基于微波光子技术的构架和路线探讨 （二）
2 先进相控阵的需求与挑战
2.1 相控阵雷达特征
未来先进相控阵技术的需求主要体现在 4 个方面，如图 1 所示。
图 1 未来相控阵雷达发展趋势示意
(1) 宽带化。宽带化的需求是由未来信息系统的作战使命与任务决定的。一方面，多种探测对象和任务需求要求相控阵雷达系统能够灵活地配置频段资源；另一方面，反弹道导弹作战等要求雷达具备更宽的带宽以提高雷达的探测精度与分辨率，从而实现更精细的目标识别。此外，不同的作战平台均要求相控阵雷达系统能够实现战场环境监视、目标搜索与跟踪、目标识别、通信、反干扰等多功能一体化，相控阵雷达的硬件系统必须具备宽频段甚至是跨频段工作的能力，才有望采用综合且开放式的模拟和数字处理以及软件体系架构进行灵活的资源调度和管理，进而实现雷达、电子战、通信、导航、识别等多种射频功能以及多源信息融合；
(2) 阵列化。相控阵雷达具有波束无惯性捷变、副瓣电平低及高阵列增益的特点。雷达通过阵列化实现了能力的跨越式提升，包括在威力、抗干扰以及可靠性等多个方面。未来对作战效能进一步提升需求，均需要相控阵向着大空域覆盖、高精度测向以及同时多波束等技术方向发展；
(3) 通用化、小型化。大型平台受威胁的程度与日俱增，未来的相控阵雷达必须能够同时兼顾探测性能和平台隐身的需要。未来装备对隐身性能的要求将从目前的有限角度和有限频段向全方位和全频段扩展，隐身性能要求的指标量级将进一步增加，因此对配置于平台的各类探测系统提出了更高隐身性设计要求。此外，未来作战目标雷达散射截面积(Radar Cross Section, RCS)更小、飞行速度更快、武器攻击距离更远，要求探测系统具备更大的探测能力和更高的探测精度。在这样的需求背景下，通用化、小型化的平台将成为未来战场下不可忽视的主要作战力量；
(4) 协同化、网络化。未来的军事战争将从平台中心战转移到网络中心战。依靠单个平台自身的武器装备，由于受到传感器的类型、精度及视距的限制，很难满足对抗现代精确制导武器的需要。只有将整个作战兵力组成一个网络，作战资源和情报资源共享，才能发挥比各个平台的简单累加更大的军事效益。
2.2 相控阵雷达面临的挑战
未来相控阵雷达的关键问题一方面在于要实现能够承载雷达、通信、电子战等多种功能所覆盖的全部带宽的模拟通道，另一方面要求能够高性能地连接处于最前端的分布式的宽带天线和处于后端的软件无线电平台。
考虑到多功能覆盖的射频带宽非常宽，支持一体化多功能的信道当前面临的困难集中表现于当前的电子技术仍难以支持超宽带信号的数字化 ；同时，当前射频器件也难以支持超宽带、多频段射频信号的传输和处理。一方面，由于模数转换器(Analogto Digital Converter, ADC)的带宽仍远小于多功能覆盖的射频带宽，在数字化之前宽带射频信号将经过例如变频、滤波和信道化等模拟信号处理；而当前单个电子器件难以支持超宽带的模拟处理，也无法实现超宽带的可调谐处理，因而针对每个波段仍需要不同的硬件支持，无法实现通道的一体化。另一方面，传统的射频传输方式无法在超宽的带宽内保持均一且高的动态范围，因而射频信号必须在非常接近天线的地方变频为低频或者数字信号 ，这些针对每个天线的硬件无法集中在一起，在多天线或阵列的情况下会进一步造成硬件的冗余。总之，传统电子技术无法支持超宽带射频信号的传输和处理，是当前相控阵雷达应对未来技术发展需求所面临的主要困难。
3 微波光子相控阵及其性能分析
3.1 微波光子相控阵架构
微波光子学经过近 30 年的发展，在针对超宽带射频信号的传输、处理等关键技术方面，已经表现出优异的、超越传统射频信号处理技术的性能。基于微波光子学的独特优点，特别是利用光模拟信号传输技术，未来相控阵雷达相比现有的相控阵雷达将呈现出一种新的架构。如图 2 所示，复杂的数字阵列模块(Digital Array Module, DAM)的核心部分可通过射频光拉远与天线物理分离，并远程安装于空间相对宽阔的后端中心站。天线阵面部分将仅由天线辐射单元和超宽带光电混合集成前端组成。后端处理单元可基于微波光子技术来完成光电数字阵列中信号产生、频率变换、模拟和数字的相互转换等功能，变为数字信号后送入后端数字处理单元。
图 2 基于微波光子的新型相控阵架构
基于微波光子的新型相控阵其整个架构主要包括超宽带光电混合集成前端、基于微波光子的射频拉远和交换网络以及后端微波光子功能组件 3 个部分。其中，基于微波光子的射频拉远和交换网络在光域实现模拟波束合成的功能。整个架构的建立是以能够将原有的微波频段的传输和处理通过高效的微波 - 光波转换变换到光波频段进行传输和处理为基础的，其实现的硬件基础是超宽带的光电集成收发模块。该模块除包括原有射频收发模块所需的各类功能组成外，还增加了光 / 电、电 / 光转换部分，并与后端通过光网络来进行互连。由于光载波对射频频段的透明性，光电集成收发模块可面向 6～18 GHz 甚至更宽带宽，Ka, W 甚至更高频段的射频信号。由于微波 / 光波信号相互转换也将不可避免地引入转换损耗，进而对整个射频链路的增益、噪声性能产生影响。因此，为满足更高的探测感知能力的需求，光电收发组件的实现除了在器件性能上不断提升微波 / 光波转换的性能外，还必须从整个链路性能的角度出发，通过必要的射频预处理、后处理以及相关的补偿措施来进行优化。
整个架构的发射链路为：数据
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基带信号通过电光调制，与光生本振信号完成上变频后，经过光滤波器滤除杂散信号经射频光拉远送至全光交换网络。利用全光交换网络完成发射通道间的动态配置，送至对应的光电混合集成前端。在光电混合集成前端中，通过真延迟调整实现波束方向控制，后经光电变换后恢复出射频激励信号，再经射频放大后由天线辐射。
