[发明专利]一种基于硅基的多波束光学相控阵天线

说明书

本发明公开了一种基于硅基的多波束光学相控阵天线，采用硅基波导、硅基光分路器、硅基光合路器、硅基光移相器等硅基光学器件，此天线采用M×N光移相矩阵，通过灵活配置M和N参数，可以实现N个天线子阵、M个波束的硅基光学相控阵天线，形成M个独立可控波束，实现多波束成形及独立控制。此发明可以灵活实现波束成形和波束独立控制，是一种真正意义的光学多波束相控阵天线。

技术领域

本发明涉及一种基于硅基的多波束光学相控阵天线，属于卫星激光通信和激光雷达技术领域。

背景技术

近年来空间激光通信技术得到快速发展，国外成功建立了星间、星地高速激光通信演示验证系统。随着空间激光通信技术的发展，星间激光通信链路向空间激光通信网络发展，这需要实现一个用户与多个用户之间的通信。目前国内外研究的激光通信系统为点对点单链路数据传输系统，采用机械式捕跟机构和传统式捕获跟踪技术，机械式捕跟机构(包括天线)体积大、笨重，而且惯性大，不仅难以满足平台对体积和重量需求，而且难以实现多用户接入。

目前研究的硅基波导光学相控阵天线只能实现单波束扫描，没有多波束成形和控制能力。

发明内容

本发明的技术解决问题是：

为克服现有技术的不足，提供一种基于硅基的多波束光学相控阵天线，以解决多个波束的偏转问题。

本发明的技术解决方案是：

一种基于硅基的多波束光学相控阵天线，包括M个1×N光分路器，M×N个光移相器，N个M×1光合路器，N个天线单元，形成硅基光学相控阵，通过光波导传输线连接，1×N光分路器将一路入射光束分为N路；其中光分路器、光移相器、光合路器串行排列，M个1×N光分路器，M×N个光移相器，N个N×1光合路器，N个天线单元分别并行排列；光移相器对通过光移相器的光波进行移相控制，实现0-2π范围的连续相位控制；N×1光合路器将输入的N路光信号合为一路；天线单元将输入的光信号发射出去。

M个激光发射模块发出的光信号传递至硅基光学相控阵上，分别传递至后续M个1×N光分路器，对于每一个1×N光分路器，将激光发射模块输出的光信号分为N路，形成M×N路光波，并送入后续串联移相器分别进行移相，移相后的光信号分别送入N个M×1光合路器合为N路，合路得到的N路信号送入后续N个天线单元，并由此N个天线单元发射出去。

其中M个1×N光分路器、N个M×1光合路器采用空分复用技术或波分复用技术，光移相器采用热光效应或电光效应的相位控制方法，光学相控阵天线采用阵列光栅移相方法。

每个波束的偏转角度和每个波束的移相控制单元相移一一对应，根据每个波束偏转角度，计算出每个移相器的移相量，实现波束偏转控制。

根据其波束指向需求，确定对应的每一个移相器的移相量

其中k_r＝w_r/c，C为光速，d为阵元间隔，N为阵元数，w_r为光波频率，θ为天线主瓣波束指向角。

根据移相量确定移相量和电压Vn的关系，确定需要波控器输出的控制电压Vn，各个移相器在控制电压作用下实现光波移相，从而使得从天线单元发出的光信号满足波控相位移相需求，实现波束的偏转控制。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明天线采用M×N光移相矩阵，通过灵活配置M和N参数，可以实现N个天线子阵、M个波束的硅基光学相控阵天线，形成M个独立可控波束，实现多波束成形及独立控制；

(2)本发明多个用户共用(一个用户对应一个波束)相同的天线单元，实现多波束的成形和波束偏控制，此方法有效降低多波束相控阵天线的天线单元数量，系统更易于集成化设计；