[发明专利]可编程光延时矩阵及光控多波束形成装置

说明书

本发明公开了一种可编程光延时矩阵，包含由M×N个光开关所组成的阵列，每一行首、尾的光开关分别为1×2型和2×1型，其余光开关都为2×2型，M、N均为大于2的整数；每一行中任意两个相邻光开关的一对端口通过一条零色散光纤连接，另一对端口则通过一条色散光纤连接；同一行中的N‑1条色散光纤的色散系数相同但长度不同，同一列中的M条色散光纤的长度相同但色散系数不同。本发明还公开了一种光控多波束形成装置。相比现有技术，本发明的工作带宽更宽、控制更加灵活、可以同时实现多波束、波束指向更多且可实时调节。

技术领域

本发明涉及一种多波束形成装置，尤其涉及一种光控多波束形成装置，属于微波光子学技术领域。

背景技术

随着无线通信系统容量需求的急剧增长，4G时代基于小规模天线的MIMO系统已经难以适应发展趋势。到了5G时代，为了解决这个问题，大规模MIMO技术应运而生。相较于4GMIMO的最多8天线，大规模MIMO可以在5G中实现16、32、64、128、甚至是更大规模的天线。作为5G关键技术之一，大规模MIMO技术最重要的组成部分就是多波束形成。传统的基于纯电子技术的波束形成系统存在“电子瓶颈”，而受益于光元件的大带宽和低损耗，微波光子多波束形成有着尺寸小、控制灵活、重量轻、抗电磁干扰等优点。光控多波束形成技术主要包含移相和时延两种手段，基于移相原理的波束形成系统由于其固有的波束倾斜效应，只能实现窄带的波束，而时延技术因为不存在波束偏斜问题所以应用较广。

近十年来，国内外对于光控多波束形成技术均进行了深入研究并有所进展。美国的德克萨斯大学提出了一种基于光子晶体光纤的实时延时波束形成器(Subb araman.H,Chen.M.Y,Chen.R.T.Photonic Crystal Fiber-Based True-Time-Delay Beamformer forMultiple RF Beam Transmission and Reception of an X-Band Phased-Array Antenna[J].Journal of Lightwave Technology,2008,26(15):2803-2809.)，利用光子晶体光纤的高色散系数，不同波长的信号经过不同长度的光子晶体光纤会产生不同的时延。该方案虽然可以产生多波束，但是由于光子晶体光纤的长度固定不可切换，波束指向只能通过改变激光器的波长来实现，成本较大；而且光子晶体光纤的制备困难。南京航空航天大学提出了一种多波长源和色散光纤的组合架构(Ye.X,Zhang.F,Pan.S.Optical true time delayunit formulti-beamforming[J].Optics Express,2015,23(8):10002.)，该方案中，N个不同的射频信号被调制到光频梳中的每一根梳齿上，经过色散光纤后可以得到多个RF信号的各种时间延迟，插入N端口可编程滤波器来选择N条梳状线，然后将这些梳状线分成N条路径。在每一个路径中由微波光子滤波器提取所需的RF信号。利用可编程滤光器具有灵活的波长选择优势，在每个路径上对某个射频信号引入一个独立的可控时延，从而实现多波束成。但是该系统需要N个滤波器分离频率，结构较为复杂(要实现多波束至少需要两套这样的结构)。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种时延量可变且多样的可编程光延时矩阵，并基于该可编程光延时矩阵提供一种光控多波束形成装置，可同时形成多波束且波束指向更多且可调。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种可编程光延时矩阵，包含由M×N个光开关所组成的阵列，每一行首、尾的光开关分别为1×2型和2×1型，其余光开关都为2×2型，M、N均为大于2的整数；每一行中任意两个相邻光开关的一对端口通过一条零色散光纤连接，另一对端口则通过一条色散光纤连接；同一行中的N-1条色散光纤的色散系数相同但长度不同，同一列中的M条色散光纤的长度相同但色散系数不同。

优选地，每一行中色散光纤的长度变化规律均相同。

进一步优选地，所述色散光纤的长度变化规律为按2的幂次递增/递减。