專利名稱：用于由相控陣天線輻射的電場的可調(diào)諧波束形成的光子系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開了以波束形成由相控陣天線(PAA)產(chǎn)生的電場為目的的一種光子系統(tǒng)和方法。系統(tǒng)依賴于光子可調(diào)諧光學(xué)延遲線(T0DL)，其是Mach-Zehnder光學(xué)干涉儀，該Mach-Zehnder光學(xué)干涉儀具有在臂之間的預(yù)定義的差分時(shí)間延遲。時(shí)間延遲通過調(diào)整在施加到干涉儀的延遲線的每一個(gè)上的功率之間的耦合比而調(diào)諧。提出了三個(gè)實(shí)施例，其中，它們之一獨(dú)立于相控陣的基元天線的數(shù)量，僅使用單個(gè)延遲線和單個(gè)單色光(ML)源。描述的TODL在以波束形成由PAA產(chǎn)生的電場為目的的光子系統(tǒng)中的應(yīng)用，在目前技術(shù)狀態(tài)下還未發(fā)現(xiàn)。提出的系統(tǒng)對(duì)于具有高頻RF載波的無線通信系統(tǒng)是適當(dāng)?shù)模@些無線通信系統(tǒng)允許處理高數(shù)據(jù)傳輸速率。提出的發(fā) 明在用于由PAA輻射的電場的波束形成系統(tǒng)方面提供一種新穎手段。PAA正在越來越多地使用，因?yàn)檫@樣的天線允許將輻射的波束精確地定向到任何目標(biāo)方向，而不使用任何機(jī)械位移。由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捲谟芯€或無線通信系統(tǒng)中正在增長，所以要求在這兩種類型的通信系統(tǒng)之間的互連系統(tǒng)，這些互連系統(tǒng)允許高數(shù)據(jù)傳輸速率。讓我們考慮如下例子:具有高數(shù)據(jù)傳輸速率lGb/s)的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可使用纖維上無線電(radio over fiber)(RoF)系統(tǒng)將中心辦公室連接到遠(yuǎn)程PAA上。隨后，PAA將使用提出的系統(tǒng)在目標(biāo)方向上定向波束，因?yàn)樗试S接受高數(shù)據(jù)傳輸速率。感興趣的外部通信系統(tǒng)的另一個(gè)領(lǐng)域是射電天文學(xué)，射電天文學(xué)要求高級(jí)天線技術(shù)以監(jiān)視從外部空間到達(dá)的信號(hào)，這些信號(hào)具有低功率和高帶寬。與至今報(bào)告的光子波束形成技術(shù)相比，提出的系統(tǒng)相當(dāng)簡單，并且基于熟知的光學(xué)器件，Mach-Zehnder延遲干涉儀(MZDI)。其實(shí)施用可買到的部件進(jìn)行。它也允許非?？斓牟ㄊ{(diào)諧，特別是當(dāng)其實(shí)施使用集成光學(xué)時(shí)。根據(jù)其發(fā)明人的觀點(diǎn)，主要優(yōu)點(diǎn)是，它獨(dú)立于基元天線的數(shù)量，只要求一個(gè)光學(xué)延遲線(在圖3中表示的實(shí)施例中的雙折射介質(zhì))和單個(gè)ML源。這種特征在現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)中報(bào)告的任何技術(shù)中沒有發(fā)現(xiàn)。
背景技術(shù)：
PAA包括沿三個(gè)空間維度布置的N個(gè)天線。形成PAA的天線稱作基元天線。PAA通過發(fā)送到每個(gè)基元天線的射頻(RF)信號(hào)的振幅和相位的調(diào)整，允許輻射的電場的優(yōu)化和波束形成。這是用于PAA的專有特征，因?yàn)樵趩蝹€(gè)天線中，輻射的電場的優(yōu)化取決于天線的設(shè)計(jì)。另外，輻射的電場的波束形成取決于天線的空間取向。如以前所述，由PAA輻射的電場的波束形成可通過施加到每個(gè)基元天線上的RF信號(hào)的相位而控制。更確切地說，PAA可由單個(gè)RF信號(hào)饋送，該單個(gè)RF信號(hào)分解到全部基元天線上，這些基元天線包括可調(diào)諧相移。盡管是可調(diào)諧的，但相移是恒定的。這意味著，感應(yīng)的相移值僅對(duì)于特定RF頻率是正確的。在PAA中，這意味著發(fā)射的頻率應(yīng)該是恒定的。否則，不同RF頻率獲得不同相移，并所以電場的波束形成變得取決于發(fā)射的頻率。在一個(gè)RF載波頻率上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下，這意味著，數(shù)據(jù)信號(hào)帶寬應(yīng)該盡可能低。由于有關(guān)于高帶寬的多種用途(例如，RADAR (雷達(dá))信號(hào)、Gb/s無線網(wǎng)絡(luò)、射電天文學(xué)、等等)，所以輻射的電場的波束形成用這樣一種技術(shù)不能有效地進(jìn)行。這個(gè)問題可使用取決于RF頻率的相移而解決。在實(shí)際中，取決于頻率的相移在于時(shí)間延遲線。因此，代替相移，每個(gè)基元天線應(yīng)該包括可調(diào)諧時(shí)間延遲?？烧{(diào)諧時(shí)間延遲的電氣實(shí)施在高頻下特別有挑戰(zhàn)，因?yàn)樵黾訒r(shí)間延遲意味著增加延遲線的長度，這又導(dǎo)致較大插入損失和帶寬的減小。這樣的缺點(diǎn)使用可調(diào)諧延遲線的光子實(shí)施而克服。光子系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)包括低損失、寬帶寬、較輕重量、較小尺寸、及抗電磁干擾。一般地，具有可調(diào)諧光子延遲線的PAA的特征在于，它具有電光調(diào)制器，該電光調(diào)制器將RF信號(hào)轉(zhuǎn)換到光學(xué)領(lǐng)域，該該電光調(diào)制器之后是光學(xué)處理系統(tǒng)，該光學(xué)處理系統(tǒng)根據(jù)不同天線的需要是什么而延遲和分配調(diào)制的光學(xué)信號(hào)。光學(xué)信號(hào)使用光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換到電氣領(lǐng)域。下面概括的專利描述了光子TODL的不同實(shí)施，這些光子TODL可應(yīng)用于PAA。美國專利5428218公開了一種基于空間多路復(fù)用的光子T0DL。在這樣的自由空間實(shí)施中，光學(xué)信號(hào)通過鏡的調(diào)整而引導(dǎo)到給定光學(xué)纖維中。由于不同的光學(xué)纖維具有不同的長度，所以人們可獲得添加到光學(xué)信號(hào)上的時(shí)間延遲的離散調(diào)諧。這種實(shí)施也包括具有多波束系統(tǒng)的可能性，例如，系統(tǒng)可由多于一個(gè)光學(xué)信號(hào)同時(shí)使用。美國專利5978125公開了一種基于偏振多路復(fù)用的光子T0DL。在雙折射介質(zhì)中，具有特定偏振狀態(tài)(SOP)的光學(xué)信號(hào)具有比正交SOP高的時(shí)間延遲。通過選擇兩個(gè)SOP之一，那么可控制添加的時(shí)間延遲。這種方法在級(jí)聯(lián)構(gòu)造中描述，在該級(jí)聯(lián)構(gòu)造中，串聯(lián)雙折射介質(zhì)被偏振控制器(PC)插入。結(jié)果，獲得離散延遲調(diào)諧。美國專利5461687公開了一種基于色散裝置的光子TODL。通過調(diào)諧輸入光學(xué)信號(hào)的波長，信號(hào)傳播的路徑變化，導(dǎo)致可調(diào)諧時(shí)間延遲。在這個(gè)專利中，色散裝置在自由空間中使用衍射光柵實(shí) 施。另一個(gè)可能選項(xiàng)是使用光線布拉格光柵(FBG)，這些光線布拉格光柵位于光纖的不同點(diǎn)中。美國專利5751466公開了一種光子T0DL，該光子TODL使用光子帶隙器件的頻率響應(yīng)。這樣一種器件的例子是FBG。這種器件包括介電結(jié)構(gòu)，在該介電結(jié)構(gòu)中，折射率在縱向變化。沿結(jié)構(gòu)的折射率變化的控制導(dǎo)致改變器件的頻率響應(yīng)，因此影響添加到光子信號(hào)的時(shí)間延遲。美國專利7558450B2公開了一種光子T0DL，該光子TODL包括耦合到波導(dǎo)管的三個(gè)諧振元件。這種實(shí)施限于單側(cè)帶(SSB)光學(xué)信號(hào)。兩個(gè)諧振元件的頻率的對(duì)稱位移實(shí)現(xiàn)對(duì)于RF載波引起的時(shí)間延遲的調(diào)整。第三諧振元件調(diào)整光學(xué)載波(OC)的相位，以便避免RF信號(hào)的無意相移。比調(diào)諧方法重要的是如下事實(shí):這個(gè)專利對(duì)于在光學(xué)和RF載波之間沒有任何頻譜內(nèi)容的RF信號(hào)，是清晰適當(dāng)?shù)?。結(jié)果，TODL的頻率響應(yīng)在位于RF載波與OC之間的頻率處是不相關(guān)的。


如下描述基于附屬于其的附圖，這些附圖被沒有任何限制地表示:在圖1中是振幅的響應(yīng)和光子TODL的組延遲，考慮到在施加到干涉儀的光學(xué)延遲線的每一個(gè)上的功率中的不同耦合比a。圖2表不本發(fā)明的第一實(shí)施例；
圖3表示本發(fā)明的第二實(shí)施例；及圖4表示本發(fā)明的第三實(shí)施例。圖5表不本發(fā)明的第四實(shí)施例。圖6表不本發(fā)明的第五實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式為波束形成由PAA產(chǎn)生的電場而提出的系統(tǒng)可劃分成三個(gè)子系統(tǒng)。在第一子系統(tǒng)中，RF信號(hào)調(diào)制單色光學(xué)載波。所生成的調(diào)制的光學(xué)信號(hào)分離成N個(gè)拷貝，其中，N是基元天線的數(shù)量。每個(gè)拷貝引入到TODL中，并且然后借助于光電探測(cè)器被重新轉(zhuǎn)換到電氣領(lǐng)域。每個(gè)光電探測(cè)器連接到相應(yīng)基元天線上。波束形成系統(tǒng)的關(guān)鍵元件是可調(diào)諧延遲線，因?yàn)榫哂蠳個(gè)天線的PAA —般要求N個(gè)可調(diào)諧延遲線。提出的TODL包括具有兩個(gè)臂的MZDI。MZDI包括輸入光學(xué)耦合器和輸出耦合器，兩個(gè)延遲線連接到該輸入光學(xué)耦合器上，該輸出耦合器添加來自兩個(gè)線的信號(hào)。延遲線具有固定的時(shí)間延遲差t。光學(xué)耦合器之一具有可調(diào)諧耦合比，即兩個(gè)延遲線的光學(xué)功率比可被調(diào)諧。根據(jù)在專利PT104237中要求保護(hù)的內(nèi)容，提出的MZDI包括具有可調(diào)諧響應(yīng)的光學(xué)濾光鏡，該可調(diào)諧響應(yīng)近似與延遲線響應(yīng)的加權(quán)平均相對(duì)應(yīng)。調(diào)諧通過在兩個(gè)延遲線之間的光學(xué)功率比的調(diào)整而進(jìn)行。結(jié)果，獲得具有從0至T的調(diào)諧范圍的希望的TODL0按照數(shù)學(xué)表達(dá)式，MZDI的頻率響應(yīng)由如下給出
權(quán)利要求
1.一種進(jìn)行由相控陣天線輻射的電場的可調(diào)諧波束形成的光子系統(tǒng)，其特征在于，它包括:至少一個(gè)單色光源、電光調(diào)制器以及I至N光學(xué)信號(hào)分離器，其中，I至N光學(xué)信號(hào)分離器的N個(gè)輸出中的每一個(gè)光學(xué)地連接到至少一個(gè)Mach-Zehnder光學(xué)干涉儀、光電探測(cè)器以及N個(gè)基元天線之一，所述N個(gè)基元天線組成相控陣天線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的進(jìn)行由相控陣天線輻射的電場的可調(diào)諧波束形成的光子系統(tǒng)，其特征在于，每個(gè)Mach-Zehnder光學(xué)干涉儀包括輸入光學(xué)耦合器，所述輸入光學(xué)耦合器光學(xué)地連接到至少兩個(gè)時(shí)間延遲線，所述至少兩個(gè)時(shí)間延遲線在它們之間具有時(shí)間差，所述至少兩個(gè)時(shí)間延遲線光學(xué)地連接到輸出光學(xué)耦合器；并且其特征在于，兩個(gè)光學(xué)耦合器中的至少一個(gè)具有可調(diào)諧耦合比，所述兩個(gè)光學(xué)耦合器組成每個(gè)Mach-Zehnder光學(xué)干涉儀。
3.根據(jù)以上權(quán)利要求所述的進(jìn)行由相控陣天線輻射的電場的可調(diào)諧波束形成的光子系統(tǒng)，其特征在于，所述至少N個(gè)光學(xué)干涉儀中的每一個(gè)代表可調(diào)諧延遲線；并且其特征在于，時(shí)間調(diào)諧通過所述兩個(gè)光學(xué)耦合器中的至少一個(gè)的耦合比的控制而進(jìn)行。
4.根據(jù)以上權(quán)利要求所述的進(jìn)行由相控陣天線輻射的電場的可調(diào)諧波束形成的光子系統(tǒng)，其特征在于，控制至少N個(gè)光學(xué)Mach-Zehnder干涉儀的稱合比，以容許福射的電場波束形成的調(diào)諧。
5.根據(jù)以上權(quán)利要求所述的進(jìn)行由相控陣天線輻射的電場的可調(diào)諧波束形成的光子系統(tǒng)，其特征在于，除Mach-Zehnder之外,還可使用另一種光學(xué)干涉儀,只要它容許通過在臂之間的功率耦合比的調(diào)整而進(jìn)行時(shí)間延遲調(diào)諧。
6.根據(jù)以上權(quán)利要求所述的進(jìn)行由相控陣天線輻射的電場的可調(diào)諧波束形成的光子系統(tǒng)，其特征在于，它可包括在I至N光學(xué)分離器的輸出之后放置的N個(gè)可變光學(xué)衰減器，以便能夠控制探測(cè)的N個(gè)光學(xué)信號(hào)的功率。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的進(jìn)行由相控陣天線輻射的電場的波束形成的方法，其特征在于，至少一個(gè)單色光源由RF信號(hào)調(diào)制，所述RF信號(hào)將使用電光調(diào)制器被輻射；其特征在于，調(diào)制的信號(hào)被拷貝N次，其中，每個(gè)拷貝由具有可調(diào)諧耦合比的至少一個(gè)Mach-Zehnder光學(xué)干涉儀處理，接著通過光電探測(cè)被轉(zhuǎn)換到電氣領(lǐng)域，然后被發(fā)送到相控陣天線的相應(yīng)基元天線；通過控制干涉儀耦合比，改變與N個(gè)拷貝中的每一個(gè)相關(guān)聯(lián)的時(shí)間延遲，并因此可控制由相控陣天線輻射的電場的波束形成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的進(jìn)行由相控陣天線輻射的電場的波束形成的方法，其特征在于，它包括單色光源、電光調(diào)制器以及具有可調(diào)諧耦合比的N個(gè)Mach-Zehnder光學(xué)干涉儀，所述方法包括如下:調(diào)制的信號(hào)由雙折射介質(zhì)的兩個(gè)傳播軸線按相等功率分離，在雙折射介質(zhì)的輸出處獲得兩個(gè)偏振正交光學(xué)信號(hào)，所述兩個(gè)偏振正交光學(xué)信號(hào)在彼此之間被時(shí)間延遲T ;偏振正交光學(xué)信號(hào)由I至N光學(xué)信號(hào)分離器拷貝N次；使用偏振器添加N個(gè)拷貝中的每一個(gè)的偏振正交光學(xué)信號(hào)；每個(gè)Mach-Zehnder光學(xué)干涉儀的耦合比、和因此每個(gè)拷貝的時(shí)間延遲可通過在相應(yīng)的偏振器之前的偏振控制器被調(diào)諧。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的進(jìn)行由相控陣天線輻射的電場的波束形成的方法，其特征在于，它具有N個(gè)單色光源，所述N個(gè)單色光源使用波長多路復(fù)用器按波長被多路復(fù)用，所述波長多路復(fù)用器光學(xué)地連接到電光調(diào)制器，所述電光調(diào)制器光學(xué)地連接到具有可調(diào)諧耦合比的N個(gè)光學(xué)Mach-Zehnder干涉儀，所述方法包括如下:N個(gè)調(diào)制的信號(hào)被引入到雙折射介質(zhì)中；使用偏振控制器可調(diào)整引入到雙折射介質(zhì)中的N個(gè)調(diào)制的信號(hào)的偏振，所述偏振控制器位于N個(gè)單色源之后；在雙折射介質(zhì)的輸出處，使用波長多路解復(fù)用器多路解復(fù)用每個(gè)波長多路復(fù)用的信號(hào)，及使用偏振器添加正交偏振的信號(hào)，所述正交偏振的信號(hào)組成每個(gè)多路解復(fù)用的信號(hào)；通過調(diào)整位于每個(gè)單色源之后的偏振控制器和/或位于偏振器之前的偏振控制器，可定義耦合比。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的進(jìn)行由相控陣天線輻射的電場的波束形成的方法，其特征在于，它具有單色光源、電光調(diào)制器以及N個(gè)Mach-Zehnder光電干涉儀，所述電光調(diào)制器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成具有單邊帶的光學(xué)信號(hào)，所述N個(gè)Mach-Zehnder光電干涉儀具有可調(diào)諧耦合t匕，所述方法包括如下:調(diào)制的信號(hào)在雙折射介質(zhì)的兩個(gè)傳播軸線之間按相等功率被劃分，在雙折射介質(zhì)的輸出處獲得兩個(gè)偏振正交光學(xué)信號(hào)，所述兩個(gè)偏振正交光學(xué)信號(hào)在彼此之間被時(shí)間延遲T ;偏振正交光學(xué)信號(hào)由I至N光學(xué)信號(hào)分離器拷貝N次；N個(gè)拷貝中的每一個(gè)的偏振正交信號(hào)由光學(xué)可變衰減器獨(dú)立地衰減，所述光學(xué)可變衰減器對(duì)于偏振敏感；耦合比、和因此每個(gè)拷貝的時(shí)間延遲可使用光學(xué)可變衰減器被調(diào)諧，所述光學(xué)可變衰減器對(duì)于偏振敏感，所述光學(xué)可變衰減器位于相應(yīng)光電探測(cè)器之前，所述相應(yīng)光電探測(cè)器又將同時(shí)探測(cè)的偏振正交信號(hào)添加到光電探測(cè)。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的進(jìn)行由相控陣天線輻射的電場的波束形成的方法，其特征在于，它具有N個(gè)單色光源，所述N個(gè)單色光源使用波長多路復(fù)用器按波長被多路復(fù)用，所述波長多路復(fù)用器光學(xué)地連接到電光調(diào)制器，所述電光調(diào)制器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成具有單邊帶的光學(xué)信號(hào)，并且又光學(xué)地連接到具有可調(diào)諧耦合比的N個(gè)Mach-Zehnder光學(xué)干涉儀，所述方法包括如下:通過位于N個(gè)單色源之后的偏振控制器的調(diào)整并通過位于雙折射介質(zhì)之前的一個(gè)偏振控制器的調(diào)整，調(diào)制的信號(hào)在雙折射介質(zhì)的兩個(gè)傳播軸線之間按相等功率被劃分；在雙折射介質(zhì)的輸出處，使用波長多路解復(fù)用器多路解復(fù)用每個(gè)波長多路復(fù)用的信號(hào)，并且組成每個(gè)多路解復(fù)用的信號(hào)的正交偏振的信號(hào)由光學(xué)可變衰減器獨(dú)立地衰減，所述光學(xué)可變衰減器對(duì)于偏振敏感；耦合比、和因此每個(gè)拷貝的時(shí)間延遲可使用光學(xué)可變衰減器被調(diào)諧，所述光學(xué)可變衰減器對(duì)于偏振敏感，所述光學(xué)可變衰減器位于相應(yīng)光電探測(cè)器之前，所述相應(yīng)光電探 測(cè)器又將同時(shí)探測(cè)的偏振正交信號(hào)添加到光電探測(cè)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種波束形成由相控陣天線產(chǎn)生的電場的光子系統(tǒng)。系統(tǒng)功能的操作依賴于光子可調(diào)諧延遲線，該光子可調(diào)諧光學(xué)延遲線包括Mach-Zehnder干涉儀，該Mach-Zehnder干涉儀具有在臂之間的預(yù)定義的時(shí)間延遲差。時(shí)間延遲通過調(diào)整在施加到干涉儀的延遲線的每一個(gè)上的功率之間的耦合比而調(diào)諧。提出了三個(gè)實(shí)施例，其中，它們之一獨(dú)立于陣列基元天線的數(shù)量，僅使用單個(gè)延遲線和單個(gè)單色光源。
文檔編號(hào)H04B10/2575GK103222207SQ201080068628
公開日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2010年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月8日
發(fā)明者M·維達(dá)爾德拉蒙德, R·努恩斯諾圭拉 申請(qǐng)人:阿威羅大學(xué), 電信研究院