光控相控阵光延时线的设计与测量

论文摘要

传统相控阵雷达由于受到孔径渡越时间的限制,只能在相对较窄的信号带宽下工作,不能实现宽带宽角度扫描,从而限制了相控阵雷达在复杂环境和高性能领域的应用。而光控相控阵雷达采用光电子技术,通过光实时延时的方法抵消孔径渡越时间的限制,使用光控波束形成网络实现相控阵雷达的波束形成与扫描,具有大的瞬时带宽、无波束斜视效应、低损耗、小尺寸、抗电磁干扰、探测距离远、等优点,成为相控阵雷达发展的一个重要方向。本论文主要围绕光控相控阵光实时延时线开展工作,进行了聚合物集成光波导延时线的优化设计、射频光纤传输特性分析以及光实时延时测量三方面的研究工作。首先介绍了相控阵天线波束扫描的基本理论,比较分析了实现光控相控阵的几种常见光控波束形成网络方案,给出了各自的优缺点。接下来,以课题组最新研发的光子聚合物PSQ-Ls为波导制各材料,结合波导制备工艺条件,采用波导仿真软件进行聚合物集成光波导延时线设计,重点研究了波导横截面尺寸、波导弯曲半径、相邻波导间距等参数对延时线特性的影响,获得了光波导延时线优化结构参数,并制备出光刻掩模版。以矢量网络分析仪为主要测试设备,设计并搭建了光实时延时测量系统,测量了不同长度光纤的延时量,分析了误差来源和测量不确定度,提出了减小误差和改进不确定度的方法,最后获得了对于几十纳秒延时量的测量不确定度为0.17ns左右。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 相控阵雷达的发展、特点与应用
• 1.2 传统相控阵雷达的局限与光控相控阵雷达的产生
• 1.3 光控相控阵雷达国内外研究进展和现状
• 1.4 论文的主要内容安排
• 2 光控相控阵雷达的基本理论及其波束形成网络的常见类型
• 2.1 相控阵雷达的基本理论
• 2.1.1 线性阵列相控阵雷达波束扫描的基本理论
• 2.1.2 平面阵列相控阵雷达波束扫描的基本理论
• 2.2 传统相控阵雷达对瞬时信号带宽的限制
• 2.3 光控相控阵雷达的系统组成
• 2.4 光控相控阵雷达的几种常见光控波束形成方式及分析
• 2.4.1 基于开关选择光纤物理长度的光控波束形成
• 2.4.2 基于色散机制的光控波束形成
• 2.4.3 基于阵列波导光栅（AWG）和色散光纤的光控波束形成
• 2.4.4 基于集成光波导的光控波束形成
• 3 聚合物基光波导延时线设计
• 3.1 聚合物基光波导延时线的优势
• 3.2 聚合物基光波导延时线的国内外进展
• 3.3 聚合物PSQ-Ls基光波导延时线的设计
• 3.3.1 光线传输法（BPM）
• 3.3.1.1 傍轴BPM（Paraxial BPM）的基本原理
• 3.3.1.2 BPM对光波导模式的计算
• 3.3.1.3 BPM对弯曲波导的处理
• 3.3.1.4 弯曲波导的模式场分布
• 3.3.2 材料及折射率的选择
• 3.3.3 波导截面尺寸
• 3.3.4 损耗的计算及弯曲半径的确定
• 3.3.4.1 弯曲损耗
• 3.3.4.2 散射损耗
• 3.3.4.3 模式不匹配损耗
• 3.3.5 波导间距
• 3.3.6 减小模式不匹配损耗的结构优化
• 3.3.7 掩膜版layout
• 1、TTD板块
• 2、TTD with offset板块
• 3、Offset板块
• 4 光控波束形成网络延时测量系统的搭建及光纤延时的测量
• 4.1 测试原理及系统组成
• 4.2 矢量网络分析仪
• 4.2.1 矢量网络分析仪的组成和原理
• 4.2.2 矢量网络分析仪的误差来源及校准
• 4.3 光纤延时的测量结果及测量不确定度分析
• 4.3.1 测量结果
• 4.3.2 测量不确定度分析
• 4.3.3 测量不确定度的改善
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢