光互連技術在雷達系統中的應用研究

［胥志毅 王查散 陳原］

1 引言

隨著電子技術及工藝水平的不斷提高，雷達電子設備已向小型化、輕量化、輕薄化、高集成化和多功能化方向發展，超寬帶、超高速、超容量的信息傳輸及交換對雷達各系統之間的互聯速率、帶寬和密度提出了更高的要求，寬帶數字陣列雷達中的單通道傳輸速率已從10 Gbit/s向25 Gbit/s發展，大規模陣列的下行采樣數據多達數百Tbit。“電子處理信息，光子傳輸信息”，是目前雷達技術重要發展方向之一，用光互連技術代替電互連技術實現各功能單元之間的信息傳遞，突破信息傳輸的技術瓶頸，實現高速率、高密度、大帶寬信息傳輸[1]。

相對于電互連技術，光互連技術具有高帶寬、低能耗、抗電磁干擾（EMI）等無可比擬的優勢。與傳統的基于電子載體的平臺相比，光子信息載體的處理速度和傳輸帶寬可提高3個數量級，所以光互連技術不僅成為了寬帶通信、超級計算、數據中心等領域的關鍵技術，同時也廣泛應用于雷達電子領域。光互連技術已貫穿于雷達數據鏈路的分系統互連、模塊間互連、芯片間互連，以及未來處理芯片的片內核間高數據帶寬低功耗交換互連等各個層次。

按傳輸介質，光互連分為自由空間光互連、光纖互連和光波導互連。自由空間光互聯是指光信號從光源發出后在自由空間中傳播，經過一些光學器件，如透鏡、反射鏡等控制光束和改變光路后，到達接收端的互聯方式；光纖互聯是以光纖作為傳輸介質，基于光纖自身的優點及技術成熟度，光纖互聯得到了廣泛而深入的研究；光波導互聯是采用光學波導作為光束(光信號) 傳輸介質，具有良好的電學與機械特性，便于集成各種光電器件，實現層積化光電互連。

未來雷達系統中既有反導預警的巨型陣列，也有輕量化小型化的彈載、機載設備，既有大空間、多孔徑的分布式網絡化雷達，也有全空域立體結構的平臺化系統，因此需要在雷達的不同層級上，針對上述三種光互連技術開展深入研究，以滿足雷達系統內高速度、低功耗、大帶寬、高集成和高可靠的互連要求。

2 光纖互連技術在雷達系統中的應用

基于光纖互連的光纖傳輸系統目前是雷達系統中的主要傳輸網絡，適用于板間、設備間互連，以及系統長距離連接。尤其是隨著相控陣雷達、數字陣列雷達逐步成熟，光纖傳輸承擔了高精度的定時同步、分布式陣面控制、高速海量數據傳輸等重要任務。隨著雷達向大寬帶、多功能和一體化方向發展，光纖傳輸不僅需要承載更高速率的數字信號，還需要承載更高頻率的射頻信號，將其延伸到雷達系統的每一個角落。

典型的雷達由綜合射頻前端、信息處理平臺、高速傳輸單元（綜合射頻前端與信息處理平臺之間的數據和控制指令傳輸）組成。下面針對這三個部分討論光互連技術的具體應用。

2.1 綜合射頻前端的一體化光互連技術

隨著向多功能一體化的發展，雷達系統已經成為共用的電子平臺，其中，基于綜合射頻前端的有源陣面是實現探干偵通一體化的關鍵，將綜合孔徑系統和數字陣列體制有機結合起來，將具有非常強大的競爭力。整個陣面系統由“數字化高集成有源陣面+陣面綜合網絡”構成，而有源陣面的核心部件是積木化數字收發模塊，通過基于光纖的綜合網絡將這些模塊進行互連。

從雷達信號特點看，陣面綜合網絡的多功能、大帶寬、網絡化是趨勢，這種采用光電轉換、波分復用、光放大功分等技術實現的互連方式不僅極大地簡化了系統架構，而且在抗干擾和穩定性方面都具有不可比擬的優勢。一體化的光纖傳輸將成為數字陣列雷達的主要傳輸網絡。典型一體化光纖傳輸鏈路如圖1所示。

圖1 典型一體化光纖傳輸鏈路

為了滿足陣面光纖小型化的傳輸需求，一體化光模塊依托光學集成、高頻電路、混合電路集成，利用半導體光放大器（SOA，Semi-conductor Optical Amplifier）實現全光信號處理；通過陣列波導光柵（AWG，Array Wavoguide Grating）芯片實現波分復用；采用混合集成電路設計，COB（Chip On Board）工藝，確保產品的小體積，并且保證電串擾滿足使用要求。

另外，基于光纖的射頻信號傳輸應用中，需要關注多路通道的幅相一致性。其幅度穩定性在實際系統中通過成熟的控制技術可以得到很好的解決，而相位的一致性必須在系統內使用相位漂移測量技術和時延補償技術實現，譬如采取負反饋穩相控制系統，以減小或消除這種相位漂移對雷達系統的影響。

2.2 信息處理平臺的并行光互連技術

雷達信息處理平臺主要包括DBF（Digital Beam Forming，數字波束形成）、信號處理和數據處理三個部分，具備高速路由、并行計算和存儲功能。從陣面下行的數字陣列通道數量大，數以萬計，處理帶寬高達幾百兆，整部雷達孔徑波束數量可高達上百個，對于多通道寬帶數據，高達上萬兆的超高數據吞吐率對信息處理平臺系統的多通道、高帶寬的超高數據吞吐能力提出了強有力的挑戰。

基于COBO（Consortium for On-Board Optics）技術的板上或嵌入式光模塊是信息處理平臺高速并行光互連未來發展的方向，是能夠滿足Tb級寬帶需求的低功耗、低成本、微型化的互連解決方法。其中，并行光模塊作為并行光互連的核心器件，選型的原則首先是遵循國際標準，借鑒商用先進成熟技術，同時，要滿足雷達整機環境要求（如寬溫度工作范圍、貯存溫度范圍、工作壽命、穩態濕熱、機械振動及沖擊）。典型并行光模塊分為4通道、12通道、24通道三種類型，單通道傳輸速率高達10 Gbit/s，通常采用850 nm波長垂直腔面發射激光器（VCSEL，Vertical-cavity Surface-emitter laser）和PD（Photo Detector）陣列，具有低成本和低功耗的優勢，容易實現電信號和光信號的速率匹配，接口封裝上多采用基于焊接的LCC（Leadless Chip Carriers）形式或SNAP12等嵌入式。

為滿足信息處理平臺更高速率、更高密度的光纖互連要求，光模塊向智能化、小型化方向發展，主要體現在兩個方面：

（1）數字診斷功能：通過支持數字監測和診斷功能的SFF-8472協議，對并行光模塊內部的五個工作參數進行實時監測和診斷，包括發射光功率、接收光功率、偏置電流、電壓和溫度信息。該協議為光模塊和信息處理平臺的故障監測和預警提供了便利，大大簡化了系統維護工作，提高了系統的可靠性。

（2）基于板載光學：把光模塊從面板移到板卡上去，使光模塊靠近電子芯片，從而實現更短的銅質板走線、更佳的信號完整性以及更低的功耗，光模塊通過表面貼裝電子球柵陣列封裝（BGA，Ball Grid Array）/觸點陣列封裝（LGA，Land Grid Array）插槽連接到板卡，再借助光學連接器系統連接至前面板的高密度帶狀光纖組件來實現，如圖2所示。基于板載光模塊設計技術增加了輸入端口密度，減少了印刷板結構空間，降低了印刷板銅線損耗，同時每通道傳輸速率高達25 Gbit/s，能夠滿足未來綜合處理平臺的高速互連需求[2]。國外推出的一平方英寸大小板載收發器，擁有12個發送通道及12個接收通道，每通道都能以25 Gbit/s的速度傳輸100 m，總吞吐量達300 Gbit/s。

圖2 光模塊貼裝示意圖

2.3 基于光端機的波分復用技術

光端機的應用非常廣泛，而在雷達系統中，通常用于天線陣面和電子設備方艙之間的信號傳輸，可通過波分復用技術實現光纖互連，實現分布式拉遠或動態信號傳輸。作為雷達系統中最核心的傳輸樞紐，光端機的需求主要包括：

（1）多業務功能：可以傳輸視頻信號、音頻信號、射頻信號、數據信號、網絡信號、電話語音信號、開關量信號等，其中既有低速信號，也有高速數據；

（2）模塊化：包含多種業務模塊，能夠根據不同的傳輸需求靈活配置不同的板卡，降低定制產品的成本，可以大大縮短研發周期。采用機架式設計，支持熱插拔功能，當設備現場出現問題后能及時定位問題，能及時便捷的更換相應板卡，保證業務能在最短的時間內回復，減小維護人員的工作量，降低維護成本；

（3）高可靠，智能化：提高設備高低溫極限電壓啟動及長時間工作能力；為進一步提高設備的穩定性，應用雙電源及雙光口備份技術，通過網管監控完善系統BITE。

基于模塊化、通用化的光端機采用標準機架和插槽式結構，通過總線實現內部互連，配置靈活，易于擴展。機箱按照標準19英寸3U高度設計，業務模塊可分為電源模塊、網管模塊、控制信號模塊、音視頻模塊、射頻信號模塊、波長轉換模塊和波分復用模塊等，模塊化光傳輸業務平臺模塊示意圖如圖3所示。

圖3 模塊化光傳輸業務平臺模塊示意圖

3 自由空間光互連技術在雷達系統中的應用

自由空間光互連技術，是一種利用激光作為載波，在自由空間（包括地球大氣、外太空、真空以及類似的空間）中實現無線傳輸信息的技術。自由空間光互連技術具有可用頻譜寬、保密性好、抗干擾能力強、功耗低、體積小和傳輸容量大等優點，因此在雷達系統中受到越來越多的關注和研究。

3.1 分布式雷達系統的自由空間光互連技術

多基地雷達與分布式雷達是未來雷達系統發展的重要方向，可以極大拓展雷達性能邊界和生存能力，是解決平臺約束與探測性能矛盾的有效手段。而為了應對復雜的作戰環境以及來自各種目標的威脅，一種機會陣雷達應運而生。分布式雷達將各部件規則或隨機的布置在戰場（如飛機或船舶等各個開放平臺上），為了滿足雷達的高機動性和隱身性，部件之間需采用無線傳輸實現雷達內部信號的互連[3]。基于微波的無線傳輸技術機動性強、距離遠、可跨視距通信以及可立體組網，但難以滿足大數據容量、高實時性、高安全保密性的要求。自由空間光互連技術可最大限度滿足大帶寬通信、多業務性、高抗毀性、強保密性、高實時性、強機動性、全域全維覆蓋等需求，其特點主要表現在：

（1）速率高、容量大、頻帶寬

激光通信憑借其帶寬優勢，成為未來高速空間通信不可或缺的有效手段，是近年來國內國際上的研究熱點。隨著全光器件工藝水平的提高，地面激光通信已經得到商業化，也給雷達上的工程應用提供了技術基礎。使用高度集中的光束載體穿透大氣空間，可提供2.5 Gbit/s的點對點傳輸速率，采用波分復用技術后，可提供高達10 Gbit/s以上的數據傳輸速率，滿足雷達數字化的高速傳輸需求。

（2）設備小型化，部署快速靈活

隨著集成光電子器件水平不斷提高，無線激光設備也逐步小型化，可以嵌入各種雷達內部傳輸節點，不但架設靈活便捷，無需布設線纜，也滿足雷達單元分布的隨機性要求。

（3）傳輸信道適應性好

無線激光通信以光為載波，采用光電轉換技術，可以承載多種傳輸協議，支持常用的數據信號、音視頻模擬信號和射頻信號等，非常適合用于雷達分系統內部各種信號的傳輸，另一方面，無線激光通信傳輸信道一般采用紅外波段，具有良好的安全性、保密性和抗干擾性。

圖4 基于無線激光通信的雷達傳輸網絡示意圖

自由空間光互連系統的基本組成與光纖通信系統大體相同，區別僅在于信息傳輸的介質由光纖變成空間大氣，并增加了收、發光學天線系統及捕獲、追蹤和瞄準（ATP）伺服控制系統，用以克服大氣效應的影響和光束精確對準。大氣對傳輸鏈路的影響主要包含光束能量衰減和光束漂移等，由于激光光束較窄且為不可見的近紅外波段，從而影響光束對準精確。目前解決方法和技術主要包含自適應光學技術、部分相干光技術、光復用技術、編碼技術、大口徑接收結合多孔徑發射技術、光束寬度調節方法和快速傾斜鏡補償光束偏移角技術等，此類技術主要通過提高接收端光功率來提高系統穩定性和傳輸速率。

3.2 基于板載光學的甚短距離無線傳輸

板載光學無線互連是指利用各種折射、反射、透射元件和全息光學元件改變光在自由空間中的傳輸方向，最終實現電子組件之間的光學連接，適用于芯片級、板級的甚短距離無線傳輸，具有互聯密度高的優點，可以滿足彈載、機載或星載雷達的小型化、輕量化需求。系統設計中，基板采用的是更適合高頻電路設計的低溫共燒陶瓷（LTCC，Low Temperature Cofired Ceramic）材料，板載光學無線互連的實現電路由發射和接收兩部分組成。如圖5所示，其中光學介質是自由空間。光互連的系統結構是由激光發射部分和激光接收部分組成，首先是電信號通過激光驅動器，然后由激光二極發出激光，其經過自由空間傳播后到達接收部分的光電探測器，然后通過一系列放大器轉換為電信號。

圖5 板載光學無線互連實現電路示意圖

板載無線光互聯模塊的激光器多采用波長為850 nm的VCSEL多模激光器，光束發散全角約為25°，可以降低安裝或者封裝時的對準精度。對端接收互聯模塊的接收探測器可采用Si-APD探測器，提高數據傳輸的穩定性。板間無線光互聯模塊可以實現2.5 Gbit/s的數據傳輸速率，同時向下兼容1.25 Gbit/s、155 Mbit/s和8 Mbit/s的傳輸速率，既可實現雷達系統微小空間內控制指令的傳輸，也能滿足高速數據傳輸。

4 光波導互連技術在雷達系統中的應用

光波導互連采用光波導作為光信號的傳輸介質，光束被束縛在光波導內，完全由傳輸介質定義其傳輸路徑和方向，由于光波導傳輸具有損耗低、帶寬高、容量大、抗電磁干擾強、互連密度高和具有光信號獨立傳播不受干擾等優點，可以將光波導引入到印制板中，即在普通印制板上制備一層光波導層或者在印制板中將光波導作為一個夾層嵌入，從而實現光信號的高帶寬傳輸，能夠有效解決傳統電互連所遇到容量提升困難的瓶頸，因此，光波導互連背板技術將成為未來互連系統性能提升的核心增長點[4]。目前應用于光互連層中光波導的材料主要是玻璃和聚合物，玻璃具有高透明度、低成本、抗溫抗壓等優勢，而聚合物材料具有良好的光電特性和工藝兼容性，可在現有的印制板制造技術和表面組裝技術基礎上通過改進工藝和參數實現光波導的低成本制作與組裝。無論采取哪種傳輸介質，光波導互連背板都是一種以電執行運算，以光傳遞信號的新一代高速封裝基板，不僅繼承了光互連的低能耗、高帶寬等優點，而且兼容了傳統電路板的小尺寸設計、加工能力，真正做到了一體化集成設計，適用于芯片內、芯片間和印制板級的光互連，有望在未來寬帶通信、超級計算機、大數據中心等領域得到廣泛應用。而在雷達系統中，信號處理的高速交換平臺及陣面綜合網絡均采用背板形式，由傳統多層板技術發展為普通HDI（High Density Interconnector）技術，目前正往任意層互連HDI方向發展，實現微波信號、控制信號、高速光電信號的互連傳輸。其研究的核心是在印制板中植入光波導，設計耦合方案，并利用器件貼裝和封裝技術將光組件、光連接器和光波導進行集成，形成高速高集成互連背板。

4.1 信號處理系統的光波導背板技術

為滿足新一代雷達在復雜電磁環境下具備探干偵通一體化能力，信號處理系統需大幅度提升在并行處理、大容量存儲和大帶寬數據交換等方面的性能，其中背板是信號處理系統實現模塊間互連的橋梁，由于互連密度和傳輸速率越來越高，導致集成了光波導的光背板成為信號處理系統互連領域的發展方向。基于光波導背板的信號處理互連系統由業務板卡和背板組成。業務板卡上集成芯片、光收發器件及光連接器，背板上集成光波導，用于業務板卡之間的互連。業務板卡和背板之間通過垂直耦合的高密度MT光纖適配器進行互連，設計簡單、可靠、高耦合效率的光背板連接器是研發的重點，其中具有垂直轉向功能的光連接器技術是重中之重。因此，下一步研發應集中在結構優化設計和工藝流程標準化方面，以滿足不同鏈路結構的光背板互連應用要求。

隨著電集成技術、光集成技術的迅速發展，未來雷達信號處理系統將成為集成高速光交換、光儲存和光運算的多功能、智能化系統，可充分滿足雷達系統對大數據業務的大容量匯聚、高速解算、靈活調度，以及對設備節能減排的需求。光背板應呈現為光電混合集成交叉平臺，有效解決傳統背板容量受限于電路板層數、走線密度及高速光信號傳輸損耗的問題，采用光電一體化交叉和高可靠性系統架構，實現大容量電交叉、光交叉以及雷達處理重構功能，采用先進制程芯片、光技術和全光交換技術，大幅降低整機功耗，同時有效解決風道散熱，綠色節能。

4.2 陣面光波導綜合背板

在雷達系統中，天線輻射、饋電及電路一體化設計是有源陣面輕型化、一體化和共形化的關鍵技術，而綜合網絡集成化、層積化、模塊化、共形化、互連快速化是發展趨勢。隨著相控陣雷達數字化和微系統化技術的發展，數字、射頻、光電、集成封裝等技術正在走向多領域專業交叉融合，核心功能模塊可采用基板互連的微系統集成架構。該系統架構首先將多功能芯片封裝成若干個SIP（System In a Package）功能單元，再將這些功能單元集成到板級系統。為實現板間互連，可采用高集成綜合背板技術，不僅將各種封裝SIP器件、集成IC芯片、甚至芯片化組件等集成到背板上，并且將光波導直接嵌入背板中，實現光路上的高速傳輸和分路。綜合背板可以將射頻網絡、光網絡和電源網絡等進行集成設計，通過微波板、光波導和環氧板混壓多層板的形式真正實現雷達陣面的輕薄化、小型化、一體化。

圖6 綜合背板互連示意圖

綜合背板中的微波電路主要實現微波信號的分配或合成，電源電路主要用大片銅層實現電流的分配傳輸，互連轉接層的電路主要實現信號的收發分路、濾波等功能，光波導上可以設計交叉、分束、彎曲等各類形狀，從而實現傳輸、分波、耦合等不同功能。相比于光纖互連，基于光波導的分束器、復用器、解復用器、光開關、光調制器、光放大器及集成光路更易于和其它光波導器件結合以構成陣面一體化全光網絡。

5 結束語

近年來，光互連技術在雷達系統中得到了大量的工程應用，而隨著硅基光子學的不斷成熟，片上光互連技術正朝著更短傳輸距離、更大帶寬和更高集成度的方向發展，光子技術與雷達的聯系將更加緊密，光子技術已逐步取代功率組件之后所有模擬電路部分。同時芯片技術、3D封裝等在微納尺度上基于新理念與新工藝的逐步發展，功能模塊或子系統集成度越來越高，雷達也將微系統化。由于硅基光子技術與互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝有很好的兼容性，使得光互連系統的互連密度和成本效益大大提高而且子系統的高集成度可為整體光互連提供更高的穩定性和更低的功耗。采用全光交換的光互連技術直接在光域完成光信道間信息的交換，先進的光電子器件、集成光學器件將逐步取代純電子器件，出現在雷達的信號產生、信號處理、轉換以及信號傳輸與分配等各個層面，促使雷達性能產生質的飛躍，同時為解決雷達系統研制中現存的許多重大難題提供可行的技術方案，解決寬帶雷達的瓶頸問題。由此可見，硅基光互連成為未來雷達系統的關鍵技術之一，光子技術在雷達中的應用其前景是十分廣闊的，為未來的雷達系統架構帶來根本性的變革，所產生的經濟效益和軍事價值是不可估量的。