基于集成光子学的相控阵雷达中的关键技术研究

论文摘要

相控阵雷达由于其快的波束扫描速度,高的探测灵敏度等性能而得到了广泛的应用。但是由于传统相控阵雷达相对窄的工作带宽,使其难以满足复杂环境下的雷达性能要求。采用光学真时延网络代替传统移相网络,能够有效提高雷达的瞬时带宽,消除雷达在宽带信号下的波束偏斜效应。然而对于一个大规模二维相控阵雷达,基于传统分立器件搭建的光学真时延网络依旧不能解决系统复杂、体积庞大等问题。而基于集成光子学技术的光学相控阵雷达能够极大减小系统体积,降低复杂度,为相控阵雷达未来的发展开拓了新的道路。本文对基于集成光子学的相控阵雷达系统中的关键问题与关键技术做了分析与研究,重点解决其实用性、稳定性、可控性等方面的问题。论文从光学相控阵雷达的基础,光载射频链路出发,对链路模型和性能指标进行了理论推导。然后分析了光学相控阵雷达的基本原理和真时延网络对雷达系统性能的影响。并据此提出了一种基于硅基集成二进制时延线的二维相控阵真时延网络,该时延网络的复杂度低至（N-1）/2（N为奇数时）或N/2（若N为偶数）。在理论分析了光学相控阵雷达系统的可行性的基础上,有效的控制系统也是其功能实现的关键问题。本文结合提出的真时延网络,设计了相应控制系统的硬件和软件,用以实现不同波束角度的时延切换与稳定控制等功能。本文最后在以上分析和设计的基础上,提出了一种同时多波束大规模相控阵雷达系统的实现方案。以8×8二维相控阵雷达为例,设计实现了相应的时延网络,并结合时延网络控制系统进行了实验验证与仿真分析。实验测量与仿真分析的结果表明,时延芯片上4种BISODL中的最大时延均值误差与均方根误差分别为-0.55 ps与0.80ps;在2～8GHz频段内,基于该时延网络的阵列天线的波束指向误差小于0.5°;时延网络能够实现同时多个波束独立控制。该系统满足了设计要求,达到了较高的指标水平,同时也进一步验证了硅基集成相控阵雷达系统的可行性与先进性。

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致谢

摘要

Abstract

缩写、符号清单、术语表

1 绪论

1.1 光控相控阵雷达简介

1.2 光控相控阵雷达研究现状

1.2.1 OTTDN研究现状

1.2.2 集成光子学相控阵研究现状

1.3 课题的研究背景、主要内容及创新点

1.3.1 研究的背景及意义

1.3.2 研究的主要内容及创新点

1.3.3 全文安排

2 光载射频链路

2.1 ROF链路的理论模型

2.1.1 直接调制链路

2.1.2 间接调制链路

2.2 ROF链路的主要器件

2.2.1 光源

2.2.2 电光调制器

2.2.3 光电探测器

2.3 ROF链路的性能指标

2.3.1 链路增益

2.3.2 链路噪声系数

2.3.3 链路无杂散动态范围

2.4 本章小结

3 硅基集成真时延网络

3.1 光学相控阵天线

3.1.1 传统移相网络的原理与不足

3.1.2 光学真时延相控阵天线

3.2 硅基OTTDN的原理

3.2.1 硅基二进制时延线原理

3.2.2 硅基OTTDN拓扑结构

3.2.3 二维阵列天线波束指向

3.3 硅基OTTDN的性能分析与设计

3.3.1 硅基OTTDN的精度

3.3.2 硅基OTTDN的复杂度

3.3.3 硅基OTTDN的参数设计

3.4 本章小结

4 真时延网络控制系统

4.1 BISODL光电结构

4.1.1 MZI热电极设置

4.1.2 7比特BISODL的光电结构

4.2 控制系统硬件设计

4.2.1 时延网络控制总体方案

4.2.2 各控制模块硬件实现方式

4.3 控制软件算法设计

4.4 本章小结

5 同时多波束光学相控阵雷达系统

5.1 同时多波束光学相控阵雷达结构

5.1.1 同时多波束8×8相控阵接收机

5.1.2 时延网络设计

5.2 时延网络测试分析

5.3 波束扫描性能分析

5.4 本章小节

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

参考文献

作者简历

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 金俊傲

导师: 章献民

关键词: 相控阵雷达,光学真时延,光载射频链路,集成光学,硅基二进制时延线

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,电信技术

单位: 浙江大学

分类号: TN958.92;TN25

总页数: 86

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