DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-45743-9
微波光子学是一种利用光子作为信息载体，通过光学技术实现射频信号处理的学科。随着无线通信技术的快速发展，特别是在物联网（IoT）和5G/6G网络的推动下，对高速、大容量无线通信的需求日益增长。这促使了微波光子学在射频光子波束形成器中的应用，以克服传统射频设备在带宽、损耗和抗干扰能力方面的限制。
微波相控阵天线（PAA）已成为当代雷达和无线通信系统不可或缺的元件。电子相控阵天线通过操纵从阵列中每个天线元件发射的信号的相位来工作。然而，这种相移的使用会导致波束斜视效应，其中微波频率的变化会导致指向角的偏差，从而将工作带宽限制在几百兆赫兹以下。线阵天线的“孔径效应”原理如下：![]()
为了解决这些问题，西班牙瓦伦西亚理工大学iTEAM研究所José Capmany团队提出并通过实验展示了一种新型开关光延迟线波束形成器架构。波束形成器通过引入一个切换光延迟线（OTL）架构，能够在保持宽带操作的同时实现高分辨率。该架构能够实现所需的分辨率（即2M个指向角），同时提供宽带操作。此配置的特点是在切换延迟线阵列之前加入了一个延迟均衡阶段，从而无需使用负增量延迟即可实现负指向角。
该工作通过紧凑的8通道（5 位）延迟线硅光子芯片演示了架构的优越性，能够处理32个指向角度，并提供20 GHz的带宽操作。这种设计不仅提高了系统的灵活性和可调性，还显著降低了系统的复杂性和成本。
微波光子学技术为光学真时延线（OTTDL）技术引入相控阵（PPA）带来了关键优势，尤其在低信号损耗和抗电磁干扰方面表现突出,且OTTDL避免了光束斜视效应，并扩展了PAA的工作带宽。
尽管已有许多工作提出多种基于光纤的OTTDL架构，但它们通常体积庞大且需精确切割以实现准确延迟。相比之下，片上集成微波光子学降低了空间、重量和功耗（SWAP），为OTTDL带来了新的可能性。
现有方案主要分为两大类：基于单和级联微环谐振器（MRR）的PAA架构提供连续时间延迟调谐，但面临带宽限制和需要复杂稳定电路的问题；而基于开关M位延迟线的PAA虽具有宽带宽和低温度灵敏度，但时间延迟调谐是离散的。近期工作[2]提出的并行配置NOTTDL架构大幅提高了分辨率，但由于无法提供负增量延迟，在负指向角时仍会出现光束斜视，阻碍了宽带操作。类似问题也存在于最近提出的基于MRR的架构中，这与使用真实时间延迟的初衷相悖。图1 当前基于OTTDL的波束成形网络架构，具有M延迟级的开关OTTDL方案
开关式光控真时延线（OTTDL）已在文献中得到了广泛的研究和应用，因为它们的设计和操作相对简单，提供了一种获得光学时延的最稳健方法之一。图1a展示了这些时延线中最简单的设计之一，它通常由M个时延阶段或“位”组成。每个位单元通过可调开关和两个长度不同的光路实现，短路径对所有时延阶段保持恒定，而长路径的长度随位数的增加而增加，具体为2^(M-1)×U，其中U代表第一个阶段的路径不平衡。可调开关通过一个平衡的马赫-曾德尔干涉仪（MZI）实现，该干涉仪由两个3-dB定向耦合器和两个加载有相移器的平行波导组成，如图1a所示。基于切换OTTDL的传统波束形成器通过并行组合N个与图1b所示相同的OTTDL来实现，其中每个相同的OTTDL为独立的辐射元件供电。可寻址的指向角数量由以下公式给出：上述公式（与波束形成器的分辨率密切相关），由于Na与天线数量成反比，与延迟级和有源元件的数量成正比。理想情况下，我们希望可能的指向角数量与N无关，且尽可能接近2^M。2020年Optica上的一种硅集成微波光子波束成形器[2]，如图1c所示，该架构在本质上保持了并行的OTTDL配置，但在每个相邻的OTTDL中，基本切换时延τ的值增加一个单位（即，第一行为U，第二行为2U，第三行为3U，依此类推）。这种配置原则上具有提供2^M个指向角的能力，同时实现宽带（即无波束倾斜）操作，该5位（精度）8通道微波光子波束形成器，并展示了其在16GHz下从-75.51°到75.64°范围内寻址32个角度的能力（见图1d）。理论上讲文献[2]工作是宽带的（从8GHz到18GHz），但我们可以发现在窄频带区域（如15.8GHz至16.1GHz）内，负指向角会出现波束倾斜现象如图1d所示。此外，随着工作频率降低到较低值（如14GHz、12GHz和10GHz），负指向角的数量也会减少，如图1e所示。这一显著结果与OTTDL基波束形成器应无波束倾斜的普遍信念相悖，但可以通过分析波束形成器的阵列因子来解释（见原文“方法”部分）。结论是，文献[2]中提出的方案无法提供宽带操作。负指向角出现波束倾斜的主要原因是[2]的配置无法提供负增量时延，这对于独立于频率地控制负指向角至关重要。这些指向角（当实现时）是由于相位偏移而非真时延条件。为克服这一限制，我们在切换时延线波束形成器前引入了一个延迟均衡阶段，如图2a所示。该均衡阶段的设计必须使波束形成器中对应于正向辐射角的位旋转到最低负辐射角。这样，就可以仅使用正增量时延来实现正负指向角，从而实现无波束倾斜操作。
图2 该工作提出的具有均衡功能的新型波束成形网络架构均衡时延的设计旨在将波束形成器的增量时延范围从[0, (2^M-1)×U]转换为[-2^(M-1)×U, (2^M-2)×U]。对于第n行，均衡时延的值必须为：（2）
天线之间的增量时延则为：（3）
其中T_n和ε_n分别代表第n行的选定时延和均衡时延，选定时延取决于所选位字B（从[0, (2^M-1)]）和行的位置，即T_n = n*B*U。
阵列因子则变为：（4）
其中d是阵列中辐射元件之间的间距，f是信号的射频频率，c是光速。
图2b提供了使用公式（2）设计的均衡阶段数据，以及针对文献26中报道的波束形成器，在三个不同位字（对应于最大负角、正向和最大正角）下的最终总体输出值。图2c显示了新架构在相同频率范围（15.8GHz至16.1GHz）内的波束模式，注意负角的波束倾斜已消失。此外，图2d显示，随着工作频率降低到较低值（如14GHz、12GHz和10GHz），负指向角的数量没有变化，且方向保持不变。这些结果证实了同时实现最大指向角数量2^M和宽带无波束倾斜操作的可行性。
[1]Zhuochen Du et al. ,Ultracompact and multifunctional integrated photonic platform.Sci. Adv.10,eadm7569(2024).DOI:10.1126/sciadv.adm7569
[2]Zhu, C. et al. Silicon integrated microwave photonic beamformer. Optica 7, 1162–1170 (2020).
