相干光控波束形成网络中幅相误差影响研究

相干光控波束形成网络中幅相误差影响研究

张国，王凯，张业斌

中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088

摘 要：相干光控波束形成技术能够解决非相干波束形成技术中波长资源的限制，在大规模光控波束形成网络应用中具有天然的优势，但是相干光控波束形成技术相对于非相干波束形成技术更容易受到光链路中的幅相误差干扰。本文根据相干光控波束形成原理，分析幅相误差对波束形成指标的影响，引入光链路随机幅相误差，仿真波束形成天线方向图、波束指向、波束宽度及平均副瓣电平，对相干光控波束形成网络设计具有参考意义。

关键词：相干，光控阵，幅相误差

1 引言

光控波束形成是将微波光子技术同相控阵雷达技术相结合的产物，具有瞬时工作带宽大、集成度高、电磁兼容性好等特点，主要分为两种架构：非相干波束形成和相干波束形成。非相干波束形成架构中具有代表性的是，基于多波长激光及光学色散效应实现光学真延时波束形成架构，该方法易于实现且系统稳定性好，但是该方法需要每个天线单元匹配一个激光波长，由于激光器波长通道数量有限，不适用于大规模的天线阵列系统中[1-2]。相干波束形成架构，是采用单个激光源发出的光信号分路后作为载波，利用光的干涉效应进行信号的加权，能够解决非相干波束形成技术中波长资源的限制，在大规模光控波束形成网络应用中具有天然的优势。但是由于其对通道间的幅度和相位要求苛刻，相干光控波束形成一般通过片上集成技术的精确幅相调节降低通道间幅相误差，适用于大规模光控波束形成网络[3-5]。光链路幅相误差会影响非相干光控波束指向精度、平均副瓣电平等指标，对于相干光控波束形成架构，由于通道间的光学幅相误差直接转换为射频幅相误差，因此相干光控波束形成对光学幅相误差更为敏感。本文基于相干光控波束形成原理，分析并仿真光链路通道间光学幅相误差对相干光控波束形成的影响。

2 相干光控波束形成幅相误差仿真

相干光控相控阵网络采用光学真延时进行波束形成，光学真延时网络传输特性的幅度和相位特性并非是理想的，因此必然存在着幅度和相位误差。光链路中幅相随机误差不易进行实时补偿，需要优化光链路参数，减小该随机误差，并具体分析该误差对系统参数的影响。随机幅相误差主要是由相干光控相控阵网络中各通道光链路幅相不一致带来的，一般来说，光场随机幅相误差可以用一个零均值的正态分布来表示。即：

当幅相误差均为0时，相干光控波束形成网络在不同波束指向角下方向图如图1（a）所示，其中，波束指向角为30°时方向图如图1（b）所示，该波束指向角下，波束宽度为3.65°，平均副瓣电平为-25.78 dB。本文随机产生400组相位误差标准差5°，幅度误差标准差0.5 dB的幅相误差，仿真相干光控阵列天线方向图及波束形成指标，图1（c）为400组随机幅相误差下天线方向图，图1（d）为400组随机幅相误差下天线波束指向，波束指向平均值30.00°，波束指向标准差0.03°，图1（e）为400组随机幅相误差下波束宽度，波束宽度平均值3.65°，波束宽度标准差0.02°，图1（f）为400组随机幅相误差下平均副瓣电平，平均副瓣电平平均值-22.40 dB，标准差1.03 dB。

图1 天线方向图及波束形成指标

3 结论

本文通过仿真，在光链路幅度误差0.5 dB及相位误差5°时，仿真得到相干光控波束形成波束指向误差0.03°，波束宽度误差0.02°，平均副瓣电平相对于0幅相误差网络提升3.38 dB，幅相误差对相干光控波束形成影响较大。由于光频段较高，光信号相位在传输过程中容易受到温度、震动、应力等影响，因此相干光控波束形成应进行幅相误差补偿或通过集成光子链路实现，以减小通道间幅相误差，从而提高相干光控波束形成质量。

参考文献：

[1]陈尔东，贺文干，吴彭生，等. 基于光纤色散的光学波束形成网络技术研究[J]. 光电技术应用， 2017， 32(6):29-34.

[2]江友平，梁晶. 色散光纤在X波段光控相控阵雷达技术中的应用[J]. 舰船电子对抗， 2012, 35(2):47-53.

[3]Venessa C. Duarte, Joao G. Prata, Carlos F. Ribeiro, et al, “Modular coherent photonic-aided payload receiver for communications satellites” Nature Communications. 10(1), (2019):1-9.

[4]Chiritos Tsokos, Elias Mylonas, Panos Groumas, et al, “Analysis of a multi-beam optical beamforming network based on blass matrix architecture” Journal of lightwave technology. 36(1), (2018):3354-3372.

[5]M. Burla, A. Garcia Garcia, L. Zhuang, A. Meijerink, et al. “Optical phase synchronization in coherent optical beamformers for phased array receive antennas” IEEE LEOS Annual meeting conference proceedings. (2009):693-694

*基金项目：安徽省自然科学基金项目（编号：2008085QF315）

张国（1991-），男，汉族，安徽合肥人，博士，工程师，中国电子科技集团公司第三十八研究所，研究方向：微波光子技术、光信号处理技术。