光控相控陣天線的關鍵技術

蔣國鋒

(海裝綜合計劃部， 北京100036)

0 引言

現代戰爭中，掌握戰場態勢的發展和瞬時變化的情報信息是獲取未來戰場主動權的關鍵。雷達是獲取戰場情報信息最主要的電子設備，除了獲取情報信息，雷達還肩負著戰場指揮、火力控制、遠程通信等重擔，雷達性能的好壞往往成為左右戰爭勝利的關鍵因素之一。但隨著科技的不斷進步，傳統雷達面臨的挑戰越來越嚴峻。隨著電子戰的升級，雷達面臨的電磁環境越來越復雜，干擾和欺騙手段越來越豐富，隱身目標和高機動低可見目標日新月異，傳統雷達的探測能力被大大削弱［1-2］。雷達可以同時實現衛星通信、火控控制、短程打擊、電子干擾、遠程預警等功能。環境和目標的復雜性對下一代雷達提出了新的要求:低成本、低功耗;小體積、共形;大容錯、易維修;大帶寬、多頻段、抗干擾;多波束、多功能、一體化。

與其他技術相比，微波光子技術因其具有的大帶寬、低損耗、跨頻段、無串擾等優勢吸引人們不斷探索研究其在雷達領域的應用。光電子技術的優勢主要體現在以下幾個方面:

(1)尺寸小、重量輕、功耗低;

(2)寬帶特性可以達到5 GHz～17 GHz以上;

(3)高精度;

(4)高隔離度;

(5)小型化和高密度。

1 發展現狀

光控相控陣是國外開展得最早、也是研究得最多的基于微波光子技術的雷達應用，下面以此為主線，回顧一下國外光控相控陣的發展概況和主要歷程［3-4］。

20世紀80年代，國外就有人提出將光子技術應用于相控陣天線。1990年，美國休斯公司報道了第一個基于光纖真延時線(TTD)的雙波段相控陣天線系統。該雷達天線工作于L波段和X波段，包括4個光纖延時網絡。其中，每個光纖延時網絡又包含了8個光纖延時線，可實現3位實時延時。經測量，該天線系統在1.9 GHz和9 GHz兩個頻點上，天線方向圖無波束偏移現象，并且實現了-28°～+28°的波束掃描。

1995年，美國休斯公司的L波段光控共形相控陣實驗系統研制成功，具體參數如表1所示。系統共分為96個單元，排成24個縱列，每列4個單元。其中，24個縱列又劃分為8個子陣，每個子陣包含3個T/R組件。子陣中使用5位光控真延時技術，每個T/R組件內部采用6位移相器，因此，整個控制系統可以提供11位的時間延時和±60°的掃描角度。實驗結果表明:在0.2 GHz～1.6 GHz范圍內，波束指向±30°和±60°的情況下，無波束傾斜現象。但是，受當時器件水平限制，5位光控延時模塊由4個激光器、1個4×8耦合器及8個探測器組成。此模塊增加了約40 dB的信號損耗，為后面T/R組件中低噪聲放大和功率放大等帶來很大困難。

表1 休斯公司的光控相控陣

1998年，美國海軍實驗室在海用AN/SPQ-9BADM雷達上完成了光傳輸實驗，這是首次在現役雷達系統中開展信號的光纖鏈路實驗并取得成功。該實驗系統工作于X波段，由旋轉天線、收發單元、低噪聲放大等組成。實驗結果顯示，引入光纖傳輸和分配方案后，AN/SPQ-9B雷達系統的相位噪聲、信噪比等各項指標完全滿足設計要求。次年，美國海軍實驗室又將光傳輸分配技術用于Ka波段相控陣天線實驗系統，并用基于色散棱鏡的OTTD實現了在-60°～+60°角度范圍內波束掃描指向無偏斜，實驗所采用的光器件全部來自于商用現貨產品。

在多波束相控陣研究方面，雷聲公司為美國國家航空航天局研制的雙波束相控陣于2000年完成，用于低軌道衛星通信，并在2001年進行了相關試驗。德國為歐洲太空署研制的四波束相控陣，屬于ARTES-3項目的內容之一，同樣用于低軌道衛星。日本Gigabit項目研究的64單元四波束子陣試驗是用于地球靜止衛星的。

美國和日本研制的12 GHz～14 GHz艦載固態相控陣天線，采用了光電子技術，重量減輕了33%，功率節省了63%。表2給出了分別采用電子和光子兩種技術設計的UHF/S雙波段相控陣天線，在重量、體積和功耗方面的比較，光電子技術的優勢顯而易見。

表2 采用不同技術的雙波段相控陣天線的性能比較

2005年，文獻［5］采用高色散光子晶體光纖構成的色散棱鏡，色散系數為-600/s/(nm·km)(波長為1.55 μm)，用其制作的真延時模塊，可在相鄰通道間實現-31 ps～+31 ps的連續可調光時延差。利用該模塊控制的1×4相控陣可實現±45°范圍內的無波束偏移掃描。

在星載光控相控陣天線的研究中，以COMSAT實驗室為代表，多年來致力于光控波束形成技術方面的研究。COMSAT通過對光控相控陣天線中采用的光學子系統、器件、材料等在許多實際應用情況中的評估以及飛行實驗充分驗證了光纖實延時系統的可行性。

除美國外，歐洲比較有代表性的是2002年開展的用于無線固定和移動基站相控陣的OBANET項目。該項目集合了法國、西班牙、荷蘭、葡萄牙等國科研人員，完成了基于集成光子學器件的波束形成模塊，實現了42.7 GHz微波頻率的接收和發射。整個系統包括40 GHz信號的光集成發射源、光控波束形成器以及40 GHz的接收機等光集成器件和技術。此外，歐盟的另一個合作計劃NEFERTITI也正在進行中，重點研究光纖無線網絡中涉及到的傳輸技術和光子集成技術，圖1給出了幾個歐洲開發的毫米波光子器件。

圖1 歐洲開發的毫米波光子器件

在光子雷達系統架構方面影響最大的為意大利于2009年底投資160萬歐元開展的為期兩年的PHODIR(基于光子技術的全數字雷達)計劃。并于2014年上半年報道，意大利已經開發出基于光子的全數字雷達。預計2020年前后，基于光子技術的全數字雷達將作為無人機的雷達裝備。此外，日本、韓國、加拿大、新加坡、以色列等國也在光控相控陣領域取得不同程度的進展。

國內方面，針對大帶寬、大延時、大動態范圍的光控微波波束技術，許多大學研究機構展開了相關方面的研究，文獻［6］提出了基于光子晶體光纖和啁啾光纖光柵的光控微波波束形成新結構，并在其性能分析及改善方面做出多項創新成果，先后設計和實現了基于光開關的X波段光真延時網絡、基于寬譜光源的X波段4路4位光真延時網絡等。

2 關鍵技術

2.1 輕質低功耗的波束合成

光控微波波束形成器(OBFN)是下一代相控陣雷達和智能天線的核心技術，它通過控制陣列中各微波鏈路的相位差或真延時差，使各微波輻射源的輻射場在遠場的特定方向產生干涉極大，達到定向發射(或接收)的目的，它具有體積小、重量輕、抗電磁干擾、帶寬大、無波束傾斜等優點。人們對于相控陣雷達和智能天線的研究催生了光控微波波束形成技術的相關研究。光控微波波束形成技術是未來無線通信和軍事領域的重要支撐技術，已成為各國研究計劃的前沿課題與重點項目。

目前，光波束形成技術應用主要包括以下幾個方面:

(1)利用光電子和光纖傳輸技術簡化陣列(相控陣)天線控制信號的傳輸或實現陣列天線的分體設計。

(2)利用光電子技術對陣列天線的輻射單元或子陣進行幅度和相位控制。

(3)固態相控陣天線是相控陣天線技術的發展方向，T/R模塊的實現是關鍵。

(4)利用光電子技術實現接收多波束網絡。

(5)用于形成接收陣的DBF網絡。

(6)利用光纖實現實時延時。

(7)用于常規陣列實現天線輻射孔徑的幅相綜合，尤其是高精度的相位綜合，從而達到設計單脈沖陣列、超低旁瓣陣列、寬帶陣列以及特殊賦形波束陣列的目的。

2.2 射頻信號的光分配技術

射頻信號的光分配技術是指RF信號輸入到T/R組件之間的傳輸鏈路是通過光纖來實現的，特別是單模光纖網絡在相控陣天線信號的分配中可以帶來很多好處，比如說布局靈活，易于構造三維;在同一光纖中將微波和數字信號混合傳輸，并且能夠實現實時延遲兼容，具有非常寬的帶寬;再次，對多種陣列信號是否能以波分復用技術用同一網絡來分配，這是光控相控陣雷達要解決的關鍵問題。

2.3 模擬信號傳輸技術

利用光子技術實現模擬信號的遠距離傳輸，在滿足低損耗要求的同時，能夠避免相位漂移，實現大的動態范圍以及低的噪聲系數。

2.4 利用光子技術完成快速可調諧RF濾波

相控陣雷達工作頻點可能需要根據戰場實況進行自適應調整，為此可以選擇濾波器組來實現，但是，一般的濾波器組具有體積大、質量大、功耗高等缺點不適于無人機等平臺。希望基于光子技術的可調諧濾波器可以滿足無人機的需求。

另外，如何利用光纖的靈活性在天線部署時實現相位穩定性，并且獲得網內的低損耗和低色散也是光控相控陣雷達的關鍵技術之一。希望在光的頻域內實現天線波束形成所要求的移相操作，如此可以設想是否在將來能夠實現在L和X兩個波段同時工作的光電饋送的相控陣天線(據說美國通用電氣和美空軍正在致力于這方面的研制)。

3 結束語

展望未來，光子技術在射頻系統中的應用將越來越廣泛。無論從哪個角度看，光子技術都為當前的RF系統中存在的技術難題的解決提供了獨特的方法。光控相控陣天線由于具有尺寸小、重量輕、功耗低、大帶寬、高精度、高隔離度、小型化和高密度的優點，未來將可能適用于天基預警平臺、太陽能無人機、艦載多功能射頻系統等。寬帶、大動態射頻光鏈路，時鐘、本振信號陣面光傳輸，射頻光纖拉遠和超寬帶相控陣陣面光傳輸都將是光控相控陣發展的關鍵技術，這將大大提高未來雷達的性能。

［1］ 張直中.論寬帶相控陣雷達的戰術優越性［J］.電子學報，1993，21(3):86-91.Zhang Zhizhong.Tactical advantages of quasi-wide-band phase array radar［J］.Acta Electronica Sinica，1993，21(3):86-91.

［2］ Fetterman H，Han J，Zhang H，et al.Multiple output photonic RF phase shifters for optically controlled radar systems［C］//IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest.Los Angeles:IEEE Press，2002:1937-1940.

［3］ 張光義.相控陣雷達系統［M］.北京:國防工業出版社，1994.Zhang Guangyi.Phased array radar system［M］.Beijing:National Defense Industry Press，1994.

［4］ 王德純.寬帶相控陣雷達系統分析［J］.現代雷達，2008，30(3):1-6.Wang Dechun.System analysis of wideband phased array radar［J］.Modern Radar，2008，30(3):1-6.

［5］ Blais S，Yao J P.Effects of chromatic dispersion in a waveg uide bragg grating prism based ture time-delay beamforming module［C］//Electrical and Computer Engineering.Saskatoon，Sask:IEEE Press，2005:215-218.

［6］ 倪 斌，鄭小平，陳 銳，等.基于色散器件的波束形成網絡中的色散限制［J］.光子學報，2005，34(4):550～553.Ni Bin，Zheng Xiaoping，Chen Rui，et al.Dispersion induced limitation of beam formaer based on dispersion devices［J］.Acta Photonica Sinica，2005，34(4):550～553.