基于可插拔式收发组件的光控微波相控阵雷达系统及反馈控制方法技术方案

本发明专利技术公开了基于可插拔式收发组件的光控微波相控阵雷达系统及反馈控制方法。本发明专利技术所采用的技术方案是使用多种材料平台实现不同功能的光子集成芯片，通过光芯片间耦合技术，将多种芯片互联实现全光集成的收发组件，同时使用flip‑chip或者wire‑bonding技术将控制电芯片与光芯片组件封装在同一管壳内，最终得到可插拔式收发组件以及由其构成的光控相控阵雷达系统。本发明专利技术的微波相控阵雷达组件是基于光芯片构建而成，具有抗电磁干扰能力强，同时提高了信号传输容量；基于光芯片的延时器对于调制在光载波上不同频率的微波信号延时相同，克服了波束偏斜问题；所有的组件的增益可以单独控制，可以实现阵元增益的高斯分布，从而达到高旁瓣抑制比的波束扫描。

【技术实现步骤摘要】
基于可插拔式收发组件的光控微波相控阵雷达系统及反馈控制方法
本专利技术涉及微波相控阵雷达技术，特别涉及一种基于可插拔式收发组件的光控相控阵雷达系统及其控制方法。
技术介绍
随着信息技术的飞速发展，未来战争将向大纵深、立体化作战方向发展，并且伴随着卫星通信技术和人工智能技术的跨越式提升，整体作战将朝着海陆空天一体化、智能化和多平台融合方向发展。并且将具备超远程、全天候、快速、灵活和精确的特点，高度发达的信息获取、控制和使用技术将在未来战争占据越来越重要的地位。作为在战争中扮演着“千里眼”和“顺风耳”的雷达发射和接收系统将在这一过程中起着至关重要的作用。因此，雷达信号的宽带接收与处理、信息的泛在感知与接入是目前雷达研究的热点与难点问题。在通信领域中作为骨干与核心的光纤通信技术在数十年的发展中已经向人们证明了其超强的宽带数据处理能力。与此同时，传统的微波技术在泛在感知和接入上展现了一定的能力。由于相比于传统的微波技术，光通信具有超低损耗(<0.1dB/km)和抗电磁干扰的能力，将以上两种技术进行融合，诞生了微波光子技术。美国海军实验室更以“光子学照亮了雷达的未来”为题，将该技术在雷达的工程应用提升到了极为重要的高度。目前，微波光子雷达技术在国内外的研究成果显示出，微波光子技术相比于传统的微波信号处理技术展现出超大的带宽以及很强的灵活性，提升了整个雷达系统的性能。然而，目前大多数微波光子雷达系统都是基于分立光器件或者设备搭建完成。微电子产业的发展为微波光子学的发展指明方向。伴随着集成光学的快速发展，基于多材料平台发展的集成微波光子技术为微波光子雷达的小型化、通用化奠定了坚实的基础。然而，目前大多数集成微波光子芯片都是在单一材料平台实现，只能实现一些单一功能，并且系统体积不能进一步减小。同时，大部分雷达使用的都是单天线结构，并不是基于相控阵的天线结构。相控阵雷达相比于传统的单天线或者圆形天线雷达具有稳定性高、灵活性强、探测距离远等优势，其原理是利用电磁波相干原理,通过计算机控制馈往各辐射单元电流的相位,就可以改变波束的方向进行扫描,如图1所示。传统的基于电移项器的相控阵雷达会产生波束偏斜现象，而使用基于光子真延时线仅仅通过改变天线阵元之间的时间差就可以解决这样的问题，如图1所示。多材料混合异质集成微波光子技术将多种平台的优势汇聚，为微波光子相控阵雷达的全集成化、多功能、小型化、实用化发展提供了重要支撑。目前使用异质集成技术或者多材料平台融合技术的方案鲜见报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于可插拔式收发组件的光控相控阵雷达系统及控制方法。本专利技术所采用的技术方案是使用多种材料平台实现不同功能的光子集成芯片，通过先进的光芯片间耦合技术，将多种芯片互联实现全光集成的收发组件，同时使用flip-chip或者wire-bonding技术将控制电芯片与光芯片组件封装在同一管壳内，最终得到可插拔式收发组件以及由其构成的光控相控阵雷达系统。本专利技术的技术方案如下：本专利技术首先提供了一种基于可插拔式收发组件的光控相控阵雷达系统，所述光控相控阵雷达系统的每个天线阵元均具有一个可插拔式收发组件；每个可插拔式收发组件都能产生、接收电磁波，使每个天线阵元都能独立控制，通过控制各天线阵元对应收发组件的光延时和增益可合成不同指向和发射功率的波束；所述的可插拔式收发组件为基于全光集成芯片的可插拔式收发组件，可插拔式收发组件包括：发射端、接收端、MCU、RFDriver、带通滤波器以及FPGA或DSP；其中发射端、接收端均由信号电极和光芯片组成，信号电极和光芯片进行电互联；所述MCU包含信号发生器，MCU用于控制RFDriver以及FPGA或DSP，并与光控相控阵雷达系统总控制模块进行通信，FPGA或DSP用于反馈控制发射端、接收端内光芯片；RFdriver用于对电信号进行放大，带通滤波器对RFdriver放大后的电信号进行滤波并传输给发射端、接收端内的光芯片。光控相控阵雷达系统总控制模块用于将需要的雷达发射增益、接收灵敏度以及波束指向角等参数提供给收发组件中的MCU，从而将系统指标分解到每一个收发组件中，实现对每个天线阵元对应收发组件的光芯片上的器件的控制。作为本专利技术的优选方案，所述发射端光芯片包含有激光器、延时器以及光电探测器，根据光控相控阵雷达系统的要求，MCU产生对应指标的电信号，电信号通过RFdriver的放大以及BPF的滤波之后，调制光芯片上的激光器或者调制器，被调制之后的光信号通过延时器的延时，随后由光电探测器将延时之后的光信号转换为电信号，该电信号由信号电极传导给对应的天线阵元，最后由对应的天线阵元发射。作为本专利技术的优选方案，所述接收端光芯片包含有激光器、延时器以及光电探测器；根据相控阵雷达侦察角度和范围的要求，MCU传输指令给FPGA或DSP，PFGA或DSP控制光芯片上的延时器得到对应的延时与增益；从天线接收到的电信号通过接收端信号电极接入RFdriver放大之后，经过BPF滤波调制光芯片上的激光器或者调制器，被调制之后的光信号通过延时器的延时，随后由光电探测器将延时之后的光信号转换为电信号，该电信号在FPGA/DSP进行信号处理，得到的参数性能由MCU反馈给光控相控阵雷达系统总控制模块。作为本专利技术的优选方案，如果相控阵雷达工作的频段低于10GHz，并且系统动态范围的要求低于100dB前提下，可以使用电信号直接调制激光器方案。这样可以降低系统的复杂度以及成本；如果对于系统工作频段大于10GHz，同时链路线性度要求大于110dB·Hz2/3，那么需要使用高线性的外调制器来实现光电转换。例如，高线性SOI-MZM或者SOI-LiNbO3MZM，此时，激光器仅用来作为光源，而不用来作为光电转换器件。在以上两种方案中，BPF仅用来将所需电信号的带外噪声滤除，从而得到一个所需高纯度的电信号。作为本专利技术的优选方案，所述的光芯片中的延时器为二进制集成光延时线BIOTDL，所述二进制集成光延时线BIOTDL包含顺次连接的1个偏振旋转器PR、N级2×2端口延时子单元TDSU、1级2×2马赫增德尔干涉仪结构光开关MZI-OS；2×2马赫增德尔干涉仪结构光开关MZI-OS的上输出路径顺次连接1级半导体光放大器SOA、1级连续可调延时单元和一个GePD，2×2马赫增德尔干涉仪结构光开关MZI-OS的下输出路径连接一个GePD；所述GePD用来将要输出的光信号解调为电信号。作为本专利技术的优选方案，所述的MZI-OS基于载流子色散效应或硅材料的热光效应；通过FPGA或DSP输出电压对MZI-OS状态进行控制。作为本专利技术的优选方案，所述的TDSU包括1个MZI-OS，MZI-OS的上下路均分别有1个可变光衰减器VOA和1个1×2端口的直接耦合器DC；上路直接耦合器DC的两端口分别接SOI-GePD和延时波导，下路直接耦合器DC的两端口分别接SOI-GePD和参考波导；所述的直接耦合器DC用来监测MZI-OS的工作状态；直接耦合器DC的两端口分光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于可插拔式收发组件的光控相控阵雷达系统，其特征在于，所述光控相控阵雷达系统的每个天线阵元均具有一个可插拔式收发组件；每个可插拔式收发组件都能产生、接收电磁波，使每个天线阵元都能独立控制，通过控制各天线阵元对应收发组件的光延时和增益可合成不同指向和发射功率的波束；/n所述的可插拔式收发组件为基于全光集成芯片的可插拔式收发组件，可插拔式收发组件包括：发射端、接收端、MCU、RF Driver、带通滤波器以及FPGA或DSP；其中发射端、接收端均由信号电极和光芯片组成，信号电极和光芯片进行电互联；/n所述MCU包含信号发生器，MCU用于控制RF Driver以及FPGA或DSP，并与光控相控阵雷达系统总控制模块进行通信，FPGA或DSP用于反馈控制发射端、接收端内光芯片；RF driver用于对电信号进行放大，带通滤波器对RF driver放大后的电信号进行滤波并传输给发射端、接收端内的光芯片。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于可插拔式收发组件的光控相控阵雷达系统，其特征在于，所述光控相控阵雷达系统的每个天线阵元均具有一个可插拔式收发组件；每个可插拔式收发组件都能产生、接收电磁波，使每个天线阵元都能独立控制，通过控制各天线阵元对应收发组件的光延时和增益可合成不同指向和发射功率的波束；
所述的可插拔式收发组件为基于全光集成芯片的可插拔式收发组件，可插拔式收发组件包括：发射端、接收端、MCU、RFDriver、带通滤波器以及FPGA或DSP；其中发射端、接收端均由信号电极和光芯片组成，信号电极和光芯片进行电互联；
所述MCU包含信号发生器，MCU用于控制RFDriver以及FPGA或DSP，并与光控相控阵雷达系统总控制模块进行通信，FPGA或DSP用于反馈控制发射端、接收端内光芯片；RFdriver用于对电信号进行放大，带通滤波器对RFdriver放大后的电信号进行滤波并传输给发射端、接收端内的光芯片。


2.根据权利要求1所述的基于可插拔式收发组件的光控相控阵雷达系统，其特征在于，所述发射端光芯片包含有激光器、延时器以及光电探测器，根据光控相控阵雷达系统的要求，MCU产生对应指标的电信号，电信号通过RFdriver的放大以及BPF的滤波之后，调制光芯片上的激光器或者调制器，被调制之后的光信号通过延时器的延时，随后由光电探测器将延时之后的光信号转换为电信号，该电信号由信号电极传导给对应的天线阵元，最后由对应的天线阵元发射。


3.根据权利要求1所述的基于可插拔式收发组件的光控相控阵雷达系统，其特征在于，所述接收端光芯片包含有激光器、延时器以及光电探测器；根据相控阵雷达侦察角度和范围的要求，MCU传输指令给FPGA或DSP，PFGA或DSP控制光芯片上的延时器得到对应的延时与增益；从天线接收到的电信号通过接收端信号电极接入RFdriver放大之后，经过BPF滤波调制光芯片上的激光器或者调制器，被调制之后的光信号通过延时器的延时，随后由光电探测器将延时之后的光信号转换为电信号，该电信号在FPGA/DSP进行信号处理，得到的参数性能由MCU反馈给光控相控阵雷达系统总控制模块。


4.根据权利要求2或3所述的基于可插拔式收发组件的光控相控阵雷达系统，其特征在于，所述的光芯片中的延时器为二进制集成光延时线BIOTDL，所述二进制集成光延时线BIOTDL包含顺次连接的1个偏振旋转器PR、N级2×2端口延时子单元TDSU、1级2×2马赫增德尔干涉仪结构光开关MZI-OS；2×2马赫增德尔干涉仪结构光开关MZI-OS的上输出路径E1顺次连接1级半导体光放大器SOA、1级连续可调延时单元和一个GePD，2×2马赫增德尔干涉仪结构光开关MZI-OS的下输出路径E2连接一个GePD；所述GePD用来将要输出的光信号解调为电信号。...

【专利技术属性】
技术研发人员：程齐曼，张强，余辉，章献民，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33