光控相控陣多通道芯片集成方案研究

韓 威，楊 旭，閆瑞濤，劉子龍

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

相控陣天線能避免波束指向的機械控制，又可以獲得極大的增益。在相控陣天線中，通過波束形成網(wǎng)絡(luò)控制陣列中各個天線單元接收的射頻信號，進行幅度和相位調(diào)節(jié)，實現(xiàn)相干處理。傳統(tǒng)的波束形成網(wǎng)絡(luò)都是在電學(xué)域?qū)崿F(xiàn),隨著微波和射頻技術(shù)向?qū)拵Ц哳l技術(shù)發(fā)展，波束形成網(wǎng)絡(luò)中的傳統(tǒng)微波模擬器件(如微波延遲線或移相器等)和信號處理技術(shù)存在諸多限制，如體積較大、帶寬受限等。光控相控陣就是將微波光子技術(shù)應(yīng)用在相控陣中，借助于光電子器件的大帶寬、抗電磁干擾等固有優(yōu)勢，實現(xiàn)了寬帶微波模擬信號處理，有效突破了電子瓶頸的限制。將微波光子技術(shù)與射頻信道兼容，基于光鏈路實現(xiàn)真時間延遲[1-3]，具有大瞬時帶寬、波束無偏斜和高集成、抗電磁干擾等獨特優(yōu)勢[4-5]。

現(xiàn)階段光控相控陣常用的光控波束形成手段多通過激光器、光纖加開關(guān)或色散光纖、探測器等分立器件的形式實現(xiàn)[6-9]，即使采用集成芯片也是將延時部分在片上集成[10-14]，在系統(tǒng)應(yīng)用中多段光纖耦合損耗會大大增加。隨著光電集成技術(shù)的不斷發(fā)展，可以把包含激光器、電光調(diào)制器、光延時網(wǎng)絡(luò)以及光電探測器等多個通道的光鏈路全部集成在同一芯片上，集成化程度高，大大減小系統(tǒng)的尺寸和重量。

針對基于多通道全集成波束形成網(wǎng)絡(luò)光學(xué)芯片方案設(shè)計，本文研究了在全集成芯片設(shè)計過程中探測器路數(shù)、載波抑制、激光是否同源以及延時精度要求等諸多問題的影響?；诶碚摲治龅幕A(chǔ)上，提出了全集成芯片的架構(gòu)方案，搭建了多通道光鏈路驗證實驗，該方案可用于光控相控陣波束形成網(wǎng)絡(luò)芯片設(shè)計。

1 方案選擇及參數(shù)分析

全集成波束形成網(wǎng)絡(luò)光芯片主要包括光電探測器、激光器、電光調(diào)制器、延時網(wǎng)絡(luò)等，以下對各主要器件進行分析。

1.1 探測器路數(shù)與載波抑制

首先對探測器路數(shù)進行討論，當(dāng)天線陣列接收到的射頻信號通過電光轉(zhuǎn)換調(diào)制到光載波上進入光延時網(wǎng)絡(luò)，在光電探測器處光電轉(zhuǎn)換，解調(diào)出射頻信號。在整個延時網(wǎng)絡(luò)中有兩種方案[15-17]：一種是采用多路探測器，每個通道載波獨立與邊帶信號拍頻出射頻信號；另一種是多通道的光調(diào)制信號和路后在一路探測器上拍頻解調(diào)出射頻信號。但此時須對每個通道的載波進行抑制，即載波不通過延時網(wǎng)絡(luò)，只有各邊帶信號通過各延時通道后，在探測器處再次載入載波，各自拍頻解調(diào)出射頻信號。否則由于載波在各通道中的延時量不同，會造成各通道信號相互干擾[18]，下面對這一問題進行討論。設(shè)調(diào)制射頻信號為：

Vs(t)=acos(ωst+φ(t))，

(1)

式中a，φ(t)為射頻信號幅度和初始相位。

當(dāng)包含載波的雙邊帶調(diào)制光信號為：

(2)

經(jīng)過多通道延時后的光場為載波信號為：

(3)

邊帶信號為：

φ(t)](n=1,2,…)，

(4)

式中，n為第…個通道數(shù)，φn(ω0)為載波相移，Tn為每個通道光延時量。當(dāng)鏈路中包含一路探測器時，輸出電流為：

Es1(t)+Ec2(t)+Es2(t)]*。

(5)

一階邊帶分量為：

I1(t)=Ec1Es1*+Ec1Es2*+Ec2Es1*+…+

Es2Ec1*+Es2Ec2*=

cosφ2(ω0)]。

(6)

從式(6)可以看出，拍頻信號中含有光載波頻率相位信息，由于光載波在各通道經(jīng)過不同的延時量，在同一路探測器處拍頻時會引入各通道的延時相位干擾，導(dǎo)致射頻信號無法恢復(fù)。因此必須采用載波抑制方案，將載波在探測器處再次引入，以消除各通道載波延時量不同的影響，載波抑制方案還需采用濾波器濾除載波，并且增加了一路載波通道。

通過上述分析，為了解決各延時通道延時量導(dǎo)致載波相位不一致的問題，可采用多路探測器方案，在多路探測器后進行射頻和路。在光電子集成工藝中，探測器版圖面積非常小，路數(shù)的增加幾乎沒有增加面積和工藝難度，同時各延時通道獨立傳輸，不需要濾掉載波分量，簡化了設(shè)計的復(fù)雜度。

1.2 激光器選擇

為降低光鏈路噪聲系數(shù)，可采用窄線寬、低相對強度噪聲的半導(dǎo)體激光器，但受現(xiàn)有工藝水平制約，片上激光器輸出功率有限。而光鏈路射頻增益與激光器功率正相關(guān)，射頻增益是衡量光鏈路性能的重要指標，因此為實現(xiàn)較高的射頻增益，應(yīng)使光源輸出功率最大化，即每個光鏈路通道的光源選用不同的激光器。下面對激光器是否須為同源激光器進行討論，設(shè)激光器輸出初始光場為：

(7)

式中，P0為光源輸出光功率，ω0為光載波頻率，φ0為光載波初始相位。

射頻信號經(jīng)過MZI電光調(diào)制器上調(diào)制到光載波上后，輸出光場為：

(8)

式中，α為插入損耗，φ1，φ2為調(diào)制器兩臂相位差，則輸出光功率為：

(9)

φ1=φ1+Δφ1，

(10)

φ2=φ2+Δφ2，

(11)

其中，φ1和φ2為電光調(diào)制器調(diào)制臂的總相位差，φ1和φ2為直流偏置相位差，Δφ1和Δφ2為射頻信號調(diào)制相位差。

假設(shè)調(diào)制器工作在正交偏置點：φ1-φ2=±π/2，信號工作在其中一個臂上(非推挽模式)，則式(8)簡化為：

(12)

式中，Vπ為半波電壓，VDC為直流偏置電壓，VS(t)為射頻輸入信號。調(diào)制光信號經(jīng)過光延時網(wǎng)絡(luò)后進入光電探測器，得到電流信號為：

(13)

式中，R為光電探測器響應(yīng)度。

對上式做貝塞爾展開，一般的，對于小信號調(diào)制，高階邊帶由于幅度過小而被忽略，直流分量為：

(14)

一階邊帶分量為：

(15)

從式(15)可以看出，輸出電信號包含射頻輸入信號信息，并且與光載波的頻率、初始相位無關(guān)，所以可選用多個激光器作為不同光鏈路通道的激光光源，使得光鏈路通道輸入光功率最大化。

1.3 延時網(wǎng)絡(luò)精度對合成增益的影響

在實際應(yīng)用中，由于存在工藝誤差，芯片中延時網(wǎng)絡(luò)部分(光開關(guān)或者微環(huán))均具有一定的延時誤差，當(dāng)延時誤差較大時，信號合成損失也會大大增加。為了研究延時精度對合成增益的影響，在Matlab環(huán)境下，以雙通道光鏈路射頻信號合成為例對所需延時精度與射頻信號頻率間的關(guān)系進行仿真分析，仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1中延時補償偏差為-500～500 ps，信號頻率為0～20 GHz，灰度值表示合成信號幅度，白色區(qū)域表示幾乎沒有合成損失的情況。從圖中可以看出，隨著頻率的增加，延時精度要求越來越高，若令合成損失小于0.5 dB，則在Ku，Ka頻段寬帶光控相控陣中，光延時網(wǎng)絡(luò)的延時精度應(yīng)控制在±4 ps以內(nèi)，在S頻段延時控制精度則應(yīng)控制在±40 ps以內(nèi)。根據(jù)以上仿真結(jié)果可以對多通道光芯片集成方案延時網(wǎng)絡(luò)延時精度進行約束。

圖1 延時精度、信號頻率與合成增益關(guān)系Fig.1 Relationship between delayaccuracy, signal frequency and synthesis gain

2 光芯片全集成架構(gòu)方案

基于以上分析，得到光控相控陣中波束形成網(wǎng)絡(luò)芯片架構(gòu)如圖2所示。

圖2 光控相控陣波束形成網(wǎng)絡(luò)原理圖Fig.2 Schematic diagram of optical phased array beamforming network

波束形成網(wǎng)絡(luò)芯片包括多個片上激光器、電光調(diào)制器、多通道延時網(wǎng)絡(luò)以及多路波導(dǎo)集成光電探測器。片上激光器光源通過電流控制單元輸出匹配的連續(xù)光載波，光載波分別耦合到相應(yīng)的電光調(diào)制器。RF信號經(jīng)過濾波器、低噪放等射頻器件，輸出的射頻信號加載到電光調(diào)制器上，通過電光調(diào)制器將射頻信號調(diào)制到光載波上，為了實現(xiàn)最大增益調(diào)制，調(diào)制器偏置到π/2相移對應(yīng)的電壓。調(diào)制的光載波經(jīng)調(diào)制器輸出到波束形成網(wǎng)絡(luò)，由波束控制單元控制各個通道的延遲量，對應(yīng)于不同的陣列天線掃描角，經(jīng)過延遲網(wǎng)絡(luò)的時間延遲，各通道調(diào)制光載波時間同步，最后由波導(dǎo)集成探測器電光轉(zhuǎn)換，提取出調(diào)制光載波中的RF信號，輸出到芯片外合路，進行后續(xù)信號處理。

3 實驗設(shè)計與結(jié)果

為對上述理論、仿真結(jié)果以及架構(gòu)方案進行驗證，本文利用分立器件搭建了S頻段的雙通道微波光子鏈路實驗驗證平臺。實驗系統(tǒng)平臺示意圖如圖3所示，實驗系統(tǒng)平臺主要包括矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、DFB激光器、MZI電光調(diào)制器、數(shù)控光纖延時線、GaAs光電探測器以及射頻分路器等。

圖3 多通道光鏈路測試平臺Fig.3 Multichannel optical link test platform

激光光源由2個DFB激光器分別提供，載波中心波長1 550 nm。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出射頻信號經(jīng)射頻分路器分成兩路，通過長度不同的射頻電纜，輸入到電光調(diào)制器，通過MZI調(diào)制到光載波。調(diào)制光信號經(jīng)過數(shù)控光延時線(延時精度0.1 ps，最大延時范圍1 ns)后被光電探測器接收，進行光電轉(zhuǎn)換，輸出兩路射頻信號，將兩路信號進行和路，再送入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。實驗中保持長射頻電纜鏈路光延時不變，對短射頻電纜鏈路的光延時進行掃描，并實時測量整個鏈路的S21參數(shù)，直至在2 GHz帶寬范圍S21保持平坦，測試結(jié)果如圖4所示。為了驗證多通道光延時在光學(xué)域的合成結(jié)果，同樣測試了將2個通道信號光學(xué)合成后送入探測器的S21參數(shù)，結(jié)果如圖5所示。

圖4 信號合成實驗結(jié)果Fig.4 Experimental results of signal synthesis

圖5 光學(xué)域合成實驗結(jié)果Fig.5 Experimental results of optical domain syntheses

從圖4可以看出，輸出射頻信號經(jīng)過雙通道光鏈路探測器后，在1～3 GHz頻段范圍內(nèi)成功合成射頻信號，增益較單鏈路提升了約3 dB(單鏈路插損-49 dB@2 GHz)。并且根據(jù)數(shù)控光纖延時的掃描結(jié)果顯示，在射頻鏈路增益保持平坦時的延時范圍與仿真結(jié)果基本一致。而從圖5可以看出，雙通道光鏈路在光學(xué)域無法直接合成。本文提出的多通道架構(gòu)方案可行，驗證了上述分析，對延時精度這一參量的確定提供了參考依據(jù)。

4 結(jié)束語

本文對光控相控陣中全集成芯片是否可采用多路光電探測器、多路激光器等問題進行了研究，總結(jié)了光延時網(wǎng)絡(luò)中載波抑制、延時精度等因素的影響。在上述基本原理的分析基礎(chǔ)上提出了一種可用于光控相控陣波束形成網(wǎng)絡(luò)多通道集成芯片設(shè)計架構(gòu)方案，并進行了實驗驗證。實驗結(jié)果表明，該多通道光芯片的架構(gòu)方案可行，在寬頻段范圍內(nèi)成功進行了射頻鏈路增益合成。本文的研究內(nèi)容對光控相控陣多通道集成光芯片設(shè)計具有較強的指導(dǎo)意義。