相控陣?yán)走_(dá)與光控相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)

2　光控相控陣?yán)走_(dá)的光學(xué)真延時技術(shù)

將光學(xué)技術(shù)引入的光學(xué)真延時相控陣?yán)走_(dá)便能夠解決上述問題,滿足寬帶寬的要求。由于相移是正比于頻率的,頻率不同相移也不同,二者的關(guān)系可以表示為

此相移可以通過時間延遲τ來實現(xiàn):

可以看出,由于相移正比于頻率,在各個單元間用延時來取代相移,每個頻率分量都將在同一方向射出,這種方法就稱為真延時(TTD)。采用這種方法,能更好地應(yīng)用于寬帶信號處理中,因此TTD是高性能雷達(dá)系統(tǒng)進行無偏斜寬瞬時帶寬工作的關(guān)鍵。

光 控相控陣?yán)走_(dá)的基本工作過程是:來自在雷達(dá)頻率下工作的微波發(fā)生器的信號與來自激光器的光信號經(jīng)過電光調(diào)制器得到調(diào)制光信號,此調(diào)制信號被分配到一個信道 陣列;陣列中的每條天線通道分配到一個調(diào)制光信號,每個調(diào)制光信號在輸出到天線發(fā)射單元之前被延時、解調(diào)和放大(各調(diào)制光信號經(jīng)過不同的延時單元得到各不 相同的延時,調(diào)制光信號之間產(chǎn)生延時差;那么再經(jīng)過探測得到的不同信道的微波信號之間就產(chǎn)生不同的相移)。如圖4所示為光控相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射單元的基本結(jié)構(gòu) 圖。

圖3 　光控相控陣?yán)走_(dá)的基本結(jié)構(gòu)圖

將 光學(xué)技術(shù)引入到相控陣天線中帶來了很多優(yōu)點:以光纖作為傳輸介質(zhì)重量輕、尺寸小、靈活性好、抗電磁干擾(EMI)和電磁脈沖(EMP)能力強、損耗小;解 決了電纜饋電帶來的尺寸和重量的限制以及導(dǎo)電電纜干擾發(fā)射單元輻射方向等問題;提高了雷達(dá)性能,簡化設(shè)計,降低成本;并且由于其控向角與微波頻率無關(guān)而消 除了天線方向性斜偏,非常適用于寬帶雷達(dá)。目前主要可以通過以下幾種方法實現(xiàn)光學(xué)真延時:

(1)光纖延時線:其結(jié)構(gòu)是采用光纖作為延 時線,選用數(shù)根不同長度的光纖,把它們連到光開關(guān)或MEMS上,在使用時根據(jù)要求利用開關(guān)選擇合適長度的光纖,從而得到不同的延時。此外,也可以將光纖繞 在壓電晶柱上,通過改變電壓的大小來控制光纖長度的變化,從而得到不同的延時。目前常用的光纖延時線有普通光纖延時線和色散光纖延時線。光纖 延時線具有時間帶寬積大、被延時的信號頻率高、線性好、損耗小、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。缺點是延時難以調(diào)節(jié)。

(2)自由空間段光學(xué)延時:其原理與光纖延時線的情況相同,只是用不同長度的自由空間段來取代光纖。調(diào)節(jié)自由空間段的長度就可以得到不同的延時,從而產(chǎn)生相移實現(xiàn)波束掃描。其缺點是元件多裝置復(fù)雜。

(3)聲光技術(shù)延時:其實質(zhì)是通過一個空間光調(diào)制器改變光程,用光學(xué)外差的方法將光信號的相位延遲轉(zhuǎn)移到微波信號中,從而實現(xiàn)延遲。但是此方法由于是自由空間傳播易受干擾,機械調(diào)制反射鏡使得調(diào)節(jié)精度較低。

(4)平面波導(dǎo)技術(shù)光學(xué)延時:利用波導(dǎo)實現(xiàn)延時其實質(zhì)就是當(dāng)光在波導(dǎo)中傳播時,通過選取不同的光程來實現(xiàn)延時。這項技術(shù)需要很高的波導(dǎo)制作工藝水平。

(5) 光纖光柵光學(xué)延時:利用短周期光纖光柵的反射特性得到不同的延時。光纖光柵憑借其優(yōu)良的選頻特性及可調(diào)諧特性在在各種光學(xué)真延時方法中占據(jù)著重要的地位。 通?？梢圆捎霉饫w布拉格光柵和啁啾光柵。優(yōu)點是成本低且結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活。其難點技術(shù)是光柵在光纖中的位置的精確控制以及各種不同啁啾率的光 纖光柵的制作。

從上個世紀(jì)80年代到90年代中期,國際上光控相控陣研究的主要方向是采用光纖延時線以及聲光技術(shù)、波導(dǎo)技術(shù)來實現(xiàn)延時:1990 年美國海軍實驗室采用基于聲光技術(shù)的光學(xué)外差方法實現(xiàn)了真延時,并且實現(xiàn)了系統(tǒng)的集成化;1991年,休斯實驗室提出了一種采用激光二極管作為開 關(guān)切換光纖延時線的結(jié)構(gòu),可以工作于L波段和X波段;1995年加州大學(xué)的DennisT.K.Tong等人提出了波分復(fù)用技術(shù)與多波長激光器相結(jié) 合的辦法,采用色散光纖作為延時線。同年,加利福尼亞大學(xué)的研究人員提出了基于液晶空間光調(diào)制器的光開關(guān)網(wǎng)絡(luò),在X波段角精度可達(dá)1.4° 。1994年前后,美國進行了大量的理論和實驗研究,證實了采用光纖光柵光學(xué)延時的的可行性。

現(xiàn)今光控相控陣領(lǐng)域的研究依然 活躍,美國、英國、加拿大、西班牙、法國、日本、韓國、新加坡、印度、俄羅斯等等國家都投入了大量的人力、物力進行相控陣?yán)走_(dá)尤其是光控相控陣?yán)走_(dá)的研 究,無論對已有技術(shù)的改進還是對新技術(shù)的探索都有了新的發(fā)展。目前采用集成光學(xué)技術(shù)來實現(xiàn)光控相控陣?yán)走_(dá)的方案已經(jīng)被提出來[16],由于其集成度高、體 積小、性能好等優(yōu)點更加適應(yīng)現(xiàn)代機載、艦載雷達(dá)的要求,可以預(yù)見集成光學(xué)相控陣?yán)走_(dá)必將成為未來雷達(dá)研究的焦點!

3　結(jié)束語

總 之,相控陣?yán)走_(dá)憑借其相對于傳統(tǒng)機械掃描雷達(dá)的優(yōu)勢得到了各國的青睞并快速發(fā)展,在有的國家已經(jīng)達(dá)到了實際應(yīng)用的水平;而光控相控陣?yán)走_(dá)的出現(xiàn)更加適應(yīng)了 現(xiàn)代國際形勢發(fā)展的需要,解決了一些傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)所不能解決的問題,可以預(yù)見不久的將來將會有大量的光控相控陣?yán)走_(dá)正式登上國際軍備競爭的舞臺。