基于光学晶体的双向微波光学延时线设计

摘" 要：该文提出一种基于光学晶体的双向微波光学延时线，由空间光学延时线、光调制模块、光电探测器及微波开关构成，其中，空间光学延时线由磁光开关与光学晶体组成，通过高折射率光学晶体对光线的延时作用，实现对加载微波信号的光载波进行延迟处理。项目组根据此微波光学延时线原理，制作一批4 bit的延时线，并构建一套16通道32～38 G的收发一体光控波束形成网络，并根据实际测量的延时量，仿真出网络波束指向图，证明该网络具备波束形成、扫描能力，为光控波束形成网络的集成化设计及大规模应用的研究提供一定的支撑。

关键词：延时线；磁光开关；光学晶体；波束形成网络；收发一体

中图分类号：O439" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2023）19-0029-04

Abstract： In this paper， a bi-directional microwave optical delay line based on optical crystal is proposed， which is composed of a spatial optical delay line， an optical modulation module， a photodetector and a microwave switch. The spatial optical delay line is composed of a magneto-optical switch and an optical crystal. Through the delay effect of high refractive index optical crystal on light， the optical carrier loaded with microwave signal is delayed. According to the principle of microwave optical delay line， the project team made a number of 4-bit delay lines， and constructed a set of 32～38 G 16-channel optical beamforming network with integrated transceiver. According to the actual measured delay， the network beam direction map was simulated， which proved that the network has the ability of beamforming and scanning， which provides a certain support for the integrated design and large-scale application of optical beamforming network.

Keywords： delay line; magneto-optic switch; optical crystal; beamforming network; integrated transceiver

在常规相控阵系统中，通过调整辐射单元之间的相位关系来实现波束扫描，然而这种控制方式仍存在着一些难以解决的问题[1]。首先，微波移相器自身的损耗（尤其在毫米波段）和重量是制约相控阵雷达性能的重要因素；其次，通过利用信号的相位来延迟信号，导致不同频率的信号即使有相同的相位延迟却有不同的时间，从而使得相控阵系统在宽带信号的情况下存在波束指向偏斜的问题，直接导致相控阵系统无法获得大瞬时信号带宽，制约对目标的分辨、识别、成像能力的提升。

微波光子技术因利用了光学传输带宽大、损耗小、质量轻和抗电磁干扰等优点，深受从事相控阵雷达研究的学者们所青睐[2-4]。光控波束形成网络就是微波光子技术在相控阵雷达中的应用之一，其通过光学方式实现对微波信号的延迟处理，并与相控阵技术融合，解决了传统相控阵技术中的两大技术瓶颈，即瞬时大带宽的制约和波束偏斜问题，从而实现相控阵雷达的宽带宽角扫描[5]。目前已有多种不同技术路线的光实时延时的方案被提出，其中包括基于色散补偿光纤[6-7]、光纤光栅[8]和光波导技术[9-10]等，但受体积、损耗等因素的限制，仍无法完全替代微波延时线。并随着雷达天线规模的不断扩大，对光控波束形成网络的体积、损耗等都提出了更加严格的要求。

光学延时线拥有高度集成化、小型化及低损耗的特点。项目组利用该微波光学延时线直接替换传统微波延时线，构建光控波束形成网络，并根据光学延时线的延时量测量数据仿真出波束方向图，从而说明该微波光学延时线具备替换传统微波延时线的能力。

1" 方案设计

图1为通用型双向微波光学延时线原理图，由多个微波开关、光调制模块、光学延时线及光电探测器构成。其中，由于光调制解调器件无法实现自由双向传输信号，需要使用多个微波开关来实现对收发微波信号的双向切换；光调制模块由单波长半导体激光器与高速光电调制器构成，将微波信号调制到光载波上；光学延时线用于将光载波信号进行光学真延时处理；光电探测器将延时处理后的调制光载波转换成微波信号。定义该原理图从左到右为微波信号传输的下行链路，即微波信号的接收链路；反之，为微波信号的上行链路，即微波信号的发射链路。在下行链路中，进入该模块的微波信号首先通过微波开关1和微波开关2，进入光调制模块，将微波信号通过双边带调制的方式加载到光载波上，经调制后的光载波进入光学延时线进行所需延时的处理，通过光电探测器解调后得到延时处理后的微波信号，然后通过微波开关3和4选通输出。在上行链路中，进入模块的微波信号通过微波开关4选通到微波开关2，再通过微波开关2选通进入光调制模块，同样经过调制、光学延时、解调后，通过微波开关3的选通，传输到微波开关1，最后从模块的上行端口输出。通过以上信号流处理，实现微波信号的双向光延时处理。

光学延时线作为本方案的核心器件，原理框图如图2所示，由多个磁光开关与不同长度的光学晶体通过光学集成的方式构成。其基本原理是根据光开关切换不同光路，光在不同长度的高折射率晶体中通过的时间不同，高折射率光学晶体对光的延时为

△τ=L/c×△n ，" " " " " " " " " " " （1）

式中：L为光学晶体长度，c为光速，△n为光学晶体与内部气体介质之间的折射率差，从而实现对光信号的延时处理。每2个磁光开关间的光学晶体延时量控制策略为以2的倍数依次递增，这样就可以通过光开关切换选择不同长度的光学晶体组合，从而使得延时量从0～（2n-1）△τ之间以△τ延时量为步进切换。以4 bit光学延时线为例，则内部由2个1×2磁光开关、3个2×2磁光开关和4段不同长度的高折射率晶体组成，晶体延时量依次为△τ、2△τ、4△τ、8△τ，即可实现以？驻τ的延时步进进行延时切换，并达到15？驻τ的最大延时量。

2 实验系统及测试结果

为了验证该微波光学延时线的可行性，项目组搭建出16通道的基于微波光学延时线的双向收发光控波束形成相控阵系统，如图3所示，该系统由微波天线阵列、TR组件、微波光学延时线、1×16射频功分器、微波开关、发射机和接收机构成。该双向收发光控波束形成相控阵系统的工作原理是：当系统处于接收模式时，经过各通道天线接收的微波信号通过TR组件放大后，进入不同延时步进的微波光学延时线，在微波光学延时线内部经过调制，转换为光载波信号，再通过光学延时处理后，解调为微波信号，不同通道的微波信号通过延时处理后，形成等差数列的延时信号，并通过射频功分器合成后经微波开关进入接收机，进行信号的处理。

当该相控阵系统处于发射模式时，发射机产生的微波信号经微波开关通过射频功分器功分成16路信号，分别经过各通道微波光学延时线，通过微波光学延时线中的多个微波开关切换进入光调制模块，转换为光载波信号，各通道光载波进入光学延时线进行不同的延时处理，延时处理后，形成各通道间相对延时差，经TR组件和天线，辐射到空间，形成特定方向的电磁波。

该双向收发光控波束形成相控阵系统的设计参数如下。

频段32～38 G；天线间距4.2 mm；通道数16个；延时切换位数4 bit；扫描角度±15°。

根据上述光学波束形成网络的设计参数，依据公式

△τ=dsinθ/c"，" " " " " " " "（2）

式中：？驻τ为通道间延时差，d为天线间距，θ为波束指向角，c为光速，计算不同波束指向角下各通道间的相对延时量，根据计算的延时量设计制作出不同的光学延时线，图4为其中一路4 bit光学延时线实物图，延时线自身的体积（不含控制电路）为168 mm×10 mm×10 mm（长×宽×高），内部集成了3个2×2磁光开关和2个1×2磁光开关，以及用于延时处理的光学晶体，其高度集成化设计更易于大规模应用。

图5为本项目中使用的不同通道光学延时线的延时量及光学损耗的测试结果。通过对光学各延时线的延时量测试结果可知，该批次光学延时线中，可达到的最小延时步进为0.3 ps，最大延时量为105.8 ps；通过对各延时线的不同步进下的光损耗测试可知，不同延时线在不同延时状态下的光损耗均控制在3.5 dB以内，从而说明该延时线不仅具有高度集成化的结构，还具有较低的光学损耗。

为验证该网络的波束形成能力，根据各通道延时量数据，利用PCAAD软件进行网络波束方向图的仿真，图6给出了在32 G、35 G、38 G微波信号下的最小扫描角度和最大扫描角度的波束指向图。

通过仿真可以得出，该网络具备最小指向角1°，最大指向角14.9°的波束形成能力。证明该微波光学延时线具有替换微波延时线的能力，为今后光控波束形成网络的大规模应用和集成化设计提供了参考。

3" 结束语

本文提出的双向微波光学延时线，利用了高折射光学晶体对光线的延时作用，采用空间光学延时线、光调制模块、光电探测器及微波开关构成，实现对微波信号的双向延时作用，通过对一组4 bit微波光学延时线的延时量的测量，实现了最小延时步进0.3 ps 的延时，最大延时量达到105.8 ps。最后，项目组构建了一套基于该微波光学延时线的16通道32～38 G的收发一体光控波束形成网络，并根据实际测量的延时量，仿真得出该光控波束形成网络最小和最大波束指向图，证明该方案具备波束形成能力，该方案有望成为光控波束形成网络在集成化设计及大规模应用上的解决方案之一。

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第一作者简介：李琳（1989-），男，硕士，工程师。研究方向为光控相控阵技术。