1.2 国内外光纤延迟线研究现状及应用动态
相比那些传统的雷达天线，光纤延迟线在相控阵雷达天线上的应用展现出来巨大的性能优势，各国部门及研究机构都也都加紧了对光纤延迟线的应用研究，取得了不少成果。1997 年，Yian Chang、Boris Tsap 和Harold R. Fetterman 等人利用布拉格光栅提出了一种串馈型的光控相控阵技术[5]，实现了步进为20ps，延迟误差为2ps的光纤延迟阵列，获得5 个角度的波束，波束范围为±28°，如图1-3(a)所示。2007 年，Howard R. Rideout, Joe S. Seregelyi, and Jianping Yao 等人利用布拉格光栅实现了在6.73GHz 的微波信号上的波束成形系统[6]，波束扫描范围为±28°，光纤延迟线的延迟精度达到亚ps 级，如图1-3(b)所示。
图1-3 两种基于布拉格光栅的光纤延迟阵列
2004 年，Jong-Dug Shin 等人利用基于MEMS（微电机系统）2×2 光开关实现了3-bit 的光实时延迟系统[7]，如图1-4 所示，并成功地运用到10GHz 带宽相控阵雷达上。该系统的延迟为-36~48ps,延迟步进为12ps，延迟误差小于0.1ps，天线波束的偏移误差小于0.84°
2009 年加拿大姚建平等人搭建了基于光开关光路切换的波束形成系统[8]，如图1-5 所示。该系统主要包括两部分：基于光纤布拉格光栅、用于方位角控制、波长依赖的TTD（WD-TTD）单元和基于MEMS 光开关、用于高度控制、波长独立的TTD（WI-TTD）单元。系统工作频率在1GHz 时，WD-TTD 和WI-TTD 的延迟误差小于11.8ps 和3.6ps，实现的波束方位角扫描误差为1.5°和0.4°。
2011 年Byung-Min Jung，Dong-Hyun Kim 等人设计出了一种10 GHz 的光控相控阵天线[9]，这种天线的实时延时网络是基于光开关和DWMD（波分复用器）组成，如图1-6 所示。实时延时网络主要由12 个2×2 的光开关组成，每个波长可实现3-bit 的延迟，延时zui小步进为12ps，延时误差小于1.6ps，波束指向角偏移误差不超过2.1°。
2012 年Maggie Yihong Chen 提出了一种2-D 相控阵波束成形系统[10]，如图1-7所示。该系统的TTD 主要由*延迟模块和第二延迟模块组成，*延迟是基于高色散光子晶体光纤和普通单模光纤，第二延迟模块是基于光开关和光波导延迟线。RF 信号被调制放大后，分成M 路分别进入*延迟模块，模块中的高色散光子晶体光纤和普通光纤的长度成一定的比例，设定其中心波长为0，M 路的延迟相等。改变激光器的波长，M 路延迟时间被改变。信号经过M 路延迟线后进入第二延迟模块，该模块中由2 个1×2 和N-1 个2×2 的光开关组成的N-bit 的延迟线。然后信号通过TTD 延迟网络到达光电探测器发射出去。这样形成了M×N 的阵列天线，此种延迟结构为天线提供了连续的转向能力。实验采用了3×3 的阵列结构：*延迟单元中相邻的延迟差为33.2ps，zui大指向角为45°，延迟误差为0.3ps，假如增加阵元数到100 的话，其误差基本可忽略不计；第二延迟单元中采用的是4-bit
的延迟线，步进为11.8ps，zui大延迟为177ps，延迟精度在1.4%内，不影响波束指向。
2014 年Anliang Yu 等人提出了一种可编程多通道、多bit 光实时延时波束成形阵列网络系统[11]，如图1-9 所示。在图1-9(a)中为N 通道、K-bit 光实时延时阵列的框架图，主要由激光器、
DWDM、EOM（电光调制器）、EDFA（掺铒光纤放大器）、1×M spliter 和bit 延时子网组成。每个bit 延时子网组要由DWDM、光环型器和MEMS 光开关组成，如图1-9(b)。DWDM 每个通道采用Backward 方式的延迟线，在通道延迟线尾端用法拉第旋转镜作为反射镜，通道间光纤长度按照等差数列分布，通过微处理器控制可选择光信号在延时子网里获得不同延时。不同波长的信号光进入系统会有不同的阵列对应不同的波长方向，微处理器控制光开关的切换状态，不同波长对应的阵列也会发生变化。论文中提出并实验测试了工作在12 GHz 下4 通道3-bit 的延迟网络，延时误差约3.5 ps，各通道之间的损耗一致性为约1dB。
在国内，光纤延迟线的研究相对比较晚，但一些高校和科研院所也都取的了一定的成果。2009 年，上海交通大学利用8×8MOEMS（微光电机系统）光开关实现了7-bit的光纤延迟线[12]，当波长的跨度为3.2nm 时，zui小的延迟时间小于1ps。2011 年，中电十三所利用1×6 的光开关实现了X 波段可编程光纤传输微波延迟线[13] ， 该延迟系统传输微波频率范围： 9-11GHz ， 延迟时间范围为1.0133~1.6467μs，延迟精度为0.5ns，延迟时间可以在1.0133~1.6467μs 范围内步进调节。
2012 年，中电二十所利用该种结构实现了以0.167μs 为步进zui大延迟达55μs并通过LM89C51 芯片控制的光纤延迟线[14]。2012 年，中电三十八所和大连理工大学合作利用高速磁光开关和单模光纤实现了5-bit 延迟线[15]，该光纤延迟线可实现时间延迟量在0～1096ps 范围内步进为35.4ps 的任意可调，延迟精度小于±2ps，开关切换时间小于30μs。在2014 年，东南大学有人提出了一种基于非线性布拉格光栅的光延迟线[16]，在10GHz 下可实现360°的相位转移，延迟时间可达92ps。天津大学有人提出了基于四波混频波长转换和色散的可调光纤延迟线[17]，在450m 非线性光纤和8km 单模标准光纤的四波混频波长转换下，可调光纤延迟线的延迟时间可达650ps。南航有人提出了一种基于单边带极化调制器的光控相控阵天线[18]，通过实验测试，在14GHz 带宽下，可实现一个4 阵元1×4 的小型阵列天线，获得了相控阵的角度为-30°、0 和30°的天线方向图。
1.3 空间环境特点及其对航天器件的影响
光纤延迟线应用到星载相控阵雷达上去，在外太空中经历空间复杂环境的考验，仍保持原有的性能，这种能力我们可以为光纤延迟线的环境适应能力，这种能力的强弱，决定了延迟线性能。在空间环境中，有以下几个特点：真空、高低温热循环、带电粒子辐射、太阳紫外辐射、原子氧和碎片。
（1）真空
外太空间是一个理想的真空环境，没有气体和水分，气体分子的热传导也基本可以忽略，这里只有热辐射。地球上大气压强大小跟所在区域的气体密度有关，随着高度升高，地球大气密度越低压强越低，当压强小于
时，这时的高度可是看着是一种类真空高度。海平面的标准大气压强约为 
，上升 100 km后为
，上升 200km 后为
，当上升一定高度后其大气压强小于
时，这时候就已经接近类真空环境。一般星载航天器所在运行轨道，其大
气压强都小于
。在此空间上，由于压强原因和由于“升华”作用，材料内部气体被释放和材料分子以气态形式析出，造成材料质量损失，影响材料的机械、电学和光学性能下降[19]。另一方面，由于空间中不存在气体分子之间热传导，空间中电子器件的散热能力将会成为电子器件性能一大考验。
（2）高低温热循环
空间中的热环境主要包括太阳辐射环境、红外辐射环境、地球反照和冷黑环境。由于空间中没有大气，不存在气体分子热传导，航天材料会直接暴露在太阳的照射下，温度会上升至200℃左右。不在太阳直接照射下的航天材料接受空间热辐射的能量非常小，相当于3K 背景温度，这时航天材料就会辐射向空间散热，温度会降低至-100℃左右，zui低能达到-180℃左右。空间中的星载航天器运行轨道都
是绕着地球在转，频繁地进出入地球背影或向阳面，导致航天器材料高低温度循环交替变化，这种快速交替变化速度能达到40 ~ 50℃ min。极度下的高低温快速循环，可能会引起航天材料的断裂、脱落。对一些温度比较敏感的器件，这种快速的温度变化，会直接影响到其工作性能。另外温度还会与空间环境中的其他特点综合作用，产生协合退化效应[20]。
（3）带电粒子辐射
带电粒子辐射是空间环境的又一大特点，空间中的带电粒子与物质相互作用，在物质内部引起原子的电离、激发，产生各种物理和化学变化，给航天器件带来辐照损伤。空间带电粒子辐射主要来源三个方面：（1）地球辐射带；（2）银河宇宙射线；（3）太阳粒子事件。
地球辐射带的构成主要是由地球磁场俘获电子和质子引起，分为内辐射带和外辐射带。内辐射带主要成分是质子和电子，位于地球赤道平面上的600~10000km的高空；外辐射带主要成分是电子，位于10000~60000km 的高空。这种地球辐射带时时刻刻都在发生变化着，内辐射带主要受到地球磁场的控制，变化程度相对较小；外辐射带则变化剧烈，其电子浓度瞬间起伏能达到1000 倍。银河宇宙射线
星际各个方向的高能粒子组成，主要成分是氦6.3%和氢93.6%。银河宇宙射线的能量很高，但是相对于地球辐射带，其通量还是很小。太阳粒子事件是指太阳耀斑和太阳风爆发发射出大量的高能粒子（质子、电子和重核粒子），其能量能达到10~1000MeV，但是太阳粒子事件具有多变性和不可预测性。在这其中对航天器影响zui大的带电粒子辐射是地球辐射带和银河宇宙射线。带电粒子辐射对航天器的影响主要表现是单粒子事件效应和总剂量效应，影响航天器内光学、电子类材料性能，尤其是那些非金属材料对空间带电粒子辐射比较敏感[21]。
（4）太阳紫外辐射
宇宙中，太阳是一个巨大的辐射源，时时刻刻都在向空间中辐射着大量的电磁波，其波长范围覆盖10-14m 到104m 之间，可以说太阳辐射出来的电磁波包含了近红外光、可见光、紫外光和X 射线等等。紫外辐射能使一些热控的涂覆层老化脱落，增加了太阳光的吸收率，影响航天器的正常飞行。由于不存在大气对光能的吸收，空间中的太阳辐射要比地面强出很多，能达到1353W m2 左右[21]。这种
强度的紫外辐射下，某些在地球正常使用的材料，到了空间应用到航天器上就可能会失去功效。另外，由于光电效应，强的紫外辐射会使金属表面上产生许多静电，这些静电电位升高会对航天器内部电子系统产生很大的伤害。
（5）原子氧
在近地球轨道上，原子氧在残余的大气成分中占有很大的比例，约为80%以上。在空间中，太阳辐射的紫外光与残余大气的氧分子相互作用，使其分解成原子氧。残余大气中的原子氧本身能量不大，但是在绕地球运行轨道上，航天器的相对速度能达到8km s，这就相当于能量高达 5eV 的原子氧与航天器相碰撞[22]，会对航天器造成很大的冲击。原子氧还具有一个特点，就是强的氧化性，其氧化能力远大于分子氧。正是这种氧化特性，原子氧会氧化航天器件表面材料，使之严重剥蚀老化，性能下降。除此之外，原子氧还会对航天器件造成其他方面的影响：增加器件温控材料损耗；增加太阳能电池级联结损耗；改变光学和电学性能。
（6）碎片
随着人们对太空的探索越来越频繁，发射到太空中的航天器也随之增多。这些航天器随着使用使用年限的结束，一些被人类拉回地球、一些就在空间中炸毁和一些直接停放在原来的空间轨道上，这就给空间环境产生了许多大大小小的空间碎片。这些碎片在空间中还在一定的轨道上绕地球运行，与正常航天器之间的相对速度能达到10km s，稍微大点（大约厘米级）的碎片对航天的冲击也是致命的。毫米级的空间碎片也能够破坏航天器表面保护层或舱壁。那些很小的碎片（大约微米级）虽然在瞬时不能给航天器造成多大的伤害，但是这种级别的碎片数量极多，与航太器发生碰撞的概率*，碰撞带来的伤害也是长期累积起来的，特别是对那些温控涂覆层、精密光学材料或仪器等影响更加突出。
正是这些空间环境特点，在某些方面会制约着航天器内各种器件性能的发挥。光纤延迟线作为相控阵天线的关键技术，能否适应外太空的复杂环境正是本文所主要研究的。在这些特定中，空间环境的高低温循环和辐照对光纤延迟线的影响zui大，本文也将主要研究光纤延迟线的温度和辐照适应性。
待续!
