與之對(duì)應(yīng)，接收鏈路為：天線探測(cè)到的雷達(dá)回波信號(hào)首先進(jìn)行射頻預(yù)處理(放大、濾波等)，后通過(guò)電光變換調(diào)制到光域，在光域通過(guò)真延遲芯片完成相應(yīng)的幅相控制后，經(jīng)光子波束形成網(wǎng)絡(luò)完成子陣級(jí)波束合成后通過(guò)射頻光拉遠(yuǎn)傳回后端處理單元。在后端處理單元中，可以先通過(guò)光學(xué)方法將探測(cè)到的高頻信號(hào)下變頻至中頻，經(jīng)過(guò)光學(xué)濾波、光電轉(zhuǎn)換后處理中頻信號(hào)，也可以利用光學(xué) ADC 技術(shù)直接對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行帶通采樣。采樣后的數(shù)字信號(hào)再送至后端數(shù)據(jù)處理單元(Digital Signal Processingunit, DSP)完成相關(guān)信號(hào)處理。

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3.2 微波光子相控陣的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

從相控陣?yán)走_(dá)整體性能上來(lái)看，采用微波光子技術(shù)的新型相控陣陣列，相較傳統(tǒng)的數(shù)字陣列其優(yōu)勢(shì)集中體現(xiàn)在以下 3 個(gè)方面：

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(1) 射頻光傳輸帶來(lái)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

光纖重量典型值僅為 27 g/km，而同軸電纜重量典型值高達(dá) 567 kg/km。光纖具有數(shù)十 THz 的通信窗口和極低的傳輸損耗(0.15 dB/km @ 1550 nm) ，而同軸電纜其帶寬典型值僅為 40 GHz，傳輸損耗典型值高達(dá) 360 dB/km @ 2 GHz。得益于微波光子鏈路呈現(xiàn)出的輕質(zhì)低損耗的優(yōu)點(diǎn)，射頻傳輸可獲得更高的組網(wǎng)靈活性和可重構(gòu)性。通過(guò)射頻光傳輸，天線前端無(wú)需再束縛在發(fā)射機(jī)與接收機(jī)附近，從而釋放了陣面端的壓力。另一方面，傳統(tǒng)的微波鏈路無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(Spurious-Free DynamicRange, SFDR)僅達(dá)到 110 dB·Hz 2/3 。相應(yīng)地，對(duì)于 X 波段的接收機(jī)來(lái)說(shuō)，當(dāng)接收噪聲系數(shù) 5 dB 時(shí)，若要滿足信號(hào)探測(cè)靈敏度低至–90 dBm 且接收動(dòng)態(tài)范圍大于 60 dB，相應(yīng)的探測(cè)信號(hào)帶寬范圍僅為數(shù)十 MHz 。有報(bào)道指出，微波光子鏈路的 SFDR 可達(dá) 134 dB·Hz 2/3 。在同樣的探測(cè)指標(biāo)需求下，相應(yīng)的探測(cè)信號(hào)帶寬范圍可拓展至數(shù) GHz。微波光子鏈路作為天線單元之間以及天線單元和中心處理器之間的傳輸信號(hào)媒質(zhì)，通過(guò)近似無(wú)損的傳輸，大大提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，增強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別能力。此外，微波光子鏈路還具備良好的抗電磁干擾特性，可同時(shí)處理多個(gè)射頻脈沖信號(hào)和電磁干擾信號(hào)，提高了系統(tǒng)的有效性、保密性和可靠性。更重要的，射頻光拉遠(yuǎn)為噪聲非相關(guān)的分布式頻率源的實(shí)現(xiàn)提供了硬件支持，有助于獲得理論上的信噪比合成增益，實(shí)現(xiàn)理想的探測(cè)威力和雜波下檢測(cè)能力。

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(2) 射頻光網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

由于光載頻極高，光延遲對(duì)于傳輸?shù)奈⒉ㄐ盘?hào)的任何頻率均可視為真延遲，這就有效地避免了寬帶波束傾斜問(wèn)題，同時(shí)由于光傳輸損耗極低，采用光子技術(shù)可提供大延遲位數(shù)長(zhǎng)時(shí)延的延遲，從而為相控陣的寬帶寬角掃描提供了有力的硬件支撐 ?。同時(shí)，在子陣級(jí)波束合成之后再進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，避免了大規(guī)模地使用數(shù)字 TR 組件，在模數(shù)轉(zhuǎn)換之后再進(jìn)行后端的信號(hào)處理和數(shù)據(jù)處理，有效地緩解了龐大數(shù)據(jù)處理帶來(lái)的功耗和散熱問(wèn)題，簡(jiǎn)化系統(tǒng)構(gòu)成的同時(shí)，也使得陣面的重量、成本大幅降低。此外，采用射頻光交換技術(shù)，利用光開關(guān)在光域?qū)崿F(xiàn)射頻信號(hào)切換相對(duì)原有技術(shù)具有太赫茲級(jí)的無(wú)可比擬的寬帶優(yōu)勢(shì)和平坦的頻率響應(yīng)特點(diǎn)，這將為多功能一體化電子系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)提供有力的保障，并可提供極高的交換容量 。另外，得益于其納秒級(jí)的切換速度，光子射頻切換有望成為動(dòng)態(tài)、可重構(gòu)射頻交換系統(tǒng)的首選方法。

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(3) 射頻光處理帶來(lái)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

傳統(tǒng)相控陣的射頻前端部分在寬帶信號(hào)的接收和處理方面面臨著巨大挑戰(zhàn)。而微波光子技術(shù)不僅呈現(xiàn)出了工作頻段范圍大，應(yīng)對(duì)瞬時(shí)帶寬大的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)其在模擬信號(hào)處理等方面也呈現(xiàn)出獨(dú)到的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

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光電振蕩器的發(fā)明為高性能微波源的實(shí)現(xiàn)提供了新的解決方案。從文獻(xiàn)報(bào)道來(lái)看，光電振蕩器能夠在覆蓋百 MHz 到百 GHz 的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生低相噪、高穩(wěn)定性、高頻譜純度的射頻信號(hào)，特別在相位噪聲、頻率穩(wěn)定度及頻譜純度方面已經(jīng)呈現(xiàn)出超越傳統(tǒng)電子手段的優(yōu)勢(shì) 。一旦實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，將顯著提升現(xiàn)有相控陣?yán)走_(dá)對(duì)于低空、慢速、小目標(biāo)的探測(cè)能力。

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基于電子學(xué)方法的模擬濾波器，由于受到電子瓶頸的限制，很難向著高頻發(fā)展且?guī)捰邢?。此外，傳統(tǒng)微波濾波器的通帶中心頻率可調(diào)諧范圍一般較小，僅為百 MHz 到數(shù) GHz。盡管近年來(lái)隨著微波理論和器件的不斷發(fā)展，其調(diào)諧范圍和調(diào)諧速度都有了一定的改善，但由于傳統(tǒng)微波傳輸介質(zhì)在不同頻率的插損和色散等參數(shù)相差較大，濾波器只能對(duì)某一個(gè)目標(biāo)頻段做特殊優(yōu)化，難以兼顧頻段相差過(guò)大的信號(hào)，所以仍然無(wú)法從根本上解決調(diào)諧范圍有限的問(wèn)題。微波光子濾波技術(shù)通過(guò)將需要處理的微波信號(hào)調(diào)制到光載波上，使用光學(xué)的手段對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，充分發(fā)揮了光纖對(duì)調(diào)制的不同頻率射頻信號(hào)增益平坦的優(yōu)勢(shì)，可以更容易地在高頻段實(shí)現(xiàn)濾波器通帶頻率大范圍可調(diào)以及通帶譜形的重構(gòu) 。

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利用微波光子混頻的高隔離度可以解決傳統(tǒng)微波領(lǐng)域同相 - 正交(In-phase and Quadrature, IQ)混頻技術(shù)中的本振泄漏等問(wèn)題，讓混頻鏈路較少地受到電子限制及干擾；在光上實(shí)現(xiàn) IQ 解調(diào)還不受頻率的限制，IQ 失配和偶次失真不會(huì)隨著射頻頻率提高而明顯增加；在處理跨波段的微波信號(hào)方面，已有研究證明，隨著輸入微波頻率的增加，系統(tǒng)的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)和 3 階交調(diào)情況幾乎沒(méi)有明顯的變化，在 8～40 GHz 頻段范圍內(nèi)，系統(tǒng)的 SFDR 均可達(dá)到≥123 dB·Hz 2/3 。微波光子混頻的處理帶寬和頻率僅僅受限于系統(tǒng)中的光電器件，而目前帶寬為 40 GHz 的光電器件已經(jīng)成熟并商品化，60 GHz 甚至上百 GHz 的光電器件也有了相關(guān)的產(chǎn)品或報(bào)道。因此，基于微波光子混頻實(shí)現(xiàn)寬帶大動(dòng)態(tài)的微波信號(hào)處理具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。

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在高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，受到 ADC 內(nèi)部采樣保持電路帶寬、比較器遲豫和時(shí)鐘抖動(dòng)等因素的影響，傳統(tǒng)電子 ADC 的采樣率和量化位數(shù)受限；同時(shí)由于半導(dǎo)體載流子遷移率有限，電子 ADC 難以同時(shí)獲得數(shù)十 Gsps 的采樣率和高量化精度，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代信號(hào)處理對(duì)于高采樣率、高載頻和高帶寬的要求，成為各類應(yīng)用系統(tǒng)中的主要瓶頸。近年來(lái)，利用低時(shí)間抖動(dòng)(數(shù) fs 至數(shù)十 fs 量級(jí))、窄脈沖寬度(數(shù)百 fs 至數(shù) ps)的光脈沖信號(hào)進(jìn)行采樣的光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)十 Gsps 甚至上百 Gsps 的超高速高精度信號(hào)采樣 (如圖 3 所示)，相對(duì)于電子模數(shù)轉(zhuǎn)換呈現(xiàn)出了較大技術(shù)優(yōu)勢(shì)，引起了世界各國(guó)極大重視，有望成為解決突破上述技術(shù)瓶頸的有效解決辦法。

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圖 3 近年來(lái)微波光子 ADC 與電子 ADC 性能對(duì)比

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通過(guò)上述分析不難得出，在傳統(tǒng)的射頻前端系統(tǒng)中，由于受到射頻濾波、電混頻器的帶寬以及調(diào)諧范圍的限制，射頻接收機(jī)一般只能工作在固定的頻段，難以對(duì)跨頻段的頻域上稀疏的信號(hào)進(jìn)行處理。并且隨著微波頻率的升高，由于混頻器變頻和同軸電纜傳輸所引入的損耗和非線性失真都會(huì)增大，都將嚴(yán)重制約系統(tǒng)性能。在微波光子相控陣架構(gòu)下，將處理部分置于后端集中進(jìn)行，并采用微波光子相關(guān)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的產(chǎn)生、混頻、濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換等等，這樣的系統(tǒng)不但具有大的射頻帶寬，低傳輸損耗，重量輕，抗電子干擾能力強(qiáng)等優(yōu)良品質(zhì)，而且具備調(diào)諧范圍大，重構(gòu)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，有望在光控寬帶相控陣?yán)走_(dá)等技術(shù)領(lǐng)域呈現(xiàn)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。