【摘要】：相控陣雷達相比傳統(tǒng)雷達具有波束掃描快等優(yōu)勢,已得到廣泛的應(yīng)用,然而由于存在孔徑渡越時間的缺陷,只能在相對窄帶的情況下工作,限制了其在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用。本文設(shè)計的光學(xué)相控陣天線將傳統(tǒng)相控陣結(jié)合微波光子學(xué),通過光學(xué)真延遲的方法補償了孔徑渡越時間,實現(xiàn)了微波信號在光域的延遲移相與合成,提高了雷達的瞬時帶寬,消除了寬帶雷達信號下的波束偏斜效應(yīng)。本文系統(tǒng)性研究了光學(xué)相控陣天線的設(shè)計,并對實驗樣機進行了測試,對今后光學(xué)真時延相控陣的設(shè)計與實現(xiàn)有著一定的參考價值。本文從相控陣波束形成的原理出發(fā),推導(dǎo)了相控陣的移相網(wǎng)絡(luò)幅相誤差對形成波束指向及波束增益的影響,同時從理論上解釋了傳統(tǒng)相控陣波束偏斜產(chǎn)生的原因及真時延結(jié)構(gòu)帶來的優(yōu)點。本文也對光學(xué)相控陣系統(tǒng)中最根本的光載射頻(RoF)鏈路進行了數(shù)學(xué)建模,根據(jù)模型推導(dǎo)了鏈路各項性能指標的理論表達式,并介紹了提高鏈路性能的方法。最終根據(jù)這兩部分理論分析提出了光學(xué)相控陣天線系統(tǒng)的設(shè)計方案及對器件參數(shù)的優(yōu)化選擇。光纖可變延遲線作為光真時延移相網(wǎng)絡(luò)的最基本單元其精度決定了相控陣的性能。本文提出了一種擁有高成功率的新型高精度延遲光纖制作工藝,設(shè)計了光纖精密研磨平臺及基于此平臺的高精度光纖延遲線制作流程。其制作過程中長度的精確測量由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)完成,最小精度受限于VNA的相位測量的不確定度,達到0.1 mm。提出光輔助并行時間交替采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)方案及其通道失配誤差的估計和修正方法,實現(xiàn)了在光學(xué)相控陣天線的接收端對雷達回波信號直接射頻采樣,并使用高采樣率示波器完成了對該方案的實驗驗證。實驗實現(xiàn)了四通道并行采樣,等效采樣率達到了40 GSas-1,在6.31 GHz測試信號下信納比為40.3 dB,無雜散動態(tài)范圍為57.6 dBc,對應(yīng)有效位數(shù)為6.4位,達到示波器的上限。完成了8陣元光學(xué)相控陣天線樣機在2-4 GHz頻段內(nèi)的性能測試,其中單路全光RoF鏈路的頻段內(nèi)最小的射頻增益為-39.5 dB,最大噪聲系數(shù)為40.3 dB,最小三階無雜散動態(tài)范圍為93.2 dB·Hz2/3。光纖延遲線插入損耗校準為7 dB,最大幅度均方根誤差為0.55 dB,最大時延均方根誤差為0.4 ps。排除外接模塊引入的誤差后測得波束指向精度在±40°掃描角時最大均方根誤差僅為0.35°。測試結(jié)果表明了光纖延遲線幅度相位的精度以及對應(yīng)波束指向角精度達到了相對較高的水準,同時此光學(xué)相控陣天線系統(tǒng)克服了波束偏斜效應(yīng),提高了系統(tǒng)的瞬時帶寬。
[Abstract]:Compared with traditional radar, phased array radar has been widely used because of its advantages such as fast beam scanning. However, due to the defect of aperture transit time, phased array radar can only work under relatively narrow band conditions. It limits its application in the complex environment of modern warfare. The optical phased array antenna designed in this paper combines the traditional phased array with microwave photonics, compensates the aperture transit time by optical true delay method, realizes the delay phase shift and synthesis of microwave signal in optical domain, and improves the instantaneous bandwidth of radar. The beamforming effect of wideband radar signal is eliminated. In this paper, the design of optical phased array antenna is systematically studied, and the experimental prototype is tested, which has certain reference value for the design and realization of optical real time delay phased array in the future. In this paper, based on the principle of phased array beamforming, the influence of amplitude and phase error of phased array on beam direction and beam gain is derived. At the same time, the reason of beamdeflection of traditional phased array and the advantages of true delay structure are explained theoretically. In this paper, the mathematical model of the most fundamental optical-borne RF (RoF) link in the optical phased array system is also presented. According to the model, the theoretical expressions of the performance indexes of the link are derived, and the methods to improve the link performance are introduced. Finally, the design scheme of the optical phased array antenna system and the optimum selection of the device parameters are put forward according to these two parts of theoretical analysis. As the most basic element of the optical true delay phase shift network, the precision of the optical fiber variable delay line determines the performance of the phased array. In this paper, a new type of high precision delay fiber fabrication technology with high success rate is presented. The optical fiber precision grinding platform and the manufacturing process of high precision fiber delay line based on this platform are designed. The precise measurement of the length in the fabrication process is completed by the vector network analyzer (VNA). The minimum precision is limited by the uncertainty of the phase measurement of the VNA, reaching 0.1 mm.. An optical-assisted parallel time-alternating sampling analog-to-digital conversion scheme and its channel mismatch error estimation and correction method are presented. The direct RF sampling of radar echo signal at the receiving end of the optical phased array antenna is realized. A high sampling rate oscilloscope is used to verify the scheme. The four-channel parallel sampling is realized in the experiment. The equivalent sampling rate is up to 6.31 GHz and the equivalent sampling rate is 40 GSas-1,. At 6.31 GHz, the SNR is 40.3 dB, the spurious free dynamic range is 57.6 dBc, and the corresponding effective bit is 6.4 bits. Reach the upper limit of the oscilloscope. The performance test of 8 element optical phased array antenna prototype in 2 ~ 4 GHz band has been completed. The minimum RF gain in the band of single-channel all-optical RoF link is-39.5 dB, and the maximum noise figure is 40.3 dB,. The minimum third order non-spurious dynamic range is 93.2 dB 路Hz2 / 3. Fiber delay line insertion loss calibration is 7 dB, maximum amplitude root mean square error is 0.55 dB, maximum delay root mean square error is 0.4 ps. After removing the error introduced by the external connection module, the maximum root mean square error is only 0.35 擄when the beam pointing accuracy is at 鹵40 擄scanning angle. The test results show that the precision of amplitude and phase of the optical fiber delay line and the direction angle of the corresponding beam reach a relatively high level. At the same time, the optical phased array antenna system overcomes the beam skew effect and improves the instantaneous bandwidth of the system.
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN957.5

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本文編號：2470879