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1.2 國內外光纖延遲線研究現狀及應用動態
相比那些傳統的雷達天線，光纖延遲線在相控陣雷達天線上的應用展現出來巨大的性能優勢，各國部門及研究機構都也都加緊了對光纖延遲線的應用研究，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[5]，實現了步進為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了在6.73GHz 的微波信號上的波束成形系統[6]，波束掃描范圍為±28°，光纖延遲線的延遲精度達到亞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（微電機系統）2×2 光開關實現了3-bit 的光實時延遲系統[7]，如圖1-4 所示，并成功地運用到10GHz 帶寬相控陣雷達上。該系統的延遲為-36~48ps,延遲步進為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光路切換的波束形成系統[8]，如圖1-5 所示。該系統主要包括兩部分：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、用于高度控制、波長獨立的TTD（WI-TTD）單元。系統工作頻率在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絡是基于光開關和DWMD（波分復用器）組成，如圖1-6 所示。實時延時網絡主要由12 個2×2 的光開關組成，每個波長可實現3-bit 的延遲，延時zui小步進為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[10]，如圖1-7所示。該系統的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和光波導延遲線。RF 信號被調制放大后，分成M 路分別進入*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。信號經過M 路延遲線后進入第二延遲模塊，該模塊中由2 個1×2 和N-1 個2×2 的光開關組成的N-bit 的延遲線。然后信號通過TTD 延遲網絡到達光電探測器發射出去。這樣形成了M×N 的陣列天線，此種延遲結構為天線提供了連續的轉向能力。實驗采用了3×3 的陣列結構：*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，步進為11.8ps，zui大延遲為177ps，延遲精度在1.4%內，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絡系統[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（電光調制器）、EDFA（摻鉺光纖放大器）、1×M spliter 和bit 延時子網組成。每個bit 延時子網組要由DWDM、光環型器和MEMS 光開關組成，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鏡作為反射鏡，通道間光纖長度按照等差數列分布，通過微處理器控制可選擇光信號在延時子網里獲得不同延時。不同波長的信號光進入系統會有不同的陣列對應不同的波長方向，微處理器控制光開關的切換狀態，不同波長對應的陣列也會發生變化。論文中提出并實驗測試了工作在12 GHz 下4 通道3-bit 的延遲網絡，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，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，上海交通大學利用8×8MOEMS（微光電機系統）光開關實現了7-bit的光纖延遲線[12]，當波長的跨度為3.2nm 時，zui小的延遲時間小于1ps。2011 年，中電十三所利用1×6 的光開關實現了X 波段可編程光纖傳輸微波延遲線[13] ， 該延遲系統傳輸微波頻率范圍： 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 范圍內步進調節。
2012 年，中電二十所利用該種結構實現了以0.167μs 為步進zui大延遲達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合作利用高速磁光開關和單模光纖實現了5-bit 延遲線[15]，該光纖延遲線可實現時間延遲量在0～1096ps 范圍內步進為35.4ps 的任意可調，延遲精度小于±2ps，開關切換時間小于30μs。在2014 年，東南大學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360°的相位轉移，延遲時間可達92ps。天津大學有人提出了基于四波混頻波長轉換和色散的可調光纖延遲線[17]，在450m 非線性光纖和8km 單模標準光纖的四波混頻波長轉換下，可調光纖延遲線的延遲時間可達650ps。南航有人提出了一種基于單邊帶極化調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 空間環境特點及其對航天器件的影響
光纖延遲線應用到星載相控陣雷達上去，在外太空中經歷空間復雜環境的考驗，仍保持原有的性能，這種能力我們可以為光纖延遲線的環境適應能力，這種能力的強弱，決定了延遲線性能。在空間環境中，有以下幾個特點：真空、高低溫熱循環、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境，沒有氣體和水分，氣體分子的熱傳導也基本可以忽略，這里只有熱輻射。地球上大氣壓強大小跟所在區域的氣體密度有關，隨著高度升高，地球大氣密度越低壓強越低，當壓強小于 時，這時的高度可是看著是一種類真空高度。海平面的標準大氣壓強約為 ，上升 100 km后為，上升 200km 后為，當上升一定高度后其大氣壓強小于時，這時候就已經接近類真空環境。一般星載航天器所在運行軌道，其大
氣壓強都小于 。在此空間上，由于壓強原因和由于“升華”作用，材料內部氣體被釋放和材料分子以氣態形式析出，造成材料質量損失，影響材料的機械、電學和光學性能下降[19]。另一方面，由于空間中不存在氣體分子之間熱傳導，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）高低溫熱循環
空間中的熱環境主要包括太陽輻射環境、紅外輻射環境、地球反照和冷黑環境。由于空間中沒有大氣，不存在氣體分子熱傳導，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低能達到-180℃左右。空間中的星載航天器運行軌道都
是繞著地球在轉，頻繁地進出入地球背影或向陽面，導致航天器材料高低溫度循環交替變化，這種快速交替變化速度能達到40 ~ 50℃ min。極度下的高低溫快速循環，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境中的其他特點綜合作用，產生協合退化效應[20]。

（3）帶電粒子輻射
帶電粒子輻射是空間環境的又一大特點，空間中的帶電粒子與物質相互作用，在物質內部引起原子的電離、激發，產生各種物理和化學變化，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。
地球輻射帶的構成主要是由地球磁場俘獲電子和質子引起，分為內輻射帶和外輻射帶。內輻射帶主要成分是質子和電子，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生變化著，內輻射帶主要受到地球磁場的控制，變化程度相對較小；外輻射帶則變化劇烈，其電子濃度瞬間起伏能達到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爆發發射出大量的高能粒子（質子、電子和重核粒子），其能量能達到10~1000MeV，但是太陽粒子事件具有多變性和不可預測性。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是單粒子事件效應和總劑量效應，影響航天器內光學、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出很多，能達到1353W m2 左右[21]。這種
強度的紫外輻射下，某些在地球正常使用的材料，到了空間應用到航天器上就可能會失去功效。另外，由于光電效應，強的紫外輻射會使金屬表面上產生許多靜電，這些靜電電位升高會對航天器內部電子系統產生很大的傷害。

（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到8km s，這就相當于能量高達 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，就是強的氧化性，其氧化能力遠大于分子氧。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結損耗；改變光學和電學性能。
（6）碎片
隨著人們對太空的探索越來越頻繁，發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，這就給空間環境產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量極多，與航太器發生碰撞的概率*，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、精密光學材料或儀器等影響更加突出。
正是這些空間環境特點，在某些方面會制約著航天器內各種器件性能的發揮。光纖延遲線作為相控陣天線的關鍵技術，能否適應外太空的復雜環境正是本文所主要研究的。在這些特定中，空間環境的高低溫循環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性。

待續!