[发明专利]微环延时矩阵及微波光子集成多波束相控阵芯片、系统

说明书

本发明公开了一种微环延时矩阵，该微环延时矩阵包含由N×M个上传/下载型（add/drop）微环单元所组成的阵列；每个微环单元包括：至少一个微环谐振器，与所述微环谐振器分别耦合的一根输入光波导和一根输出光波导，用于调节输入光波导和输出光波导与微环谐振器之间耦合系数的耦合系数调节电极，以及用于调节微环谐振器的谐振波长的谐振波长调节电极；同一行的M个上传/下载型微环单元共用一根输入光波导，且同一行的M个上传/下载型微环单元的下载端耦合为一路，作为该行的输出端。本发明还公开了一种微波光子集成多波束相控阵芯片、系统。本发明理论上没有波束倾斜效应，工作带宽更宽，工作结构更加紧凑，控制更加灵活，且大幅降低成本。

技术领域

本发明涉及多波束相控阵技术领域，尤其涉及一种微波光子集成多波束相控阵芯片。

背景技术

随着航天和导弹技术的迅猛发展，及其隐身和电子对抗技术的应用，早期的机械式扫描雷达由于系统的限制，如结构复杂，反应速度慢等缺陷，无法满足现今雷达的性能指标，如满足雷达更短的跟踪与监视距离、多目标成像和更快的速度。当把光电技术有效的应用于雷达，实现了雷达波速的电扫描，从而发展产生的光控相控阵雷达较好的解决了这些问题。光控相控阵雷达天线的波速形成与波速扫描，是通过控制微波信号的相位延迟来实现的。从而没有机械式的运动转向，具有了精确的波束指向和强的二维扫描灵活性。受益于光单元件的大带宽和低损耗，微波光子波束形成有着尺寸小、控制灵活、重量轻、抗电磁干扰等优点。然而，基于移相原理的相控阵由于其固有的波束倾斜效应，只能实现窄带的波束形成。

近十年来，国内外对于微波光子多波束形成均有进展。相较于基于分立单元件的微波光子波束形成方案，将波束控制在芯片上实现，将大大减小系统的体积和成本。RoeloffzenC GH,DijkPWLV,OldenbeuvingRM,etal.等人报道了一种基于光域blass矩阵的微波光子集成多波束方案(RoeloffzenC GH,DijkPWLV,Oldenbeuving R M,etal.Integrated optical beaMforMers[C]//International Topical MeetingonMicrowavePhotonics.IEEE,2015:1-3.)，M.A.Piqueras,T.Mengual,O.Navasquillo等人报道了一种基于光域butler矩阵的微波光子集成多波束形成方案(Piqueras MA.Opto-MicrowaveButler Matrixes based front-end for aMulti-beaM large direct radiating arrayantenna[C]//Society of Photo-Optical InstruMentation Engineers.Society ofPhoto-Optical InstruMentation Engineers(SPIE)Conference Series,2017:133.)，二者都是借助光耦合单元和移相单元构成一个微环延时矩阵单元形成多个方向的波束。两种方案都是基于移相原理的，存在波束斜视等问题。2017年，TessemaN等人实现了基于时延迟技术的微波光子集成多波束形成方案，(Tessema N,Cao Z,Van Zantvoort J H C,etal.K-band RF multi-beamformer using Si3N4TTD for home-satellitecommunications[C]//Optical Fiber Communication Conference.Optical SocietyofAmerica,2017:Tu2I.5.)该方案使用传统的全通型(all-pass)微环延时线，此种微环仅具有延时功能，无法选出被调制在不同波长处的信号，从而单独控制每个波束不同阵元上信号的幅度。并且，由于可控量太少，难以在使用时调节延时量。2018年，陆梁军等人报道了(陆梁军，朱晨，周林杰，陈建平，刘娇.基于波分复用的集成多波束光相控阵延迟网络:中国，201810424574.X[F].2018.11.06)。该方案使用微环作为分束器选出调制在不同波长上的信号，使用固定延时线对信号延时，芯片尺寸较大，且无法灵活调节各个波束的指向。这两种基于时延迟的多波束形成方案虽然不具有波束倾斜效应，但是要么无法单独控制信号的幅度和延时，难以调节各阵元信号的幅度大小和波束指向，实际应用收到极大地影响和限制；要么为了实现滤波和延时使用的器件过多，系统冗余度大，芯片体积较大，不利于生产。