微波光子雷达及关键技术（五）

2.3 信道化接收与混频

微波光子信道化接收机在光域将宽带的接收信号分割到多个窄带的处理信道中，然后对每个窄带信道中的接收信号进行光电探测和信号处理。相比传统信道化接收机，微波光子信道化具有较强的抗电磁干扰能力、较大的承载带宽和瞬时带宽、极低的传输损耗等显著优势。而且信道化本质上是1个多通道并行处理系统，而光域丰富的光谱资源和灵活的复用手段（例如波分复用）与此不谋而合，因此微波光子信道化得到了广泛关注。

微波光子信道化的实现原理大致可以分为以下2类，基于频谱切割的信道化接收机^[69]和基于多通道变频的信道化接收机^[70]。顾名思义，基于频谱切割的信道化接收机就是利用滤波手段直接对调制到光域的射频信号进行频谱切割，通过对切割的光信号进行光电探测和信号处理，从而实现信道化。这种方法简单直观，难点在于对滤波器的要求较高。目前看来，窄带、通带平坦、阻带抑制比大及滤波边沿陡峭的滤波器组无论是集成技术还是分立元件都比较难实现。此外，由于光电探测将丢失相位信息，因此该信道化方法通常只能实现对信号有无的判断，无法得到信号中的信息。基于多通道变频的信道化接收机就是将接收信号与多个不同频率的本振信号混频。因为本振信号的频率在每个通道内不同，所以可以将不同频率处的频谱分量下变频至基带或者中频，从而实现信道化。因为不需要对调制的射频信号直接进行频谱切割，所以基于混频的信道化方法对滤波器的要求较低，只需要按照光频梳的间隔进行粗粒度的通道划分。其次，若后端采用相干解调技术，可以在信道化的同时实现信息的提取。但是该方法最终仍受限于数字信号处理器，因此大瞬时带宽的正交处理较难实现。

国内外在微波光子信道化接收机方面开展了诸多深入研究。针对基于频谱切割的信道化接收机，研究重点在于如何实现一系列高性能的光滤波器。由于光子集成技术的飞速发展，集成化的光滤波器成为研究热点。例如，潘时龙课题组设计了基于多个微环的信道化滤波器^[71]，通过调节微环参数改善滤波特性，从而优化信道化的性能。澳大利亚皇家墨尔本大学研制了基于F-P的集成滤波器阵列，用于微波光子信道化接收机^[72]。针对基于混频的信道化，北京邮电大学徐坤课题组^[73]利用一对相干光频梳实现了通道为7、信道带宽为500 MHz的微波光子信道化接收机。为了降低对后端数字信号处理芯片的要求，本课题组提出了基于宽带微波光子镜频抑制混频的模拟域正交处理方法。与传统基于数字正交解调方法不同的是，该方法利用光90°混波器和双光电探测器实现I/Q混频，将得到的正交中频信号通过90°微波电桥耦合起来，进而实现镜频抑制混频。借助光混波器平坦的幅相响应特性，可在较大带宽范围内实现镜频抑制比较高的混频，从而在模拟域实现宽带的杂散抑制，大幅减少后端的计算量^[74]。

基于宽带微波光子镜频抑制混频，本课题组还提出了一种微波光子一体化射频前端的总体架构^[75]，如图17所示，包括多频光本振、可编程光处理器、多通道镜频抑制混频3部分。首先在多频光本振模块产生2个间隔不同的光频梳，1个作为本振光频梳，另1 个作为参考光频梳来调制接收的信号。可编程光处理器用于信道选择，选出想要接收的信道，通过镜频抑制混频，将每个信道的信号下变频到基带或者中频。由于镜频抑制，仅光本振一侧的信号被下变频，另一侧不会发生频谱交叠。这样便实现了同时多个载频宽带信号的信道化接收，且自动变频到基带或中频。以上是信号接收的过程。如果要进行信号发射，可进行相反的操作，将基带或中频信号上转换到多个载频处。该方案实现了S，X，K，Ku，Ka 5个波段，镜频抑制超过30 dB的多通道阵列一体化无串扰接收和可重构的上变频发射。

图17、微波光子一体化射频前端
Fig. 17 Integrated microwave photonic radio front-end

2.4 光控波束形成网络

波束形成主要分为相移法和延时法2种，基本原理是通过控制阵列天线中各发射信号的相位或者延时，使得波束在特定的波前方向干涉相加。尽管基于移相的波控技术在电学中已经非常成熟，但由于光学方法具有频率高、尺寸小、质量轻、传输损耗小、响应快速、抗电磁干扰等特性，因而基于移相的光控波束形成网络的报道仍然很多。这种技术可以应用于对瞬时带宽要求较低，但频率范围较大的系统中。目前报道的比较典型的有澳大利亚悉尼大学Yi课题组^[76]提出的基于可编程光处理器的方法，利用可编程光处理器操纵每一路信号的幅度、相位等，实现了1个4阵元的波束形成网络。本课题组也提出一种基于微波光子移相的波束形成网络^[77]，实现了1个14 GHz、4阵元的相控阵天线。然而相移法对于瞬时带宽较大的信号具有波束倾斜效应，难以满足下一代雷达系统对大带宽的需求。解决这一问题的方法就是用真时延替代移相，实现光控真延时波束形成^[78]。

光控真延时波束形成的研究首先需要解决的是光控微波延时的问题。目前，光控微波延时的方法主要可分为调节光器件响应函数和调节光载波参数两大类。调节光器件响应函数是指通过改变光链路中的1个或几个器件的光相频响应，改变光群延时，进而控制光波所携带微波信号的延时。具体实施方式有以下几种：改变光路径长度^[79]、重构相位可编程光滤波器[80]、利用慢光效应^[81]、热调谐光微环谐振器^[82]等。调节光载波参数同样可以改变光载微波信号的延时。由于啁啾光纤光栅等光色散元件在不同的光载波波长下的群时延不同，光载微波信号的延时可由光波长控制^[82-83]。值得注意的是，因为此处的延时调节不改变光色散元件的参数，需要不同延时的多路微波信号可通过不同光载波承载而共用一条光延时链路，系统的结构可因此而简化。基于这一原理，本课题组提出一种面向多频段多波束控制的多功能光真时延单元^[84]，如图18（a）所示。该单元以光频件为基础，通过光滤波器选择光频梳的不同梳齿控制各支路上射频信号的时延。由于射频信号的时延控制和频率选择由不同部件实现，该单元可独立地控制不同射频信号的时延，使系统能同时实现对多个波束的独立控制。这种真时延单元可支持接收和发送两种模式，具有较大的灵活性与可重构性。

此外，为了充分利用光的并行处理优势，利用有限的元器件将光控微波延时单元高效组成波束形成网络同样是光控真延时波束形成的重要研究内容^[85]。针对平面相控阵系统的二维延时控制需求，以可调色散器件为基础，提出一种紧凑型光控波束形成网络^[86]。该网络可在方位和俯仰2个维度上以控制延时的方式实现对宽带射频波束的灵活控制，其结构如图18（b）所示。该二维波束形成方案中，对各路信号的二维延时控制集中于唯一的可调色散器件中，与国际上常见的两级延时调节方案相比，该方案的一级延时调节具有结构紧凑，易于实现通道均衡等优势。此外，还对小型化紧凑化片上光控波束形成网络进行研究，实现了基于快慢光拓展光微环谐振器延时带宽的光控波束形成芯片，如图19所示。

图18、南京航空航天大学提出的真延时单元
Fig. 18 True time delay modules developed by NUAA

图19、光控波束形成芯片
Fig. 19 Photo of the optically controlled beamforming chipof NUAA

另一方面，由于光控真延时波束形成系统突破了信号带宽的限制，传统的、面向单音或窄带信号的测量与评价方法已不再适用。为充分评估光控波束形成系统处理大瞬时带宽信号的性能，本课题组提出一种基于扫频测量和相关接收的评估方法^[87]。其中，各观察角度下的扫频测量可得到波束形成网络及天线阵列在关心频段中的全部复频率响应信息；而各观察角度下相关接收机输出信号的峰值可用来定义一种新的方向图，这种方向图可反映激励信号频段内的总体频率响应，且对远场接收到信号的时域失真敏感。同时，为节约暗室测量的成本，单频下的方向图相乘原理也被推广至宽带场景，故阵列响应可由单阵元频率相关方向图与波束形成网络的频率相关阵因子相乘而得出。图20展示了应用所提出评估方法在较小暗室下测量大阵列的流程。

图20、面向宽带信号的光控波束形成系统评估方法

Fig. 20 Performance evaluation method of photonicsbased RF beamforming with large instantaneous bandwidth