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北京錦坤科技有限公司
主營產(chǎn)品： 射頻光纖傳輸模塊-微波光纖傳輸模塊-RF over Fiber-微波光纖延遲線-雷達(dá)目標(biāo)模似器 |
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2016-4-13 閱讀(3029)
1.2 國內(nèi)外光纖延遲線研究現(xiàn)狀及應(yīng)用動態(tài)
相比那些傳統(tǒng)的雷達(dá)天線，光纖延遲線在相控陣?yán)走_(dá)天線上的應(yīng)用展現(xiàn)出來巨大的性能優(yōu)勢，各國部門及研究機(jī)構(gòu)都也都加緊了對光纖延遲線的應(yīng)用研究，取得了不少成果。1997 年，Yian Chang、Boris Tsap 和Harold R. Fetterman 等人利用布拉格光柵提出了一種串饋型的光控相控陣技術(shù)[5]，實現(xiàn)了步進(jìn)為20ps，延遲誤差為2ps的光纖延遲陣列，獲得5 個角度的波束，波束范圍為±28°，如圖1-3(a)所示。2007 年，Howard R. Rideout, Joe S. Seregelyi, and Jianping Yao 等人利用布拉格光柵實現(xiàn)了在6.73GHz 的微波信號上的波束成形系統(tǒng)[6]，波束掃描范圍為±28°，光纖延遲線的延遲精度達(dá)到亞ps 級，如圖1-3(b)所示。
圖1-3 兩種基于布拉格光柵的光纖延遲陣列
2004 年，Jong-Dug Shin 等人利用基于MEMS（微電機(jī)系統(tǒng)）2×2 光開關(guān)實現(xiàn)了3-bit 的光實時延遲系統(tǒng)[7]，如圖1-4 所示，并成功地運用到10GHz 帶寬相控陣?yán)走_(dá)上。該系統(tǒng)的延遲為-36~48ps,延遲步進(jìn)為12ps，延遲誤差小于0.1ps，天線波束的偏移誤差小于0.84°
2009 年加拿大姚建平等人搭建了基于光開關(guān)光路切換的波束形成系統(tǒng)[8]，如圖1-5 所示。該系統(tǒng)主要包括兩部分：基于光纖布拉格光柵、用于方位角控制、波長依賴的TTD（WD-TTD）單元和基于MEMS 光開關(guān)、用于高度控制、波長獨立的TTD（WI-TTD）單元。系統(tǒng)工作頻率在1GHz 時，WD-TTD 和WI-TTD 的延遲誤差小于11.8ps 和3.6ps，實現(xiàn)的波束方位角掃描誤差為1.5°和0.4°。
2011 年Byung-Min Jung，Dong-Hyun Kim 等人設(shè)計出了一種10 GHz 的光控相控陣天線[9]，這種天線的實時延時網(wǎng)絡(luò)是基于光開關(guān)和DWMD（波分復(fù)用器）組成，如圖1-6 所示。實時延時網(wǎng)絡(luò)主要由12 個2×2 的光開關(guān)組成，每個波長可實現(xiàn)3-bit 的延遲，延時zui小步進(jìn)為12ps，延時誤差小于1.6ps，波束指向角偏移誤差不超過2.1°。
2012 年Maggie Yihong Chen 提出了一種2-D 相控陣波束成形系統(tǒng)[10]，如圖1-7所示。該系統(tǒng)的TTD 主要由*延遲模塊和第二延遲模塊組成，*延遲是基于高色散光子晶體光纖和普通單模光纖，第二延遲模塊是基于光開關(guān)和光波導(dǎo)延遲線。RF 信號被調(diào)制放大后，分成M 路分別進(jìn)入*延遲模塊，模塊中的高色散光子晶體光纖和普通光纖的長度成一定的比例，設(shè)定其中心波長為0，M 路的延遲相等。改變激光器的波長，M 路延遲時間被改變。信號經(jīng)過M 路延遲線后進(jìn)入第二延遲模塊，該模塊中由2 個1×2 和N-1 個2×2 的光開關(guān)組成的N-bit 的延遲線。然后信號通過TTD 延遲網(wǎng)絡(luò)到達(dá)光電探測器發(fā)射出去。這樣形成了M×N 的陣列天線，此種延遲結(jié)構(gòu)為天線提供了連續(xù)的轉(zhuǎn)向能力。實驗采用了3×3 的陣列結(jié)構(gòu)：*延遲單元中相鄰的延遲差為33.2ps，zui大指向角為45°，延遲誤差為0.3ps，假如增加陣元數(shù)到100 的話，其誤差基本可忽略不計；第二延遲單元中采用的是4-bit
的延遲線，步進(jìn)為11.8ps，zui大延遲為177ps，延遲精度在1.4%內(nèi)，不影響波束指向。
2014 年Anliang Yu 等人提出了一種可編程多通道、多bit 光實時延時波束成形陣列網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[11]，如圖1-9 所示。在圖1-9(a)中為N 通道、K-bit 光實時延時陣列的框架圖，主要由激光器、
DWDM、EOM（電光調(diào)制器）、EDFA（摻鉺光纖放大器）、1×M spliter 和bit 延時子網(wǎng)組成。每個bit 延時子網(wǎng)組要由DWDM、光環(huán)型器和MEMS 光開關(guān)組成，如圖1-9(b)。DWDM 每個通道采用Backward 方式的延遲線，在通道延遲線尾端用法拉第旋轉(zhuǎn)鏡作為反射鏡，通道間光纖長度按照等差數(shù)列分布，通過微處理器控制可選擇光信號在延時子網(wǎng)里獲得不同延時。不同波長的信號光進(jìn)入系統(tǒng)會有不同的陣列對應(yīng)不同的波長方向，微處理器控制光開關(guān)的切換狀態(tài)，不同波長對應(yīng)的陣列也會發(fā)生變化。論文中提出并實驗測試了工作在12 GHz 下4 通道3-bit 的延遲網(wǎng)絡(luò)，延時誤差約3.5 ps，各通道之間的損耗一致性為約1dB。
在國內(nèi)，光纖延遲線的研究相對比較晚，但一些高校和科研院所也都取的了一定的成果。2009 年，上海交通大學(xué)利用8×8MOEMS（微光電機(jī)系統(tǒng)）光開關(guān)實現(xiàn)了7-bit的光纖延遲線[12]，當(dāng)波長的跨度為3.2nm 時，zui小的延遲時間小于1ps。2011 年，中電十三所利用1×6 的光開關(guān)實現(xiàn)了X 波段可編程光纖傳輸微波延遲線[13] ， 該延遲系統(tǒng)傳輸微波頻率范圍： 9-11GHz ， 延遲時間范圍為1.0133~1.6467μs，延遲精度為0.5ns，延遲時間可以在1.0133~1.6467μs 范圍內(nèi)步進(jìn)調(diào)節(jié)。
2012 年，中電二十所利用該種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了以0.167μs 為步進(jìn)zui大延遲達(dá)55μs并通過LM89C51 芯片控制的光纖延遲線[14]。2012 年，中電三十八所和大連理工大學(xué)合作利用高速磁光開關(guān)和單模光纖實現(xiàn)了5-bit 延遲線[15]，該光纖延遲線可實現(xiàn)時間延遲量在0～1096ps 范圍內(nèi)步進(jìn)為35.4ps 的任意可調(diào)，延遲精度小于±2ps，開關(guān)切換時間小于30μs。在2014 年，東南大學(xué)有人提出了一種基于非線性布拉格光柵的光延遲線[16]，在10GHz 下可實現(xiàn)360°的相位轉(zhuǎn)移，延遲時間可達(dá)92ps。天津大學(xué)有人提出了基于四波混頻波長轉(zhuǎn)換和色散的可調(diào)光纖延遲線[17]，在450m 非線性光纖和8km 單模標(biāo)準(zhǔn)光纖的四波混頻波長轉(zhuǎn)換下，可調(diào)光纖延遲線的延遲時間可達(dá)650ps。南航有人提出了一種基于單邊帶極化調(diào)制器的光控相控陣天線[18]，通過實驗測試，在14GHz 帶寬下，可實現(xiàn)一個4 陣元1×4 的小型陣列天線，獲得了相控陣的角度為-30°、0 和30°的天線方向圖。
1.3 空間環(huán)境特點及其對航天器件的影響
光纖延遲線應(yīng)用到星載相控陣?yán)走_(dá)上去，在外太空中經(jīng)歷空間復(fù)雜環(huán)境的考驗，仍保持原有的性能，這種能力我們可以為光纖延遲線的環(huán)境適應(yīng)能力，這種能力的強(qiáng)弱，決定了延遲線性能。在空間環(huán)境中，有以下幾個特點：真空、高低溫?zé)嵫h(huán)、帶電粒子輻射、太陽紫外輻射、原子氧和碎片。
（1）真空
外太空間是一個理想的真空環(huán)境，沒有氣體和水分，氣體分子的熱傳導(dǎo)也基本可以忽略，這里只有熱輻射。地球上大氣壓強(qiáng)大小跟所在區(qū)域的氣體密度有關(guān)，隨著高度升高，地球大氣密度越低壓強(qiáng)越低，當(dāng)壓強(qiáng)小于
時，這時的高度可是看著是一種類真空高度。海平面的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)約為 
，上升 100 km后為
，上升 200km 后為
，當(dāng)上升一定高度后其大氣壓強(qiáng)小于
時，這時候就已經(jīng)接近類真空環(huán)境。一般星載航天器所在運行軌道，其大
氣壓強(qiáng)都小于
。在此空間上，由于壓強(qiáng)原因和由于“升華”作用，材料內(nèi)部氣體被釋放和材料分子以氣態(tài)形式析出，造成材料質(zhì)量損失，影響材料的機(jī)械、電學(xué)和光學(xué)性能下降[19]。另一方面，由于空間中不存在氣體分子之間熱傳導(dǎo)，空間中電子器件的散熱能力將會成為電子器件性能一大考驗。
（2）高低溫?zé)嵫h(huán)
空間中的熱環(huán)境主要包括太陽輻射環(huán)境、紅外輻射環(huán)境、地球反照和冷黑環(huán)境。由于空間中沒有大氣，不存在氣體分子熱傳導(dǎo)，航天材料會直接暴露在太陽的照射下，溫度會上升至200℃左右。不在太陽直接照射下的航天材料接受空間熱輻射的能量非常小，相當(dāng)于3K 背景溫度，這時航天材料就會輻射向空間散熱，溫度會降低至-100℃左右，zui低能達(dá)到-180℃左右?？臻g中的星載航天器運行軌道都
是繞著地球在轉(zhuǎn)，頻繁地進(jìn)出入地球背影或向陽面，導(dǎo)致航天器材料高低溫度循環(huán)交替變化，這種快速交替變化速度能達(dá)到40 ~ 50℃ min。極度下的高低溫快速循環(huán)，可能會引起航天材料的斷裂、脫落。對一些溫度比較敏感的器件，這種快速的溫度變化，會直接影響到其工作性能。另外溫度還會與空間環(huán)境中的其他特點綜合作用，產(chǎn)生協(xié)合退化效應(yīng)[20]。
（3）帶電粒子輻射
帶電粒子輻射是空間環(huán)境的又一大特點，空間中的帶電粒子與物質(zhì)相互作用，在物質(zhì)內(nèi)部引起原子的電離、激發(fā)，產(chǎn)生各種物理和化學(xué)變化，給航天器件帶來輻照損傷。空間帶電粒子輻射主要來源三個方面：（1）地球輻射帶；（2）銀河宇宙射線；（3）太陽粒子事件。
地球輻射帶的構(gòu)成主要是由地球磁場俘獲電子和質(zhì)子引起，分為內(nèi)輻射帶和外輻射帶。內(nèi)輻射帶主要成分是質(zhì)子和電子，位于地球赤道平面上的600~10000km的高空；外輻射帶主要成分是電子，位于10000~60000km 的高空。這種地球輻射帶時時刻刻都在發(fā)生變化著，內(nèi)輻射帶主要受到地球磁場的控制，變化程度相對較??；外輻射帶則變化劇烈，其電子濃度瞬間起伏能達(dá)到1000 倍。銀河宇宙射線
星際各個方向的高能粒子組成，主要成分是氦6.3%和氫93.6%。銀河宇宙射線的能量很高，但是相對于地球輻射帶，其通量還是很小。太陽粒子事件是指太陽耀斑和太陽風(fēng)爆發(fā)發(fā)射出大量的高能粒子（質(zhì)子、電子和重核粒子），其能量能達(dá)到10~1000MeV，但是太陽粒子事件具有多變性和不可預(yù)測性。在這其中對航天器影響zui大的帶電粒子輻射是地球輻射帶和銀河宇宙射線。帶電粒子輻射對航天器的影響主要表現(xiàn)是單粒子事件效應(yīng)和總劑量效應(yīng)，影響航天器內(nèi)光學(xué)、電子類材料性能，尤其是那些非金屬材料對空間帶電粒子輻射比較敏感[21]。
（4）太陽紫外輻射
宇宙中，太陽是一個巨大的輻射源，時時刻刻都在向空間中輻射著大量的電磁波，其波長范圍覆蓋10-14m 到104m 之間，可以說太陽輻射出來的電磁波包含了近紅外光、可見光、紫外光和X 射線等等。紫外輻射能使一些熱控的涂覆層老化脫落，增加了太陽光的吸收率，影響航天器的正常飛行。由于不存在大氣對光能的吸收，空間中的太陽輻射要比地面強(qiáng)出很多，能達(dá)到1353W m2 左右[21]。這種
強(qiáng)度的紫外輻射下，某些在地球正常使用的材料，到了空間應(yīng)用到航天器上就可能會失去功效。另外，由于光電效應(yīng)，強(qiáng)的紫外輻射會使金屬表面上產(chǎn)生許多靜電，這些靜電電位升高會對航天器內(nèi)部電子系統(tǒng)產(chǎn)生很大的傷害。
（5）原子氧
在近地球軌道上，原子氧在殘余的大氣成分中占有很大的比例，約為80%以上。在空間中，太陽輻射的紫外光與殘余大氣的氧分子相互作用，使其分解成原子氧。殘余大氣中的原子氧本身能量不大，但是在繞地球運行軌道上，航天器的相對速度能達(dá)到8km s，這就相當(dāng)于能量高達(dá) 5eV 的原子氧與航天器相碰撞[22]，會對航天器造成很大的沖擊。原子氧還具有一個特點，就是強(qiáng)的氧化性，其氧化能力遠(yuǎn)大于分子氧。正是這種氧化特性，原子氧會氧化航天器件表面材料，使之嚴(yán)重剝蝕老化，性能下降。除此之外，原子氧還會對航天器件造成其他方面的影響：增加器件溫控材料損耗；增加太陽能電池級聯(lián)結(jié)損耗；改變光學(xué)和電學(xué)性能。
（6）碎片
隨著人們對太空的探索越來越頻繁，發(fā)射到太空中的航天器也隨之增多。這些航天器隨著使用使用年限的結(jié)束，一些被人類拉回地球、一些就在空間中炸毀和一些直接停放在原來的空間軌道上，這就給空間環(huán)境產(chǎn)生了許多大大小小的空間碎片。這些碎片在空間中還在一定的軌道上繞地球運行，與正常航天器之間的相對速度能達(dá)到10km s，稍微大點（大約厘米級）的碎片對航天的沖擊也是致命的。毫米級的空間碎片也能夠破壞航天器表面保護(hù)層或艙壁。那些很小的碎片（大約微米級）雖然在瞬時不能給航天器造成多大的傷害，但是這種級別的碎片數(shù)量極多，與航太器發(fā)生碰撞的概率*，碰撞帶來的傷害也是長期累積起來的，特別是對那些溫控涂覆層、精密光學(xué)材料或儀器等影響更加突出。
正是這些空間環(huán)境特點，在某些方面會制約著航天器內(nèi)各種器件性能的發(fā)揮。光纖延遲線作為相控陣天線的關(guān)鍵技術(shù)，能否適應(yīng)外太空的復(fù)雜環(huán)境正是本文所主要研究的。在這些特定中，空間環(huán)境的高低溫循環(huán)和輻照對光纖延遲線的影響zui大，本文也將主要研究光纖延遲線的溫度和輻照適應(yīng)性。
待續(xù)!
