[发明专利]微波光子学实现的波束形成和信道化

说明书

本申请涉及微波光子学实现的波束形成和信道化，并公开了一种接收器和发射器，其适用于太空、空中或地面RF通信系统，并且适用于在诸如高吞吐量卫星上的通信点波束的任何给定波束中存在多种类型和性质的一个或多个信号的系统。发射器可以包括：光学频率梳，其被配置成生成多个等距间隔的光波长；电光调制器，其接收多个等距间隔的光波长和数据信号并产生经调制的光波束；光学环行器，其接收经调制的光波束；光学开关，其将经调制的光波束切换到端接在一个或多个光纤布拉格光栅中的光学开关的输出端口；波分复用器，其从光学环行器接收经时间延迟的经调制的光波束的单个的波长；以及多个天线元件。

技术领域

本公开涉及用于微波光子学实现的波束形成和信道化的系统和方法。

背景技术

在常规射频(RF)设计中，相控阵天线波束形成依赖于电子控制移相器来对准独立的阵列元件。RF部件和相移部件都创建带宽和动态范围限制。增加带宽会引入RF波束扰动，诸如波束偏斜(squint)。在初始下变频到中频后的数字波束形成中，需要高采样率的模数转换(ADC)，但这是对ADC分辨率的折衷。这限制了调制阶数(order)，并最终降低了可用的数据速率。用于卫星、空中和地面通信的目前系统正在寻求通过带宽高效的调制方案(例如，数字视频广播卫星2(DVBS-II))来增加容量，该方案实现大于128正交幅度调制(QAM)的波形和在毫米波(mmW或MMW)谱带中更宽的带宽信道。这种带宽和调制阶数的扩展给前端射频(RF)和数字采样部件带来了挑战。当使用所有的电子信道化和波束形成时，在传输中也存在同样的问题。

发明内容

以下呈现简化发明内容以提供对本教导的一个或多个实施方式的一些方面的基本理解。该发明内容不是广泛概述，也不是旨在标识本教导的要点或关键要素，也不是描绘本公开的范围。相反，它的主要目的仅仅是以简化的形式呈现一个或多个概念，作为后面具体实施方式的前奏。

根据本公开的示例，公开了一种接收器。该接收器包括：相控阵天线，其具有P个接收元件，该P个接收元件被配置成使得P个接收元件中的每个调制P个光学调制器中的一个；第一光学频率梳，其被配置成生成多个等距间隔的光波长；第一1×P波分复用器(WDM1)，其被配置成接收多个等距间隔的光波长，并且进一步被配置成将多个等距间隔的光波长分割为单个的(individual)光波长，使得单个的光波长中的每个作为单独的载波信号输出到P个光学调制器中的每个，使得入射到P个接收元件中的每个上的总传入射频(RF)波束场调制每个光学调制器中的单独的光波长；第二波分复用器(WDM2)，其被配置成接收来自光学调制器中的每个光学调制器的每个输出，使得所有经调制的波长组合在一起形成单一输出以形成组合信号；以及N输入端口×M输出端口光学开关(switch)，其被配置成将来自WDM2的组合信号接收到至少一个输入端口，并且进一步被配置成将组合信号切换到端接在一个光纤布拉格光栅(FBG)中的输出端口，每个FBG具有不同的波长色散属性，使得在每个光纤中的不同波长之间引入不同的时间延迟。

在一些示例中，在接收器中，第一光学频率梳被配置成使得相邻频率间距是由相控阵接收元件预期接收的最大RF频率的2倍以上。

在一些示例中，在接收器中，第一波分复用器(WDM1)具有等于第一光学频率梳的相邻频率间距的信道间间距。

在一些示例中，在接收器中，第二波分复用器(WDM2)具有等于第一频率梳的相邻频率间距的信道间间距。

在一些示例中，在接收器中，第二波分复用器(WDM2)被配置成具有由相控阵元件预期接收的最大RF频率的2倍以上的带通。

在一些示例中，在接收器中，WDM1和WDM2中的信道的数量至少是相控阵接收元件的数量。

在一些示例中，在接收器中，WDM1和WDM2之间的光学路径(包括每个光学调制器)在1mm差内相等。