相控阵雷达方面开展工作较 早［５ ］。利用分离排布的光纤光栅延迟网络结构，经 由啁啾光栅、布拉格光栅和单模光纤固定延迟相结合， 利用波分复用技术可以实现最高到１８ＧＨｚ的近 １０００ｐｓ的延迟。以色列特拉维夫大学的Ｍｏｓｈｅ Ｔｕｒ 收稿日期：２０１３—０９—２５；２０１３—１１—０７修回。 作者简介：李曙光（１９７８一），男，工程师，硕士，主要从事光控相控 阵雷达、激光雷达、雷达信号光处理等研究。 课题组于２００８年、２０１１年提出基于波分复用和光纤 真时延迟的技术［７ ］。该方案的核心是在波分复用器 不同的波长通道设置不同的延迟，利用光纤镀银端面 作为反射镜来实现微波延迟，波长通道问延迟间隔 约５０ｐｓ。 文献［７～８］采用分束器对不同延迟单元进行分 配，但是没有进行延迟组合。为了实现波束的连续扫 描，其延迟需要按照等差数列延迟量的方式进行分配。 该结构存在调节能力和延迟量有限等问题，不利于实 际应用。本文提出基于波分复用和光纤真时延迟技术 的多波长延迟网络的光控波束形成方案。该延迟网络 的基本单元由密集波分复用器（ＤＷＤＭ）的通道数与 需要相移控制的天线子阵数目相等。ＤＷＤＭ每个通 道采用Ｂａｃｋｗａｒｄ方式的延迟线，在通道延迟线尾端 利用法拉第旋转镜作为反射镜。ＤＷＤＭ通道间光纤 长度按照等差数列分布。为了实现更大的延迟量，将 该延迟单元进行级联，且级联的延迟间隔按照级数增 加，通过引入光开关进行控制与组合，实现不同级数的 ３０ 航天电子对抗 ２Ｏ１４（１） 延迟控制和波束形成。 １ 工作原理 图１为波分复用光控相控阵雷达原理架构。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。之后进人数据处理单元，完成雷 达对目标的检测、识别等功能。
图１ 光控相控阵雷达框图 在光控相控阵雷达的核心单元光延时网络部分， 本文提出的基于光纤真时延迟线的可编程多波长波束 形成网络结构如图２所示。该结构由Ｎ级延迟线构 成，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 。第一级光 纤延迟线通道线间真时延迟为△Ｔ（１）一Ａｒ。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△Ｔ（２）：２Ａｔ。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 △Ｔ（Ｎ）一２Ｎ＿ △ｒ。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柬成形延 时网络。很显然，这种级数增长的延迟间隔，可以实现 ０－－－２ －１ 逐次变化的共２ 种延迟组合，大幅增加了 延迟能力和形成波束的数目。
光开关 图２可编程多波长光纤延迟网络
２实验与验证 在验证实验中，采用４个ＤＷＤＭ、３个环形器、２ 个２×２光开关和２个２×１光开关组成３级的延迟网 络。设定△Ｌ一４ｍｍ（物理长度）进行延迟线的制作， 这样，第二级通道间长度差为８ｍｍ，第三级延迟线 ＤＷＤＭ通道间长度差为１６ｍｍ。制作过程中，分别制 作三个延迟单元，然后进行链路相连，实现可编程多波 长延迟网络。 利用光纤精密反射仪对制作好的ＤＷＤＭ延迟线 结构进行各通道延迟量的测量。图３为对应第一级、 第二级和第三级的延迟测量结果和线性拟合结果。通 过其斜率特征，可以方便读取三条直线的延迟间隔比 为１：２：４。内嵌图为第二级光纤延迟线测量结果， 其１６通道总延迟达到５９２ｐｓ，平均通道间隔约４０ｐｓ。
ｌ２００ ８００ 期 窨 ４００
Ｏ ２ ６ ｌＯ １４ 延迟线通道
图３ ＤＷＤＭ多波长三级光延迟线光学延迟测量 制作好适用于多波长相移的延迟网络之后，将微 波信号调制到光载波上，形成了多波长相控阵天线。 由于第一级延迟线通道问隔４ｍｍ，对应往返延时约 ４０ｐｓ，则对于本文采用的２ＧＨｚ微波信号来说，其相移 约为２８。。 以第一级延迟线单元为例，对１６个通道的微波相 移进行测量，测试原理图如图４（ａ）所示，１６通道微波 波形的测试结果如图４（ｂ）所示。从通道１开始，微波 波形以基本相等的相位间隔平移。对于２ＧＨｚ的微波 信号，第１４个通道相对于第１个通道即形成３６４。的 相移，因此从图４（ｂ）中可以看到第１５、１６通道的波形 ２０１４（１） 李曙光，等：光控相控阵雷达光延时技术研究 ３１ 功分器 射频…。厂。 ｝ 可调激光ｌ
臣 电光 调制器
１ ０ ０ ０ ０
同步触发 可编程波分复用 光纤真时廷迟网络
可调衰减器
光解复用器光电转换器 （ａ）微波相移网络测试框图
微波相移 （ｂ）第一级延迟线对应的１６通道微波波形测试结果
幕 延迟线通道 （ｃ）三级延迟线对应的ｌ６通道微波移相测试结果
图４第一级１６通道微波相移测试框图与结果 已经和其他通道的波形看起来几乎重叠。计算表明， 第一级中各个通道间延迟间隔为４０ｐｓ，在２ＧＨｚ的微 波信号调制下，其相移为：０．１６７，通道１到通道１６的 总相移超过２ 。三级相移单元的延迟测试结果如图４ （ｃ）所示，可以看到，它们均具有比较好的线性度，且三 条直线的斜率比为１：２：４，与设计的二进制光延迟 线是相符的。 利用４个光开关， 可以实现如表１所示 通道间延迟步进约 ４０ｐｓ、８个状态的 选通。 根据表１所形成 的８个状态，本文仿真 计算了１６个天线所构 成的阵列（对应于波分 复用的１６个波长通 道）能够实现的８个波 束，即实现了光控相控 阵天线的快速扫描，结
果如图５所示。 以图５（ａ）、（ｄ）和（ｈ）为例进行说明。图５（ａ）所示 为各子阵问相移间隔为零，故其形成波束指向０。位 置。图５（ｄ）为第一级、第二级打开状态，其通道问真 时延迟间隔为１２０ｐｓ，在２ＧＨｚ微波源情况下，对应微 波相移间隔为０．４８７。图５（ｈ）对应三级延迟线均打开 状态，其通道间真时延迟间隔为２８０ｐｓ，对应于２ＧＨｚ 的１．１２ ７【。 表１三级延迟线开关选通状态（１：开，０：关）
３ 结束语 本文介绍了光控相控阵雷达的基本组成和工作原 理，提出基于波分复用技术的可编程多通道光纤真时 延迟网络。制作了开关控制的３级光纤真时延迟线结 构，实现并验证了８个扫描角度的可编程波束成形延 迟网络。采用２ＧＨｚ微波信号外调制进行测试，三级 延迟线通道问微波时延间隔分别为４０ｐｓ、８０ｐｓ、 １６０ｐｓ，通过开关控制与组合，实现４０ｐｓ延时量的０～ ７倍连续可调。最后仿真计算了１６个天线单元形 成的８个波束方向图。不过，本文仅介绍了发射支路的
图５可编程８状态光控波束形成仿真模拟图 （下转第４６页）
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