基于微波光子技术的构架和路线探讨 （三）
与之对应，接收链路为：天线探测到的雷达回波信号首先进行射频预处理(放大、滤波等)，后通过电光变换调制到光域，在光域通过真延迟芯片完成相应的幅相控制后，经光子波束形成网络完成子阵级波束合成后通过射频光拉远传回后端处理单元。在后端处理单元中，可以先通过光学方法将探测到的高频信号下变频至中频，经过光学滤波、光电转换后处理中频信号，也可以利用光学 ADC 技术直接对高频信号进行带通采样。采样后的数字信号再送至后端数据处理单元(Digital Signal Processingunit, DSP)完成相关信号处理。
3.2 微波光子相控阵的技术优势
从相控阵雷达整体性能上来看，采用微波光子技术的新型相控阵阵列，相较传统的数字阵列其优势集中体现在以下 3 个方面：
(1) 射频光传输带来的技术优势。
光纤重量典型值仅为 27 g/km，而同轴电缆重量典型值高达 567 kg/km。光纤具有数十 THz 的通信窗口和极低的传输损耗(0.15 dB/km @ 1550 nm) ，而同轴电缆其带宽典型值仅为 40 GHz，传输损耗典型值高达 360 dB/km @ 2 GHz。得益于微波光子链路呈现出的轻质低损耗的优点，射频传输可获得更高的组网灵活性和可重构性。通过射频光传输，天线前端无需再束缚在发射机与接收机附近，从而释放了阵面端的压力。另一方面，传统的微波链路无杂散动态范围(Spurious-Free DynamicRange, SFDR)仅达到 110 dB·Hz 2/3 。相应地，对于 X 波段的接收机来说，当接收噪声系数 5 dB 时，若要满足信号探测灵敏度低至–90 dBm 且接收动态范围大于 60 dB，相应的探测信号带宽范围仅为数十 MHz 。有报道指出，微波光子链路的 SFDR 可达 134 dB·Hz 2/3 。在同样的探测指标需求下，相应的探测信号带宽范围可拓展至数 GHz。微波光子链路作为天线单元之间以及天线单元和中心处理器之间的传输信号媒质，通过近似无损的传输，大大提高了系统的动态范围，增强了系统对目标的识别能力。此外，微波光子链路还具备良好的抗电磁干扰特性，可同时处理多个射频脉冲信号和电磁干扰信号，提高了系统的有效性、保密性和可靠性。更重要的，射频光拉远为噪声非相关的分布式频率源的实现提供了硬件支持，有助于获得理论上的信噪比合成增益，实现理想的探测威力和杂波下检测能力。
(2) 射频光网络带来的技术优势。
由于光载频极高，光延迟对于传输的微波信号的任何频率均可视为真延迟，这就有效地避免了宽带波束倾斜问题，同时由于光传输损耗极低，采用光子技术可提供大延迟位数长时延的延迟，从而为相控阵的宽带宽角扫描提供了有力的硬件支撑 。同时，在子阵级波束合成之后再进行模数转换，避免了大规模地使用数字 TR 组件，在模数转换之后再进行后端的信号处理和数据处理，有效地缓解了庞大数据处理带来的功耗和散热问题，简化系统构成的同时，也使得阵面的重量、成本大幅降低。此外，采用射频光交换技术，利用光开关在光域实现射频信号切换相对原有技术具有太赫兹级的无可比拟的宽带优势和平坦的频率响应特点，这将为多功能一体化电子系统的架构设计提供有力的保障，并可提供极高的交换容量 。另外，得益于其纳秒级的切换速度，光子射频切换有望成为动态、可重构射频交换系统的首选方法。
(3) 射频光处理带来的技术优势。
传统相控阵的射频前端部分在宽带信号的接收和处理方面面临着巨大挑战。而微波光子技术不仅呈现出了工作频段范围大，应对瞬时带宽大的优点，同时其在模拟信号处理等方面也呈现出独到的技术优势。
光电振荡器的发明为高性能微波源的实现提供了新的解决方案。从文献报道来看，光电振荡器能够在覆盖百 MHz 到百 GHz 的频率范围内产生低相噪、高稳定性、高频谱纯度的射频信号，特别在相位噪声、频率稳定度及频谱纯度方面已经呈现出超越传统电子手段的优势 。一旦实现工程应用，将显著提升现有相控阵雷达对于低空、慢速、小目标的探测能力。
基于电子学方法的模拟滤波器，由于受到电子瓶颈的限制，很难向着高频发展且带宽有限。此外，传统微波滤波器的通带中心频率可调谐范围一般较小，仅为百 MHz 到数 GHz。尽管近年来随着微波理论和器件的不断发展，其调谐范围和调谐速度都有了一定的改善，但由于传统微波传输介质在不同频率的插损和色散等参数相差较大，滤波器只能对某一个目标频段做特殊优化，难以兼顾频段相差过大的信号，所以仍然无法从根本上解决调谐范围有限的问题。微波光子滤波技术通过将需要处理的微波信号调制到光载波上，使用光学的手段对信号进行滤波，充分发挥了光纤对调制的不同频率射频信号增益平坦的优势，可以更容易地在高频段实现滤波器通带频率大范围可调以及通带谱形的重构 。
利用微波光子混频的高隔离度可以解决传统微波领域同相 - 正交(In-phase and Quadrature, IQ)混频技术中的本振泄漏等问题，让混频链路较少地受到电子限制及干扰；在光上实现 IQ 解调还不受频率的限制，IQ 失配和偶次失真不会随着射频频率提高而明显增加；在处理跨波段的微波信号方面，已有研究证明，随着输入微波频率的增加，系统的无杂散动态和 3 阶交调情况几乎没有明显的变化，在 8～40 GHz 频段范围内，系统的 SFDR 均可达到≥123 dB·Hz 2/3 。微波光子混频的处理带宽和频率仅仅受限于系统中的光电器件，而目前带宽为 40 GHz 的光电器件已经成熟并商品化，60 GHz 甚至上百 GHz 的光电器件也有了相关的产品或报道。因此，基于微波光子混频实现宽带大动态的微波信号处理具有巨大的发展潜力和应用前景。
在高性能模数转换领域，受到 ADC 内部采样保持电路带宽、比较器迟豫和时钟抖动等因素的影响，传统电子 ADC 的采样率和量化位数受限；同时由于半导体载流子迁移率有限，电子 ADC 难以同时获得数十 Gsps 的采样率和高量化精度，已经不能满足现代信号处理对于高采样率、高载频和高带宽的要求，成为各类应用系统中的主要瓶颈。近年来，利用低时间抖动(数 fs 至数十 fs 量级)、窄脉冲宽度(数百 fs 至数 ps)的光脉冲信号进行采样的光学模数转换技术，可以实现数十 Gsps 甚至上百 Gsps 的超高速高精度信号采样 (如图 3 所示)，相对于电子模数转换呈现出了较大技术优势，引起了世界各国极大重视，有望成为解决突破上述技术瓶颈的有效解决办法。
图 3 近年来微波光子 ADC 与电子 ADC 性能对比
通过上述分析不难得出，在传统的射频前端系统中，由于受到射频滤波、电混频器的带宽以及调谐范围的限制，射频接收机一般只能工作在固定的频段，难以对跨频段的频域上稀疏的信号进行处理。并且随着微波频率的升高，由于混频器变频和同轴电缆传输所引入的损耗和非线性失真都会增大，都将严重制约系统性能。在微波光子相控阵架构下，将处理部分置于后端集中进行，并采用微波光子相关的技术实现射频信号的产生、混频、滤波和模数转换等等，这样的系统不但具有大的射频带宽，低传输损耗，重量轻，抗电子干扰能力强等优良品质，而且具备调谐范围大，重构能力强等特点，有望在光控宽带相控阵雷达等技术领域呈现独特的优势。
