[发明专利]光子波束成形系统及其方法

说明书

本发明的一个目的是一种对具有N天线元件的相控阵列天线所接收的无线电信号执行波束成形的光子系统。它提供通过可调谐光延迟线(6)实现的具有周期性频率响应的真时间延迟波束成形。本发明提供了四个关键优点：光子RF相移；利用本征光子频率下转换的高灵敏度相干检测；相位噪声消除，因为频移光本振信号可从用于供给电光调制器(5)的同一激光源(1)获得；仅需要单个延迟线的可能性，该单个延迟线在所有可调谐光延迟线之间共享。这些优点的集合使所提出系统对于高端无线接收机极其有吸引力，高端无线接收机是诸如卫星通信系统和宽带无线信号传输的高要求应用所需要的。

技术领域

本发明的一个目的是用于执行具有N个天线元件的相控阵列天线所接收的无线电信号的波束成形的光子系统。

本发明的光子系统执行相控阵列天线所接收的无线电信号的波束成形。系统提供具有周期性频率响应的、通过可调谐光延迟线实现的真时间延迟波束成形。在可能实施例中的一个中，马赫-曾德尔延迟干涉仪能够提供这种操作。

这种干涉仪在其臂/分支之间有预设的差分时间延迟，以及还有施加到其臂的功率之间的可调节耦合比率。可通过调节这种耦合比率来配置时间延迟。在所提出系统的第一阶段中，通过使用电光调制器的阵列将由相控阵列天线的所有天线元件输出的RF信号转换到光域。经调制的光信号的幅度可通过使用可变光衰减器和/或光放大器来调节；经调制的光信号的相位可通过使用移相器来调节；并且它们的时间延迟通过使用所提出的可调光延迟线来限定。然后将经调节信号组合成单个信号，然后通过使用从用于供给电光调制器的同一激光源获得的频移的光本振信号来相干检测该单个信号。由于系统所执行的功能是线性的，所以可以在光域中或电域中执行不同的功能。此外，某些功能还可具有简化的实现方式。在不同实施例中对此进行探索。

本发明提供了四个关键优点：光子RF相移；利用本征光子频率下转换的高灵敏度相干检测；相位噪声消除，因为频移的光本振信号可从用于供给电光调制器的同一激光源获得；以及仅需要单个延迟线的可能性，该单个延迟线在所有可调谐光延迟线之间共享。这些优点的集合使所提出系统对于高端无线接收机极其有吸引力，高端无线接收机是诸如卫星通信系统和宽带无线信号传输的高要求应用所需要的。

现有技术

相控阵列天线包括多个天线元件，这些天线元件常常以诸如正方形的二维配置来布置。为了在给定方向上发送信号，调节被供给到每个天线元件的射频(RF)信号的相位和幅度，使得相控阵列天线的辐射图在目标方向上被最大化。对供给到每个天线元件的信号的相位和幅度进行个体调节，允许完全地定制相控阵列天线的辐射图，从而能够进行更精密的应用，诸如其中对于多于一个方向将辐射图最大化的多波束操作。由于相控阵列天线是双向的，所以上述的操作原理也应用于接收无线电信号。相比于使用单个天线(常常比相控阵列天线的天线元件精密得多)，使用相控阵列天线的主要优点是不需要天线的物理移位或旋转来操控辐射图，还有由相控阵列天线给出的整形其辐射图的特有灵活性。

为了整形具有N个天线元件的相控阵列天线的辐射图，需要波束成形系统来处理由天线元件输出的N个RF信号。这种系统应该接收N个输入信号，各自控制它们的幅度和相位，并将所得信号组合成单个输出。为了执行信号的相位控制，典型的解决方案是使用相移器，相移器为广范围的频率提供恒定的相移。然而，向给定信号施加的相移仅对于单个频率是正确的。这意味着，利用包括相移器的波束成形系统的相控阵列天线仅对单个频率提供正确操作，该单个频率通常是输入无线电信号的载波频率。对于任何其他频率，相移是不正确的，意味着辐射图仅对于操作频率而言是如期望的那样准确的。该问题通常被命名为波束偏斜。虽然对于准单频信号而言这并不是问题，但对于在光谱上丰富的信号(诸如RADAR信号、承载高比特率数据的无线信号和射电天文信号)而言是严重的限制。