基于光波分复用技术的可编程波束成形网络.pdf

《基于光波分复用技术的可编程波束成形网络.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于光波分复用技术的可编程波束成形网络.pdf（9页完成版）》请在专利查询网上搜索。

1、(10)申请公布号 CN 103532604 A (43)申请公布日 2014.01.22 C N 1 0 3 5 3 2 6 0 4 A (21)申请号 201310460297.5 (22)申请日 2013.09.30 H04B 7/06(2006.01) H04J 14/02(2006.01) (71)申请人上海交通大学 地址 200240 上海市闵行区东川路800号 (72)发明人邹卫文 余安亮 刘辰钧 陈建平 (74)专利代理机构上海新天专利代理有限公司 31213 代理人张泽纯 (54) 发明名称 基于光波分复用技术的可编程波束成形网络 (57) 摘要 一种基于光波分复用技术的超宽。

2、带大动态范 围的可编程波束成形网络，其结构包括：波分复 用器、光电调制器、12光开关、22光开关、光 放大器、环形器、法拉第旋转镜和光纤真时延迟 线。本发明可以产生相干的不同相位延迟的微波 载波信号，从而代替传统电控相控阵雷达中电移 相器的功能，极大的消除了传统相控阵雷达中的 孔径效应，具有超宽带，大动态范围，可编程控制 等优点。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103532604 A CN 103532604 A 1/1页 2 1.一种基于。

3、光波分复用技术的超宽带大动态范围的可编程波束成形网络，特征是其构 成包括：第一波分复用器、第二波分复用器、光电调制器、第一12的光开关、第二12的 光开关和多级延迟单元及延迟单元之间的连接组件，该连接组件为四端连接组件，所述的 延迟单元包括环形器、组件、波分复用器、光纤真时延迟线和法拉第旋转镜；所述的环形器 的2端口经所述的组件接所述的波分复用器相连实现光波解复用后，不同通道经过具有不 同延迟量的光纤真时延迟线，每个通道的光纤真时延迟线的末端都与所述的法拉第旋转镜 相连；不同波长的多路光信号由所述的第一波分复用器复用后进入所述的光电调制器的光 输入端，该光电调制器的光输出端与所述的第一12的光。

4、开关的2端口相连，第一12的 光开关的3端口接第一级延迟单元和第二级延迟单元之间的连接组件的1端口，第一12 的光开关的1端口与第一级延迟单元的环形器的1端口相连，该环形器的3端口接第一级 延迟单元和第二级延迟单元之间的连接组件的2端口，该连接组件的3端口接第二级延迟 单元的环形器的1端口，最后一级延迟单元的环形器的3端口接所述的第二12的光开关 的3端口，该第二12的光开关的1端口接前一级连接组件的4端口，该第二12的光开 关的2端口接所述的第二波分复用器。 2.根据权利要求1所述的可编程波束成形网络，其特征在于所述的延迟单元的组件 若为光纤跳线，则所述的连接组件为光开关和光放大器组合构成的。

5、双输入双输出的连接模 块。 3.根据权利要求1所述的可编程波束成形网络，其特征在于所述的延迟单元的组件若 为光放大器，则所述的连接组件为22的光开关。 4.根据权利要求1所述的可编程波束成形网络，其特征在于所述的波分复用器为密集 波分复用器（DWDM）或者阵列波导光栅型波分复用/解复用器（AWG）。 5.根据权利要求1所述的可编程波束成形网络，其特征在于所述的12光开关，22 光开关是MEMS光开关、电光开光或磁光开关。 6.根据权利要求1所述的可编程波束成形网络，其特征在于所述的光电调 制器为光 强度调制器或者光相位调制器。 7.根据权利要求6所述的可编程波束成形网络，其特征在于所述的光强度。

6、调制器为铌 酸锂MZ结构光强度调制器/或者聚合物MZ结构光强度调制器或者电吸收调制器。 8.根据权利要求6所述的可编程波束成形网络，其特征在于所述的光相位调制器为铌 酸锂相位调制器或者聚合物相位调制器。 9.根据权利要求1所述的可编程波束成形网络，其特征在于所述的光纤真时延迟线 为具有下列规定长度的单模光纤：第一级延迟单元中波分复用器后端连接的光纤真时延迟 线具有的通道间隔，第二级延迟单元中波分复用器后端连接的光纤真时延迟线具有 2的通道间隔，依此类推，第K级延迟单元中波分复用器后端连接的光纤真时延迟线具 有2 K-1 的通道间隔。 10.根据权利要求1所述的可编程波束成形网络，其特征在于所述。

7、的光放大器为掺铒 光纤放大器或者半导体光放大器。 权 利 要 求 书CN 103532604 A 1/5页 3 基于光波分复用技术的可编程波束成形网络 技术领域 0001 本发明涉及一种微波光子学领域的装置，具体是一种基于光波分复用技术的超宽 带大动态范围的可编程波束成形网络。 背景技术 0002 相控阵天线系统在诸如雷达，通信系统等领域都有广泛的应用，其中一个必不可 少的组成部分就是相位延迟的波束成形网络。在传统的电控相控阵天线中，每个天线单元 上都设置一个电的移相器，用以改变天线单元之间信号的相位关系，从而为相控阵雷达提 供不同相位差的相干微波信号。然而，传统的电控相控阵雷达受限于相控阵天。

8、线的“孔径效 应”（参见张光义，赵玉洁，相控阵雷达技术.北京：电子工业出版社，2006.12:390-392），即 信号频率变化会引起波束指向的偏移，从而限制了雷达的带宽，只能在相对较窄的信号带 宽下进行扫描，限制了其宽带宽角度扫描方面的性能，从而制约了相控阵天线在复杂环境 和高性能领域的应用。这对于要完成高分辨率测量的雷达、雷达成像及扩频信号雷达来说 都是巨大的缺陷。 0003 随着微波光子学技术的发展及其在雷达领域的广泛应用，光控相 控阵天线通过采用真时延迟线技术有效地抵消孔径渡越时间的限制（参 见I.Frigyes and A.Seeds,“Optically generated tru。

9、e-time delay in phased-array antennas,“Microwave Theory and Techniques,IEEE Transactions on,vol.43,pp.2378-2386,1995.）。使用光控波束形成网络实现的光控相控阵天线波束的 形成与扫描，具有大的瞬时带宽、无波束斜视效应、低损耗、小尺寸、抗电磁干扰、探测距离 远等一系列优点，成为相控阵雷达发展的一个重要方向。 0004 光控相控阵雷达的核心部分是能够产生真时延迟的波束成形网络结构。现阶段 国内外主流的光控相控阵天线的真时延迟方案包括色散结构和光纤真时延迟线结构两种。 其中，色散结构的构。

10、成方式又有多种方法，诸如：光纤光栅（参见 C.Fan,S.Huang,X.Gao,J. Zhou,W.Gu,and H.Zhang,“Compact high frequencytrue-time-delay beamformer using bidirectional reflectance of the fiber gratings,“Optical Fiber Technology,vol .19,pp.60-65,2013.），高色散光纤（参见M.Y.Chen,“Hybrid photonic true-time delay modules for quasi-continuous s。

11、teering of 2-Dphased-array antennas,“Journal of Lightwave Technology,vol.31,pp.910-917,2013.）等；光纤真时延迟线结构的构 成又包括两个方向：单纯的通过切换光开关来改变光纤真时延迟线长度的结构（参见 B.-M.Jung,D.-H.Kim,I.-P.Jeon,S.-J.Shin,and H.-J.Kim,“Optical true time-delay beamformer based on microwave photonics for phased array radar,“in20113rd Inte。

12、rnational Asia-Pacific Conference on Synthetic Aperture Radar,APSAR2011, September26,2011-September30,2011,Seoul,Korea,Republic of,2011,pp.824-827.） 和波分复用器与光纤真时延迟线组合的结构（参见O.Raz,S.Barzilay,R.Rotman,and M.Tur,“Submicrosecond scan-angle switching photonic beamformer with flat RF 说 明 书CN 103532604 A 2/5。

13、页 4 response in the C and Xbands,“Journal of Lightwave Technology,vol.26,pp.2774- 2781,2008.）。采用多路波分复用光延时技术可以极大的简化系统的结构，使得系统结构紧 凑。 发明内容 0005 本发明的目的在于提供一个多波长波束成形网络装置，从而产生一个超宽带大动 态范围且可编程的光延时网络。 0006 本发明的技术解决方案如下： 0007 一种基于光波分复用技术的超宽带大动态范围的可编程波束成形网络，特征是其 构成包括：第一波分复用器、第二波分复用器、光电调制器、第一12的光开关、第二12 的光开关和多级。

14、延迟单元及延迟单元之间的连接组件，该连接组件为四端口连接组件。 0008 所述的延迟单元包括环形器、组件、波分复用器、光纤真时延迟线和法拉第旋转 镜；所述的环形器的2端口经所述的组件接所述的波分复用器相连实现光波解复用后，不 同通道经过具有不同延迟量的光纤真时延迟线，每个通道光纤真时延迟线的末端都与所述 的法拉第旋转镜相连；不同波长的多路光信号由所述的第一波分复用器复用后进入所述的 光电调制器的光输入端，该光电调制器的光输出端与所述的第一12的光开关的2端口相 连；所述的第一12的光开关的3 端口接第一级延迟单元和第二级延迟单元之间的连接 组件的1端口，第一12的光开关的1端口与第一级延迟单元。

15、的环形器的1端口相连，该 环形器的3端口接第一级延迟单元和第二级延迟单元之间的连接组件的2端口，该连接组 件的3端口接第二级延迟单元的环形器的1端口，最后一级延迟单元的环形器的3端口接 所述的第二12的光开关的3端口，该第二12的光开关的1端口接前一级连接组件的 4端口，该第二12的光开关的2端口接所述的第二波分复用器。 0009 所述的延迟单元的组件若为光纤跳线，则所述的连接组件为光开关和光放大器组 合构成的双输入双输出的连接模块。 0010 所述的延迟单元的组件若为光放大器，则所述的连接组件为22的光开关。 0011 所述的波分复用器为密集波分复用器（DWDM）或者阵列波导光栅型波分复用/。

16、解 复用器（AWG）。 0012 所述的12光开关，22光开关是MEMS光开关、电光开光或磁光开关。 0013 所述的光电调制器为光强度调制器或者光相位调制器，所述的光强度调制器为铌 酸锂MZ结构光强度调制器/或者聚合物MZ结构光强度调制器或者电吸收调制器。所述的 光相位调制器为铌酸锂相位调制器或者聚合物相位调制器。 0014 所述的光纤真时延迟线为具有下列规定长度的单模光纤： 0015 第一级延迟单元中波分复用器后端连接的光纤真时延迟线具有的通道间 隔，第二级延迟单元中波分复用器后端连接的光纤真时延迟线具有2的通道间隔，依 此类推，第K级延迟单元中波分复用器后端连接的光纤真时延迟线具有2 K。

17、-1 的通道间 隔。 0016 所述的光放大器为掺铒光纤放大器或者半导体光放大器，用来实现光信号的放 大，有效抑制微波信号的插损，降低系统的噪声系数。 0017 所述的法拉第旋转镜为光波反射器件，用来实现光纤真时延迟线长度减半。 说 明 书CN 103532604 A 3/5页 5 0018 所述的环形器为低损耗光无源器件，用以实现光波的定向传输。 0019 本发明具有以下优点： 0020 1、本发明中的光纤真时延迟线是通过高精度的切割方法在线制作完成，通过改进 测量方法还可以继续提高制作精度，从而降低不同通道间的光纤真时延迟线的间隔，实现 更小的延迟步进。 0021 2、本发明是一种基于光波。

18、分复用技术的超带宽大动态范围的可编程波束成 形网 络，利用波分复用器、光电调制器、光开关、光放大器、环形器和法拉第旋转镜，并结合不同 长度光纤真时延迟线，可以实现不同的延迟步进，从而提高多波长波束成形的扫描精度。 0022 3、本发明，通过光电调制器将微波信号调制在不同波长的光信号上，利用光纤真 时延迟线，在全光系统中实现不同的延迟量，从而实现微波信号不同的相位延迟。整个系统 中通过采用光纤真时延迟线来实现光信号的真时延迟，所以对于任意波段的微波信号均可 实现光学移相的功能，极大的提高了系统的工作带宽，即本发明具有超宽带的特点。 0023 4、本发明，对于每一级多波长延时单元都进行了光放大，有。

19、效的抑制了微波信号 的插损，降低了系统的噪声系数。因此通过多波长延时单元的拓扑，增加波分复用器的级 数，可以实现延时量的大范围可调，即本发明具有大动态范围的特点。 0024 5、本发明，可以对于系统中的12，22的光开关进行可编程控制。通过光开关 不同方式的“ON”，“OFF”组合，选择不同的延迟通道，实现不同的延迟量，即本发明具有可编 程的特点。 附图说明 0025 图1为本发明基于光波分复用技术的超宽带大动态范围的可编程波束成形网络 一个实施例的结构示意图。 0026 图2为本发明基于光波分复用技术的超宽带大动态范围的可编程波束成形网络 可拓扑结构示意图。 0027 图3（a）为12光开关。

20、的端口说明，图2（b）为22光开关的端口说明。 0028 图4为两个12的光开关和光放大器组合构成的双输入双输出的连接模块图示 说明。 0029 图5为环形器的端口说明，光波在环形器中只能从1端口传向2端口，从2端口传 向3端口，反之不可以。 0030 图6为本发明具体实施过程中光波分复用的某一通道在不同延时状态下所产生 的相位延迟与频率之间的实验测试结果。 具体实施方式 0031 下面结合附图给出本发明的一个具体实施例。本实施例以本发明的技术方案为前 提进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不应限于下述的实施例。 0032 图1为本发明基于光波分复用技术的超宽带大动态范围的。

21、可编程波束成形网络 实施例的结构示意图。由图可见，本实施例基于光波分复用技术的超宽带大动态范围的可 编程波束成形网络，其构成包括：第一波分复用器1、第二波分复用器19、光电调制器2、第 一12的光开关3，第二12的光开关18、第一22的光开关8、第二22的光开关13、 说 明 书CN 103532604 A 4/5页 6 三级延迟单元23。第一级延迟单元由波分复用器5、光放大器20、环形器4、光纤真时延迟 线6、法拉第旋转镜7构成；第二级延迟单元由波分复用器10、光放大器21、环形器9、光纤 真时延迟线11、法拉第旋转镜12构成；第三级延迟单元由波分复用器15、光放大器22、环 形器14、光纤。

22、真时延迟线16、法拉第旋转镜17构成。 0033 上述元部件的连接关系如下： 0034 不同波长的光信号由所述的波分复用器1复用后进入光电调制器2的光输入端， 该光电调制器2的光输出端与12的光开关3的2端口相连，12的光开关3的1端口与 环形器4的1端口相连，12的光开关3的3端口与22的光开关8的输入端方向的一端 口相连；其中各个波长的光波经过波分复用器1复用，所经过的不同通道的接口和光电调 制器的微波输入口作为本装置的输入端； 0035 所述的环形器4的2端口与光放大器20相连，然后再与波分复用器5相连实现光 波解复用后，不同通道经过不同延迟量的光纤真时延迟线6，然后每个通道末端都与法拉。

23、第 旋转镜7相连；环形器4的3端口与22的光开关8的输入端方向的另一端口相连； 0036 所述的22的光开关8的输出端方向的一端口与环形器9的1端口相连，另一端 口与22的光开关13输入端方向的一端口相连；环形器9的2端口与光放大器21相连， 然后再与波分复用器10相连实现光波解复用后，不同通道经过不同延迟量的光纤真时延 迟线11，然后每个通道末端都与法拉第旋转镜12相连；环形器9的3端口与22的光开 关13输入端方向的另一端口相连； 0037 所述的22的光开关13输出端方向的一端口与环形器14的1端口相连， 另一 端口与12的光开关18的1端口相连；环形器14的2端口与光放大器22相连后，。

24、再与波 分复用器15相连实现光波解复用后，不同通道经过不同延迟量的光纤真时延迟线16，然后 每个通道末端都与法拉第旋转镜17相连；环形器14的3端口与12的光开关18的3端 口相连； 0038 所述的12的光开关18的2端口与波分复用器19相连，实现光波解复用后的不 同通道作为本装置的输出端。 0039 所述的波分复用器1,5,10,15,19为密集波分复用器（DWDM）。所述的12的光开 关3,18、22的光开8,13是MEMS光开关，其中12的光开关由22的光开关代替使用。 所述的光电调制器2为铌酸锂MZ结构光强度调制器。所述的光放大器为半导体光放大器 （SOA）。所述的光纤真时延迟线6,。

25、11,16为经过精密切割后具有规定长度的单模光纤，波分 复用器5后端连接的光纤真时延迟线6具有的通道间隔，波分复用器10后端连接的 光纤真时延迟线11具有2的通道间隔，波分复用器15后端连接的光纤真时延迟线具 有4的通道间隔。 0040 表1为本发明具体实施过程中其中的四个通道间隔测试数据。 0041 表1. 0042 说 明 书CN 103532604 A 5/5页 7 0043 本发明的工作原理如下： 0044 首先，多个波长的激光经DWDM1复用之后作为载波信号，微波信号经过光电调制 器2的RF输入口调制到载波信号上，然后通过DWDM、环形器、光放大器、光开关、光纤真时延 迟线和法拉第旋。

26、转镜组成的可编程的光纤真时延迟网络后通过DWDM19解复用出来，这样 就形成多路相干的被调制后的载波信号，可以送往后端的光电探测器和天线阵列，从而完 成空间的波束扫描。 0045 其中，整个多波长波束成形网络装置中最核心的部分就是光纤真时延迟网络。该 延迟网络的基本单元中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 道采用反射方式的延迟线，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，并引入光开 关进行控制。 0046 不同级的延迟单元中，波分复用的波长间延迟量采用级数进行分配。比如，第一级。

27、 DWDM通道间（波长间）延迟量按照等差数列分布，通道间长度差设置成L，第二级DWDM不 同通道延迟量仍然按照等差数列分布，但是通道间延迟量设置成2L，第3级DWDM波长 间延迟量设置成4L，第K级DWDM波长间延迟量设置成2 K-1 L。如系统实施过程中， 我们设置第一级DWDM5通道间间隔5mm，第二级DWDM10通道间间隔10mm，第三级DWDM15通 道间间隔20mm来进行验证。然后我们将基本单元通过环形器和光开关串联起来，形成连 续、快速可调的多波长波束成形延时网络。通过光开光的“ON”，“OFF”选通不同的延迟通 道，最终不同波长的载波信号就形成了不同的相位延迟。 说 明 书CN 103532604 A 1/2页 8 图1 图2 图3 图4 说 明 书 附 图CN 103532604 A 2/2页 9 图5 图6 说 明 书 附 图CN 103532604 A 。