硅基微波光子波束形成器研究进展

微波波束形成器是相控阵雷达、5G通信基站等射频发射系统中的核心器件。近年来硅基微波光子波束形成器以其带宽大、尺寸紧凑、重量轻、损耗低、抗电磁干扰等优势成为微波光子学中的研究热点之一。文章从微波光子波束形成的基本原理和性能指标出发,总结了近年来应用于微波光子波束形成器的多种集成可调光学真延迟线结构和波束形成网络架构,并介绍了微波光子波束形成系统集成芯片和自动化控制的最新进展,最后对硅基微波光子波束形成器的未来发展进行了展望。     

基于微光学阵列差分真时延网络的光学多波束合成系统

提出了一种基于微光学阵列差分真时延网络的光学多波束合成系统,研究了该系统中结构参数与波束形成性能的关系。通过改进基于微光学阵列差分真时延网络的参数,优化了差分真时延网络的初相位以及幅相一致性;通过改进天线单元的参数结构,优化了各个天线单元的方向图,解决了合成波束时容易出现栅瓣及波束较宽的问题。所提系统可抑制栅瓣,得到的旁瓣消光比大于10dB,频率为3.8GHz时的3dB带宽为35°,频率为4.9GHz时3dB带宽为29°,指向误差小于1.5°,频率覆盖范围为2~6GHz。该系统在光学相控阵雷达中具有广阔的应用前景。     

用于相控阵雷达的集成光学器件

用集成光学器件实现相控阵雷达天线的波束形成、控制和归零,有其独特的优点。本文介绍几种用于相控阵雷达的集成光学器件,包括:LiNbO_3集成光学功分器、电光相位调制器、大动态范围调制器和集成光学巴特勒矩阵。     

光通信技术在相控阵天线中的应用

在简要介绍微波相控阵天线基本特性的基础上,详细介绍了用于微波相控阵天线的光子实时时延（TTD）波束形成网络及其性能特点.     

基于OTTD的宽带相控阵空间色散补偿技术研究

从理论上分析了普通相控阵天线空间色散产生的原因,数值模拟了工作频率、波控角对空间色散的影响,对采用子阵光学真延时补偿相控阵天线空间色散的技术进行了理论分析和数值模拟。结果表明对于普通相控阵天线,当工作频率为8GHz、波控角为40°时,对应的波束偏移为13.5°,远远不能满足宽带、宽角度工作的要求,而采用光学真延时(OTTD)技术的相控阵天线,在工作频率为8GHz、波控角为60°时,波束偏移量不到2°,满足了宽带、宽角度工作的要求。     

X波段的64单元相控阵天线的实时延迟线系统

提出一种用于X波段的64单元相控阵天线的实时延迟线系统。采用压电陶瓷(PZT)调节线性啁啾光纤的长度,实时地改变时延的长短。每支延迟线的调节范围为0~350 ps。系统采用8次时延叠加的方法,获取大角度扫描所需的长时延。通过串联、并联和分组交换连接方式,将72支延迟线联成延迟网络。在同一扫描信号控制下,各延迟线能同步的调制出不同的时延,合成相控阵天线波束指向对各个发射单元所需求的时延,扫描方式可以是连续的。相控阵天线应用本系统后,波束扫描角可达±81.2°,天线搜索数据率为115.0次/s。     

基于异构集成技术的相控阵T/R组件微系统

基于硅基微电子机械系统(MEMS)工艺和三维异构集成技术,研制了一款硅基X波段2×2相控阵T/R组件.该组件采用收发一体多功能芯片方案,将所有器件封装于两层硅基中.其中上层硅基集成了低噪声放大器、功率放大器、开关、电源调制驱动器和PMOSFET等芯片,下层硅基集成了多功能芯片、串/并转换芯片以及逻辑运算芯片;两层硅基封装之间通过植球进行堆叠.最终样品尺寸仅为20 mm×20 mm×3 mm.实测结果显示,在8～ 12 GHz内,该T/R组件饱和输出功率约为29 dBm,接收增益约为21 dB,接收噪声系数小于3 dB,在具备优良射频性能的同时实现了组件的小型化.     

基于全通型分数时延滤波器的数字阵列宽带波束形成

对于宽带数字阵列雷达,由于孔径效应和孔径渡越时间影响,传统的窄带波束形成方法会导致天线波束指向不准和主瓣展宽,为此需要使用时延补偿单元取代传统窄带相控阵中的移相单元。为实现宽带数字阵列各阵元传输时延的精确补偿,可以引入分数时延滤波器。采用最小二乘法设计全通型分数时延滤波器,与群延迟最大平坦法相比较,该法灵活性更高,通过MATLAB仿真进一步验证了所设计滤波器的有效性和正确性。     

X波段宽带相控阵天线的实时延迟系统的研究

宽带相控阵天线实时延迟系统采用压电陶瓷(PZT)调制啁啾光栅的时延量,对发射信号的群速进行时延,以解决天线在发射瞬时宽带微波信号时所产生的波束定位斜视问题.根据有关数据,提出了X波段、8单元相控阵天线实时延迟系统的模型,天线的扫描范围为±60°,搜索数据率可达56.4次/s.讨论了时延量的误差对扫描角的影响、调制电压与扫描形式关系,给出了仿真结果.     

W波段64通道相控阵微系统设计与实现

相控阵微系统的主要特征是电路与天线的高度融合集成,将三维微纳集成技术和微电子技术紧密地结合在一起,切合相控阵高频化、小型化和低成本的发展需求。本文设计了一款W波段的封装天线相控阵微系统,该相控阵采用硅基三维集成的方式将T/R多功能芯片、天线阵列集成在一个微系统模块中,并详细介绍了基于硅工艺的多功能收发芯片设计和相控阵封装天线设计。给出了相控阵微系统的测试结果。该微系统具有高集成度、高性能、低成本的特点,可以为高速无线通信、高精度探测和成像等应用提供一个较优的技术路径。     

Single-Chip Ring Resonator-Based 1 × 8 Optical Beam Forming Network in CMOS-Compatible Waveguide Technology

Optical ring resonators (ORRs) are good candidates to provide continuously tunable delay in optical beam forming networks (OBFNs) for phased array antenna systems. Delay and splitting/combining elements can be integrated on a single optical chip to form an OBFN. A state-of-the-art ring resonator-based 1times 8 OBFN chip has been fabricated in complementary metal-oxide-semiconductor-compatible waveguide technology. A binary tree topology is used for the network such that a different number of ORRs is cascaded for delay generation at each output. In this letter, the principle of operation is explained and demonstrated by presenting some measurement results on the 1times 8 OBFN chip.     

毫米波多通道收发电路与和差网络一体化集成技术

相控阵天线的收发组件与和差网络通常是两个独立的模块,模块间通过接插件进行电连接,成本较高且集成度低。文中提出了毫米波多通道收发电路与和差网络一体化集成技术,将多通道收发组件与和差网络高密度集成在同一介质基板(PCB)上,芯片贴装界面与和差网络在不同层,射频和低频电路通过介质板层间和层内走线完成。最后制作8×16阵列进行无源测试验证,结果表明该一体化集成技术性能良好,具有小型化、轻量化、一体化高密度集成、制作成本低等特点,可广泛用于毫米波瓦式相控阵天线。     

A Two-Dimensional Optical True Time-Delay Beamformer Consisting of a Fiber Bragg Grating Prism and Switch-Based Fiber-Optic Delay Lines

A two-dimensional optical true time-delay (TTD) beamforming system for a planar phased array antenna (PAA) is proposed and demonstrated. The optical beamforming system consists of a fiber-Bragg-grating-prism-based wavelength-dependent TTD (WD-TTD) unit for azimuth beam steering and a microelectromechanical-system-switch-based wavelength-independent TTD (WI-TTD) unit for elevation beam steering. The time delays generated by the WD-TTD and WI-TTD are measured. The results show that the proposed system can achieve the required time delays with the time-delay errors for the WD-TTD and the WI-TTD at 1 GHz less than 11.8 and 3.6 ps, which correspond to radiation direction errors of less than 1.5deg and 0.4deg for a planar PAA with the adjacent array elements spaced by a half radio-frequency wavelength.     

低互耦星载相控阵天线设计

介绍了一款工作于Ku频段的低互耦星载相控阵天线的设计方法, 采用在阵列单元周围加载金属腔体的方式降低阵列单元之间的互耦效应, 从而改善相控阵天线的方向图扫描特性.针对相控阵天线在二维±60°范围内低副瓣波束扫描的特点, 对5×5子阵和16×16阵列进行了研究, 验证了阵列的互耦降低方法的有效性和电性能.研究结果表明:相控阵单元间互耦小于-16 dB, 而相控阵单元在15.1~16.8 GHz电压驻波比小于2, 相对带宽11%;在频率为f₀±500 MHz范围内, E面3 dB波束宽度大于98°, 5 dB波束宽度大于113°, H面3 dB波束宽度大于113°, 5 dB波束宽度大于122°.在仿真设计的基础上, 研制了子阵天线试验样机, 测试结果与设计结果吻合良好, 证明了降低互耦方法的有效性, 天线单元方向图满足在±60°范围内波束扫描的要求, 可应用于相控阵雷达系统.     

光控相控阵多通道芯片集成方案研究

光控相控阵的延时网络借助于光电子器件实现宽带微波模拟信号处理,有效突破了电子瓶颈的限制。针对光控相控阵中多通道光延时网络芯片全集成架构,进行了深入论证,研究了光延时网络中激光源、载波抑制及延时精度等因素的影响。提出了一种可用于光控相控阵设计的多通道全集成光芯片的架构方案,并搭建了S频段光链路实验平台验证。结果表明,基于该多通道架构方案的延时网络可实现宽带范围内射频增益合成。     

微波光子技术相控阵雷达天线现场校准系统

研究了基于微波光子技术的相控阵雷达天线现场校准技术。介绍了微波光子技术进行相控阵天线现场校准的基本原理,通过利用架设在相控阵天线阵面上的光学探针中的电光晶体的泡克尔斯效应,使得自探针反射的光学信号携带有天线单元的近场辐射信息,在将其进行光电转换后采用外差相干检测的方法来获得信号中所携带的天线单元的幅相信息,便可实现对天线阵面天线单元辐射场信息的快速检测,实验验证系统的电场幅度和相位测量精度可以分别达到0.3 dB和2,同时该方法对被测天线单元具有侵入性低、抗干扰能力强、体积小等优点,满足相控阵天线现场校准的实际需要,具有很强的工程实用价值。     

一种基于压控移相技术的低成本相扫天线

研制了一种基于铁电体压控移相技术的低成本相扫天线阵列,该天线采用空间馈电透镜型式,省去复杂的馈电网络,减少移相器/TR组件数量,能显著降低相控阵天线的制造成本。介绍了空馈铁电体透镜相控阵天线系统的组成及其特点。对透镜天线关键部件的设计作了详细阐述,给出了12列铁电体空馈透镜天线阵列的实验结果,结果表明:在X波段,研制的铁电体透镜天线阵列在10%频带内可实现天线波束±45°的电控扫描,各扫描状态的输入驻波比小于1.4。     

光学延时物理机质及最新进展研究

分析了光学延时相控阵雷达（天线）国内外研究现状、研究机构及最新研究进展,提炼出普通和色散光纤延时线、波分复用技术结合多波长激光器光学延时、自由空间段结合液晶开关光学延时、布拉格、啁啾光纤光栅光学延时、平面波导技术光学延时、声光技术光学延时的相控阵分类及关键技术和代表性图示,评述了光学延时相控阵雷达（天线）国内外研究概貌。