微波光子雷達及關鍵技術（五）

2.3 信道化接收與混頻

微波光子信道化接收機在光域將寬帶的接收信號分割到多個窄帶的處理信道中，然后對每個窄帶信道中的接收信號進行光電探測和信號處理。相比傳統信道化接收機，微波光子信道化具有較強的抗電磁干擾能力、較大的承載帶寬和瞬時帶寬、極低的傳輸損耗等顯著優勢。而且信道化本質上是1個多通道并行處理系統，而光域豐富的光譜資源和靈活的復用手段（例如波分復用）與此不謀而合，因此微波光子信道化得到了廣泛關注。

微波光子信道化的實現原理大致可以分為以下2類，基于頻譜切割的信道化接收機^[69]和基于多通道變頻的信道化接收機^[70]。顧名思義，基于頻譜切割的信道化接收機就是利用濾波手段直接對調制到光域的射頻信號進行頻譜切割，通過對切割的光信號進行光電探測和信號處理，從而實現信道化。這種方法簡單直觀，難點在于對濾波器的要求較高。目前看來，窄帶、通帶平坦、阻帶抑制比大及濾波邊沿陡峭的濾波器組無論是集成技術還是分立元件都比較難實現。此外，由于光電探測將丟失相位信息，因此該信道化方法通常只能實現對信號有無的判斷，無法得到信號中的信息。基于多通道變頻的信道化接收機就是將接收信號與多個不同頻率的本振信號混頻。因為本振信號的頻率在每個通道內不同，所以可以將不同頻率處的頻譜分量下變頻至基帶或者中頻，從而實現信道化。因為不需要對調制的射頻信號直接進行頻譜切割，所以基于混頻的信道化方法對濾波器的要求較低，只需要按照光頻梳的間隔進行粗粒度的通道劃分。其次，若后端采用相干解調技術，可以在信道化的同時實現信息的提取。但是該方法最終仍受限于數字信號處理器，因此大瞬時帶寬的正交處理較難實現。

國內外在微波光子信道化接收機方面開展了諸多深入研究。針對基于頻譜切割的信道化接收機，研究重點在于如何實現一系列高性能的光濾波器。由于光子集成技術的飛速發展，集成化的光濾波器成為研究熱點。例如，潘時龍課題組設計了基于多個微環的信道化濾波器^[71]，通過調節微環參數改善濾波特性，從而優化信道化的性能。澳大利亞皇家墨爾本大學研制了基于F-P的集成濾波器陣列，用于微波光子信道化接收機^[72]。針對基于混頻的信道化，北京郵電大學徐坤課題組^[73]利用一對相干光頻梳實現了通道為7、信道帶寬為500 MHz的微波光子信道化接收機。為了降低對后端數字信號處理芯片的要求，本課題組提出了基于寬帶微波光子鏡頻抑制混頻的模擬域正交處理方法。與傳統基于數字正交解調方法不同的是，該方法利用光90°混波器和雙光電探測器實現I/Q混頻，將得到的正交中頻信號通過90°微波電橋耦合起來，進而實現鏡頻抑制混頻。借助光混波器平坦的幅相響應特性，可在較大帶寬范圍內實現鏡頻抑制比較高的混頻，從而在模擬域實現寬帶的雜散抑制，大幅減少后端的計算量^[74]。

基于寬帶微波光子鏡頻抑制混頻，本課題組還提出了一種微波光子一體化射頻前端的總體架構^[75]，如圖17所示，包括多頻光本振、可編程光處理器、多通道鏡頻抑制混頻3部分。首先在多頻光本振模塊產生2個間隔不同的光頻梳，1個作為本振光頻梳，另1 個作為參考光頻梳來調制接收的信號。可編程光處理器用于信道選擇，選出想要接收的信道，通過鏡頻抑制混頻，將每個信道的信號下變頻到基帶或者中頻。由于鏡頻抑制，僅光本振一側的信號被下變頻，另一側不會發生頻譜交疊。這樣便實現了同時多個載頻寬帶信號的信道化接收，且自動變頻到基帶或中頻。以上是信號接收的過程。如果要進行信號發射，可進行相反的操作，將基帶或中頻信號上轉換到多個載頻處。該方案實現了S，X，K，Ku，Ka 5個波段，鏡頻抑制超過30 dB的多通道陣列一體化無串擾接收和可重構的上變頻發射。

圖17、微波光子一體化射頻前端
Fig. 17 Integrated microwave photonic radio front-end

2.4 光控波束形成網絡

波束形成主要分為相移法和延時法2種，基本原理是通過控制陣列天線中各發射信號的相位或者延時，使得波束在特定的波前方向干涉相加。盡管基于移相的波控技術在電學中已經非常成熟，但由于光學方法具有頻率高、尺寸小、質量輕、傳輸損耗小、響應快速、抗電磁干擾等特性，因而基于移相的光控波束形成網絡的報道仍然很多。這種技術可以應用于對瞬時帶寬要求較低，但頻率范圍較大的系統中。目前報道的比較典型的有澳大利亞悉尼大學Yi課題組^[76]提出的基于可編程光處理器的方法，利用可編程光處理器操縱每一路信號的幅度、相位等，實現了1個4陣元的波束形成網絡。本課題組也提出一種基于微波光子移相的波束形成網絡^[77]，實現了1個14 GHz、4陣元的相控陣天線。然而相移法對于瞬時帶寬較大的信號具有波束傾斜效應，難以滿足下一代雷達系統對大帶寬的需求。解決這一問題的方法就是用真時延替代移相，實現光控真延時波束形成^[78]。

光控真延時波束形成的研究首先需要解決的是光控微波延時的問題。目前，光控微波延時的方法主要可分為調節光器件響應函數和調節光載波參數兩大類。調節光器件響應函數是指通過改變光鏈路中的1個或幾個器件的光相頻響應，改變光群延時，進而控制光波所攜帶微波信號的延時。具體實施方式有以下幾種：改變光路徑長度^[79]、重構相位可編程光濾波器[80]、利用慢光效應^[81]、熱調諧光微環諧振器^[82]等。調節光載波參數同樣可以改變光載微波信號的延時。由于啁啾光纖光柵等光色散元件在不同的光載波波長下的群時延不同，光載微波信號的延時可由光波長控制^[82-83]。值得注意的是，因為此處的延時調節不改變光色散元件的參數，需要不同延時的多路微波信號可通過不同光載波承載而共用一條光延時鏈路，系統的結構可因此而簡化。基于這一原理，本課題組提出一種面向多頻段多波束控制的多功能光真時延單元^[84]，如圖18（a）所示。該單元以光頻件為基礎，通過光濾波器選擇光頻梳的不同梳齒控制各支路上射頻信號的時延。由于射頻信號的時延控制和頻率選擇由不同部件實現，該單元可獨立地控制不同射頻信號的時延，使系統能同時實現對多個波束的獨立控制。這種真時延單元可支持接收和發送兩種模式，具有較大的靈活性與可重構性。

此外，為了充分利用光的并行處理優勢，利用有限的元器件將光控微波延時單元高效組成波束形成網絡同樣是光控真延時波束形成的重要研究內容^[85]。針對平面相控陣系統的二維延時控制需求，以可調色散器件為基礎，提出一種緊湊型光控波束形成網絡^[86]。該網絡可在方位和俯仰2個維度上以控制延時的方式實現對寬帶射頻波束的靈活控制，其結構如圖18（b）所示。該二維波束形成方案中，對各路信號的二維延時控制集中于唯一的可調色散器件中，與國際上常見的兩級延時調節方案相比，該方案的一級延時調節具有結構緊湊，易于實現通道均衡等優勢。此外，還對小型化緊湊化片上光控波束形成網絡進行研究，實現了基于快慢光拓展光微環諧振器延時帶寬的光控波束形成芯片，如圖19所示。

圖18、南京航空航天大學提出的真延時單元
Fig. 18 True time delay modules developed by NUAA

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

另一方面，由于光控真延時波束形成系統突破了信號帶寬的限制，傳統的、面向單音或窄帶信號的測量與評價方法已不再適用。為充分評估光控波束形成系統處理大瞬時帶寬信號的性能，本課題組提出一種基于掃頻測量和相關接收的評估方法^[87]。其中，各觀察角度下的掃頻測量可得到波束形成網絡及天線陣列在關心頻段中的全部復頻率響應信息；而各觀察角度下相關接收機輸出信號的峰值可用來定義一種新的方向圖，這種方向圖可反映激勵信號頻段內的總體頻率響應，且對遠場接收到信號的時域失真敏感。同時，為節約暗室測量的成本，單頻下的方向圖相乘原理也被推廣至寬帶場景，故陣列響應可由單陣元頻率相關方向圖與波束形成網絡的頻率相關陣因子相乘而得出。圖20展示了應用所提出評估方法在較小暗室下測量大陣列的流程。

圖20、面向寬帶信號的光控波束形成系統評估方法

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