蔣國(guó)鋒

(海裝綜合計(jì)劃部， 北京100036)

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，掌握戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的發(fā)展和瞬時(shí)變化的情報(bào)信息是獲取未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)主動(dòng)權(quán)的關(guān)鍵。雷達(dá)是獲取戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)信息最主要的電子設(shè)備，除了獲取情報(bào)信息，雷達(dá)還肩負(fù)著戰(zhàn)場(chǎng)指揮、火力控制、遠(yuǎn)程通信等重?fù)?dān)，雷達(dá)性能的好壞往往成為左右戰(zhàn)爭(zhēng)勝利的關(guān)鍵因素之一。但隨著科技的不斷進(jìn)步，傳統(tǒng)雷達(dá)面臨的挑戰(zhàn)越來(lái)越嚴(yán)峻。隨著電子戰(zhàn)的升級(jí)，雷達(dá)面臨的電磁環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，干擾和欺騙手段越來(lái)越豐富，隱身目標(biāo)和高機(jī)動(dòng)低可見(jiàn)目標(biāo)日新月異，傳統(tǒng)雷達(dá)的探測(cè)能力被大大削弱［1-2］。雷達(dá)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信、火控控制、短程打擊、電子干擾、遠(yuǎn)程預(yù)警等功能。環(huán)境和目標(biāo)的復(fù)雜性對(duì)下一代雷達(dá)提出了新的要求:低成本、低功耗;小體積、共形;大容錯(cuò)、易維修;大帶寬、多頻段、抗干擾;多波束、多功能、一體化。

與其他技術(shù)相比，微波光子技術(shù)因其具有的大帶寬、低損耗、跨頻段、無(wú)串?dāng)_等優(yōu)勢(shì)吸引人們不斷探索研究其在雷達(dá)領(lǐng)域的應(yīng)用。光電子技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)尺寸小、重量輕、功耗低;

(2)寬帶特性可以達(dá)到5 GHz～17 GHz以上;

(3)高精度;

(4)高隔離度;

(5)小型化和高密度。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

光控相控陣是國(guó)外開(kāi)展得最早、也是研究得最多的基于微波光子技術(shù)的雷達(dá)應(yīng)用，下面以此為主線，回顧一下國(guó)外光控相控陣的發(fā)展概況和主要?dú)v程［3-4］。

20世紀(jì)80年代，國(guó)外就有人提出將光子技術(shù)應(yīng)用于相控陣天線。1990年，美國(guó)休斯公司報(bào)道了第一個(gè)基于光纖真延時(shí)線(TTD)的雙波段相控陣天線系統(tǒng)。該雷達(dá)天線工作于L波段和X波段，包括4個(gè)光纖延時(shí)網(wǎng)絡(luò)。其中，每個(gè)光纖延時(shí)網(wǎng)絡(luò)又包含了8個(gè)光纖延時(shí)線，可實(shí)現(xiàn)3位實(shí)時(shí)延時(shí)。經(jīng)測(cè)量，該天線系統(tǒng)在1.9 GHz和9 GHz兩個(gè)頻點(diǎn)上，天線方向圖無(wú)波束偏移現(xiàn)象，并且實(shí)現(xiàn)了-28°～+28°的波束掃描。

1995年，美國(guó)休斯公司的L波段光控共形相控陣實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研制成功，具體參數(shù)如表1所示。系統(tǒng)共分為96個(gè)單元，排成24個(gè)縱列，每列4個(gè)單元。其中，24個(gè)縱列又劃分為8個(gè)子陣，每個(gè)子陣包含3個(gè)T/R組件。子陣中使用5位光控真延時(shí)技術(shù)，每個(gè)T/R組件內(nèi)部采用6位移相器，因此，整個(gè)控制系統(tǒng)可以提供11位的時(shí)間延時(shí)和±60°的掃描角度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在0.2 GHz～1.6 GHz范圍內(nèi)，波束指向±30°和±60°的情況下，無(wú)波束傾斜現(xiàn)象。但是，受當(dāng)時(shí)器件水平限制，5位光控延時(shí)模塊由4個(gè)激光器、1個(gè)4×8耦合器及8個(gè)探測(cè)器組成。此模塊增加了約40 dB的信號(hào)損耗，為后面T/R組件中低噪聲放大和功率放大等帶來(lái)很大困難。

表1 休斯公司的光控相控陣

1998年，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室在海用AN/SPQ-9BADM雷達(dá)上完成了光傳輸實(shí)驗(yàn)，這是首次在現(xiàn)役雷達(dá)系統(tǒng)中開(kāi)展信號(hào)的光纖鏈路實(shí)驗(yàn)并取得成功。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作于X波段，由旋轉(zhuǎn)天線、收發(fā)單元、低噪聲放大等組成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，引入光纖傳輸和分配方案后，AN/SPQ-9B雷達(dá)系統(tǒng)的相位噪聲、信噪比等各項(xiàng)指標(biāo)完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。次年，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室又將光傳輸分配技術(shù)用于Ka波段相控陣天線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并用基于色散棱鏡的OTTD實(shí)現(xiàn)了在-60°～+60°角度范圍內(nèi)波束掃描指向無(wú)偏斜，實(shí)驗(yàn)所采用的光器件全部來(lái)自于商用現(xiàn)貨產(chǎn)品。

在多波束相控陣研究方面，雷聲公司為美國(guó)國(guó)家航空航天局研制的雙波束相控陣于2000年完成，用于低軌道衛(wèi)星通信，并在2001年進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。德國(guó)為歐洲太空署研制的四波束相控陣，屬于ARTES-3項(xiàng)目的內(nèi)容之一，同樣用于低軌道衛(wèi)星。日本Gigabit項(xiàng)目研究的64單元四波束子陣試驗(yàn)是用于地球靜止衛(wèi)星的。

美國(guó)和日本研制的12 GHz～14 GHz艦載固態(tài)相控陣天線，采用了光電子技術(shù)，重量減輕了33%，功率節(jié)省了63%。表2給出了分別采用電子和光子兩種技術(shù)設(shè)計(jì)的UHF/S雙波段相控陣天線，在重量、體積和功耗方面的比較，光電子技術(shù)的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)。

表2 采用不同技術(shù)的雙波段相控陣天線的性能比較

2005年，文獻(xiàn)［5］采用高色散光子晶體光纖構(gòu)成的色散棱鏡，色散系數(shù)為-600/s/(nm·km)(波長(zhǎng)為1.55 μm)，用其制作的真延時(shí)模塊，可在相鄰?fù)ǖ篱g實(shí)現(xiàn)-31 ps～+31 ps的連續(xù)可調(diào)光時(shí)延差。利用該模塊控制的1×4相控陣可實(shí)現(xiàn)±45°范圍內(nèi)的無(wú)波束偏移掃描。

在星載光控相控陣天線的研究中，以COMSAT實(shí)驗(yàn)室為代表，多年來(lái)致力于光控波束形成技術(shù)方面的研究。COMSAT通過(guò)對(duì)光控相控陣天線中采用的光學(xué)子系統(tǒng)、器件、材料等在許多實(shí)際應(yīng)用情況中的評(píng)估以及飛行實(shí)驗(yàn)充分驗(yàn)證了光纖實(shí)延時(shí)系統(tǒng)的可行性。

除美國(guó)外，歐洲比較有代表性的是2002年開(kāi)展的用于無(wú)線固定和移動(dòng)基站相控陣的OBANET項(xiàng)目。該項(xiàng)目集合了法國(guó)、西班牙、荷蘭、葡萄牙等國(guó)科研人員，完成了基于集成光子學(xué)器件的波束形成模塊，實(shí)現(xiàn)了42.7 GHz微波頻率的接收和發(fā)射。整個(gè)系統(tǒng)包括40 GHz信號(hào)的光集成發(fā)射源、光控波束形成器以及40 GHz的接收機(jī)等光集成器件和技術(shù)。此外，歐盟的另一個(gè)合作計(jì)劃NEFERTITI也正在進(jìn)行中，重點(diǎn)研究光纖無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中涉及到的傳輸技術(shù)和光子集成技術(shù)，圖1給出了幾個(gè)歐洲開(kāi)發(fā)的毫米波光子器件。

圖1 歐洲開(kāi)發(fā)的毫米波光子器件

在光子雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)方面影響最大的為意大利于2009年底投資160萬(wàn)歐元開(kāi)展的為期兩年的PHODIR(基于光子技術(shù)的全數(shù)字雷達(dá))計(jì)劃。并于2014年上半年報(bào)道，意大利已經(jīng)開(kāi)發(fā)出基于光子的全數(shù)字雷達(dá)。預(yù)計(jì)2020年前后，基于光子技術(shù)的全數(shù)字雷達(dá)將作為無(wú)人機(jī)的雷達(dá)裝備。此外，日本、韓國(guó)、加拿大、新加坡、以色列等國(guó)也在光控相控陣領(lǐng)域取得不同程度的進(jìn)展。

國(guó)內(nèi)方面，針對(duì)大帶寬、大延時(shí)、大動(dòng)態(tài)范圍的光控微波波束技術(shù)，許多大學(xué)研究機(jī)構(gòu)展開(kāi)了相關(guān)方面的研究，文獻(xiàn)［6］提出了基于光子晶體光纖和啁啾光纖光柵的光控微波波束形成新結(jié)構(gòu)，并在其性能分析及改善方面做出多項(xiàng)創(chuàng)新成果，先后設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于光開(kāi)關(guān)的X波段光真延時(shí)網(wǎng)絡(luò)、基于寬譜光源的X波段4路4位光真延時(shí)網(wǎng)絡(luò)等。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 輕質(zhì)低功耗的波束合成

光控微波波束形成器(OBFN)是下一代相控陣?yán)走_(dá)和智能天線的核心技術(shù)，它通過(guò)控制陣列中各微波鏈路的相位差或真延時(shí)差，使各微波輻射源的輻射場(chǎng)在遠(yuǎn)場(chǎng)的特定方向產(chǎn)生干涉極大，達(dá)到定向發(fā)射(或接收)的目的，它具有體積小、重量輕、抗電磁干擾、帶寬大、無(wú)波束傾斜等優(yōu)點(diǎn)。人們對(duì)于相控陣?yán)走_(dá)和智能天線的研究催生了光控微波波束形成技術(shù)的相關(guān)研究。光控微波波束形成技術(shù)是未來(lái)無(wú)線通信和軍事領(lǐng)域的重要支撐技術(shù)，已成為各國(guó)研究計(jì)劃的前沿課題與重點(diǎn)項(xiàng)目。

目前，光波束形成技術(shù)應(yīng)用主要包括以下幾個(gè)方面:

(1)利用光電子和光纖傳輸技術(shù)簡(jiǎn)化陣列(相控陣)天線控制信號(hào)的傳輸或?qū)崿F(xiàn)陣列天線的分體設(shè)計(jì)。

(2)利用光電子技術(shù)對(duì)陣列天線的輻射單元或子陣進(jìn)行幅度和相位控制。

(3)固態(tài)相控陣天線是相控陣天線技術(shù)的發(fā)展方向，T/R模塊的實(shí)現(xiàn)是關(guān)鍵。

(4)利用光電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)接收多波束網(wǎng)絡(luò)。

(5)用于形成接收陣的DBF網(wǎng)絡(luò)。

(6)利用光纖實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)延時(shí)。

(7)用于常規(guī)陣列實(shí)現(xiàn)天線輻射孔徑的幅相綜合，尤其是高精度的相位綜合，從而達(dá)到設(shè)計(jì)單脈沖陣列、超低旁瓣陣列、寬帶陣列以及特殊賦形波束陣列的目的。

2.2 射頻信號(hào)的光分配技術(shù)

射頻信號(hào)的光分配技術(shù)是指RF信號(hào)輸入到T/R組件之間的傳輸鏈路是通過(guò)光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)的，特別是單模光纖網(wǎng)絡(luò)在相控陣天線信號(hào)的分配中可以帶來(lái)很多好處，比如說(shuō)布局靈活，易于構(gòu)造三維;在同一光纖中將微波和數(shù)字信號(hào)混合傳輸，并且能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)延遲兼容，具有非常寬的帶寬;再次，對(duì)多種陣列信號(hào)是否能以波分復(fù)用技術(shù)用同一網(wǎng)絡(luò)來(lái)分配，這是光控相控陣?yán)走_(dá)要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

2.3 模擬信號(hào)傳輸技術(shù)

利用光子技術(shù)實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，在滿(mǎn)足低損耗要求的同時(shí)，能夠避免相位漂移，實(shí)現(xiàn)大的動(dòng)態(tài)范圍以及低的噪聲系數(shù)。

2.4 利用光子技術(shù)完成快速可調(diào)諧RF濾波

相控陣?yán)走_(dá)工作頻點(diǎn)可能需要根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)況進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，為此可以選擇濾波器組來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是，一般的濾波器組具有體積大、質(zhì)量大、功耗高等缺點(diǎn)不適于無(wú)人機(jī)等平臺(tái)。希望基于光子技術(shù)的可調(diào)諧濾波器可以滿(mǎn)足無(wú)人機(jī)的需求。

另外，如何利用光纖的靈活性在天線部署時(shí)實(shí)現(xiàn)相位穩(wěn)定性，并且獲得網(wǎng)內(nèi)的低損耗和低色散也是光控相控陣?yán)走_(dá)的關(guān)鍵技術(shù)之一。希望在光的頻域內(nèi)實(shí)現(xiàn)天線波束形成所要求的移相操作，如此可以設(shè)想是否在將來(lái)能夠?qū)崿F(xiàn)在L和X兩個(gè)波段同時(shí)工作的光電饋送的相控陣天線(據(jù)說(shuō)美國(guó)通用電氣和美空軍正在致力于這方面的研制)。

3 結(jié)束語(yǔ)

展望未來(lái)，光子技術(shù)在射頻系統(tǒng)中的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。無(wú)論從哪個(gè)角度看，光子技術(shù)都為當(dāng)前的RF系統(tǒng)中存在的技術(shù)難題的解決提供了獨(dú)特的方法。光控相控陣天線由于具有尺寸小、重量輕、功耗低、大帶寬、高精度、高隔離度、小型化和高密度的優(yōu)點(diǎn)，未來(lái)將可能適用于天基預(yù)警平臺(tái)、太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)、艦載多功能射頻系統(tǒng)等。寬帶、大動(dòng)態(tài)射頻光鏈路，時(shí)鐘、本振信號(hào)陣面光傳輸，射頻光纖拉遠(yuǎn)和超寬帶相控陣陣面光傳輸都將是光控相控陣發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，這將大大提高未來(lái)雷達(dá)的性能。

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