相控阵天线微波光子束成形网络
简介
相控阵天线（PAA）是雷达和通信系统的一项重要技术，无需移动天线即可实现电子波束控制。然而，实施波束成形网络来控制PAA可能具有挑战性，特别是对于宽带操作。微波光子学（MWP）技术为实现PAA波束成形网络提供了多种优势，包括低损耗、重量轻和抗电磁干扰。本文将概述相控阵天线中的关键概念，并探讨如何利用微波光子学方法为宽带相控阵天线系统实现真正的时延（TTD）波束成形网络。PAA由多个天线单元组成，这些单元以一维或二维配置排列。通过控制馈送到每个单元的信号的相位或时间延迟，可以电子方式将辐射方向图转向所需的方向。图1显示了1D和2D PAA配置的示例。
图1：1D（左）和2D（右）PAA配置示例波束成形网络将射频源/接收器连接到天线单元，并提供相位/时间延迟控制来引导波束。对于宽带操作，需要真正的时延控制来避免波束倾斜。为了理解 TTD 波束成形，让我们考虑一个由 N 个单元组成的简单线性阵列，单元间距为 d。阵列因子决定了辐射模式，其计算公式为：AF（θ） = Σ（n=1 to N） a_n * exp（jknd sin θ）其中，θ_0是所需的波束转向角。这样可在θ_0方向上产生与频率无关的波束。
关键挑战在于实现可变时间延迟，以实现不同的转向角度。这正是微波光子学技术的显著优势所在。微波光子学最早的方法之一是使用切换光纤延迟线。通过切换不同长度的多根光纤路径来提供离散的时间延迟。这种方法虽然简单，但只能提供离散的光束转向角度。一种更灵活的方法是利用光纤中的色散。基本概念如图2所示。
图2：TTD色散延迟线概念光纤布拉格光栅（FBG）为在光学领域实现TTD提供了另一个强大的工具。基于FBG的两种主要方法已经得到验证：
图3：波长切换FBG延迟线概念通过调整激光波长，可以控制不同的FBG，从而提供离散的时间延迟。延迟步长由FBG间距决定：这种方法提供了基于波长的简单切换，但仅限于离散延迟。线性啁啾光纤布拉格光栅（LCFBG）可在波长和光栅反射位置之间建立连续映射。通过调整激光波长，可实现连续TTD，如图4所示。
图4：LCFBG连续TTD概念这种方法可以在很宽的带宽内实现真正的连续光束转向。利用上述TTD元件，人们提出了各种光子波束成形网络架构。一些关键示例包括：这种架构由Esman等人首次提出，它使用一系列色散渐增的色散光纤链路来产生“棱镜”效应。图5展示了这一概念。
图5：光纤棱镜波束成形概念τ_k（Δλ） ≈ L/v_g0 + （k-1）DΔλL这会在元素之间产生增量延迟，可通过改变激光波长进行调节。光纤棱镜的概念可以扩展到基于FBG的延迟，如图6所示。
图6：FBG棱镜波束成形网络对于二维相控阵天线，可以使用级联的一维波束成形网络进行方位和仰角控制。图7显示了一个示例架构。
图7：二维光子波束成形架构这样就可以利用光子TTD技术独立控制方位角和仰角的转向。虽然光子TTD技术具有许多优点，但仍需考虑一些实际挑战：使用双边带调制的色散延迟线在某些频率下会受到载波抑制效应的影响。使用单边带调制可以缓解这一问题。某些架构需要许多可调谐激光器和滤波器，从而增加了系统的复杂性。使用单个啁啾光纤布拉格光栅的方法可以减少元件数量。光纤系统对温度波动敏感。需要适当的封装和补偿技术才能稳定运行。许多演示都使用了离散光纤元件。集成光子学是实现小型化和低成本的有效途径，因此成为研究热点。微波光子学为相控阵天线实现真正的时延波束成形网络提供了强大的技术。利用色散光纤和光纤布拉格光栅的关键方法可实现宽带、无斜视的波束控制。尽管挑战依然存在，但光子波束成形技术在雷达和通信应用中的下一代相控阵天线系统方面展现出巨大的潜力。该领域仍在不断发展，研究人员正在对集成光子技术应用、新型架构以及如何克服实际限制进行持续研究。随着光子技术的成熟，我们可以预见MWP波束形成技术将在商业和国防PAA系统中得到越来越多的应用。[1] J. Yao, J. Capmany, and M. Li, “Microwave Photonics”. Hoboken, NJ: Wiley-IEEE Press, 2024.
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