劉 飛,張 鴻

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所,江蘇 揚州225101)

0 引 言

隨著軍事高技術(shù)的發(fā)展,對作戰(zhàn)空間及其信息的控制已成為贏得戰(zhàn)爭的關(guān)鍵,而對作戰(zhàn)空間電磁態(tài)勢的感知是制信息權(quán)的基礎(chǔ)[1-2]。其中雷達(dá)作為態(tài)勢感知最重要的手段,對信息戰(zhàn)的勝負(fù)起著至關(guān)重要的作用。為了適應(yīng)日益復(fù)雜的電磁戰(zhàn)場,對雷達(dá)能觀測目標(biāo)的種類、測量的參數(shù)等都提出了許多新要求,并且還應(yīng)具備探測隱身目標(biāo)、低小慢目標(biāo),在強(qiáng)雜波、強(qiáng)干擾和硬打擊條件下工作的能力[3-5]。

相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)為解決上述問題提供了很大的技術(shù)潛力,因而其發(fā)展受到國內(nèi)外普遍的重視。目前,相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)[6-9]己廣泛應(yīng)用于幾乎所有類型的軍用雷達(dá)。盡管相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)具有眾多的技術(shù)和戰(zhàn)術(shù)性能優(yōu)勢,但是由于受到陣列孔徑渡越時間的限制,只能工作在相對窄的信號帶寬下,因而限制了其在復(fù)雜電磁環(huán)境中的應(yīng)用,很難滿足諸如目標(biāo)識別以及成像等對寬帶信號的需求。

而光控相控陣?yán)走_(dá)[10-12]采用光電子技術(shù),通過光延時方法來抵消孔徑渡越時間,因此具有大瞬時帶寬掃描工作的能力,并且隨著光子集成技術(shù)的發(fā)展,也可以滿足相控陣?yán)走_(dá)對小型化和低功耗的發(fā)展需求。因此,光控相控陣?yán)走_(dá)能夠適應(yīng)和滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭對雷達(dá)全方位、高性能的發(fā)展要求,成為相控陣?yán)走_(dá)發(fā)展的一個重要方向。本文針對光控相控陣?yán)走_(dá)由于目前光器件研制水平帶來的幅相不一致性,開展相關(guān)的研究。

1 光控相控陣?yán)走_(dá)二維掃描的基本原理

設(shè)光控相控陣?yán)走_(dá)二維陣列由M行和N列組成,總共M×N個單元,行間距和列間距分別為dx和dy。若波控指向方位角φ0,俯仰平面與Z軸夾角為θ0,其示意圖如圖1所示。

根據(jù)二維波束形成的原理[13],可以得到二維陣列的天線方向圖為:

圖1 二維陣列示意圖

采用如表1所示的參數(shù)進(jìn)行仿真。

圖2為θ0=45°,φ0=0°時,傳統(tǒng)基于移相掃描的不同頻率下的天線方向圖,由圖可以看出,波束指向角隨著頻率的變化而變化,也即出現(xiàn)波束偏斜的現(xiàn)象,這說明基于移相掃描的相控陣的使用帶寬有限,不能在寬帶情況下使用。

表1 仿真參數(shù)

圖2 θ0=45°,?0=0°時,基于移相掃描的不同頻率天線方向圖

圖3 為θ0=45°,?0=0°時,光控相控陣不同頻率下的天線方向圖,由圖可以看出,波束指向角不隨頻率的變化而變化,因此不存在波束偏斜的現(xiàn)象,這說明基于光控掃描的陣列天線可以在寬帶情況下使用。

圖3 θ0=45°,?0=0°時,光控相控陣在不同頻率下的天線方向圖

2 光控相控陣?yán)走_(dá)幅相誤差的產(chǎn)生

光控相控陣?yán)走_(dá)采用了光纖延時鏈路,其傳輸特性的幅度和相位頻率特性并非是理想的,因此必然存在著幅度和相位誤差帶來的影響。總的來說這些誤差可以分為兩大類:幅相隨機(jī)誤差、延時量化誤差。

2.1 隨機(jī)幅相誤差

隨機(jī)幅相誤差主要是由光控相控陣?yán)走_(dá)各通道光鏈路幅相不一致帶來的,包括各通道激光器、調(diào)制器、光波束形成網(wǎng)絡(luò)、光耦合器和光探測器等器件的不一致性。一般來說,隨機(jī)幅相誤差可以用一個零均值的高斯分布來表示。由隨機(jī)誤差引起的平均副瓣電平可由下式進(jìn)行計算[13]:

2.2 延時量化誤差

在光控相控陣?yán)走_(dá)中,光波束形成網(wǎng)絡(luò)是其核心模塊,目前光波束形成網(wǎng)絡(luò)大都采用基于光開關(guān)對光路進(jìn)行切換的方案[14-15],其結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。它包括N個光開關(guān)和N個不同時延長度的光纖,從而構(gòu)成具有2N個時延單位的N位的時延網(wǎng)絡(luò)。圖中光開關(guān)1,光開關(guān)2,…,光開關(guān)N,它們在波控信號控制下可以處于延時和不延時2種狀態(tài),通過所有開關(guān)不同延時狀態(tài)的組合,可以實現(xiàn)0到2N-1△τ范圍內(nèi)的2N個延時,其延時跳變單位為△τ。顯然,這種結(jié)構(gòu)的光延時網(wǎng)絡(luò)除了需要2×2光開關(guān)和延時光纖外,不需要多個激光器和探測器,所以結(jié)構(gòu)簡單,插損較小,且延時長度和時延跳變單位完全由延時光纖的時延長度值和開關(guān)個數(shù)決定,此外還易于集成。

圖4 基于光開關(guān)切換的光波束形成網(wǎng)絡(luò)

在實際使用中,光相控陣?yán)走_(dá)一般采用子陣延時,但這種延時是離散的,因此會出現(xiàn)延時量化造成的副瓣抬高和指向偏斜,而且當(dāng)延時位數(shù)過少或光學(xué)真延時(OTTD)的時延步長過大時,將使得相鄰區(qū)域內(nèi)的波束不可分辨。

3 光控相控陣?yán)走_(dá)幅相誤差的仿真分析

3.1 隨機(jī)幅相誤差的影響仿真分析

圖5為基于光控陣列的天線在不同隨機(jī)幅度誤差下的誤差分布和天線方向圖,由圖可以看出,隨著幅度誤差的增大,天線旁瓣天平逐漸升高。當(dāng)幅度誤差為±2 d B時,幅度誤差對天線方向圖的影響不大,此時,平均副瓣電平為-35 dB;當(dāng)幅度誤差增大到±5 d B時,平均副瓣電平為-25 d B;當(dāng)幅度誤差為±10 dB時,平均副瓣電平為-18 dB。

圖6為基于光控陣列的天線在不同隨機(jī)相位誤差下的誤差分布和天線方向圖,由圖可以看出,隨相位誤差的增大,天線旁瓣天平逐漸升高。當(dāng)相位誤差為±5°時,隨機(jī)相位誤差對天線方向圖的影響不大,平均副瓣電平為-35 dB;當(dāng)相位誤差增大到±10°時,平均副瓣電平為-30 dB;當(dāng)相位誤差為±20°時,平均副瓣電平為-27 dB。

圖5 基于光控陣列的不同隨機(jī)幅度誤差下的誤差分布和天線方向圖

圖6 基于光控陣列的不同隨機(jī)相位誤差下的誤差分布和天線方向圖

圖7 為基于光控陣列的天線在不同幅相隨機(jī)誤差下的誤差分布和天線方向圖,由圖可以看出,當(dāng)幅度誤差為±2 d B、相位誤差為±5°時,幅相隨機(jī)誤差對天線方向圖的影響不大;隨著幅相誤差的增大,天線旁瓣天平逐漸抬高,從而影響天線性能;當(dāng)幅度誤差為±10 dB,相位誤差為±20°時,平均副瓣電平為-17 d B。

圖7 基于光控陣列的不同隨機(jī)幅相誤差下的誤差分布和天線方向圖

因此,為了減小隨機(jī)幅相誤差的影響,必須對各通道激光器、調(diào)制器、光波束形成網(wǎng)絡(luò)、光耦合器和光探測器等器件進(jìn)行篩選,并在通道間引入幅相補(bǔ)償模塊,實時補(bǔ)償幅相誤差的影響。

3.2 延時量化誤差的影響仿真分析

圖8是基于光控掃描的陣列天線在延時量化位數(shù)為2 bit、4 bit、6 bit時的天線方向圖。由圖可以看出,相位量化誤差越大,旁瓣越高;當(dāng)量化位數(shù)為6位時,量化誤差的影響基本可以忽略。

因此,在進(jìn)行光控相控陣的設(shè)計時,必須綜合考慮,選擇合適的延時量化位數(shù),從性能和成本進(jìn)行折衷。

4 結(jié)束語

本文針對目前微波光子器件和延時量化帶來光控相控陣?yán)走_(dá)幅相誤差,開展仿真研究。首先分析了光控相控陣?yán)走_(dá)二維波束掃描的基本原理,然后對幅相誤差產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析研究,最后重點進(jìn)行了仿真研究。本論文的研究可為光控相控陣?yán)走_(dá)的設(shè)計提供一定的參考意義。

圖8 基于光控掃描的不同延時量化位數(shù)下的天線方向圖