CN102427166B - 一种光控微波波束接收系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光控微波波束接收系统，涉及微波光子学技术。所述系统包括：N个天线单元，所述天线单元连接光调制器的第一输入端；所述光调制器的第二输入端连接激光源；所述光调制器的输出端连接光信号处理单元的输入端；所述光信号处理单元包括N个输入端和M个输出端，用于实现光信号的合并和重新分配；所述光信号处理单元的M个输出端分别连接一个长度不同的光延时单元，所述光延时单元对相邻的所述激光源的输出激光的波长间隔所产生的延时量，刚好补偿微波信号由于来源方向而在相邻的所述天线单元上所产生的延时量。所述系统，通过简单的系统结构，满足了高数据率、多用户的需求，提高了移动通信性能。
Description
技术领域
本发明涉及微波光子学技术领域，特别涉及一种光控微波波束接收系统。
背景技术
近年来，随着移动通信的不断发展，移动用户数量剧增，数据业务逐渐向多媒体业务演进，导致系统信息容量和带宽急剧增长，为了同时执行多种功能，跟踪多个用户，对能够多方向接收微波信号的通信系统的需求日益增多。
传统的PAA(Phase Array Antenna，相控阵天线)系统可实现多方向微波信号的接收，其由平坦排列的一组相同的小天线构成，每个小天线都有发射和接受信号的能力，依靠来自小天线单元的信号波的干涉叠加实现定向输出和扫描。但波束倾斜使PAA系统在宽带微波的应用上有着原理性的限制，无法满足现代经济建设的需要。采用实时延时单元替代移相器，可实现微波波束的方向与微波频率无关，进而用于宽带信号处理。但传统的相控阵实时延时系统是由波导或同轴电缆构成的，信号损耗大，易受电磁干扰，在大规模阵列应用时，系统必须使用庞大数目的连接线、功率分配器等微波器件，使整个系统体积非常大且复杂昂贵，影响其更广泛的应用。
随着微波光子学的发展，在光纤中可以实现微波信号高带宽、低损耗、抗电磁干扰的传输，且重量轻、体积小、成本低。因此可以在光波波段进行微波波束指向控制，称为光控微波波束形成网络。它具有观察空域广、辐射功率大、能迅速灵敏而又准确地进行波束指向、能同时在指定的空间中搜索、识别和跟踪多个目标，而且还有稳定性好、可靠性高、对目标的捕获率大等优点。由于光控微波波束形成网 络在移动通信方面展现出的潜力，美国、英国、加拿大、西班牙、法国、日本、韩国、新加坡、印度、俄罗斯等国家都投入了大量的人力、物力进行光控微波波束形成的研究。其核心的研究内容包括光控相控阵天线、光控微波波束形成系统及相关微波光子器件的研究和开发。
光控微波波束形成网络的核心部分是产生延时的TTD(True Time Delay，光真延时)单元，与微波延时单元比，TTD结构灵活易变、重量轻、体积小，对于电磁干扰和串扰具有很高的抗干扰能力，光纤中调制在光频上的微波信号的相位温度变化比同轴电缆中同样信号要低一个数量级，并且光纤的安装费用比其他传输线要低的多。
公开号为4736463的美国专利公开一种可以接收多方向微波信号的N×M相控阵天线系统结构。如图1所示，在这种天线系统中，阵列天线单元接收空间中的微波信号，每个天线单元与一个激光器连接，调制后的光信号分别经由光分路器、不同长度的延时光纤和光合路器分别连接不同的探测器，探测器将天线单元接收到的微波信号还原。当天线单元数N和方向数M较大时，这种系统需要N个光分路器，M个光合路器，以及N×M个不同长度的延时光纤，使得系统结构庞大复杂，不适合实际应用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何提供一种光控微波波束接收系统，以简化现有系统的结构复杂度。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种光控微波波束接收系统，其包括：N个天线单元，所述天线单元独立接收微波信号，并且所述天线单元分别连接一个光调制器的第一输入端，所述第一输入端为电信号端口；
所述光调制器的第二输入端连接激光源，所述第二输入端为光信号输入端口；所述光调制器接收所述第一输入端的微波信号，并根据所述微波信号对由所述第二输入端进入的激光信号进行强度调制；所述光调制器的光输出端连接一个光信号处理单元的输入端；
所述光信号处理单元包括N个输入端和M个输出端，用于实现N路光信号的合并，并重新分配到所述M个输出端；所述光信号处理单元的M个输出端分别连接一个长度不同的光延时单元的输入端，所述光延时单元对相邻的所述激光源的输出激光的波长间隔所产生的延时量，刚好补偿微波信号由于来源方向而在相邻的所述天线单元上所产生的延时量；
每个所述光延时单元的输出端分别连接一个独立的光探测器的光输入端；所述光探测器用于将N个波长的光信号转换为微波信号，并对这些转换后的微波信号进行微波频段的合波，最后输出总的微波信号。
优选地，所述N个天线单元分布在一条直线上的，并且相邻的所述天线单元之间保持相同的间距。
优选地，所述激光源的输出激光的波长可调。
优选地，相邻所述天线单元对应的激光源的输出激光的波长保持等波长间隔增加或者减小。
优选地，所述光延时单元对光波的延时量随光波波长变化线性增加或者减小。
优选地，所述光信号处理单元采用光耦合器。
优选地，所述光信号处理单元包括互相连接的合路器和分路器。
优选地，所述光延时单元采用色散光纤。
优选地，所述光调制器采用铌酸锂电光调制器。
（三）有益效果
本发明所述的光控微波波束接收系统，通过采用N个输出不同波长激光的光调制器，结合光信号处理单元，在光延时单元上自然形成延时量差值，在实现对M个方向微波信号同时接收的情况下，将光延 时单元的个数从N×M减少到M个，有效简化了系统结构；同时，通过调节光载波的波长，实现了对天线单元所在平面180度范围内的扫描接收；通过采用光探测器，同时实现了光电转换和微波合波。综上，本发明实施例所述系统，通过简单的系统结构，满足了高数据率、多用户的需求，提高了移动通信性能。
附图说明
图1是现有的相控阵天线系统结构示意图；
图2是本发明第一种实施例所述的光控微波波束接收系统的结构示意图；
图3是本发明实施例所述的天线单元阵列接收微波信号示意图；
图4是本发明实施例所述色散光纤的延时效果示意图；
图5是本发明第二种实施例所述的光控微波波束接收系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例一
图2是本发明第一种实施例所述的光控微波波束接收系统的结构示意图。如图2所示，所述系统包括，N个天线单元36，N为大于1的自然数，用于独立接收空间中多个方向的微波信号35。所述N个天线单元36分布在一条直线上，并且相邻的所述天线单元36之间保持相同的间距。
所述天线单元36连接光调制器38的第一输入端，所述第一输入端为电信号端口，所述光调制器38的第二输入端连接激光源37，所述第二输入端为光信号输入端口。所述光调制器38采用铌酸锂电光调制器，接收所述第一输入端的微波信号35，并根据所述微波信号35对由所述第二输入端进来的激光信号进行强度调制。
所述激光源37的输出激光的波长连续可调，且N个所述激光源37中，相邻两个所述激光源37的激光波长相差一个预定的波长间隔，即相邻所述天线单元36对应的激光源37的输出激光的波长保持等波长间隔增加或者减小，从而实现本发明实施例所述系统在一定角度范围内的扫描接收功能。
所述光调制器38的光输出端连接到一个光信号处理单元的输入端，所述光信号处理单元采用光耦合器39，所述光耦合器39包括N个输入端和M个输出端，用于实现N路光信号的合并并重新分配到所述M个输出端。在所述M个输出端对应的M路输出中，每一路输出信号都包含N个波长的光波。M为大于1的自然数。
所述光耦合器39的M个输出端分别连接一个独立的光延时单元40的输入端，M个所述光延时单元40的长度各不相同。所述光延时单元40对相邻的所述激光源37的输出激光的波长间隔所产生的延时量，刚好补偿微波信号由于来源方向而在相邻的所述天线单元36上所产生的延时量。所述光延时单元40采用线性色散光纤，由光纤的色散原理可知，色散光纤对不同波长的光的延时不同，不同长度的色散光纤对同一波长的光的延时也不同。在本发明实施例中，所述光延时单元40对光波的延时量随光波波长变化线性增加或者减小，并且所述光延时单元40还可以采用其他色散器件，比如布拉格光栅。
每个所述光延时单元40的输出端分别连接一个独立的光探测器41的光输入端，所述光探测器41将N个波长的光信号独立转换为微波信号，并同时将这些转换后的微波信号进行微波频段的合波，最后通过所述光探测器41的电信号输出端输出总的微波信号。
下面将对本发明实施例所述的光控微波波束接收系统的工作原理进行具体说明。
图3是本发明实施例所述的天线单元阵列接收微波信号示意图。如图3所示，N个天线单元36分布在一条直线上，相邻两个天线单元 36之间间距为d。与所述N个天线单元36在同一平面的微波信号沿与竖直方向成θ角的方向传播至所述天线单元36，这样相邻的两个天线单元36接收到微波信号的时间差Δτ0＝dsinθ/c，其中c表示微波信号的在空气中的传播速度。
为了补偿上述由于微波信号入射角度引起的延时，使探测到的微波信号达到最大的相长干涉，我们将所述天线单元36接收到的微波信号调制到不同波长的光波上，对应N个所述天线单元36的N个光调制器38调制输出的N个光载波的波长依次为λ1、λ2......λN，相邻的两个光载波的波长之差为Δλ＝λj+1-λj，1≤j＜N。所述光耦合器39将所述N个不同波长的光载波合并后重新分配，每一路输出中都同时包含所述N个不同波长的光载波。
由光纤的色散原理可知，色散光纤对不同波长的光的延时不同，不同长度的色散光纤对同一波长的光的延时也不同。图4是本发明实施例所述色散光纤的延时效果示意图。如图4所示，所述色散光纤对波长之差为Δλ的两个光载波产生的Δτ＝DLΔλ，其中D表示色散光纤的色散系数，L表示色散光纤的长度。因此，在Δλ固定的情况下，合理的设置L的值，可以实现Δτ＝DLΔλ＝Δτ0＝dsinθ/c，即实现通过所述光延时单元40的延时，补偿由于微波信号入射角度引起的延时。
通过Δτ＝DL Δλ＝Δτ0＝dsinθ/c进行转换，可以得到θ＝arcsin(DLcΔλ/d)，也就是说当Δλ固定时，通过调节L的值可以实现对不同入射角度θ的微波信号的接收。因此，本发明实施例所述光耦合器39的M路输出分别连接一个长度为Li(1≤i≤M)的光延时单元40。这样，所述光耦合器39的第i路输出对应接收方向为θi＝arcsin(DLicΔλ/d)的微波信号，这个系统可以同时接收M个不同方向的微波信号。进而，通过调节激光源37的输出激光的波长，也就是调节Δλ(Δλ可以为负数)，可以实现180°范围内对M个不同方向的扫描接收。
并且，每个所述光延时单元40的输出端分别连接一个独立的光探测器41的光输入端，所述光探测器41将N个波长的光信号独立转换为微波信号，并同时将这些转换后的微波信号进行微波频段的合波，最后通过所述光探测器41的电信号输出端输出总的微波信号，完成整个系统的接收工作。
实施例二
图5是本发明第二种实施例所述的光控微波波束接收系统的结构示意图。如图5所示，该实施例所述系统和第一种实施例所述系统的结构基本相同，其不同之处仅在于，将所述光耦合器39替换为一个合路器42和分路器43的组合。所述合路器42包括N个输入端和1个输出端，用于将所述光调制器38输出的N路光信号合并输出给所述分路器43；所述分路器43包括1个输入端和M个输出端，用于接收所述合路器42的输出，并重新分配到所述分路器43的M个输出端。
本发明实施例所述的光控微波波束接收系统，通过采用N个输出不同波长激光的光调制器，结合光信号处理单元，在光延时单元上自然形成延时量差值，在实现对M个方向微波信号同时接收的情况下，将光延时单元的个数从N×M减少到M个，有效简化了系统结构；同时，通过调节光载波的波长，实现了对天线单元所在平面180度范围内的扫描接收；通过采用光探测器，同时实现了光电转换和微波合波。综上，本发明实施例所述系统，通过简单的系统结构，满足了高数据率、多用户的需求，提高了移动通信性能。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (8)
1.一种光控微波波束接收系统，其特征在于，包括：N个天线单元(36)，所述的N个天线单元(36)是分布在一条直线上的，并且相邻的所述天线单元(36)之间保持相同的间距d；所述天线单元(36)独立接收微波信号，并且所述天线单元(36)分别连接一个光调制器(38)的第一输入端，所述第一输入端为电信号端口；
所述光调制器(38)的第二输入端连接激光源(37)，所述第二输入端为光信号输入端口，所述的N个激光源的输出激光的波长依次为λ1、λ2……λN，相邻的两个波长相差一个预定的波长间隔Δλ＝λj+1-λj(1≤j＜N)；所述光调制器(38)接收所述第一输入端的微波信号，并根据所述微波信号对由所述第二输入端进入的激光信号进行强度调制；所述光调制器(38)的光输出端连接一个光信号处理单元的输入端；
所述光信号处理单元包括N个输入端和M个输出端，用于实现N路光信号的合并，并重新分配到所述M个输出端，每一路输出信号都包含所述的N个波长的光波；所述光信号处理单元的M个输出端分别连接一个长度不同的光延时单元(40)的输入端，所述的第i路(1≤i≤M)光延时单元(40)对N个激光器中相邻的所述激光源(37)的输出激光的波长间隔所产生的延时量Δτ＝DLΔλ(D表示色散系数，L表示长度)，刚好补偿方向与竖直方向成θi角的微波信号由于来源方向而在N个天线单元中相邻的所述天线单元(36)上所产生的延时量Δτ0＝dsinθ/c，使系统可以同时接收M个不同方向的微波信号；
所述光延时单元(40)的输出端分别连接一个光探测器(41)的光输入端；所述光探测器(41)用于将N个波长的光信号独立转换为微波信号，并同时对这些转换后的微波信号进行微波频段的合波，最后通过所述光探测器41的电信号输出端输出总的微波信号。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光源(37)的输出激光的波长可调。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，相邻所述天线单元(36)对应的激光源(37)的输出激光的波长保持等波长间隔增加或者减小。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光延时单元(40)对光波的延时量随光波波长变化线性增加或者减小。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光信号处理单元采用光耦合器(39)。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光信号处理单元包括互相连接的合路器(42)和分路器(43)。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光延时单元(40)采用色散光纤。
8.如权利要求1至7之一所述的系统，其特征在于，所述光调制器(38)采用铌酸锂电光调制器。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |