光控相控阵天线的关键技术

蒋国锋

(海装综合计划部， 北京100036)

0 引言

现代战争中，掌握战场态势的发展和瞬时变化的情报信息是获取未来战场主动权的关键。雷达是获取战场情报信息最主要的电子设备，除了获取情报信息，雷达还肩负着战场指挥、火力控制、远程通信等重担，雷达性能的好坏往往成为左右战争胜利的关键因素之一。但随着科技的不断进步，传统雷达面临的挑战越来越严峻。随着电子战的升级，雷达面临的电磁环境越来越复杂，干扰和欺骗手段越来越丰富，隐身目标和高机动低可见目标日新月异，传统雷达的探测能力被大大削弱［1-2］。雷达可以同时实现卫星通信、火控控制、短程打击、电子干扰、远程预警等功能。环境和目标的复杂性对下一代雷达提出了新的要求:低成本、低功耗;小体积、共形;大容错、易维修;大带宽、多频段、抗干扰;多波束、多功能、一体化。

与其他技术相比，微波光子技术因其具有的大带宽、低损耗、跨频段、无串扰等优势吸引人们不断探索研究其在雷达领域的应用。光电子技术的优势主要体现在以下几个方面:

(1)尺寸小、重量轻、功耗低;

(2)宽带特性可以达到5 GHz～17 GHz以上;

(3)高精度;

(4)高隔离度;

(5)小型化和高密度。

1 发展现状

光控相控阵是国外开展得最早、也是研究得最多的基于微波光子技术的雷达应用，下面以此为主线，回顾一下国外光控相控阵的发展概况和主要历程［3-4］。

20世纪80年代，国外就有人提出将光子技术应用于相控阵天线。1990年，美国休斯公司报道了第一个基于光纤真延时线(TTD)的双波段相控阵天线系统。该雷达天线工作于L波段和X波段，包括4个光纤延时网络。其中，每个光纤延时网络又包含了8个光纤延时线，可实现3位实时延时。经测量，该天线系统在1.9 GHz和9 GHz两个频点上，天线方向图无波束偏移现象，并且实现了-28°～+28°的波束扫描。

1995年，美国休斯公司的L波段光控共形相控阵实验系统研制成功，具体参数如表1所示。系统共分为96个单元，排成24个纵列，每列4个单元。其中，24个纵列又划分为8个子阵，每个子阵包含3个T/R组件。子阵中使用5位光控真延时技术，每个T/R组件内部采用6位移相器，因此，整个控制系统可以提供11位的时间延时和±60°的扫描角度。实验结果表明:在0.2 GHz～1.6 GHz范围内，波束指向±30°和±60°的情况下，无波束倾斜现象。但是，受当时器件水平限制，5位光控延时模块由4个激光器、1个4×8耦合器及8个探测器组成。此模块增加了约40 dB的信号损耗，为后面T/R组件中低噪声放大和功率放大等带来很大困难。

表1 休斯公司的光控相控阵

1998年，美国海军实验室在海用AN/SPQ-9BADM雷达上完成了光传输实验，这是首次在现役雷达系统中开展信号的光纤链路实验并取得成功。该实验系统工作于X波段，由旋转天线、收发单元、低噪声放大等组成。实验结果显示，引入光纤传输和分配方案后，AN/SPQ-9B雷达系统的相位噪声、信噪比等各项指标完全满足设计要求。次年，美国海军实验室又将光传输分配技术用于Ka波段相控阵天线实验系统，并用基于色散棱镜的OTTD实现了在-60°～+60°角度范围内波束扫描指向无偏斜，实验所采用的光器件全部来自于商用现货产品。

在多波束相控阵研究方面，雷声公司为美国国家航空航天局研制的双波束相控阵于2000年完成，用于低轨道卫星通信，并在2001年进行了相关试验。德国为欧洲太空署研制的四波束相控阵，属于ARTES-3项目的内容之一，同样用于低轨道卫星。日本Gigabit项目研究的64单元四波束子阵试验是用于地球静止卫星的。

美国和日本研制的12 GHz～14 GHz舰载固态相控阵天线，采用了光电子技术，重量减轻了33%，功率节省了63%。表2给出了分别采用电子和光子两种技术设计的UHF/S双波段相控阵天线，在重量、体积和功耗方面的比较，光电子技术的优势显而易见。

表2 采用不同技术的双波段相控阵天线的性能比较

2005年，文献［5］采用高色散光子晶体光纤构成的色散棱镜，色散系数为-600/s/(nm·km)(波长为1.55 μm)，用其制作的真延时模块，可在相邻通道间实现-31 ps～+31 ps的连续可调光时延差。利用该模块控制的1×4相控阵可实现±45°范围内的无波束偏移扫描。

在星载光控相控阵天线的研究中，以COMSAT实验室为代表，多年来致力于光控波束形成技术方面的研究。COMSAT通过对光控相控阵天线中采用的光学子系统、器件、材料等在许多实际应用情况中的评估以及飞行实验充分验证了光纤实延时系统的可行性。

除美国外，欧洲比较有代表性的是2002年开展的用于无线固定和移动基站相控阵的OBANET项目。该项目集合了法国、西班牙、荷兰、葡萄牙等国科研人员，完成了基于集成光子学器件的波束形成模块，实现了42.7 GHz微波频率的接收和发射。整个系统包括40 GHz信号的光集成发射源、光控波束形成器以及40 GHz的接收机等光集成器件和技术。此外，欧盟的另一个合作计划NEFERTITI也正在进行中，重点研究光纤无线网络中涉及到的传输技术和光子集成技术，图1给出了几个欧洲开发的毫米波光子器件。

图1 欧洲开发的毫米波光子器件

在光子雷达系统架构方面影响最大的为意大利于2009年底投资160万欧元开展的为期两年的PHODIR(基于光子技术的全数字雷达)计划。并于2014年上半年报道，意大利已经开发出基于光子的全数字雷达。预计2020年前后，基于光子技术的全数字雷达将作为无人机的雷达装备。此外，日本、韩国、加拿大、新加坡、以色列等国也在光控相控阵领域取得不同程度的进展。

国内方面，针对大带宽、大延时、大动态范围的光控微波波束技术，许多大学研究机构展开了相关方面的研究，文献［6］提出了基于光子晶体光纤和啁啾光纤光栅的光控微波波束形成新结构，并在其性能分析及改善方面做出多项创新成果，先后设计和实现了基于光开关的X波段光真延时网络、基于宽谱光源的X波段4路4位光真延时网络等。

2 关键技术

2.1 轻质低功耗的波束合成

光控微波波束形成器(OBFN)是下一代相控阵雷达和智能天线的核心技术，它通过控制阵列中各微波链路的相位差或真延时差，使各微波辐射源的辐射场在远场的特定方向产生干涉极大，达到定向发射(或接收)的目的，它具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、带宽大、无波束倾斜等优点。人们对于相控阵雷达和智能天线的研究催生了光控微波波束形成技术的相关研究。光控微波波束形成技术是未来无线通信和军事领域的重要支撑技术，已成为各国研究计划的前沿课题与重点项目。

目前，光波束形成技术应用主要包括以下几个方面:

(1)利用光电子和光纤传输技术简化阵列(相控阵)天线控制信号的传输或实现阵列天线的分体设计。

(2)利用光电子技术对阵列天线的辐射单元或子阵进行幅度和相位控制。

(3)固态相控阵天线是相控阵天线技术的发展方向，T/R模块的实现是关键。

(4)利用光电子技术实现接收多波束网络。

(5)用于形成接收阵的DBF网络。

(6)利用光纤实现实时延时。

(7)用于常规阵列实现天线辐射孔径的幅相综合，尤其是高精度的相位综合，从而达到设计单脉冲阵列、超低旁瓣阵列、宽带阵列以及特殊赋形波束阵列的目的。

2.2 射频信号的光分配技术

射频信号的光分配技术是指RF信号输入到T/R组件之间的传输链路是通过光纤来实现的，特别是单模光纤网络在相控阵天线信号的分配中可以带来很多好处，比如说布局灵活，易于构造三维;在同一光纤中将微波和数字信号混合传输，并且能够实现实时延迟兼容，具有非常宽的带宽;再次，对多种阵列信号是否能以波分复用技术用同一网络来分配，这是光控相控阵雷达要解决的关键问题。

2.3 模拟信号传输技术

利用光子技术实现模拟信号的远距离传输，在满足低损耗要求的同时，能够避免相位漂移，实现大的动态范围以及低的噪声系数。

2.4 利用光子技术完成快速可调谐RF滤波

相控阵雷达工作频点可能需要根据战场实况进行自适应调整，为此可以选择滤波器组来实现，但是，一般的滤波器组具有体积大、质量大、功耗高等缺点不适于无人机等平台。希望基于光子技术的可调谐滤波器可以满足无人机的需求。

另外，如何利用光纤的灵活性在天线部署时实现相位稳定性，并且获得网内的低损耗和低色散也是光控相控阵雷达的关键技术之一。希望在光的频域内实现天线波束形成所要求的移相操作，如此可以设想是否在将来能够实现在L和X两个波段同时工作的光电馈送的相控阵天线(据说美国通用电气和美空军正在致力于这方面的研制)。

3 结束语

展望未来，光子技术在射频系统中的应用将越来越广泛。无论从哪个角度看，光子技术都为当前的RF系统中存在的技术难题的解决提供了独特的方法。光控相控阵天线由于具有尺寸小、重量轻、功耗低、大带宽、高精度、高隔离度、小型化和高密度的优点，未来将可能适用于天基预警平台、太阳能无人机、舰载多功能射频系统等。宽带、大动态射频光链路，时钟、本振信号阵面光传输，射频光纤拉远和超宽带相控阵阵面光传输都将是光控相控阵发展的关键技术，这将大大提高未来雷达的性能。

［1］ 张直中.论宽带相控阵雷达的战术优越性［J］.电子学报，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］ 张光义.相控阵雷达系统［M］.北京:国防工业出版社，1994.Zhang Guangyi.Phased array radar system［M］.Beijing:National Defense Industry Press，1994.

［4］ 王德纯.宽带相控阵雷达系统分析［J］.现代雷达，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，郑小平，陈 锐，等.基于色散器件的波束形成网络中的色散限制［J］.光子学报，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.