การศึกษาการสร้างลำแสงไมโครเวฟแบบออปติคัลหลายลำแสงโดยใช้ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่

พื้นหลัง

ด้วยการพัฒนาของธุรกิจการสื่อสารเคลื่อนที่เทคโนโลยีการสื่อสารเคลื่อนที่รุ่นที่ 6 (6G) ได้กลายเป็นจุดศูนย์กลางการวิจัย เครือข่ายการสื่อสาร 6G มีอัตราการส่งข้อมูลสูงความจุช่องสัญญาณขนาดใหญ่ความล่าช้าในการส่งข้อมูลขนาดเล็กประสิทธิภาพสเปกตรัมสูงและความน่าเชื่อถือสูง ฯลฯ ที่สำคัญกว่านั้น 6G ทำให้เกิดการเชื่อมต่ออัจฉริยะขนาดใหญ่ระหว่างผู้คนและสิ่งของกล่าวคือ "ทุกอย่างเชื่อมต่อกันอย่างลึกซึ้ง!" เพื่อให้บรรลุคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมมากมายของเครือข่ายการสื่อสาร 6G วิธีสร้างลำแสงหลายลำด้วยอาร์เรย์เสาอากาศขนาดใหญ่พิเศษได้กลายเป็นจุดศูนย์กลางการวิจัยในปัจจุบัน

ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีดิจิทัล โปรแกรมการสร้างลำแสงหลายลำโดยใช้วิธีดิจิทัลจึงได้รับความสนใจจากนักวิจัยมากขึ้นเรื่อยๆ และการศึกษาเชิงลึก เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีแอนะล็อกดั้งเดิมในการสร้างลำแสงหลายลำ ข้อดีของวิธีดิจิทัลในการสร้างลำแสงหลายลำอยู่ที่ความยืดหยุ่นในการกำหนดค่าลำแสง ความไวต่อสัญญาณรบกวนน้อยลง และระบบฮาร์ดแวร์ที่เรียบง่าย

หลักการสร้างลำแสง

เมื่อพิจารณาจากสัญญาณอาร์เรย์ จะหมายถึงการรวบรวมสัญญาณหลายๆ สัญญาณที่จัดเรียงในรูปแบบหนึ่งๆ การประมวลผลสัญญาณอาร์เรย์ หมายถึงการประมวลผลสัญญาณที่รับหรือส่งโดยอาร์เรย์ของเซ็นเซอร์หลายตัวที่ตำแหน่งต่างๆ ในอวกาศ

การสร้างลำแสงเป็นทิศทางที่สำคัญมากในการประมวลผลสัญญาณอาร์เรย์ ซึ่งหมายถึงการเพิ่มสัญญาณในทิศทางเป้าหมายโดยการปรับพารามิเตอร์ของหน่วยอาร์เรย์ ขณะเดียวกันก็ลดทอนหรือระงับสัญญาณในทิศทางรบกวนอื่นๆ

แนวคิดพื้นฐานของการสร้างลำแสงส่งสัญญาณคือการปรับแอมพลิจูดและเฟสของสัญญาณที่ปล่อยออกมาจากแต่ละองค์ประกอบอาร์เรย์ เพื่อให้มีน้ำหนักที่เหมาะสม และหลังจากที่ปล่อยออกมาจากองค์ประกอบอาร์เรย์เสาอากาศแล้ว ก็จะสามารถรับลำแสงในทิศทางที่ต้องการได้

อาศัยหลักการจับคู่เฟสแบบดิจิตอลในการส่งสัญญาณแบบหลายลำแสง โดยหลักแล้วจะทำผ่านอาร์เรย์เพื่อเพิ่มชุดเวกเตอร์น้ำหนักเฟสจำนวนหนึ่งในเวลาเดียวกัน โดยที่น้ำหนักเฟสแต่ละชุดเวกเตอร์น้ำหนักจะสอดคล้องกับการสร้างทิศทางที่แตกต่างกันจำนวนหนึ่งของลำแสง

การตระหนักรู้เชิงทดลอง

การทดลองนี้ใช้หลักการเฟสแบบดิจิทัลรูรับแสงทั่วไป โดยใช้ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่เป็นหน่วยควบคุมเฟสของตัวพาแสง โดยที่แสงเชิงพื้นที่จะถูกปรับเฟส ตัวพาแสงที่ปรับเฟสแล้วจะถูกรับและดีมอดูเลตโดยโฟโตดีเทกเตอร์ให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า จากนั้นตัววิเคราะห์เครือข่ายเวกเตอร์จะอ่านเฟส จากนั้นจึงนำเข้าซอฟต์แวร์ MATLAB จากนั้นจึงจะได้ลำแสงที่สร้างขึ้นในตอนท้าย

ผังงานการทดลองสร้างลำแสงไมโครเวฟโดยใช้โมดูเลเตอร์แสงเชิงพื้นที่

ในการทดลอง แสงจากเลเซอร์จะถูกแบ่งออกเป็น 2 ทางผ่านตัวต่อแสงแบบ 50:50 ในทางหนึ่ง ตัววิเคราะห์เครือข่ายเวกเตอร์ทำงานในโหมด S21 โดยจากพอร์ต P1 สามารถส่งสัญญาณ RF ความถี่หนึ่งไปยังตัวปรับความเข้ม หลังจากโหลดการมอดูเลตแบบอิเล็กโทรออปติกลงในตัวพาแสงแล้ว แสงที่ปรับแล้วที่ปลายใยแก้วนำแสงผ่านเลนส์โฟกัสอัตโนมัติของคอลลิเมเตอร์ไปยังแสงเชิงพื้นที่ขนานกันจะถูกยิงเข้าไปในตัวรวมลำแสง

ในระบบ 2 ช่อง แสงที่สั่นในท้องถิ่นจะถูกปรับลำแสงให้ขนานกันและส่งไปยังตัวปรับแสงเชิงพื้นที่แบบสะท้อนแสง และหลังจากการปรับเฟสแล้ว แสงจะถูกส่งไปที่ตัวรวมลำแสง ซึ่งจะรวมกับการสังเคราะห์แสงของ 1 ช่อง จากนั้นจึงตรวจจับโดยโฟโตดีเทกเตอร์และดีมอดูเลตเป็นสัญญาณไฟฟ้า ปลายอีกด้านของโฟโตดีเทกเตอร์จะเชื่อมต่อกับปลาย P2 ของเครื่องวิเคราะห์เครือข่ายเวกเตอร์ จากนั้นจึงสามารถสังเกตเส้นโค้งเฟส-ความถี่ของสัญญาณที่สอดคล้องกันบนเครื่องวิเคราะห์เครือข่ายเวกเตอร์ และสามารถรับรูปแบบลำแสงที่สร้างขึ้นขั้นสุดท้ายได้โดยการบันทึกเฟสที่สอดคล้องกับความถี่เดียวกันของเส้นโค้งเฟส-ความถี่หลายเส้นในตำแหน่งเชิงพื้นที่ที่แตกต่างกัน จากนั้นจึงนำเข้าสู่ซอฟต์แวร์ MATLAB

บทบาทของตัวปรับแสงเชิงพื้นที่สำหรับอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์หลัก

ในการทดลองนี้ โมดูเลเตอร์แสงเชิงพื้นที่คริสตัลเหลวมีบทบาทสำคัญมาก เป็นอุปกรณ์ปรับเฟสแบบตั้งโปรแกรมได้ มีข้อดีคือมีขนาดเล็ก น้ำหนักเบา ใช้งานง่าย เป็นต้น ในการทดลองนี้ โมดูเลเตอร์แสงเชิงพื้นที่คริสตัลเหลวจะควบคุมเฟสของตัวพาแสงโดยการตั้งค่าและการปรับ โมดูเลเตอร์แสงเชิงพื้นที่คริสตัลเหลวที่เลือกสำหรับการทดลองนี้คือ FSLM-2K55-P04 ของเรา และพารามิเตอร์หลักมีดังนี้:

บทสรุปและแนวโน้ม

ในการทดลองนี้ มีการเสนอการสร้างลำแสงและรูปแบบการควบคุมโดยอาศัยตัวปรับแสงไฟฟ้าและตัวปรับแสงเชิงพื้นที่แบบคริสตัลเหลว นวัตกรรมของรูปแบบนี้คือการควบคุมเฟสของแสงในอวกาศ และการเปลี่ยนเฟสของแสงเกิดขึ้นได้โดยการควบคุมหน่วยปรับเฟสของตัวปรับแสงเชิงพื้นที่แบบคริสตัลเหลวด้วยการโหลดแผนที่ระดับสีเทา และรูปแบบนี้มีข้อได้เปรียบคือสามารถปรับได้ดีเมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์ดั้งเดิม เช่น ตัวเปลี่ยนเฟส

ในอนาคต มีแนวโน้มการประยุกต์ใช้ที่ดีในการทำการปรับสัญญาณไมโครเวฟความถี่สูงและการเบี่ยงเบนลำแสงสองมิติ