周中昊， 王 凱， 王 鵬， 戴澤璟， 韓守保， 張業(yè)斌， 段宗明

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽合肥230088)

0 引 言

相控陣波束形成技術(shù)由于具有同時(shí)多波束、靈活掃描、波束切換迅速等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在雷達(dá)探測(cè)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用和研究?；陔娤嘁破鞯膫鹘y(tǒng)相控陣技術(shù)，由于不同頻率波束的色散傾斜效應(yīng)而限制了其工作帶寬，從而極大限制了傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)的性能，如雷達(dá)分辨率、抗干擾、寬帶收發(fā)等。而無(wú)波束傾斜效應(yīng)的基于真延時(shí)體制的相控陣技術(shù)能夠有效克服上述難題，但是傳統(tǒng)的基于電子學(xué)體制的真延時(shí)技術(shù)存在損耗大、幅度不均衡、系統(tǒng)復(fù)雜度高等劣勢(shì)。

微波光子學(xué)技術(shù)是利用電光轉(zhuǎn)換技術(shù)將微波信號(hào)變換到光域，在光域?qū)ξ⒉ㄐ盘?hào)進(jìn)行處理，可以充分發(fā)揮光子學(xué)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。典型的微波光子技術(shù)主要包括光控真延時(shí)、光載射頻傳輸、微波光子濾波器、微波光子信道化接收、光子輔助任意波形產(chǎn)生等。其中光控真延時(shí)技術(shù)，能夠有效實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)的真延時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)波束傾斜效應(yīng)的二維寬帶同時(shí)多波束掃描。

隨著微納加工技術(shù)的不斷發(fā)展，基于二氧化硅、氮化硅、絕緣體上硅、鈮酸鋰薄膜等各種材料的硅基微納加工工藝日趨成熟，現(xiàn)今集成度更高的集成微波光子技術(shù)也得到迅猛發(fā)展。利用集成微波光子技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)集成度更高、體積更小、功耗更低、性能更穩(wěn)定的微波光子系統(tǒng)，有效解決基于分立器件的微波光子技術(shù)系統(tǒng)體積大和復(fù)雜度高等問(wèn)題。

二維相控陣波束形成技術(shù)由于其靈活機(jī)動(dòng)等優(yōu)勢(shì)在雷達(dá)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，而基于微波光子學(xué)技術(shù)的二維多波束形成系統(tǒng)也得到了廣泛的研究。現(xiàn)今國(guó)內(nèi)外關(guān)于二維光控波束形成的研究主要基于傳統(tǒng)分立器件的系統(tǒng)，2021年文獻(xiàn)[8]報(bào)道了利用模分復(fù)用機(jī)制的二維光控波束形成系統(tǒng)，系統(tǒng)基于單模和多模光纖等分立器件的搭建，且存在體積重量大及系統(tǒng)穩(wěn)定性差等劣勢(shì)。而硅基片上集成的二維光控系統(tǒng)則鮮有報(bào)道。2021年文獻(xiàn)[9]介紹了一種基于集成光真延時(shí)線網(wǎng)絡(luò)的二維光控波束形成系統(tǒng)架構(gòu)，主要研究了4種延時(shí)參數(shù)的7比特集成光開(kāi)關(guān)延時(shí)線，文章利用各延時(shí)線測(cè)試結(jié)果用于二維光控系統(tǒng)架構(gòu)的模擬驗(yàn)證。同年，文獻(xiàn)[10]報(bào)道了1×4通道的光波束形成網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)結(jié)合磷化銦和氮化硅材料各自優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了全集成的寬帶連續(xù)可調(diào)的光波束形成系統(tǒng)，限于系統(tǒng)復(fù)雜度等原因文章報(bào)道的為一維波束形成。

硅基片上集成主要包括二氧化硅、絕緣體上硅、鈮酸鋰薄膜、III-V族化合物和氮化硅等材料系統(tǒng)，其中二氧化硅材料相對(duì)于其他材料體系具有損耗小、易于耦合、工藝成熟等多種優(yōu)勢(shì)。本文提出的片上集成二維可擴(kuò)展光控波束形成系統(tǒng)，是基于二氧化硅材料的微納加工工藝的集成微波光子真延時(shí)技術(shù)，通過(guò)片上集成芯片加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)了各分立器件的片上集成封裝和小型化。利用俯仰延時(shí)模塊實(shí)現(xiàn)俯仰向延時(shí)控制，再通過(guò)基于光開(kāi)關(guān)延時(shí)線實(shí)現(xiàn)方位向延時(shí)掃描控制，從而實(shí)現(xiàn)俯仰同時(shí)多波束，方位向多波束多波位獨(dú)立掃描。最后對(duì)片上光控波束形成樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。

1 工作原理

本節(jié)主要在雷達(dá)坐標(biāo)系下對(duì)二維光控波束形成基本原理進(jìn)行介紹和理論計(jì)算，并結(jié)合理論計(jì)算分析片上集成光控真延時(shí)模塊設(shè)計(jì)。

1.1 二維光控波束形成

在雷達(dá)坐標(biāo)系下，天線陣面在0平面，方位角和俯仰角指向?qū)?yīng)示意圖1中所示： 圖1中，目標(biāo)到各天線單元的距離差決定了天線陣元接收到的目標(biāo)方向信號(hào)的相位差，可以將各相鄰天線單元之間的相位差分別表示為

(1)

(2)

(a) 天線陣面示意圖

(b) 目標(biāo)指向示意圖圖1 雷達(dá)坐標(biāo)系天線陣和目標(biāo)方向角示意圖

式中：方位向方向相鄰天線陣元間距為,相位差為；俯仰向方向相鄰天線單元間距為,相位差為；俯仰角,方位角分別對(duì)應(yīng)天線陣面形成設(shè)定的波束指向角。

按照式(1)和式(2)配置各天線單元對(duì)應(yīng)的相位差，約定原點(diǎn)處的天線單元為參考單元(0, 0)，對(duì)應(yīng)的第(,)個(gè)天線單元其幅度加權(quán)系數(shù)為，可以得出天線陣面的二維方向圖函數(shù)為

(sin-)]}

(3)

式中方向天線單元數(shù)為，方向單元數(shù)為。由式(3)可知，通過(guò)改變相鄰陣元間的相位差和可以實(shí)現(xiàn)相控陣二維掃描，即實(shí)現(xiàn)不同方位角和俯仰角指向的目標(biāo)信號(hào)的接收探測(cè)。

1.2 片上集成二維光控真延時(shí)技術(shù)

片上集成真延時(shí)技術(shù)，通過(guò)光信號(hào)在不同長(zhǎng)度的平面光波導(dǎo)中的傳播延時(shí)不同，從而實(shí)現(xiàn)不同通道的延時(shí)控制。不同通道真延時(shí)差Δ與平面光波導(dǎo)相對(duì)長(zhǎng)度差Δ之間關(guān)系可以表示如下：

(4)

式中：為平面光波導(dǎo)折射率，與波導(dǎo)材料有關(guān)；為真空中光速。

由式(3)可知，為實(shí)現(xiàn)天線陣方向圖最大值指向?qū)?yīng)方位角和俯仰角，需要通過(guò)相位控制，實(shí)現(xiàn)和軸方向各相鄰天線單元間的相位差分別滿足式(1)和式(2)。由此可知，需要對(duì)各天線陣元進(jìn)行延時(shí)配置以使相鄰天線單元間延時(shí)差滿足以下關(guān)系式：

(5)

(6)

式中，Δ與Δ均由式(4)確定，分別對(duì)應(yīng)方向和方向相鄰陣元間的相對(duì)延時(shí)差。

要利用光波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)如式(5)、式(6)所示的可調(diào)真延時(shí)控制，可采用如圖2所示的可調(diào)延時(shí)結(jié)構(gòu)。各級(jí)的平面光波導(dǎo)延時(shí)線長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)不同的指向角由上述計(jì)算得出，通過(guò)光開(kāi)關(guān)控制光載微波信號(hào)經(jīng)過(guò)各級(jí)延時(shí)線，實(shí)現(xiàn)所需的真延時(shí)控制。由圖2中開(kāi)關(guān)橫截面圖所示，光波導(dǎo)由芯層、包層以及硅基襯底組成，由于芯層折射率大于包層，特定光學(xué)模式的光模場(chǎng)主要局限在芯層波導(dǎo)中，典型的二氧化硅平面光波導(dǎo)基模光模場(chǎng)示意圖如圖中所示。

圖2 可調(diào)延時(shí)結(jié)構(gòu)及其光開(kāi)關(guān)橫截面和模場(chǎng)分布圖

因此，通過(guò)結(jié)合圖2中的可調(diào)真延時(shí)結(jié)構(gòu)，利用式(5)、式(6)可在平面光波導(dǎo)芯片上設(shè)計(jì)如圖3所示的二級(jí)級(jí)聯(lián)的波導(dǎo)延時(shí)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)方位向和俯仰向相結(jié)合的二維掃描。如圖3所示，天線陣面和電光轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)將接收到的目標(biāo)方向的電磁信號(hào)轉(zhuǎn)換為光載微波信號(hào)，各天線陣列通過(guò)對(duì)應(yīng)的俯仰向延時(shí)和方位向延時(shí)兩級(jí)延時(shí)陣面模塊，實(shí)現(xiàn)光載微波信號(hào)的二維延時(shí)控制，最后通過(guò)光電轉(zhuǎn)換與合成模塊實(shí)現(xiàn)多波束合成和電信號(hào)輸出。不同目標(biāo)空間位置對(duì)應(yīng)的波束指向不同，其對(duì)應(yīng)的天線陣元俯仰向延時(shí)差通過(guò)俯仰向延時(shí)波導(dǎo)補(bǔ)償，以滿足式(5)；不同波束對(duì)應(yīng)的方位向延時(shí)差通過(guò)圖示中的不同子陣間方位向延時(shí)差實(shí)現(xiàn)，滿足式(6)，從而實(shí)現(xiàn)俯仰方位向二維波束形成。

2 實(shí)驗(yàn)研究和結(jié)果分析

2.1 片上集成二維光控波束形成樣機(jī)

基于上述分析，為實(shí)現(xiàn)硅基片上集成二維同時(shí)多波束獨(dú)立掃描系統(tǒng)，本實(shí)驗(yàn)組采用的是如圖3所示的系統(tǒng)架構(gòu)?；诠杌趸杵矫婀獠▽?dǎo)加工平臺(tái)，完成關(guān)鍵硅基光芯片器件設(shè)計(jì)加工。

如圖3所示，天線接收的微波信號(hào)調(diào)制為光載射頻信號(hào)，通過(guò)光纖耦合進(jìn)入到片上集成光網(wǎng)絡(luò)芯片中。利用平面光波導(dǎo)分束器實(shí)現(xiàn)光載射頻信號(hào)的分束，再通過(guò)俯仰延時(shí)模塊實(shí)現(xiàn)俯仰向不同通道相對(duì)延時(shí)控制。隨后光載信號(hào)輸入到片上集成開(kāi)關(guān)延時(shí)芯片中，通過(guò)開(kāi)關(guān)延時(shí)線實(shí)現(xiàn)方位向的延時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)方位向波束掃描。最后通過(guò)光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，結(jié)合功分器實(shí)現(xiàn)不同子陣間的波束的合束，最終完成俯仰同時(shí)多波束，各波束在方位向多波位獨(dú)立掃描的二維波束形成系統(tǒng)。

為驗(yàn)證上述硅基集成二維多波束光控波束形成系統(tǒng)性能，完成了如圖4所示基于硅基片上平面光波導(dǎo)的波束形成樣機(jī)研制。在圖4(a)所示硅基集成平面光波導(dǎo)光網(wǎng)絡(luò)芯片模塊中，實(shí)現(xiàn)片上集成同時(shí)多波束形成網(wǎng)絡(luò)。圖4(b)展示了模塊中開(kāi)關(guān)延時(shí)線光芯片實(shí)物圖。

利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，結(jié)合電光調(diào)制合成放大模塊和光電轉(zhuǎn)換模塊，完成如圖4(a)所示的系統(tǒng)模塊性能的測(cè)量。將矢網(wǎng)輸出端口分別連接電光調(diào)制合成放大模塊各通道對(duì)應(yīng)的電光調(diào)制器，然后將對(duì)應(yīng)的波束合成射頻信號(hào)連接到矢網(wǎng)的輸入端口。通過(guò)矢網(wǎng)完成系統(tǒng)各波束對(duì)應(yīng)的通道的S21測(cè)量，獲取各通道的幅度和相對(duì)相位的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)各實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析完成系統(tǒng)方向圖仿真。

圖3 典型的片上集成二維光控相控陣原理示意圖

(a) 光網(wǎng)絡(luò)芯片模塊 (b) 開(kāi)關(guān)延時(shí)線光芯片圖4 硅基片上集成模塊實(shí)物圖

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析

結(jié)合矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等實(shí)驗(yàn)裝置開(kāi)展對(duì)各波束對(duì)應(yīng)通道的測(cè)量，完成實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。首先是各個(gè)波束對(duì)應(yīng)通道的相對(duì)相位如圖5所示。單個(gè)子陣陣面俯仰向各通道間的相對(duì)相位與頻率關(guān)系如圖5(a)所示，各通道相位均以通道CH1作為參考?？梢钥闯龈魍ǖ老鄬?duì)相位相對(duì)于頻率具有良好的線性度。方位向各通道延時(shí)通過(guò)可調(diào)延時(shí)線實(shí)現(xiàn)。對(duì)于單個(gè)通道，開(kāi)關(guān)延時(shí)線各種狀態(tài)的延時(shí)量對(duì)應(yīng)的相對(duì)相位與頻率關(guān)系如圖5(b)所示，其中取波束指向?yàn)?°時(shí)對(duì)應(yīng)的相位為參考相位，S1到S16分別對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)延時(shí)線的16種狀態(tài)。同樣可以看出，通過(guò)真延時(shí)實(shí)現(xiàn)的各狀態(tài)的相對(duì)相位具有良好的線性度。

(a) 俯仰向不同通道相對(duì)相位

(b) 方位向不同延時(shí)狀態(tài)相對(duì)相位圖5 相對(duì)相位譜實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

結(jié)合對(duì)各波束對(duì)應(yīng)通道測(cè)量得到的S21曲線，利用實(shí)測(cè)的相對(duì)相位和幅頻響應(yīng)等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)公式(3)對(duì)各波束進(jìn)行理論計(jì)算，可以得出典型的波束方向圖。

基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別對(duì)各波束進(jìn)行方向圖計(jì)算，得到18 GHz頻點(diǎn)處，對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)延時(shí)線狀態(tài)S8，即方位向?yàn)榇怪碧炀€陣面處附近對(duì)應(yīng)的各波束方位向方向圖如圖6所示。同樣，針對(duì)典型方位向指向?yàn)?°的單波束，對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)延時(shí)線控制的各開(kāi)關(guān)延時(shí)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的方向圖的俯仰向方向圖如圖7所示，對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)為18 GHz，由于俯仰向天線陣元較少，因此對(duì)應(yīng)的俯仰向波束較寬，副瓣幅度較大。結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果，可以驗(yàn)證各波束能夠有效覆蓋空域俯仰向±60°范圍，方位向±45°范圍，同時(shí)5波束16波位獨(dú)立掃描。

圖6 18 GHz處各波束對(duì)應(yīng)俯仰延時(shí)狀態(tài)8計(jì)算的方位向方向圖

圖7 18 GHz處方位向波束3對(duì)應(yīng)各開(kāi)關(guān)延時(shí)線狀態(tài)計(jì)算的俯仰向方向圖

圖8 各頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)方位向-30°波束的方向圖

圖9 各頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)俯仰向30°波束的方向圖

為了分析本系統(tǒng)基于真延時(shí)的大帶寬波束無(wú)傾斜優(yōu)勢(shì)，通過(guò)對(duì)單個(gè)波束對(duì)應(yīng)的各頻點(diǎn)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行分析，得到6～20 GHz各頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的俯仰向剖面圖如圖8所示，方位向剖面圖如圖9所示，其中對(duì)應(yīng)的波束為方位向指向-30°，俯仰向指向30°，可以看出基于真延時(shí)的光控波束形成沒(méi)有孔徑效應(yīng)引起的波束傾斜效應(yīng)。

通過(guò)上述對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析仿真計(jì)算可知，對(duì)于基于平面光波導(dǎo)的真延時(shí)光控波束形成系統(tǒng)，能夠有效實(shí)現(xiàn)二維波束接收，并且無(wú)波束傾斜效應(yīng)，具有大的瞬時(shí)帶寬和大的掃描范圍，能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)多波束接收和各波束多波位獨(dú)立掃描的功能。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于片上集成的大瞬時(shí)帶寬、方位向同時(shí)多波束、俯仰向各波束獨(dú)立掃描的光控波束形成系統(tǒng)。通過(guò)子陣模塊化積木式擴(kuò)展即可實(shí)現(xiàn)二維大陣列系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)中對(duì)上述子陣性能進(jìn)行測(cè)試，各通道波束指向與設(shè)計(jì)值吻合，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的方向圖顯示系統(tǒng)的無(wú)孔徑效應(yīng)的帶寬達(dá)到14 GHz，波束能夠有效覆蓋空域俯仰向±60°范圍，方位向±45°范圍，同時(shí)5波束16波位獨(dú)立掃描。基于模塊化子陣可實(shí)現(xiàn)大陣列擴(kuò)展，只需要在各架構(gòu)完全相同的子陣間加入陣間相對(duì)延時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)大陣列擴(kuò)展系統(tǒng)。這項(xiàng)技術(shù)能夠極大減小現(xiàn)有光控相控陣系統(tǒng)的體積重量，為將來(lái)大陣列無(wú)波束傾斜、大帶寬、二維同時(shí)多波束系統(tǒng)提供技術(shù)支撐。