可编程光延时矩阵及光控多波束形成装置

1.本发明涉及一种多波束形成装置，尤其涉及一种光控多波束形成装置，属于微波光子学技术领域。


背景技术：

2.随着无线通信系统容量需求的急剧增长，4g时代基于小规模天线的mimo系统已经难以适应发展趋势。到了5g时代，为了解决这个问题，大规模mimo技术应运而生。相较于4g mimo的最多8天线，大规模mimo可以在5g中实现16、32、64、128、甚至是更大规模的天线。作为5g关键技术之一，大规模mimo技术最重要的组成部分就是多波束形成。传统的基于纯电子技术的波束形成系统存在“电子瓶颈”，而受益于光元件的大带宽和低损耗，微波光子多波束形成有着尺寸小、控制灵活、重量轻、抗电磁干扰等优点。光控多波束形成技术主要包含移相和时延两种手段，基于移相原理的波束形成系统由于其固有的波束倾斜效应，只能实现窄带的波束，而时延技术因为不存在波束偏斜问题所以应用较广。
3.近十年来，国内外对于光控多波束形成技术均进行了深入研究并有所进展。美国的德克萨斯大学提出了一种基于光子晶体光纤的实时延时波束形成器(subb araman.h,chen.m.y,chen.r.t.photonic crystal fiber
‑
based true
‑
time
‑
delay beamformer for multiple rf beam transmission and reception of an x
‑
band phased
‑
array antenna[j].journal of lightwave technology,2008,26(15):2803
‑
2809.)，利用光子晶体光纤的高色散系数，不同波长的信号经过不同长度的光子晶体光纤会产生不同的时延。该方案虽然可以产生多波束，但是由于光子晶体光纤的长度固定不可切换，波束指向只能通过改变激光器的波长来实现，成本较大；而且光子晶体光纤的制备困难。南京航空航天大学提出了一种多波长源和色散光纤的组合架构(ye.x,zhang.f,pan.s.optical true time delay unit formulti
‑
beamforming[j].optics express,2015,23(8):10002.)，该方案中，n个不同的射频信号被调制到光频梳中的每一根梳齿上，经过色散光纤后可以得到多个rf信号的各种时间延迟，插入n端口可编程滤波器来选择n条梳状线，然后将这些梳状线分成n条路径。在每一个路径中由微波光子滤波器提取所需的rf信号。利用可编程滤光器具有灵活的波长选择优势，在每个路径上对某个射频信号引入一个独立的可控时延，从而实现多波束成。但是该系统需要n个滤波器分离频率，结构较为复杂(要实现多波束至少需要两套这样的结构)。


技术实现要素：

[0004]
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种时延量可变且多样的可编程光延时矩阵，并基于该可编程光延时矩阵提供一种光控多波束形成装置，可同时形成多波束且波束指向更多且可调。
[0005]
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
[0006]
一种可编程光延时矩阵，包含由m
×
n个光开关所组成的阵列，每一行首、尾的光开
关分别为1
×
2型和2
×
1型，其余光开关都为2
×
2型，m、n均为大于2的整数；每一行中任意两个相邻光开关的一对端口通过一条零色散光纤连接，另一对端口则通过一条色散光纤连接；同一行中的n
‑
1条色散光纤的色散系数相同但长度不同，同一列中的m条色散光纤的长度相同但色散系数不同。
[0007]
优选地，每一行中色散光纤的长度变化规律均相同。
[0008]
进一步优选地，所述色散光纤的长度变化规律为按2的幂次递增/递减。
[0009]
优选地，每一列中色散光纤的色散系数变化规律均相同。
[0010]
进一步优选地，所述色散光纤的色散系数变化规律为等差递增/递减。
[0011]
一种光控多波束形成装置，包括：
[0012]
激光器阵列，其包含k个输出不同波长光载波的激光器，k为大于1的整数；电光调制器阵列，其包含k个电光调制器，用于用k个微波波束对所述k个不同波长光载波分别进行调制，生成k路调制信号；
[0013]
k
×
m光耦合器，用于将所述k路调制信号的耦合信号均分为m路；
[0014]
光延时矩阵，其为如上任一技术方案所述可编程光延时矩阵，该可编程光延时矩阵的m行输入端与k
×
m耦合单元的m个输出端一一对应地连接；
[0015]
光电探测器阵列，其包含m个光电探测器，用于一一对应地将延时矩阵的m行输出信号转换为电信号；
[0016]
天线阵列，其包含与光电探测器阵列的m个光电探测器的输出端一一对应地连接的m个天线阵元。
[0017]
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
[0018]
本发明可编程光延时矩阵利用光开关的切换选择不同的路径，使不同波长经过不同长度的色散光纤后产生不同的时延，从而形成不同指向的波束，时延量更多且可实时调节。
[0019]
本发明光控多波束形成装置基于延时原理，理论上没有波束倾斜效应，工作带宽更宽，控制更加灵活，可以同时实现多波束且波束指向可实时调节。
附图说明
[0020]
图1为本发明提供的可编程光延时矩阵一个优选实施例的结构示意图；
[0021]
图2为本发明提供的光控多波束形成装置一个优选实施例的结构示意图；
[0022]
图3为4阵元3比特2波束的本发明光控多波束形成装置的结构示意图；
[0023]
图4为图3所示光控多波束形成装置中可编程光延时矩阵的结构原理示意图；
[0024]
图5为图3所示光控多波束形成装置中各阵元与时延的关系示意图；
[0025]
图6为图3所示光控多波束形成装置中两个波束的方向图。
[0026]
图中的附图标记含义如下：
[0027]
1、可编程光延时矩阵，2、1
×
2型光开关，3、色散光纤，4、零色散光纤，5、2
×
2型光开关，6、激光器阵列，7、电光调制器阵列，8、k
×
m光耦合器，9、光电探测器阵列，10、天线阵列。
具体实施方式
[0028]
针对现有技术不足，本发明的解决思路是利用光开关阵列及色散光纤、零色散光纤来构建可编程光延时矩阵，利用光开关的切换选择不同的路径，使不同波长经过不同长度的色散光纤后产生不同的时延，从而形成不同指向的波束，时延量更多且可实时调节。并在基础上构建出工作带宽更宽，控制更加灵活，可以同时实现多波束且波束指向可实时调节的光控多波束形成装置。
[0029]
本发明所提出的可编程光延时矩阵，包含由m
×
n个光开关所组成的阵列，每一行首、尾的光开关分别为1
×
2型和2
×
1型，其余光开关都为2
×
2型，m、n均为大于2的整数；每一行中任意两个相邻光开关的一对端口通过一条零色散光纤连接，另一对端口则通过一条色散光纤连接；同一行中的n
‑
1条色散光纤的色散系数相同但长度不同，同一列中的m条色散光纤的长度相同但色散系数不同。
[0030]
通过控制光开关切换选择不同的路径，经过不同长度的色散光纤，从而得到不同的时延量，进而形成不同指向的波束。
[0031]
为了更方便准确地实现波束控制，优选地，每一行中色散光纤的长度变化规律均相同。
[0032]
进一步优选地，所述色散光纤的长度变化规律为按2的幂次递增/递减。
[0033]
优选地，每一列中色散光纤的色散系数变化规律均相同。
[0034]
进一步优选地，所述色散光纤的色散系数变化规律为等差递增/递减。
[0035]
一种光控多波束形成装置，包括：
[0036]
激光器阵列，其包含k个输出不同波长光载波的激光器，k为大于1的整数；
[0037]
电光调制器阵列，其包含k个电光调制器，用于用k个微波波束对所述k个不同波长光载波分别进行调制，生成k路调制信号；
[0038]
k
×
m光耦合器，用于将所述k路调制信号的耦合信号均分为m路；
[0039]
光延时矩阵，其为如上任一技术方案所述可编程光延时矩阵，该可编程光延时矩阵的m行输入端与k
×
m耦合单元的m个输出端一一对应地连接；
[0040]
光电探测器阵列，其包含m个光电探测器，用于一一对应地将延时矩阵的m行输出信号转换为电信号；
[0041]
天线阵列，其包含与光电探测器阵列的m个光电探测器的输出端一一对应地连接的m个天线阵元。
[0042]
为了便于公众理解，下面结合附图并通过一个优选实施例来对本发明的技术方案进行详细说明：
[0043]
本实施例可编程光延时矩阵的具体结构如图1所示，其具有m个输入端口，每个输入端口对应一行，共n行组成；可编程光延时矩阵的每一行有n个光开关，除了第一和第n个为1
×
2型光开关2，其余都为2
×
2型光开关5；以每行中相邻两个光开关间的间隔为列，每个间隔中由两段光纤连接相邻的两个光开关，其中一段为色散光纤3，另一段为色散光纤4；同一行中的色散光纤3具有相同的色散系数且从第一列到第(n
‑
1)列，色散光纤3的长度按2的幂次递增(当然，也可以按2的幂次递减，效果是相同的)；同一列中，从第一行到第m行，色散光纤3的色散系数等差递增(递增差值为d0，同样，这里也可以是等差递减)。
[0044]
基于图1可编程光延时矩阵的一种光控多波束形成装置的结构如图2所示，其包
括：激光器阵列6(其包含k个输出不同波长光载波的激光器)；电光调制器阵列7(包含k个电光调制器)；k
×
m光耦合器8；可编程光延时矩阵1(包含m
×
n个光开关)；光电探测器阵列9(包含m个电光调制器)；天线阵列10(包含m个天线)；由激光器阵列6输出的光载波分别接入电光调制器阵列7中各电光调制器的光载波输入端，各电光调制器的输出端分别连接k
×
m光耦合器8的k个输入端，k
×
m光耦合器8的m个输出端分别连接可编程光延时矩阵1的m个输入端，可编程光延时矩阵1的m个输出端分别连接光电探测器阵列9的m个光电探测器的输入端，m个光电探测器的输出信号分别输出至外接天线阵列10的m个天线阵元。
[0045]
图2所示的光控多波束形成装置可以对k个不同微波波束的信号的延时和幅度进行控制，使得这k个波束指向所设定的方向，与天线阵的法线夹角分别为θ1、θ2、
……
、θ
k
。通过控制可编程光延时矩阵中光开关的切换以改变相邻阵元收发信号的延时差，可以使得这m个微波波束指向发生改变。k个激光器发出k个不同波长的光载波，波长分别为λ1、λ2、
……
、λ
k
。k个波束的信号分别加载到k个电光调制器上，得到k路调制信号。每路调制信号通过k
×
m光耦合器被耦合为一路后，然后耦合信号又被分为m路输出。在可编程光延时矩阵中，每一行都输入了m个调制信号所组成的耦合信号，通过控制光开关的切换选择不同的路径。每行中，由光开关决定的所经过的色散光纤长度为其中s
j
表示第j个光开关的状态，s
j
＝0或1，j＝1,2,
……
,n。假设第一行色散光纤的色散系数为d
0 ps/km
·
nm，可编程光延时矩阵中每一行的光开关都处于相同的状态，则第i个波长λ
i
经过可编程光延时矩阵后在相邻两行之间产生的时延差通过改变光开关的状态改变经过的色散光纤的长度或改变激光器的波长间隔，可以改变不同波长经过可编程光延时矩阵后产生的时延差；从而使得第i个微波波束的信号与天线阵法线方向的夹角θ
i
＝arcsin(δτ
i
·
c/d)，d为相邻天线间距，c为光纤中的光速。通过改变光开关的状态改变经过的色散光纤的长度或改变激光器的波长间隔，可以改变不同波长经过可编程光延时矩阵后产生的时延差。可编程光延时矩阵的m个输出端口的输出信号分别被光电探测器阵列的对应光电探测器转换为电信号后，输出至对应的天线阵元。
[0046]
为了使得公众对本发明技术方案更充分理解，下面以一个最简单的4
×
4阵列2波束的光控多波束形成装置为例，并结合理论分析来进行进一步详细说明：
[0047]
如图3所示，本实施例中的4
×
4阵列2波束的光控多波束形成装置包含以下单元：激光器阵列6(其包含2个输出不同波长光载波的激光器)；电光调制器阵列7(包含2个电光调制器)；2
×
4光耦合器8；可编程光延时矩阵1(包含4
×
4个光开关)；光电探测器阵列9(包含4个电光调制器)；天线阵列10(包含4个天线)。由激光器阵列6输出的两路波长分别为λ1、λ2的光载波分别接入电光调制器阵列7中两个电光调制器的光载波输入端，两个电光调制器的输出端分别连接2
×
4光耦合器8的两个输入端，2
×
4光耦合器8的四个输出端分别连接可编程光延时矩阵1的四个输入端，可编程光延时矩阵1的四个输出端分别连接光电探测器阵列9的四个光电探测器输入端，四个光电探测器的输出信号分别输出至外接天线阵10的两个天线阵元。
[0048]
本实施例中的可编程光延时矩阵如图4所示，包括8个1
×
2型光开关和8个2
×
2型光开关所组成的4
×
4阵列，每行第一和第四个为1
×
2型光开关，第二和第三个为2
×
2型光开关，共有相同的四行。以每行中相邻两个光开关间的间隔为列，每个间隔中由两段光纤连
接相邻的两个光开关，其中一段为零色散光纤，另一段为色散光纤；当光开关状态为“1”时，经过色散光纤，当光开关状态为“0”时，经过零色散光纤；同一行中，色散光纤具有相同的色散系数且从第一列到第3列，色散光纤长度按2的幂次递增；同一列中，从第一行到第4行，色散光纤的色散系数等差递增。
[0049]
以激光器阵列中第一个激光器的输出波长λ1为参考波长，令每行的光开关处在相同的状态，则每行经过的色散光纤总长度可以表示为：
[0050][0051]
其中，s
j
表示第j个光开关的状态，j＝1,2,
……
,n，它只有两种状态，s
j
＝1时经过色散光纤；s
j
＝0时经过零色散光纤，l为第一列色散光纤的长度。
[0052]
不同波长的信号经过可编程光延时矩阵中不同行后产生的时延量可以表示为：
[0053][0054]
其中，λ
i
表示第i个激光器发射的波长，i＝1,2,
……
,k；d0为第一行色散光纤的色散系数，l表示行数，l＝1,2,
……
,m。
[0055]
不同波长的信号经过可编程光延时矩阵后在相邻两行间产生的时延差可以表示为：
[0056][0057]
第i个波长信号产生的波束指向可以表示为：
[0058][0059]
其中，θ
i
表示第i个微波波束的信号与天线阵法线方向的夹角，天线元件的间距为d，光纤中的光速为c。
[0060]
在本实施例中，λ1、λ2经过可编程光延时矩阵后在相邻两行间产生的时延差可以分别表示为：
[0061]
δτ1＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0062][0063]
波束指向角可以分别表示为：
[0064]
θ1＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0065][0066]
通过控制光开关的切换选择经过不同长度的色散光纤或改变激光器的波长间隔，
可以改变信号延时量，从而实时调整波束的方向。