本文探討了相控陣雷達的發(fā)展需求，提出了基于微波光子技術的新型相控陣的架構形式和技術路線。針對其工程實現(xiàn)，凝練了當前所面臨的主要科學問題和重大技術挑戰(zhàn)，并對未來的研究工作和該領域的發(fā)展進行了展望。
1 引言
隨著信息技術的發(fā)展，未來戰(zhàn)爭將呈現(xiàn)出大縱深和立體化作戰(zhàn)空間，其作戰(zhàn)行動將是陸海空天一體化，并將具備超遠程、全天時、全天候、快速、靈活和精確的特點，高度發(fā)達的信息獲取、控制和使用技術將成為未來戰(zhàn)爭中的必備。在這一過程中，信號的寬帶接收與處理、信息的泛在感知與接入成為電子信息裝備研究有待解決的關鍵問題。
光纖通信技術歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展已經(jīng)向人們證明了其強大的寬帶傳輸與處理能力。同時，傳統(tǒng)的微波無線技術也展現(xiàn)出了有效的泛在感知與接入能力。而將上述兩種技術進行有機融合，則誕生了微波光子技術 。該技術自誕生至今，隨著各種光子材料及器件相繼研制成功以及組件設計、制造工藝水平的提高，其在光載無線通信、光纖傳輸以及微波測量等多個領域均取得了令人欣喜的研究成果 。美國海軍實驗室更以“光子學照亮了雷達的未來”(photonics illuminates the future of radar)為題，將該項技術在雷達中的工程應用提到了極為重要的高度。截至目前，國內外在微波光子雷達的研究成果顯示，微波光子技術相比于傳統(tǒng)電子手段已呈現(xiàn)出巨大的帶寬和靈活性的優(yōu)勢，極大地提升了微波成像精度、處理速度和時效性 。然而，在已經(jīng)取得的成果中，所使用的雷達天線形態(tài)仍為拋物面而非相控陣體制，基于微波光子的相控陣雷達的研究成果仍鮮見報道。
半導體電子學的成功給予微波光子學極大的啟發(fā)和借鑒，并且為微波光子學的發(fā)展指明了方向。目前光子系統(tǒng)正從離散的光電子器件向集成化方向迅猛發(fā)展，這符合未來工程化應用的需要。微波光子技術、及光子集成技術在相控陣中的應用研究需要力、熱、光、電等多物理場的協(xié)同設計，涉及的專業(yè)面更廣，專業(yè)之間的融合度更加緊密，研制難度和技術門檻也提到了更高高度。
本文將結合相控陣天線需求以及微波光子技術特點，探討將微波光子技術應用于下一代先進相控陣天線，期望能夠為未來新型相控陣雷達系統(tǒng)的研究工作提供借鑒，從而能有力支撐軍事電子裝備性能的進一步提升。
2 先進相控陣的需求與挑戰(zhàn)
2.1 相控陣雷達特征
未來先進相控陣技術的需求主要體現(xiàn)在 4 個方面，如圖 1 所示。
圖 1 未來相控陣雷達發(fā)展趨勢示意
(1) 寬帶化。寬帶化的需求是由未來信息系統(tǒng)的作戰(zhàn)使命與任務決定的。一方面，多種探測對象和任務需求要求相控陣雷達系統(tǒng)能夠靈活地配置頻段資源；另一方面，反彈道導彈作戰(zhàn)等要求雷達具備更寬的帶寬以提高雷達的探測精度與分辨率，從而實現(xiàn)更精細的目標識別。此外，不同的作戰(zhàn)平臺均要求相控陣雷達系統(tǒng)能夠實現(xiàn)戰(zhàn)場環(huán)境監(jiān)視、目標搜索與跟蹤、目標識別、通信、反干擾等多功能一體化，相控陣雷達的硬件系統(tǒng)必須具備寬頻段甚至是跨頻段工作的能力，才有望采用綜合且開放式的模擬和數(shù)字處理以及軟件體系架構進行靈活的資源調度和管理，進而實現(xiàn)雷達、電子戰(zhàn)、通信、導航、識別等多種射頻功能以及多源信息融合；
(2) 陣列化。相控陣雷達具有波束無慣性捷變、副瓣電平低及高陣列增益的特點。雷達通過陣列化實現(xiàn)了能力的跨越式提升，包括在威力、抗干擾以及可靠性等多個方面。未來對作戰(zhàn)效能進一步提升需求，均需要相控陣向著大空域覆蓋、高精度測向以及同時多波束等技術方向發(fā)展；
(3) 通用化、小型化。大型平臺受威脅的程度與日俱增，未來的相控陣雷達必須能夠同時兼顧探測性能和平臺隱身的需要。未來裝備對隱身性能的要求將從目前的有限角度和有限頻段向全方位和全頻段擴展，隱身性能要求的指標量級將進一步增加，因此對配置于平臺的各類探測系統(tǒng)提出了更高隱身性設計要求。此外，未來作戰(zhàn)目標雷達散射截面積(Radar Cross Section, RCS)更小、飛行速度更快、武器攻擊距離更遠，要求探測系統(tǒng)具備更大的探測能力和更高的探測精度。在這樣的需求背景下，通用化、小型化的平臺將成為未來戰(zhàn)場下不可忽視的主要作戰(zhàn)力量；
(4) 協(xié)同化、網(wǎng)絡化。未來的軍事戰(zhàn)爭將從平臺中心戰(zhàn)轉移到網(wǎng)絡中心戰(zhàn)。依靠單個平臺自身的武器裝備，由于受到傳感器的類型、精度及視距的限制，很難滿足對抗現(xiàn)代精確制導武器的需要。只有將整個作戰(zhàn)兵力組成一個網(wǎng)絡，作戰(zhàn)資源和情報資源共享，才能發(fā)揮比各個平臺的簡單累加更大的軍事效益。
2.2 相控陣雷達面臨的挑戰(zhàn)
未來相控陣雷達的關鍵問題一方面在于要實現(xiàn)能夠承載雷達、通信、電子戰(zhàn)等多種功能所覆蓋的全部帶寬的模擬通道，另一方面要求能夠高性能地連接處于最前端的分布式的寬帶天線和處于后端的軟件無線電平臺。
考慮到多功能覆蓋的射頻帶寬非常寬，支持一體化多功能的信道當前面臨的困難集中表現(xiàn)于當前的電子技術仍難以支持超寬帶信號的數(shù)字化 ；同時，當前射頻器件也難以支持超寬帶、多頻段射頻信號的傳輸和處理。一方面，由于模數(shù)轉換器(Analogto Digital Converter, ADC)的帶寬仍遠小于多功能覆蓋的射頻帶寬，在數(shù)字化之前寬帶射頻信號將經(jīng)過例如變頻、濾波和信道化等模擬信號處理；而當前單個電子器件難以支持超寬帶的模擬處理，也無法實現(xiàn)超寬帶的可調諧處理，因而針對每個波段仍需要不同的硬件支持，無法實現(xiàn)通道的一體化。另一方面，傳統(tǒng)的射頻傳輸方式無法在超寬的帶寬內保持均一且高的動態(tài)范圍，因而射頻信號必須在非常接近天線的地方變頻為低頻或者數(shù)字信號 ，這些針對每個天線的硬件無法集中在一起，在多天線或陣列的情況下會進一步造成硬件的冗余。總之，傳統(tǒng)電子技術無法支持超寬帶射頻信號的傳輸和處理，是當前相控陣雷達應對未來技術發(fā)展需求所面臨的主要困難。
3 微波光子相控陣及其性能分析
3.1 微波光子相控陣架構
微波光子學經(jīng)過近 30 年的發(fā)展，在針對超寬帶射頻信號的傳輸、處理等關鍵技術方面，已經(jīng)表現(xiàn)出優(yōu)異的、超越傳統(tǒng)射頻信號處理技術的性能。基于微波光子學的獨特優(yōu)點，特別是利用光模擬信號傳輸技術，未來相控陣雷達相比現(xiàn)有的相控陣雷達將呈現(xiàn)出一種新的架構。如圖 2 所示，復雜的數(shù)字陣列模塊(Digital Array Module, DAM)的核心部分可通過射頻光拉遠與天線物理分離，并遠程安裝于空間相對寬闊的后端中心站。天線陣面部分將僅由天線輻射單元和超寬帶光電混合集成前端組成。后端處理單元可基于微波光子技術來完成光電數(shù)字陣列中信號產(chǎn)生、頻率變換、模擬和數(shù)字的相互轉換等功能，變?yōu)閿?shù)字信號后送入后端數(shù)字處理單元。
圖 2 基于微波光子的新型相控陣架構
基于微波光子的新型相控陣其整個架構主要包括超寬帶光電混合集成前端、基于微波光子的射頻拉遠和交換網(wǎng)絡以及后端微波光子功能組件 3 個部分。其中，基于微波光子的射頻拉遠和交換網(wǎng)絡在光域實現(xiàn)模擬波束合成的功能。整個架構的建立是以能夠將原有的微波頻段的傳輸和處理通過高效的微波 - 光波轉換變換到光波頻段進行傳輸和處理為基礎的，其實現(xiàn)的硬件基礎是超寬帶的光電集成收發(fā)模塊。該模塊除包括原有射頻收發(fā)模塊所需的各類功能組成外，還增加了光 / 電、電 / 光轉換部分，并與后端通過光網(wǎng)絡來進行互連。由于光載波對射頻頻段的透明性，光電集成收發(fā)模塊可面向 6～18 GHz 甚至更寬帶寬，Ka, W 甚至更高頻段的射頻信號。由于微波 / 光波信號相互轉換也將不可避免地引入轉換損耗，進而對整個射頻鏈路的增益、噪聲性能產(chǎn)生影響。因此，為滿足更高的探測感知能力的需求，光電收發(fā)組件的實現(xiàn)除了在器件性能上不斷提升微波 / 光波轉換的性能外，還必須從整個鏈路性能的角度出發(fā)，通過必要的射頻預處理、后處理以及相關的補償措施來進行優(yōu)化。
整個架構的發(fā)射鏈路為：數(shù)據(jù) / 基帶信號通過電光調制，與光生本振信號完成上變頻后，經(jīng)過光濾波器濾除雜散信號經(jīng)射頻光拉遠送至全光交換網(wǎng)絡。利用全光交換網(wǎng)絡完成發(fā)射通道間的動態(tài)配置，送至對應的光電混合集成前端。在光電混合集成前端中，通過真延遲調整實現(xiàn)波束方向控制，后經(jīng)光電變換后恢復出射頻激勵信號，再經(jīng)射頻放大后由天線輻射。
與之對應，接收鏈路為：天線探測到的雷達回波信號首先進行射頻預處理(放大、濾波等)，后通過電光變換調制到光域，在光域通過真延遲芯片完成相應的幅相控制后，經(jīng)光子波束形成網(wǎng)絡完成子陣級波束合成后通過射頻光拉遠傳回后端處理單元。在后端處理單元中，可以先通過光學方法將探測到的高頻信號下變頻至中頻，經(jīng)過光學濾波、光電轉換后處理中頻信號，也可以利用光學 ADC 技術直接對高頻信號進行帶通采樣。采樣后的數(shù)字信號再送至后端數(shù)據(jù)處理單元(Digital Signal Processingunit, DSP)完成相關信號處理。
3.2 微波光子相控陣的技術優(yōu)勢
從相控陣雷達整體性能上來看，采用微波光子技術的新型相控陣陣列，相較傳統(tǒng)的數(shù)字陣列其優(yōu)勢集中體現(xiàn)在以下 3 個方面：
(1) 射頻光傳輸帶來的技術優(yōu)勢。
光纖重量典型值僅為 27 g/km，而同軸電纜重量典型值高達 567 kg/km。光纖具有數(shù)十 THz 的通信窗口和極低的傳輸損耗(0.15 dB/km @ 1550 nm) ，而同軸電纜其帶寬典型值僅為 40 GHz，傳輸損耗典型值高達 360 dB/km @ 2 GHz。得益于微波光子鏈路呈現(xiàn)出的輕質低損耗的優(yōu)點，射頻傳輸可獲得更高的組網(wǎng)靈活性和可重構性。通過射頻光傳輸，天線前端無需再束縛在發(fā)射機與接收機附近，從而釋放了陣面端的壓力。另一方面，傳統(tǒng)的微波鏈路無雜散動態(tài)范圍(Spurious-Free DynamicRange, SFDR)僅達到 110 dB·Hz 2/3 。相應地，對于 X 波段的接收機來說，當接收噪聲系數(shù) 5 dB 時，若要滿足信號探測靈敏度低至–90 dBm 且接收動態(tài)范圍大于 60 dB，相應的探測信號帶寬范圍僅為數(shù)十 MHz 。有報道指出，微波光子鏈路的 SFDR 可達 134 dB·Hz 2/3 。在同樣的探測指標需求下，相應的探測信號帶寬范圍可拓展至數(shù) GHz。微波光子鏈路作為天線單元之間以及天線單元和中心處理器之間的傳輸信號媒質，通過近似無損的傳輸，大大提高了系統(tǒng)的動態(tài)范圍，增強了系統(tǒng)對目標的識別能力。此外，微波光子鏈路還具備良好的抗電磁干擾特性，可同時處理多個射頻脈沖信號和電磁干擾信號，提高了系統(tǒng)的有效性、保密性和可靠性。更重要的，射頻光拉遠為噪聲非相關的分布式頻率源的實現(xiàn)提供了硬件支持，有助于獲得理論上的信噪比合成增益，實現(xiàn)理想的探測威力和雜波下檢測能力。
(2) 射頻光網(wǎng)絡帶來的技術優(yōu)勢。
由于光載頻極高，光延遲對于傳輸?shù)奈⒉ㄐ盘柕娜魏晤l率均可視為真延遲，這就有效地避免了寬帶波束傾斜問題，同時由于光傳輸損耗極低，采用光子技術可提供大延遲位數(shù)長時延的延遲，從而為相控陣的寬帶寬角掃描提供了有力的硬件支撐 。同時，在子陣級波束合成之后再進行模數(shù)轉換，避免了大規(guī)模地使用數(shù)字 TR 組件，在模數(shù)轉換之后再進行后端的信號處理和數(shù)據(jù)處理，有效地緩解了龐大數(shù)據(jù)處理帶來的功耗和散熱問題，簡化系統(tǒng)構成的同時，也使得陣面的重量、成本大幅降低。此外，采用射頻光交換技術，利用光開關在光域實現(xiàn)射頻信號切換相對原有技術具有太赫茲級的無可比擬的寬帶優(yōu)勢和平坦的頻率響應特點，這將為多功能一體化電子系統(tǒng)的架構設計提供有力的保障，并可提供極高的交換容量 。另外，得益于其納秒級的切換速度，光子射頻切換有望成為動態(tài)、可重構射頻交換系統(tǒng)的首選方法。
(3) 射頻光處理帶來的技術優(yōu)勢。
傳統(tǒng)相控陣的射頻前端部分在寬帶信號的接收和處理方面面臨著巨大挑戰(zhàn)。而微波光子技術不僅呈現(xiàn)出了工作頻段范圍大，應對瞬時帶寬大的優(yōu)點，同時其在模擬信號處理等方面也呈現(xiàn)出獨到的技術優(yōu)勢。
光電振蕩器的發(fā)明為高性能微波源的實現(xiàn)提供了新的解決方案。從文獻報道來看，光電振蕩器能夠在覆蓋百 MHz 到百 GHz 的頻率范圍內產(chǎn)生低相噪、高穩(wěn)定性、高頻譜純度的射頻信號，特別在相位噪聲、頻率穩(wěn)定度及頻譜純度方面已經(jīng)呈現(xiàn)出超越傳統(tǒng)電子手段的優(yōu)勢 。一旦實現(xiàn)工程應用，將顯著提升現(xiàn)有相控陣雷達對于低空、慢速、小目標的探測能力。
基于電子學方法的模擬濾波器，由于受到電子瓶頸的限制，很難向著高頻發(fā)展且?guī)捰邢蕖４送猓瑐鹘y(tǒng)微波濾波器的通帶中心頻率可調諧范圍一般較小，僅為百 MHz 到數(shù) GHz。盡管近年來隨著微波理論和器件的不斷發(fā)展，其調諧范圍和調諧速度都有了一定的改善，但由于傳統(tǒng)微波傳輸介質在不同頻率的插損和色散等參數(shù)相差較大，濾波器只能對某一個目標頻段做特殊優(yōu)化，難以兼顧頻段相差過大的信號，所以仍然無法從根本上解決調諧范圍有限的問題。微波光子濾波技術通過將需要處理的微波信號調制到光載波上，使用光學的手段對信號進行濾波，充分發(fā)揮了光纖對調制的不同頻率射頻信號增益平坦的優(yōu)勢，可以更容易地在高頻段實現(xiàn)濾波器通帶頻率大范圍可調以及通帶譜形的重構 。
利用微波光子混頻的高隔離度可以解決傳統(tǒng)微波領域同相 - 正交(In-phase and Quadrature, IQ)混頻技術中的本振泄漏等問題，讓混頻鏈路較少地受到電子限制及干擾；在光上實現(xiàn) IQ 解調還不受頻率的限制，IQ 失配和偶次失真不會隨著射頻頻率提高而明顯增加；在處理跨波段的微波信號方面，已有研究證明，隨著輸入微波頻率的增加，系統(tǒng)的無雜散動態(tài)和 3 階交調情況幾乎沒有明顯的變化，在 8～40 GHz 頻段范圍內，系統(tǒng)的 SFDR 均可達到≥123 dB·Hz 2/3 。微波光子混頻的處理帶寬和頻率僅僅受限于系統(tǒng)中的光電器件，而目前帶寬為 40 GHz 的光電器件已經(jīng)成熟并商品化，60 GHz 甚至上百 GHz 的光電器件也有了相關的產(chǎn)品或報道。因此，基于微波光子混頻實現(xiàn)寬帶大動態(tài)的微波信號處理具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛻们熬啊?/span>
在高性能模數(shù)轉換領域，受到 ADC 內部采樣保持電路帶寬、比較器遲豫和時鐘抖動等因素的影響，傳統(tǒng)電子 ADC 的采樣率和量化位數(shù)受限；同時由于半導體載流子遷移率有限，電子 ADC 難以同時獲得數(shù)十 Gsps 的采樣率和高量化精度，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代信號處理對于高采樣率、高載頻和高帶寬的要求，成為各類應用系統(tǒng)中的主要瓶頸。近年來，利用低時間抖動(數(shù) fs 至數(shù)十 fs 量級)、窄脈沖寬度(數(shù)百 fs 至數(shù) ps)的光脈沖信號進行采樣的光學模數(shù)轉換技術，可以實現(xiàn)數(shù)十 Gsps 甚至上百 Gsps 的超高速高精度信號采樣 (如圖 3 所示)，相對于電子模數(shù)轉換呈現(xiàn)出了較大技術優(yōu)勢，引起了世界各國極大重視，有望成為解決突破上述技術瓶頸的有效解決辦法。
圖 3 近年來微波光子 ADC 與電子 ADC 性能對比
通過上述分析不難得出，在傳統(tǒng)的射頻前端系統(tǒng)中，由于受到射頻濾波、電混頻器的帶寬以及調諧范圍的限制，射頻接收機一般只能工作在固定的頻段，難以對跨頻段的頻域上稀疏的信號進行處理。并且隨著微波頻率的升高，由于混頻器變頻和同軸電纜傳輸所引入的損耗和非線性失真都會增大，都將嚴重制約系統(tǒng)性能。在微波光子相控陣架構下，將處理部分置于后端集中進行，并采用微波光子相關的技術實現(xiàn)射頻信號的產(chǎn)生、混頻、濾波和模數(shù)轉換等等，這樣的系統(tǒng)不但具有大的射頻帶寬，低傳輸損耗，重量輕，抗電子干擾能力強等優(yōu)良品質，而且具備調諧范圍大，重構能力強等特點，有望在光控寬帶相控陣雷達等技術領域呈現(xiàn)獨特的優(yōu)勢。
(4) 簡化系統(tǒng)復雜度的優(yōu)勢明顯。
在使用微波光子進行頻率變換時，光載波頻率極高，可實現(xiàn)高頻微波信號到基帶信號的低變頻損耗的單次下變頻，同時仍可保持較高的鏡頻干擾抑制，從而有效地避免了多級頻率變換帶來的損耗和復雜度提升。此外，該技術可以和光波分復用技術相結合，實現(xiàn)一次性將多端口的射頻信號與單本振信號上 / 下變頻 。進一步地，將該方案與微波光子波束賦形網(wǎng)絡的設計相結合，可以基于新的架構，在省略了傳統(tǒng)的復雜的本振饋送網(wǎng)絡的同時，建立靈活高效的信號收發(fā)鏈路。
3.3 微波光子相控陣的關鍵技術
與傳統(tǒng)的光開關、光交換、光邏輯等數(shù)字信號處理功能完全不同，微波光子技術面向的是寬帶微波信號，其進行的是模擬信號的光處理。其實質上是將“電域上超寬帶的微波信號處理問題”轉化為“光域上極窄帶的模擬信號處理問題”。因此，微波光子技術應用于相控陣雷達系統(tǒng)中，在提供了上述諸多優(yōu)勢的同時，也必將會遇到一些新的難點和技術挑戰(zhàn)。涉及到的關鍵技術有：
(1) 高性能器件及芯片。
隨著收發(fā)信道容量的增加，微波光子相控陣系統(tǒng)對直調激光器的調制帶寬和線性度的要求勢必越來越高，尤其需要衡量其 1 dB 壓縮點以及激光器諧振非線性兩項指標。調和空間燒孔效應，增加整個腔內載流子的利用率均勻性，提高 1 dB 壓縮點；同時削弱光子載流子的非線性復合，削弱激光器諧振非線性，成為激光器陣列混合集成芯片制作中的關鍵技術。雖然國外很多科研單位和研究人員在單個模擬直調激光器改善帶寬和減小非線性等方面都有廣泛研究，但是對于模擬直調半導體激光器等高性能多波長激光器陣列，目前尚缺乏相關報道。
其次，對于微波光子相控陣的陣列化應用，波長的準確控制是激光器陣列非常重要的技術指標。電子束曝光技術受到拼接誤差及外界環(huán)境影響，由其制作的 DFB 激光器波長精度難達到 1 nm 以內。目前理論研究發(fā)現(xiàn)，基于納米壓印技術的激光器波長精度誤差可控制在±0.2 nm，但未見工程應用報道。
就微波光子相控陣來說，其廣泛使用的模擬光傳輸鏈路對于高飽和功率光電探測的需求日益迫切。微波光子相控陣天線需要接收高功率模擬信號，勢必要求探測器有高線性度和高動態(tài)范圍，從而減小信號失真并且易于提高傳輸容量。目前來看，由于探測器中光生載流子的空間電荷效應，探測器在飽和功率下遇到較大困難，是目前國際上尚未解決的一個關鍵技術難點。
(2) 高頻寬帶的微波信號與光載波之間高效線性相互作用與能量轉換。
超寬帶射頻信號可以表示為包含若干中心角頻率為 wk 信號的通頻帶信號，如式(1)表示
其中， pk (t)為信號的振幅包絡。
連續(xù)光波通過電光調制器，被注入的超寬帶射頻信號所調制。電光調制器的傳遞函數(shù)可表示為
其中，
為調制器的偏置角度 ,
為調制器的半波電壓，
分別為 0 階和 1 階貝塞爾函數(shù)。
由式(2)可知，超寬帶工作狀態(tài)下，頻率為
的信號將既受到載波間的互調失真影響，又受到帶內的交調失真影響，兩種失真并存，共同影響著信號的線性接收。因此，多源非線性的共同抑制和補償是超寬帶高性能系統(tǒng)中的重要研究內容。各類噪聲是限制微波光子鏈路接收微弱信號的主要因素，系統(tǒng)自身的噪聲特性好壞直接影響到鏈路弱信號檢測能力。當前，微波光子鏈路的噪聲系數(shù)仍普遍在 20 dB 以上，極大地制約了其在相控陣雷達中的應用。
非線性和噪聲對微波光子鏈路性能的影響可以通過鏈路 SFDR 這一指標來衡量，其綜合體現(xiàn)了一個系統(tǒng)克服噪聲影響，處理微弱信號的能力以及克服非線性失真影響，接收和處理強信號的能力。在過去的幾十年里，各國的專家學者圍繞模擬光鏈路動態(tài)范圍的提升問題展開了大量的研究工作。概括來說，無外乎從提高鏈路的信噪比(降低鏈路噪聲系數(shù))以及提高鏈路的線性度兩方面入手。主要包括了調節(jié)激光器輸出功率、降低激光器 RIN 值、低偏置技術、光載波過濾技術、雙波長注入技術、調制其的級聯(lián)(串聯(lián) / 并聯(lián))技術、平衡探測技術、預失真、失真后補償技術等。表 1 對提升微波光子鏈路(Radio Over Fiber, ROF)動態(tài)范圍的幾種關鍵技術的主要優(yōu)缺點進行了比較。
表 1 大動態(tài)范圍微波光子鏈路實現(xiàn)手段的優(yōu)缺點比較
從表 1 可以看出，縱然微波光子鏈路可以通過采取一定的手段獲得極高的動態(tài)范圍，但在實際應用中，仍需要綜合考慮鏈路的指標、系統(tǒng)實現(xiàn)的復雜度、成本等多方面的因素，特別是系統(tǒng)穩(wěn)定性、復雜度及成本等，成為了制約現(xiàn)有大動態(tài)范圍微波光子鏈路實現(xiàn)方法在微波光子相控陣中大規(guī)模工程應用的關鍵因素。
(3) 微波模擬信號的光域處理與精細靈活調控。
由于光波的頻率比微波的頻率高 3～5 個數(shù)量級，在光域進行微波信號的處理實際上就是進行超窄帶的模擬信號處理，這就需要在光域上直接對帶寬僅為 GHz 甚至百 MHz 量級的微波信號的幅度和相位進行精細控制。下面以微波光子濾波和高性能模數(shù)轉換為例進行說明。
在寬帶微波模擬信號的產(chǎn)生和處理時，往往需要對寬帶信號的時域波形和頻譜進行靈活地控制，以滿足一些特定的要求。比如在超寬帶微波光子相控陣應用中，一方面要通過控制超寬帶信號的時域波形，使脈沖的頻譜能夠盡可能逼近美國聯(lián)邦通信委員會(Federal Communications Commission,FCC)制定的世界通用頻譜規(guī)范；另一方面還要在光域實現(xiàn)對超寬帶脈沖信號的高速調制和編碼，以滿足未來超寬帶微波光子相控陣系統(tǒng)靈活接入的需求。但需要注意的是，微波光子系統(tǒng)輸出的微波信號幅度與光電探測器接收到的光功率是成正比的。遺憾的是，光功率沒有負值，因此一般情況下基于數(shù)字濾波思想構成的微波光子濾波器只能是產(chǎn)生正抽頭系數(shù)的微波信號處理系統(tǒng)。這就大大限制了系統(tǒng)的可調諧性和可重構能力。縱然可以通過差分檢測、混合光電方法、利用電光調制器反向特性或者光器件的非線性效應來實現(xiàn)負抽頭系數(shù)的微波光子濾波器 ，然而這樣的濾波器在實現(xiàn)上往往需要精心地設計，難免在實用性和可靠性上大打折扣。
多數(shù)微波光子濾波器的原理是基于線性系統(tǒng)的數(shù)字信號處理理論，輸出微波信號
可以表示為每一路經(jīng)過延時 T 的輸入微波信號
的疊加，滿足如式(3)
其中， N 為抽頭數(shù)(采樣數(shù)),
為抽頭系數(shù)。
為系統(tǒng)的沖擊響應，其可視為 1 個離散時間信號，對其進行離散時間傅里葉變換可得此類微波光子濾波器的傳輸函數(shù)如式(5)
由式(5)可知，基于光纖延時線的微波光子濾波器的濾波特性具有周期性，從而限制了所處理微波信號的帶寬，并可能導致頻譜的重疊。為了得到單通帶的濾波特性，人們提出了基于光濾波的微波光子濾波器。基于光濾波的微波光子濾波器通過在光域上對信號進行選頻，具有靈活的可調諧性和可重構性。對于這一類型的微波光子濾波器，光濾波的性能對濾波器的頻率響應具有決定性影響。需要注意的是，品質因數(shù)與濾波器帶寬成反比，也即為了獲得精細調控，需要光濾波器具備極高的品質因數(shù)。遺憾的是，目前此類微波光子濾波器仍鮮見報道。此外，在光域中，微波光子濾波器的設計還需要考慮在輸入光功率過大情況下引入的非線性效應，例如自相位調制、交叉相位調制、四波混頻、受激布里淵散射等等。綜上，高精細、高可靠、寬帶可調諧的微波光子濾波仍需持續(xù)攻關。
為了突破模數(shù)轉換(ADC)器件性能的限制而獲得更高的采樣率和分辨率，基于并行方式的技術(諸如時基交替模數(shù)轉換)技術已經(jīng)成為一種提升實時采樣率的非常有效且可行的方法，進而被廣泛應用在實時獲取非周期信號波形中。微波光子模數(shù)轉換技術與該方法的思想是基本相同的。同時，微波光子模數(shù)轉換可以獲得比電子設備更精確的采樣脈沖重復頻率，有效克服所有電子 ADC 的抖動限制，進而顯著提高 ADC 的采樣率和分辨率。然而必須清楚地認識到，超高速采樣系統(tǒng)還需要在并行采樣技術、系統(tǒng)并行構架、失配誤差校正、多器件并行數(shù)據(jù)同步和并行出發(fā)定位等方面開展深入的研究工作。
(4) 分布式環(huán)境下微波光波協(xié)同與可重構組網(wǎng)。
在應對大帶寬、大陣列、分布式、多傳感應用的情況下，基于微波光子技術的網(wǎng)絡架構需要建立以感知環(huán)境和協(xié)同調配頻率、幅度、相位和空間分布為基礎的模型，從理論上指導網(wǎng)絡架構的設計：需要定義中心站和天線節(jié)點的功能，優(yōu)化網(wǎng)絡的拓撲結構，以及均衡微波鏈路的增益、噪聲、動態(tài)范圍等；需要不斷完善采用微波光子的頻率切換和基于微波光子的射頻信號幅相控制方法與協(xié)議，最終獲得盡可能高的網(wǎng)絡容量和盡可能低的能量消耗。
(5) 環(huán)境適應性及成本的挑戰(zhàn)。
當前限制微波光子相關技術在相控陣雷達中應用的一個關鍵瓶頸在于微波光子相關的鏈路系統(tǒng)對環(huán)境因素比較敏感，集中表現(xiàn)在微波光子鏈路的傳輸媒質(特別是光纖)受溫度、振動、張力等環(huán)境因素變化作用時，其承載的射頻信號的相位會發(fā)生劇烈變化。從而影響整個相控陣系統(tǒng)的相參性能。首先來看溫度變化的影響：忽略光纖折射率的變化，射頻信號在長度為 的光纖中傳播時，由于外界溫度變化
引起的相位變化
可表示為
其中，
為射頻信號的頻率，
為光纖折射率，L 為光纖長度， K 為光纖相位長度相對溫度變化的典型系數(shù)
, c 為光在真空中的傳播速度。對于一個 L 波段地基相控陣雷達
,陣面規(guī)模 50 m ( L=25m)，選用 SMF-28 光纖
傳輸，當陣面因功率失配等原因導致局部發(fā)熱引起溫度變化
時，相應的相位變化量可達 17.2°。
由于陣面形變等因素引起的光纖長度變化也會引入相位變化，可用公式表示為
對于某星載 X 頻段
陣面來說，當因陣面形變導致光纖等效長度發(fā)生 1 mm 微小變化時，其傳輸?shù)南辔蛔兓瘜⑦_到 18°。
通過上面的分析可見，由于光纖對于溫度及振動的敏感性，微波光子相控陣在應用射頻光傳輸鏈路時其相參性能受到了一定程度的挑戰(zhàn)。尤其要強調的是，由于陣面展開及工作時，形變和局部溫度驟變的不可預知性，由此帶來的射頻光傳輸相位變化的不確定性無疑給整個相控陣陣面的相位補償帶來了極大的困難。因此，射頻穩(wěn)相光傳輸技術是微波光子相控陣走向工程化應用亟待解決的關鍵問題。
另一方面，隨著相控陣集成度的提高，天線陣面變得越來越緊湊，功能也越來越豐富，這對天線陣面相關組件的布局提出了極大的挑戰(zhàn)。分立的光電器件已難以滿足小型化、通用化的需求。因此，為了應對未來武器裝備及信息系統(tǒng)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)，采用光電混合集成技術的相控陣陣面才應是未來微波光子相控陣應有的形態(tài)。微波光子器件與數(shù)字光通信中廣泛采用的光器件、光模塊不同，在尚未形成標準化、批量化生產(chǎn)的今天，更多的射頻光模塊均為定制產(chǎn)品，成本較昂貴，限制了其應用場景。據(jù) Intel 統(tǒng)計，光電子集成器件總體成本中，芯片設計、封裝和測試各占 1/3。因此，為了降低集成器件成本，必須在芯片設計初期就開始考慮耦合、微波封裝的方式，從而將光電子芯片的性能充分發(fā)揮出來，將封裝寄生參數(shù)的影響降到最低。此外，為了降低陣面復雜度及系統(tǒng)運維成本，支持熱插拔的小型化光收發(fā)模塊一體化設計也勢在必行，這也給封裝帶來了挑戰(zhàn)。
3.4 微波光子相控陣的研究技術路線
前已述及，從面向工程應用角度考慮，一個性能更強大和使微波光子技術更接近實際應用的技術手段應當是光電混合集成。通過集成，長光纖引起的環(huán)境因素相關的系統(tǒng)不穩(wěn)定性被顯著消除；平臺載荷受限的壓力得到顯著緩解；同時，通過集成實現(xiàn)批量生產(chǎn)，才可顯著降低光學器件的成本。
微波光子技術在相控陣中的工程應用研究，要以有源相控陣雷達的需求為牽引，以已有成熟的微波光子技術為切入點，緊跟國內外微波光子學的研究動態(tài)，立足現(xiàn)有的研發(fā)條件，聯(lián)合業(yè)內優(yōu)勢單位，建立合作機制并牽引應用開發(fā)，通過循序漸進、輕重有序的投入，最終將其應用于軍事電子裝備中。圖 4 示意了后續(xù)應開展的研究的路線圖，就 3 個重點方面進行工程應用首先開展攻關：
圖 4 基于微波光子技術的新型相控陣雷達技術研究及工程應用路線圖
(1) 高集成光電收發(fā)模塊。對于微波光子相控陣采用的光電子陣列芯片這種寬帶電子器件，其內部芯片特征尺寸不斷減小、通道數(shù)量不斷增多、線性范圍不斷擴大，且其外部封裝還需要承擔一部分系統(tǒng)集成的工作，因此封裝接口更加復雜。封裝過程中因光電器件的工藝、材料、結構不同導致的組裝工序繁多、工藝難度增大、阻抗模場失配以及熱量損耗嚴重等問題，極大地限制了器件性能，使得高性能的高集成光電收發(fā)模塊的設計及實現(xiàn)面臨重大挑戰(zhàn)。因此，需要研究模塊化封裝中阻抗嚴重失配和由尺寸差異引起的模場失配對 ROF 光電子芯片性能的影響；搭建小信號模型分析寄生參數(shù)對光電子芯片高頻特性的影響規(guī)律；研究利用電設計、熱管理和可靠性分析 3 維一體的軟硬件協(xié)同設計方法，解決信號、電源完整性問題，降低封裝熱阻；研究系統(tǒng)封裝中信號回路的電流分布及趨勢對整體結構的功耗和溫度分布的影響規(guī)律，實現(xiàn)寬頻帶光電收發(fā)模塊的高效微波封裝和系統(tǒng)封裝。通過開展光電鏈路設計、器件封裝、工藝集成等技術攻關，對現(xiàn)有的寬帶 T/R 組件進行功能擴展，滿足未來寬帶、分布式射頻光拉遠的需求；
(2) 射頻與數(shù)字同傳。目前微波光子傳輸系統(tǒng)的研究工作更多針對的是頻率信號的傳輸，雖然通過較高頻率信號的周期和相位也可以精細地劃分時間，不過很多實際的應用場合還是需要時間信號。所以對于微波光子相控陣應用來說，其傳輸系統(tǒng)應當考慮同時傳輸時鐘定時以及頻率信號。對于時鐘定時信號來說，需要注意的是相控陣不同組件之間的定時切換信號的相對延時必須嚴格加以控制，也即數(shù)字光傳輸系統(tǒng)在設計時需要對延時控制和抖動抑制進行合理優(yōu)化。同時，未來相控陣系統(tǒng)波形產(chǎn)生快，切換時間短，還要求定時信號的傳輸通道必須采用高速設計。對于射頻傳輸來說，上行信號傳輸多為定功率傳輸，此時沒有動態(tài)范圍的要求，需要關注的重點與定時信號的數(shù)字光傳輸類似，一方面是微波光子鏈路需保持極低的相位噪聲特性；另一方面需要嚴格降低信號傳輸過程中的相位變化量，特別地，對于穩(wěn)相傳輸技術來說，需對射頻相位的更大范圍、更高速度調節(jié)以及更高精度的補償展開持續(xù)攻關。下行信號的傳輸鏈路除穩(wěn)相要求外，對靈敏度和動態(tài)范圍均提出了很高的要求，如何設計傳輸鏈路能夠兼顧系統(tǒng)復雜度、成本及鏈路性能指標是其最終走向工程化應用的關鍵。最后，開展基于波分復用的模擬、數(shù)字同傳技術攻關，提高單纖信道容量，減少光纖傳輸通道也是微波光子相控陣傳輸系統(tǒng)設計必須考慮的問題；
(3) 集成的光延時網(wǎng)絡。此部分涉及到的關鍵單元技術主要有：超低損耗、低非線性、高耐受光功率、強限制無源波導材料與工藝；低調制電壓、高頻線性調制特性、高耐受光功率電光調制材料與工藝；高量子效率、大帶寬、高線性、高飽和功率光電探測芯片以及高增益有源材料及低噪聲光源、高線性光放大芯片。目前，實現(xiàn)上述關鍵單元技術的主要材料包括有磷化銦、硅及氮化硅等。但需要注意的是，目前沒有一種材料能夠實現(xiàn)全部光延時網(wǎng)絡的功能，也就是說不同材料的混合集成才是其唯一出路。對于工藝實現(xiàn)來說，需要攻關的不但包括基本的硅基波導工藝加工，還需要對一系列新的工藝展開攻關，諸如超低損耗氮化硅波導沉積工藝、深度刻蝕工藝；三五族半導體材料、鈮酸鋰材料的鍵合及器件加工工藝；器件層面的二次混合集成加工工藝以及整體光延時網(wǎng)絡的最終混合集成和封裝工藝等。立足現(xiàn)狀，通過一系列的技術攻關，最終滿足未來相控陣雷達大帶寬、大陣列、大角度掃描的需求。
在前期研究基礎上，突破光子 T/R 組件和集成光波束形成模塊兩項關鍵技術，后續(xù)系統(tǒng)性地進行光控天線陣面性能驗證，并同步開展微波光子信號產(chǎn)生與處理、集成光電子技術研究，最終將相關技術應用于相控陣雷達系統(tǒng)。
4 趨勢與展望
微波光子技術走過了近 30 年的發(fā)展歷程，其在信號的產(chǎn)生、傳輸和處理等領域針對不同需求都有較為豐富的解決辦法。然而，從當前技術的發(fā)展形勢及未來電子信息系統(tǒng)需求的發(fā)展來看，開展微波光子技術在相控陣中的應用研究，特別是優(yōu)先開展高性能微波光子鏈路、光子波束合成以及光電混合集成的核心微波光子元器件的研究，既是大勢所趨，同時也迫在眉睫。
從技術的發(fā)展趨勢來看，微波光子技術在相控陣雷達中的應用前景十分廣闊，所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益和軍事價值也將不可估量。其工程化應用將開啟探測感知技術發(fā)展史上新的一頁，也有望為未來的相控陣雷達系統(tǒng)架構帶來根本性的變革。結合本文提出的技術路線，不斷取得技術突破，將逐步實現(xiàn)微波光子技術在相控陣雷達中的工程應用，從而為我國新體制、新功能的相控陣雷達的可持續(xù)發(fā)展做出積極貢獻。
