一种阵元数量低的平面稀疏光控相控阵发射天线系统
技术领域
本实用新型涉及相控阵天线设计技术领域，具体涉及一种阵元数量低的平面稀疏光控相控阵发射天线系统。
背景技术
阵列天线通过大量阵元的规则分布，使得其具有输出信号功率大、探测距离远等优势，从而被广泛应用于雷达等应用中；而相控阵天线可以通过空间波束扫描而非传统机械转动的方式，在特定空域内灵活改变天线波束指向，实现对空域内目标的准确识别及跟踪，其中成本、频带宽度、旁瓣电平大小是衡量相控阵天线性能的重要参数。
传统的周期满阵的阵列天线中各个天线阵元呈周期性排列，且相邻两个阵元之间的距离为工作频率的半波长；这种传统的阵列天线设计方法使得所需阵元数量极大，微波信号延时模块复杂度较高，整个阵列天线的成本高，且频带宽度较小。
并且传统相控阵天线中的延时功能多采用微波延时芯片实现，而微波延时芯片的延时量是按照天线工作频率的中心频率计算得到的，在工作频带较宽的应用场景中，工作频带的上/下边频附近，微波延时芯片的延时量与理想值差距较大，从而造成发射相控阵天线工作于工作频带的上/下边频附近时出现波束倾斜问题；发射相控阵天线工作频带越宽，这一波束倾斜问题越突出。上述问题亟待解决，为此，提出一种阵元数量低的平面稀疏光控相控阵发射天线系统。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于：如何解决现有技术中发射相控阵天线存在的设计成本高、微波信号无法实现大带宽内精准恒定的延时量从而导致的波束倾斜等问题，提供了一种阵元数量低的平面稀疏光控相控阵发射天线系统。
本实用新型是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本实用新型包括N个可调激光器、N个电光调制器、光合束器、光放大器(EDFA)、光分束器、M个色散光纤、M个光电探测器、非周期平面稀疏发射天线阵列；
其中N为阵元数量低的平面稀疏光控相控阵发射天线系统的波束数量；
其中M为非周期平面稀疏发射天线阵列中天线阵元的数量；
其中N个可调激光器发出的光分别进入到后端对应的N个电光调制器，待移相的微波信号分别进入到N个电光调制器(对于光信号的移相是通过下述的色散光纤实现，且不同波长的输入光信号通过同一个色散光纤后移相的大小不同，移相的作用是为了控制相控阵天线输出波束的形状和指向)；N个电光调制器输出的光经过光合束器进行合束，光合束器合束后的光进入光放大器进行光信号的放大，光放大器输出的光信号进入到光分束器，分束器输出的光信号分别连接到M个色散光纤进行光信号的延时，延时后的光信号分别进入M个光电探测器实现光信号到电信号的转换，M个光电探测器输出的电信号分别连接到非周期平面稀疏发射天线阵列中的天线阵元。
更进一步的，所述可调激光器为窄线宽光纤激光器，选择窄线宽的光纤激光器可以获得更高的信噪比。
更进一步的，所述电光调制器为马赫增德尔型幅度调制器，马赫增德尔型调制器工艺成熟，带宽大；强度调制的方式容易对信号进行解调，系统架构简单；综合考虑，选择马赫增德尔型强度调制器。
更进一步的，采用基于微波光子链路的光控相控阵系统实现微波信号的延时，由于微波信号的频率相对于光载波信号的频率而言非常低，因此采用基于微波光子链路的光控相控阵系统实现微波信号延时，可以在非常宽的微波频带内实现相对固定的延时量，有效避免了在工作频带较宽时发射相控阵天线存在的波束倾斜问题。
更进一步的，所述非周期平面稀疏发射天线阵列的天线阵元采用非周期平面稀疏分布形式。
更进一步的，所述天线阵元的具体位置通过协方差矩阵自适应调整进化策略算法进行确定，协方差矩阵自适应调整进化策略通过不断改进生成动态的步长参数和正定协方差矩阵来引导种群的突变进化方向，先以给定或随机产生的一个初始搜索点为中心，按照一定的概率密度随机生成第一代种群，并评价该种群中每个个体的适应度，根据适应度大小，选择适应度较好的部分个体组成新的种群来更新进化的步长和协方差矩阵，利用更新后的参数调整下一代种群的进化方向，从而进行突变生成下一代种群，以此类推，直至选出的最优解个体满足算法收敛条件,得到天线阵元的具体位置。
更进一步的，在所述一种阵元数量低的平面稀疏光控相控阵发射天线系统中，光信号通过光纤实现互连，电信号通过射频电缆实现互连。
本实用新型相比现有技术具有以下优点：该非周期平面稀疏光控相控阵发射天线，在设计时其天线阵元位置通过协方差矩阵自适应调整进化策略算法进行优化，在满足旁瓣电平的前提下，实现了天线阵元分布的非周期性以及天线阵元数量的减少，有效降低了天线的制造成本；同时，减少的天线阵元数量进一步降低了延时链路的通道数量，进一步降低了天线设计的复杂度以及成本；采用基于微波光子链路的光控相控阵系统实现微波信号延时，可以在非常宽的微波频带内实现相对固定的延时量，有效避免了在工作频带较宽时发射相控阵天线存在的波束倾斜问题，值得被推广使用。
附图说明
图1是本实用新型实施例中一种阵元数量低的平面稀疏光控相控阵发射天线系统的结构示意框图。
具体实施方式
下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例提供一种技术方案：一种阵元数量低的平面稀疏光控相控阵发射天线系统，包括N个可调激光器(11、21、…、(N-1)1、N1)、N个电光调制器(12、22、…、(N-1)2、N2)、光合束器3、光放大器4、光分束器5、M个色散光纤(13、23、…、(M-1)3、M3)、M个光电探测器(14、24、…、(M-1)4、M4)与非周期平面稀疏发射天线阵列6；
其中N为阵元数量低的平面稀疏光控相控阵发射天线系统的波束数量；
其中M为非周期平面稀疏发射天线阵列中天线阵元的数量；
可调激光器用于为整个光控相控阵系统提供光载波，其中可调激光器11发出的光信号进入到电光调制器12的光输入端口，可调激光器21发出的光信号进入到电光调制器22的光输入端口，可调激光器(N-1)1发出的光信号进入到电光调制器(N-1)2的光输入端口，可调激光器N1发出的光信号进入到电光调制器N2的光输入端口，即各可调激光器发出的光信号一一对应地进入各电光调制器的光输入端口。
待移相的微波信号分别进入到N个电光调制器12、22、…、(N-1)2、N2的微波输入端口对于光信号的移相是通过下述的色散光纤实现，且不同波长的输入光信号通过同一个色散光纤后移相的大小不同。移相的作用是为了控制相控阵天线输出波束的形状和指向)；
电光调制器12的光输出端口连接到光合束器3的第一光输入端口，电光调制器22的光输出端口连接到光合束器3的第二光输入端口，电光调制器(N-1)2的光输出端口连接到光合束器3的第N-1光输入端口，电光调制器N2的光输出端口连接到光合束器3的第N光输入端口，即各电光调制器的光输出端口与光合束器3的各光输入端口一一对应连接。
光合束器3的光输出端口连接到光放大器4的光输入端口。
光放大器4的光输出端口连接到光分束器5的光输入端口。
光分束器5的第一光输出端口连接到色散光纤13的光输入端口，光分束器5的第二光输出端口连接到色散光纤23的光输入端口，光分束器5的第M-1光输出端口连接到色散光纤(M-1)3的光输入端口，光分束器5的第M光输出端口连接到色散光纤M3的光输入端口，即光分束器5的各光输出端口与各色散光纤的光输入端口一一对应连接。
色散光纤13的光输出端口与光电探测器14的光输入端口连接，色散光纤23的光输出端口与光电探测器24的光输入端口连接，色散光纤(M-1)3的光输出端口与光电探测器(M-1)4的光输入端口连接，色散光纤M3的光输出端口与光电探测器M4的光输入端口连接，即各色散光纤的光输出端口与各光电探测器的光输入端口一一对应连接。
光电探测器14、24、…、(M-1)4、M4的电输出端口分别连接到非周期平面稀疏发射天线阵列6中的天线阵元，即各光电探测器的电输出端口分别连接到非周期平面稀疏发射天线阵列6中的各天线阵元上。
所述光信号通过光纤实现互连，电信号通过射频电缆实现互连。
需要说明的是，在基于微波光子链路的光控相控阵系统中激光器提供光载波，通过电光调制器实现微波信号加载到光信号，电光调制器输出的光信号通过合束、放大、分束之后，进入色散光纤输入端，经过通过色散光纤实现对于光信号的精准延时，延时后的光信号通过光电探测器实现光信号到电信号的转换。由于微波信号的频率相对于光载波信号的频率而言非常低，因此采用基于微波光子链路的光控相控阵系统实现微波信号延时，可以在非常宽的微波频带内实现相对固定的延时量，有效避免了上述工作频带较宽时发射相控阵天线存在的波束倾斜问题。
综上所述，本实施例的非周期平面稀疏光控相控阵发射天线，在设计时其天线阵元位置通过协方差矩阵自适应调整进化策略算法进行优化，在满足旁瓣电平的前提下，实现了天线阵元分布的非周期性以及天线阵元数量的减少，有效降低了天线的制造成本；同时，减少的天线阵元数量进一步降低了延时链路的通道数量，进一步降低了天线设计的复杂度以及成本；采用基于微波光子链路的光控相控阵系统实现微波信号延时，可以在非常宽的微波频带内实现相对固定的延时量，有效避免了在工作频带较宽时发射相控阵天线存在的波束倾斜问题，值得被推广使用。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
