波束赋形装置及其波束赋形方法与流程

1.本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种波束赋形装置及其波束赋形方法。


背景技术：

2.波束赋形技术在雷达、无线通信等射频微波领域具有非常重要的作用。具体而言，在波束赋形技术中，通过控制天线阵列的各个阵元的幅度和相位，将不同延时的射频信号向某一特定方向的空间聚焦，形成远场波束定向辐射模式。通过采用波束赋形技术，能够有效降低信号传输损耗，增加覆盖范围，同时降低因能量扩散而造成的对其周边信号接收端的干扰。随着集成光子技术的发展，基于光子真延时的光控相控阵技术展现了大带宽、抗电磁干扰、小尺寸等特点，在光控相控阵雷达、电子对抗系统等场景有着巨大应用前景。
3.而现有的光子集成延时芯片技术现有同类技术主要基于光开关级联波导、微环谐振器、光子晶体等方案实现。然而目前方案均难以同时满足光控相控阵系统对光子集成延时芯片的多通道、多波束、低功耗的需求。


技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题是提供一种波束赋形装置及其波束赋形方法，可以实现同时多波束功能，并有效降低功耗和尺寸。
5.为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种波束赋形装置，包括：波分解复用及分束模块，用于接收经过射频信号调制后的多波长光信号，并将所述多波长光信号分为多个单波长光信号后，经由多个分束器输出；波导网络，包括多根波导，各根波导的输入端与所述分束器一一对应耦合，分别接收所述单波长光信号，经过不同的延时后输出单波长光信号；合束模块，所述合束模块的多个合束输入端与各根波导的输出端一一对应耦合，接收经过延时后输出的单波长光信号，合并为多波长光信号；其中，所述多波长光信号进入光电探测器中光电转换生成射频信号，射频信号经由阵列天线发射，与不同的分束器耦合的波导长度不完全相同。
6.可选的，所述波分解复用及分束模块包括：第一阵列波导光栅，用于对接收到的经过射频信号调制后的多波长光信号进行波分解复用，所述第一阵列波导光栅的多个输出端分别输出波分解复用后的单波长光信号。
7.可选的，所述第一阵列波导光栅的输出端的数量等于所述多波长光信号的波长数量。
8.可选的，所述分束模块还包括：多个分束器，输入端与所述第一阵列波导光栅的多个输出端一一对应耦合；每个分束器用于对单个单波长光信号进行分束处理，输出多个功率相等的单波长光信号。
9.可选的，所述分束器的输出端的数量大于等于所述多波长光信号的波长数量。
10.可选的，与每个分束器耦合的多根波导的波导长度满足等差数列。
11.可选的，不同的分束器对应的波导长度的等差数列的差值不等。
12.可选的，所述合束模块包括多个合束器，每个合束器接收多个经过延时的单波长光信号并进行合并处理；其中，每个合束器的输入端分别与不同的分束器的输出端耦合。
13.可选的，所述合束器的数量大于等于所述多波长光信号包含的波长数量。
14.可选的，所述合束器为第二阵列波导光栅。
15.可选的，所述的波束赋形装置还包括：光电探测器阵列，分别与各个合束器的输出端耦合，用于对多个合束器输出的延时光信号进行光电转换处理。
16.可选的，所述的波束赋形装置还包括：天线阵列，与所述光电探测器阵列耦接，用于对光电转换处理后的电信号进行波束赋形。
17.可选的，所述的波束赋形装置还包括：多光源激光阵列，用于输出所述多波长光信号。
18.可选的，所述的波束赋形装置还包括：电光调制器，用于调制射频信号到所述多波长光信号上。
19.为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种基于上述波束赋形装置的波束赋形方法，包括：接收经过射频信号调制后的多波长光信号，并采用所述波分解复用及分束模块将所述多波长光信号分为多个单波长光信号；采用所述波导网络中的多根波导分别传输所述单波长光信号，以得到多个经过延时的单波长光信号；采用所述合束模块将所述多个经过延时的单波长光信号合并为多波长光信号。
20.可选的，采用所述波分解复用及分束模块将所述多波长光信号分为多个单波长光信号包括：采用第一阵列波导光栅对接收到的经过射频信号调制后的多波长光信号依照波长进行波分解复用，所述第一阵列波导光栅的多个输出端分别输出波分解复用后的单波长光信号。
21.可选的，所述第一阵列波导光栅的输出端的数量等于所述多波长光信号的波长数量。
22.可选的，采用所述波分解复用及分束模块将所述多波长光信号分为多个单波长光信号包括：采用分束器对单个单波长光信号进行分束，输出多个功率相等的单波长光信号，其中，多个分束器的输入端与所述第一阵列波导光栅的多个输出端一一对应耦合。
23.可选的，所述分束器的输出端的数量大于等于所述多波长光信号的波长数量。
24.可选的，与每个分束器耦合的多根波导的波导长度满足等差数列。
25.可选的，不同的分束器对应的波导长度的等差数列的差值不等。
26.可选的，采用所述合束模块将所述多个经过延时的单波长光信号合并为多波长光信号包括：采用合束器接收多个经过延时的单波长光信号并进行合并处理，其中，每个合束器的输入端分别与不同的分束器的输出端耦合。
27.可选的，所述合束器的数量大于等于所述多波长光信号包含的波长数量。
28.可选的，所述合束器为第二阵列波导光栅。
29.可选的，所述方法还包括：采用光电探测器阵列对多个合束器输出的延时光信号进行光电转换处理，所述光电探测器阵列分别与各个合束器的输出端耦合。
30.可选的，所述方法还包括：采用天线阵列对光电转换处理后的电信号进行波束赋形，所述天线阵列与所述光电探测器阵列耦接。
31.可选的，所述方法还包括：采用多光源激光阵列输出所述多波长光信号。
32.可选的，所述方法还包括：采用电光调制器，用于调制射频信号到所述多波长光信号上。
33.与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：
34.在本发明实施例中，通过阵列波导光栅及分束器对波长信号实现解复用，通过设置波导网络，且与不同的分束器耦合的波导的长度不完全相同，可以使得不同的光信号具有各自的光路通道物理长度，实现不同波长信号延时差，一一对应进入合束器中，最后经过光电探测器拍频实现光电转换，并由阵列天线发射，可以实现同时多波束功能。现有光子集成延迟线芯片技术要实现同时多波束功能需要大规模器件对各个通道的信号单独进行控制，导致功耗较高。而采用本发明实施例的方案，不需要光开关切换或信号控制，可以基于较低功耗实现同时多波束功能。
附图说明
35.图1是本发明实施例的一种波束赋形装置的结构示意图；
36.图2是本发明实施例的另一种波束赋形装置的结构示意图；
37.图3是本发明实施例的一种波分解复用及分束模块、波导网络和合束模块的工作场景示意图；
38.图4是本发明实施例的一种波束赋形方法的流程图。
具体实施方式
39.在现有光子集成真延时芯片技术中，为了得到不同延时的信号，需要采用光开关等器件对各个通道的信号单独进行控制，导致在实现同时多波束功能时，器件规模大，功耗高。
40.在现有的一种具体实施方式中，采用马赫—曾德干涉仪(mach-zehnder inter-ferometer，mzi)等结构的光开关级联波导，通过光开关的开启和关闭功能，对各个通道的信号单独进行控制。
41.本发明的发明人经过研究发现，光开关级联方案需要针对大量光开关单独控制，功耗较高，且增加了大阵列结构复杂度。
42.在现有的另一种具体实施方式中，采用微环谐振器，将单个或多个微环级联，并对各个通道的信号单独进行控制。
43.本发明的发明人经过研究发现，微环谐振器级联方案存在着工作带宽与延时量矛盾的问题，即工作带宽需求较大，延时量却较小甚至无法满足需求，且对温度敏感度过高，导致工作状态精确控制困难，难以实际应用在多波束系统当中。
44.在现有的又一种具体实施方式中，采用光子晶体、波导光栅等谐振结构方案，对各个通道的信号施加影响。
45.本发明的发明人经过研究发现，光子晶体、波导光栅等谐振结构方案存在着工作带宽与延时量矛盾的问题，即工作带宽需求较大，延时量却较小甚至无法满足需求，且光损耗较大。
46.在本发明实施例中，通过阵列波导光栅及分束器对波长信号实现解复用，通过设置波导网络，且与不同的分束器耦合的波导的长度不完全相同，可以使得不同的光信号具
有各自的光路通道物理长度，实现不同波长信号延时差，一一对应进入合束器中，最后经过光电探测器拍频实现光电转换，并由阵列天线发射，可以实现同时多波束功能。现有光子集成延迟线芯片技术要实现同时多波束功能需要大规模器件对各个通道的信号单独进行控制，导致功耗较高。而采用本发明实施例的方案，不需要光开关切换或信号控制，可以基于较低功耗实现同时多波束功能。
47.为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
48.参照图1，图1是本发明实施例的一种波束赋形装置的结构示意图。所述波束赋形装置可以包括：波分解复用及分束模块11、波导网络12以及合束模块13。
49.其中，所述波分解复用及分束模块11可以用于接收多波长光信号，并将所述多波长光信号分为多个单波长光信号后，经由多个分束器输出。
50.在图1示出的波分解复用及分束模块11中，以分束器的输出端的数量等于16，且4个分束器的输出端为一组进行说明，需要指出的是，在本发明实施例中并不对具体的数量进行限制，还可以为其他适当的数量。
51.所述波导网络12可以包括多根波导，各根波导的输入端与所述分束器一一对应耦合，接收所述单波长光信号并输出延时单波长光信号。
52.其中，与不同的分束器耦合的波导长度不完全相同。
53.如图所示，不同的单波长光信号具有各自的光路通道物理长度，由于与不同的分束器耦合的波导的长度不完全相同，因此不同的单波长光信号对应的光路通道物理长度(又称为光程通道物理长度、光程长度等)也不完全相同。
54.所述合束模块13的多个合束输入端可以与各根波导的输出端一一对应耦合，接收所述经过延时后输出的单波长光信号，合并为延时合并信号。
55.在本发明实施例中，通过阵列波导光栅及分束器对波长信号实现解复用，通过设置波导网络12，且与不同的分束器耦合的波导的长度不完全相同，可以使得不同的光信号具有各自的光路通道物理长度，实现不同波长信号延时差，一一对应进入合束器中，最后经过光电探测器拍频实现光电转换，并由阵列天线发射，可以实现同时多波束功能。现有光子集成延迟线芯片技术要实现同时多波束功能需要大规模器件对各个通道的信号单独进行控制，导致功耗较高。而采用本发明实施例的方案，不需要光开关切换或信号控制，可以基于较低功耗实现同时多波束功能。
56.结合参照图2和图3，图2是本发明实施例的另一种波束赋形装置的结构示意图，图3是本发明实施例的一种波分解复用及分束模块、波导网络和合束模块的工作场景示意图。
57.所述另一种波束赋形装置可以包括波分解复用及分束模块21、波导网络22、合束模块23、光电探测器24、天线阵列25、多光源激光阵列26以及电光调制器27。
58.进一步地，所述波分解复用及分束模块21可以包括第一阵列波导光栅(arrayed waveguide grating，awg)211，用于对接收到所述多波长光信号进行波分解复用，所述第一阵列波导光栅211的多个输出端可以分别输出波分解复用后的单波长光信号。
59.具体地，awg可以实现波分复用功能(optical multiplexers)，在传送端，awg能够把多个波长的波分复用到单一的光纤中，从而提高光纤网络的传播效率；在接收端，awg波分解复用重新分离不同波长的光信号。
60.在本发明实施例中，波分解复用及分束模块21包括第一阵列波导光栅211，从而可以采用第一阵列波导光栅211将多波长光信号分离为单波长光信号。
61.更进一步地，所述第一阵列波导光栅211的输出端的数量可以等于所述多波长光信号的波长数量。
62.在图2示出的波束赋形装置中，第一阵列波导光栅211的输出端的数量可以为n个，从而对多波长光信号的n个波长进行分离，其中，n为正整数。
63.需要指出的是，第一阵列波导光栅211的输出端的数量还可以大于或者小于多波长光信号的波长数量。
64.在本发明实施例中，所述第一阵列波导光栅211的输出端的数量等于所述多波长光信号的波长数量，能够使得输入的每种波长的光信号均能够在分离后得到单波长光信号。
65.进一步地，所述波分解复用及分束模块21还可以包括：多个分束器212，输入端与所述第一阵列波导光栅211的多个输出端一一对应耦合；每个分束器212用于对单个单波长光信号进行分束，并输出多个功率相等的单波长光信号。
66.具体地，所述分束器212可以包括图2中示出的分束器1、分束器2、分束器3至分束器n，与所述第一阵列波导光栅211的n个输出端一一对应。
67.更进一步地，所述分束器212的输出端的数量大于等于所述多波长光信号的波长数量。
68.需要指出的是，所述分束器212输出的单波长光信号需要具有不完全一致的延时量，从而在实现波束赋形功能。
69.更进一步地，所述分束器212的输出端的数量可以为所述多波长光信号的波长数量的整数倍。
70.以多波长光信号的波长数量为4为例进行说明，则分束器212的输出端的数量可以为4，还可以为4的倍数，如8、12、16等。
71.在本发明实施例中，设置分束器212进行分束，所述分束器212的输出端的数量大于等于所述多波长光信号的波长数量，从而可以对同一波长的光信号也进行分束，在后续延时处理后，实现同一波长的光信号被分离后也能够具有不同延时。
72.进一步地，与每个分束器212耦合的多根波导的波导长度满足等差数列。
73.以分束器1为例，在耦合的四根波导中，波导长度可以分别为d1、d1 δd1、d1 2δd1、d1 3δd1，也即相邻波导之间的光程长度差值为δd1。
74.可以理解的是，在理论上，波导长度与延时时长具有正比例关系，若波导长度d1对应于延时时长t1，则波导长度d1 δd1对应于延时时长t1 δt1，波导长度d1 2δd1对应于延时时长t1 2δt1，波导长度d1 3δd1对应于延时时长t1 3δt1。
75.在本发明实施例中，与每个分束器212耦合的多根波导的波导长度满足等差数列，可以使得同一波长的光信号在分束后的光程差呈等差数列排列，从而满足后续实现波束赋形的延时要求。
76.更进一步地，不同的分束器212对应的波导长度的等差数列的差值不等。
77.以分束器2为例，在耦合的四根波导中，波导长度可以分别为d2、d2 δd2、d2 2δd2、d2 3δd2，也即相邻波导之间的光程长度差值为δd2，则δd2不等于δd1。
78.在图3示出的波导网络22中，可以看出与同一分束器耦合的各根波导的波导长度通常存在差异。
79.作为一个非限制性的例子，与分束器1耦合的四根波导的波导长度可以为2、4、6、8，与分束器2耦合的四根波导的波导长度可以为3、6、9、12。
80.在本发明实施例中，不同的分束器212对应的波导长度的等差数列的差值不等，可以在不同波长的光信号之间，增加光程差的多样性，对于不同波长的光信号对应的多个光路通道，实现光程长度不完全一致，从而在后续实现波束赋形时，进一步增大各个信号之间的区别。
81.进一步地，所述合束模块23可以包括多个合束器231，每个合束器231可以接收多个经过延时的单波长光信号并进行合并处理；其中，每个合束器231的输入端可以分别与不同的分束器212的输出端耦合。
82.具体地，所述合束器231可以包括图2中示出的合束器1、合束器2、合束器3至合束器n，与不同的分束器212的输出端耦合。
83.更进一步地，所述合束器231的数量大于等于所述多波长光信号包含的波长数量。
84.在本发明实施例中，设置合束器231进行合并处理，所述合束器231的数量大于等于所述多波长光信号包含的波长数量，从而可以对来自不同分束器212的光信号进行合束。
85.进一步地，所述合束器231可以为第二阵列波导光栅。
86.如前文所述，在把多个波长的光复用到单一波导中之后，在接收端，第二阵列波导光栅还可以将这些光重新分离出来。
87.进一步地，所述波束赋形装置还可以包括：光电探测器阵列，分别与各个合束器231的输出端耦合，用于对多个合束器231输出的延时光信号进行光电转换处理。
88.所述光电探测器阵列例如可以包括多个光电探测器24，如图中示出的光电探测器1、光电探测器2、光电探测器3
……
光电探测器n。
89.在本发明实施例中，设置光电探测器阵列对多个合束器231输出的延时光信号进行光电转换处理，在不同光路通道物理长度的光信号分别经光电探测器24进行光电转换之后，可以得到不同延时的射频信号。
90.进一步地，所述波束赋形装置还可以包括：天线阵列25，与所述光电探测器阵列耦接，用于对光电转换处理后的电信号进行波束赋形。
91.在本发明实施例中，通过设置天线阵列25，将不同延时的射频信号发送出去形成远场波束定向辐射模式，从而实现波束赋形功能。
92.进一步地，所述波束赋形装置还可以包括：多光源激光阵列26，用于输出所述多波长光信号。
93.进一步地，所述波束赋形装置还可以包括：电光调制器27，用于调制射频信号到所述多波长光信号上。
94.在本发明实施例中，通过阵列波导光栅及分束器对波长信号实现解复用，通过设置波导网络22，且与不同的分束器耦合的波导的长度不完全相同，可以使得不同的光信号具有各自的光路通道物理长度，实现不同波长信号延时差，一一对应进入合束器中，最后经过光电探测器阵列拍频实现光电转换，并由阵列天线发射，可以实现同时多波束功能。现有光子集成延迟线芯片技术要实现同时多波束功能需要大规模器件对各个通道的信号单独
进行控制，导致功耗较高。而采用本发明实施例的方案，不需要光开关切换或信号控制，可以基于较低功耗实现同时多波束功能。。
95.在本发明实施例中，还公开了一种基于上述波束赋形装置的波束赋形方法。
96.参照图4，图4是本发明实施例的一种波束赋形方法的流程图。所述方法可以包括步骤s41至步骤s43：
97.步骤s41：接收经过调制射频信号后的多波长光信号，并采用所述波分解复用及分束模块将所述多波长光信号分为多个单波长光信号；
98.步骤s42：采用所述波导网络中的多根波导分别传输所述单波长光信号，以得到多个经过延时的单波长光信号；
99.步骤s43：采用所述合束模块将所述多个经过延时的单波长光信号合并为多波长光信号。
100.进一步地，采用所述波分解复用及分束模块将所述多波长光信号分为多个单波长光信号包括：采用第一阵列波导光栅对接收到的经过射频信号调制后的多波长光信号依照波长进行波分解复用，所述第一阵列波导光栅的多个输出端分别输出波分解复用后的单波长光信号。
101.更进一步地，所述第一阵列波导光栅的输出端的数量等于所述多波长光信号的波长数量。
102.进一步地，采用所述波分解复用及分束模块将所述多波长光信号分为多个单波长光信号包括：采用分束器对单个单波长光信号进行分束，输出多个功率相等的单波长光信号，其中，多个分束器的输入端与所述第一阵列波导光栅的多个输出端一一对应耦合。
103.更进一步地，所述分束器的输出端的数量大于等于所述多波长光信号的波长数量。
104.更进一步地，与每个分束器耦合的多根波导的波导长度满足等差数列。
105.更进一步地，不同的分束器对应的波导长度的等差数列的差值不等。
106.进一步地，采用所述合束模块将所述多个经过延时的单波长光信号合并为多波长光信号包括：采用合束器接收多个经过延时的单波长光信号并进行合并处理，其中，每个合束器的输入端分别与不同的分束器的输出端耦合。
107.更进一步地，所述合束器的数量大于等于所述多波长光信号包含的波长数量。
108.更进一步地，所述合束器为第二阵列波导光栅。
109.进一步地，所述方法还可以包括：采用光电探测器阵列对多个合束器输出的延时光信号进行光电转换处理，所述光电探测器阵列分别与各个合束器的输出端耦合。
110.进一步地，所述方法还可以包括：采用天线阵列对光电转换处理后的电信号进行波束赋形，所述天线阵列与所述光电探测器阵列耦接。
111.进一步地，所述方法还可以包括：采用多光源激光阵列输出所述多波长光信号。
112.进一步地，所述方法还可以包括：采用电光调制器，用于调制射频信号到所述多波长光信号上。
113.虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。