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延时误差对光控相控阵天线性能影响的研究

延时误差对光控相控阵天线性能影响的研究作者:吴彭生

来源:《科技创新导报》2012年第36期

摘要:针对光控相控阵天线中光延时链路的延时误差问题,从子阵划分角度建立了一维均匀线阵最大波束偏移角的简化解析模型,分析结果表明延时误差最大允许值与波束目标指向角、阵元数无关,随工作频率的增大而减小。

关键词:光控相控阵延时误差工作频率

中图分类号:TN929.1 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)12(c)-000-02

传统的相控阵天线由于采用了电移相器,天线的瞬时带宽受到了极大的限制[1]。光控相控阵天线通过采用光实时延技术(Optical True Time Delay,OTTD),增大了相控阵天线的工作带宽,同时光延时线有着抗电磁干扰、低损耗和易于集成等优点[2]。自20世纪80年代以来,已经提出并实验验证了多种光实时延的技术方案[2]。光实时延技术的本质是将微波/射频信号调制到光载波上,在光域内实现时间延迟,因此光链路的延时误差必然会影响到光控相控阵天线的性能[3]。

该文从一维均匀线性光控阵列的方向图出发,由简化解析模型得出了确定延时误差最大允许值的方法,研究结果拟为光控相控阵天线的设计提供一个参考。

1 光控相控阵天线的方向图

如图1所示,对于N单元一维均匀线性光控发射阵列,分成m个子阵,子阵上采用光实时延技术;每个子阵内有n个阵元,子阵内采用移相器控制,即N=m×n。

天线的工作频率为f,阵元间距为d,设计波束指向为;上述线阵的天线方向图函数可以表示为[1]:

上式中,第一项是由光实时延技术所决定的子阵因子;第二项为子阵方向图函数,由移相器提供相位补偿。为频率f对应的波数。假设第i条光实时延链路的延时误差为,由此可得到的归一化天线方向图函数为:

2 延时误差分析

2.1 简化模型的建立及结果

天线方向图性能可以通过波束偏斜角和旁瓣电平值来评价[1];考虑到旁瓣电平值可以通过幅度加权等方式进行抑制[4],在此我们主要关注主瓣偏斜角的大小。假设m条光延时链路

的延时误差都在某一范围内随机变化;如,通过对(2)式计算机模拟可以得出:当前m/2个为,后m/2个为(假定m为偶数,≥0);波束指向偏移最大;≤0时相反。

由此将相控阵天线模型进行简化为两个子阵构成,每个子阵均含有N/2个阵元,第一个子阵的延时误差量为,第二个子阵的延时误差量为。当工作频率不变时子阵方向图不变,因此可用该简化模型子阵因子的最大值指向定性的分析光控相控阵天线方向图最大值指向的变化

趋势。

如果天线的工作频率发生变化,要求,可以得到

2.2 简化模型与完整模型的比较

上面的简化模型中忽略了子阵方向图,完整模型的天线方向图主瓣偏斜角和上述分析中的存在一些偏差。通过计算机模拟得到图3所示简化模型和完整模型下得到的主瓣偏斜角随延时误差变化的关系曲线(64阵元,f=2.5GHz)。由于子阵方向图的作用,对于相同的延时误差量,完整模型所产生的主瓣偏斜角比简化模型所得到的值偏小;也就是说采用简化模型得到的延时误差最大允许值较为严格,能够保证相控阵天线工作在一个较好的性能状态下。

3 结语

该文通过建立光控相控阵天线延时误差的简化解析模型,对光链路的延时误差量最大允许值与、阵元数、工作频率的关系进行了分析。研究表明光链路的延时误差量最大允许值与波束目标指向角以及阵元数无关,只与天线的工作频率相关;随着工作频率的增大,其允许的延时误差越小。这一研究结果有望对光控相控阵天线中光链路延时网络的设计提供一定的指导

意义。

参考文献

[1] 张光义,赵玉洁.相控阵雷达技术[M].北京.电子工业出版社,2006.

[2] J Yao.Microwave photonics[J].J Lightw Technol,2009(27):314-335.

[3] 高瑜翔,何子述,徐继麟,等.光纤链路噪声及其对光控相控阵列的影响研究[J].电波科学学报,2006,2l(1):

21-25.

[4] 刘晓瑞,张兴周,闫宏.光控相控阵天线子阵划分方法的研究[J].应用科技,2006,33(22):28-30.

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