光实时延时技术进展

　　0　引言

　　相控阵天线技术(PAA)自20世纪70年代开始应用以来,在雷达领域以其独特的优势占据重要的地位,但其射频电子波束形成机构体积和重量均较大,限制了它的广泛应用。特别在机载和星载应用中,必须寻求体积更小、重量更轻的相控阵雷达。上世纪90年代以来,光实时延时技术(OTTD,Optical True Time Delay)全面成熟,逐渐被应用于光控相控阵天线(OCPAA)。应用于光控相控阵天线的光实时延时技术的主要技术思想是:电信号的频率相对于光频来说极低,可以将它加载到光波上,再对这个加载了电信号的光波进行延时,然后用光探测器将电信号提取出来,提取出的电信号与调制前的电信号除了在相位上有了一定的延时外,其他特征完全相同,具有这样处理流程的实时延时(TTD)系统被称之为OTTD系统.

　　光延时技术与相控阵天线技术的融合,解决了传统相控阵雷达的两大技术瓶颈,即瞬时大带宽的制约及波束偏斜问题。在光控相控阵天线系统中采用光实时延时单元取代基于纯电的实时延时单元,使得OCPAA系统具有重量轻、体积小、功耗低、抗电磁干扰能力强和成本低等优点。此外,光实时延时技术在光交换技术及无线通信技术中都有广泛的应用前景。

　 1　光实时延时技术的理论基础

   时延是信号以一定速度通过波导的必然结果。对于光延迟线,延迟时间τ为

　　式中,L是光波传输通过的介质长度,Vg是相应的相速度。光纤是最具吸引力的介质,此外,自由空间及平面光波导也可作为传输介质。不考虑自由空间作为介质的情况,受色散的影响,光的传播速度是波长的函数。

　　由式(1)可知,要想得到不同的延时,可以通过三种方式获得:其一,光源的波长固定,改变介质长度;其二,介质长度固定,改变光源的波长;其三,介质长度和光源波长同时改变。对方式一,时延的变化Δτ为

式中,D为色散系数,它是波长的函数,显然,具有大色散系数的色散元件对于获得大的时延是有利的。应用在相控阵雷达的光实时延时的技术方案已经有很多,下面分析一些典型的技术方案.

　　2　光纤型光实时延时技术

　　基于光纤的OTTD技术是研究的最早的技术方案,传统的光纤型OTTD是通过选择不同的光纤路径来获得若干离散的时延值,传输路径可分固定路径式和动态配置式两种。

　　2.1　传统固定路径式

　　文献[1]中首次提出的光控相阵雷达就是采用的传统固定路径式光纤延时技术。如图1所示,它包含了8段特定长度的光纤和8只光源,工作时通过偏置开关的配置选通其中一特定的光源,电信号被调制到这个光源上,再通过一个8∶1的光合路器把光送到光探测器,最后恢复出电信号。光纤长度的差值取决于天线的孔径和最大的转向角,23个分离的延时状态刚好提供了3 bit的分辨率,主辐射波瓣可以被指向8个方向中的任意一个,光纤的路径越多,分辨率也越高