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技術(shù)文章

光控相控陣?yán)走_(dá)

摘要：由于孔徑效應(yīng)和孔徑渡越時間的限制，傳統(tǒng)的相控陣?yán)走_(dá)難以在大掃描角下實(shí)現(xiàn)大瞬時帶寬。把光纖技術(shù)應(yīng)用于相控陣?yán)走_(dá)，主要包括光纖延遲線形成相控陣?yán)走_(dá)波束所需的相移、電光相控陣發(fā)射機(jī)中采用集成光學(xué)進(jìn)行波束形成，用光纖技術(shù)進(jìn)行天線的靈活遙控、利用光纖色散棱鏡技術(shù)的寬帶光纖實(shí)時延遲相控陣接收機(jī)等，可以在大掃描角下實(shí)現(xiàn)大瞬時帶寬，在提高雷達(dá)的分辨率、識別能力、解決多目標(biāo)成像、對抗反輻射導(dǎo)彈、簡化結(jié)構(gòu)、減小體積、重量、抗惡劣電磁環(huán)境、容易維護(hù)等方面有巨大的優(yōu)勢。由此形成的光控相控陣?yán)走_(dá)目前具有重大的理論意義和實(shí)踐意義。
關(guān)鍵詞：相控陣?yán)走_(dá)；光纖；光控相控陣
中圖分類號：TN95, 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

一、引言
進(jìn)入90年代以來，光纖技術(shù)的**應(yīng)用受到美、歐等國軍方的重視。在美國，三軍光纖技術(shù)開發(fā)活動由三軍光纖協(xié)調(diào)委員會進(jìn)行組織，每年投資為
5 千萬美元。在21世紀(jì)的今天，美國國防部已把“光子學(xué)、光電子學(xué)”列為2010年十大國防技術(shù)中的一項，其中光纖技術(shù)占據(jù)著舉足輕重的地位。這預(yù)示著美國等西方國家對光纖技術(shù)**應(yīng)用的研究
將**展開并加速進(jìn)行。
由于光纖傳輸具有損耗低、頻帶寬等固有的優(yōu)點(diǎn)，光纖在雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用首先用于連接雷達(dá)天線和雷達(dá)控制中心，從而可使兩者的距離從原來用同
軸電纜時300m 以內(nèi)擴(kuò)大到2-5km。用光纖作傳輸媒體，其頻帶可覆蓋X波段(8-12.4GHz)或Ku波段(12.4-18GHz)。目前X波段高頻光纖系統(tǒng)已實(shí)用化，Ku 波段的寬帶微波光纖線路系統(tǒng)也已有大量報道。光纖在相控陣信號處理方面的應(yīng)用主要是光纖延遲線信號處理。先進(jìn)的高分辨率雷達(dá)要求損耗低、時間帶寬積大的延遲器件進(jìn)行信號處理。傳統(tǒng)的同軸延遲線、聲表面波（SAW）延遲線、電荷耦合器件（CCD）等均已不能滿足要求。靜磁波器件和超導(dǎo)延遲線雖能滿足技術(shù)要求，但離實(shí)用化尚很遙遠(yuǎn)。光纖延遲線具有損耗低在(1-10GHz) 頻段內(nèi)，單位延遲時間的損耗僅(0.4-0.1dB/ps)、時間帶寬積大達(dá)(104-106)、帶寬寬(>10GHz)等優(yōu)點(diǎn)，且動態(tài)范圍大，三次渡越信號小，實(shí)現(xiàn)彼此跟蹤的延遲線相當(dāng)容易，而且能封裝進(jìn)一個小型的封裝盒。用于相控陣?yán)走_(dá)信號處理的多半是多模光纖構(gòu)成的延遲線。目前國外光纖延遲線已進(jìn)入成熟期。

為提高相控陣?yán)走_(dá)天線波束掃描的靈活性，減小初始功耗，以及精密控制所需的單元相位和幅度以實(shí)現(xiàn)低的空間旁瓣，需要對每**線單元提供波
束（相位）控制信號、極化控制信號和幅度控制信號。采用光纖高速傳輸這些控制信號，相位穩(wěn)定性好，可以大幅度減少每一有源單元的電子組件量，簡化系統(tǒng)構(gòu)成，降低雷達(dá)成本，減小體積和質(zhì)量。

光纖技術(shù)在相控陣?yán)走_(dá)的應(yīng)用還包括用光纖延遲線在光控相控陣?yán)走_(dá)波束形成所需的相移；在電光相控陣發(fā)射機(jī)中采用集成光學(xué)進(jìn)行波束形成，用
光纖技術(shù)進(jìn)行天線的靈活遙控；利用光纖色散棱鏡技術(shù)的寬帶光纖實(shí)時延遲相控陣接收機(jī)等。其中，除光纖延遲線外，光纖耦合器、波分復(fù)用/ 解復(fù)用器、集成光學(xué)、偏振保持光纖、高色散光纖、光纖放大器、光纖光柵等先進(jìn)的光纖元器件技術(shù)得到了應(yīng)用。據(jù)已有資料［1］，美國空軍Romes 試驗室已進(jìn)行了（1997）光控相控陣的實(shí)驗實(shí)現(xiàn)，在±60° 側(cè)向掃描角下，光控相控陣可以實(shí)現(xiàn)50%（L波段:850-1400Hz）的即時帶寬。
光控相控陣?yán)走_(dá)的國內(nèi)研究尚未見報道。

二、光控相控陣的技術(shù)優(yōu)勢
為了提高抗干擾能力，相控陣?yán)走_(dá)必須具有盡可能大的帶寬。為了提高雷達(dá)的分辨、識別能力和解決多目標(biāo)成像問題，相控陣?yán)走_(dá)必須具大的瞬時
帶寬。為了對抗反輻射導(dǎo)彈的威脅，也要求采用大瞬時帶寬的擴(kuò)頻信號。但是由于孔徑效應(yīng)的存在，相控陣?yán)走_(dá)波束的的指向隨頻率的變化而偏移：
這樣當(dāng)天線的側(cè)向掃描角是60°時，即使只有5%的頻率變化，波束偏移量將會是波束寬度的一半（L=7λ)另外相控陣?yán)走_(dá)的瞬時帶寬還要受天線孔徑渡越時間的限制。在這兩種約束下，相控陣?yán)走_(dá)為了獲得大的瞬時帶寬，一般方法是在陣列各單元或子陣級別上采用實(shí)時延遲線來消除孔徑效應(yīng)和孔徑渡越時間的影響，由于陣單元數(shù)目較多，即使在陣級別上實(shí)現(xiàn)實(shí)時延時，也需要大量的微波延時線，微波延時線體積大、重量大、調(diào)節(jié)困難、實(shí)現(xiàn)難度大；一種新穎的方法是基于群延遲的機(jī)理，利用光信號完成RF信號的實(shí)時延時來實(shí)現(xiàn)大的瞬時帶寬[1]，即光控相控陣（OCPAA即Optically controlled Phased-array Antenna)雷達(dá)。

光控相控陣在大掃描角下實(shí)現(xiàn)大瞬時帶寬方面有巨大優(yōu)勢。用光纖實(shí)現(xiàn)信號延時器、信號分配器，同時作為傳輸信道。信號延時調(diào)節(jié)器△1,2△1，…，（n-1）△1的精度決定于光纖的切割精度，因而可以獲得很高的延時精度和相位精度。再者[3]體積小、結(jié)構(gòu)簡單、抗電磁干擾能力強(qiáng)、溫度穩(wěn)定性好。光控相控陣還有另外一個獨(dú)特優(yōu)勢[4]。由于光纖損耗低（小于0.2dB/Km）因此可以將信號處理、波束控制、數(shù)據(jù)處理等設(shè)備放置在離天線較遠(yuǎn)的地方，這有利于提高雷達(dá)的生存能力，或?qū)⒋蟮睦走_(dá)陣面分散若干較小陣面，配以適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理，以獲得更高的實(shí)孔徑角分辨能力和測角、定位精度。

三、光控陣光時延原理及具體實(shí)現(xiàn)方案[1]
圖1表示時移網(wǎng)絡(luò)及其形成的波前。Level 1的每一個元素都代表一列（4個）陣單元，每一列陣
單元受控于一個T/R單元。每一個T/R單元提供
6 位（bit) 延遲，這個時延用于精調(diào)級（0.01-0.5ns)延時。每一個5位光延遲時間單元控制3個T/R單元，且這3個光延遲時間單元組成組成一個子
陣，控制12個天線單元。光延遲單元提供0.25-7.75ns 的時間延時，共有32種光延時可供控制，用
于形成大的帶寬及兩邊60°描角。

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