2　光控相控陣雷達的光學真延時技術

將光學技術引入的光學真延時相控陣雷達便能夠解決上述問題,滿足寬帶寬的要求。由于相移是正比于頻率的,頻率不同相移也不同,二者的關系可以表示為

此相移可以通過時間延遲τ來實現:

可以看出,由于相移正比于頻率,在各個單元間用延時來取代相移,每個頻率分量都將在同一方向射出,這種方法就稱為真延時(TTD)。采用這種方法,能更好地應用于寬帶信號處理中,因此TTD是高性能雷達系統進行無偏斜寬瞬時帶寬工作的關鍵。

光 控相控陣雷達的基本工作過程是:來自在雷達頻率下工作的微波發生器的信號與來自激光器的光信號經過電光調制器得到調制光信號,此調制信號被分配到一個信道 陣列;陣列中的每條天線通道分配到一個調制光信號,每個調制光信號在輸出到天線發射單元之前被延時、解調和放大(各調制光信號經過不同的延時單元得到各不 相同的延時,調制光信號之間產生延時差;那么再經過探測得到的不同信道的微波信號之間就產生不同的相移)。如圖4所示為光控相控陣雷達發射單元的基本結構 圖。

圖3 　光控相控陣雷達的基本結構圖

將 光學技術引入到相控陣天線中帶來了很多優點:以光纖作為傳輸介質重量輕、尺寸小、靈活性好、抗電磁干擾(EMI)和電磁脈沖(EMP)能力強、損耗小;解 決了電纜饋電帶來的尺寸和重量的限制以及導電電纜干擾發射單元輻射方向等問題;提高了雷達性能,簡化設計,降低成本;并且由于其控向角與微波頻率無關而消 除了天線方向性斜偏,非常適用于寬帶雷達。目前主要可以通過以下幾種方法實現光學真延時:

(1)光纖延時線:其結構是采用光纖作為延 時線,選用數根不同長度的光纖,把它們連到光開關或MEMS上,在使用時根據要求利用開關選擇合適長度的光纖,從而得到不同的延時。此外,也可以將光纖繞 在壓電晶柱上,通過改變電壓的大小來控制光纖長度的變化,從而得到不同的延時。目前常用的光纖延時線有普通光纖延時線和色散光纖延時線。光纖 延時線具有時間帶寬積大、被延時的信號頻率高、線性好、損耗小、結構簡單等優點。缺點是延時難以調節。

(2)自由空間段光學延時:其原理與光纖延時線的情況相同,只是用不同長度的自由空間段來取代光纖。調節自由空間段的長度就可以得到不同的延時,從而產生相移實現波束掃描。其缺點是元件多裝置復雜。

(3)聲光技術延時:其實質是通過一個空間光調制器改變光程,用光學外差的方法將光信號的相位延遲轉移到微波信號中,從而實現延遲。但是此方法由于是自由空間傳播易受干擾,機械調制反射鏡使得調節精度較低。

(4)平面波導技術光學延時:利用波導實現延時其實質就是當光在波導中傳播時,通過選取不同的光程來實現延時。這項技術需要很高的波導制作工藝水平。

(5) 光纖光柵光學延時:利用短周期光纖光柵的反射特性得到不同的延時。光纖光柵憑借其優良的選頻特性及可調諧特性在在各種光學真延時方法中占據著重要的地位。 通常可以采用光纖布拉格光柵和啁啾光柵。優點是成本低且結構設計靈活。其難點技術是光柵在光纖中的位置的精確控制以及各種不同啁啾率的光 纖光柵的制作。

從上個世紀80年代到90年代中期,國際上光控相控陣研究的主要方向是采用光纖延時線以及聲光技術、波導技術來實現延時:1990 年美國海軍實驗室采用基于聲光技術的光學外差方法實現了真延時,并且實現了系統的集成化;1991年,休斯實驗室提出了一種采用激光二極管作為開 關切換光纖延時線的結構,可以工作于L波段和X波段;1995年加州大學的DennisT.K.Tong等人提出了波分復用技術與多波長激光器相結 合的辦法,采用色散光纖作為延時線。同年,加利福尼亞大學的研究人員提出了基于液晶空間光調制器的光開關網絡,在X波段角精度可達1.4° 。1994年前后,美國進行了大量的理論和實驗研究,證實了采用光纖光柵光學延時的的可行性。

現今光控相控陣領域的研究依然 活躍,美國、英國、加拿大、西班牙、法國、日本、韓國、新加坡、印度、俄羅斯等等國家都投入了大量的人力、物力進行相控陣雷達尤其是光控相控陣雷達的研 究,無論對已有技術的改進還是對新技術的探索都有了新的發展。目前采用集成光學技術來實現光控相控陣雷達的方案已經被提出來[16],由于其集成度高、體 積小、性能好等優點更加適應現代機載、艦載雷達的要求,可以預見集成光學相控陣雷達必將成為未來雷達研究的焦點!

3　結束語

總 之,相控陣雷達憑借其相對于傳統機械掃描雷達的優勢得到了各國的青睞并快速發展,在有的國家已經達到了實際應用的水平;而光控相控陣雷達的出現更加適應了 現代國際形勢發展的需要,解決了一些傳統相控陣雷達所不能解決的問題,可以預見不久的將來將會有大量的光控相控陣雷達正式登上國際軍備競爭的舞臺。