光控相控陣天線的關(guān)鍵技術(shù)

蔣國鋒

(海裝綜合計劃部， 北京100036)

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，掌握戰(zhàn)場態(tài)勢的發(fā)展和瞬時變化的情報信息是獲取未來戰(zhàn)場主動權(quán)的關(guān)鍵。雷達是獲取戰(zhàn)場情報信息最主要的電子設(shè)備，除了獲取情報信息，雷達還肩負著戰(zhàn)場指揮、火力控制、遠程通信等重擔(dān)，雷達性能的好壞往往成為左右戰(zhàn)爭勝利的關(guān)鍵因素之一。但隨著科技的不斷進步，傳統(tǒng)雷達面臨的挑戰(zhàn)越來越嚴峻。隨著電子戰(zhàn)的升級，雷達面臨的電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，干擾和欺騙手段越來越豐富，隱身目標(biāo)和高機動低可見目標(biāo)日新月異，傳統(tǒng)雷達的探測能力被大大削弱［1-2］。雷達可以同時實現(xiàn)衛(wèi)星通信、火控控制、短程打擊、電子干擾、遠程預(yù)警等功能。環(huán)境和目標(biāo)的復(fù)雜性對下一代雷達提出了新的要求:低成本、低功耗;小體積、共形;大容錯、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、無串?dāng)_等優(yōu)勢吸引人們不斷探索研究其在雷達領(lǐng)域的應(yīng)用。光電子技術(shù)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)尺寸小、重量輕、功耗低;

(2)寬帶特性可以達到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

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

20世紀80年代，國外就有人提出將光子技術(shù)應(yīng)用于相控陣天線。1990年，美國休斯公司報道了第一個基于光纖真延時線(TTD)的雙波段相控陣天線系統(tǒng)。該雷達天線工作于L波段和X波段，包括4個光纖延時網(wǎng)絡(luò)。其中，每個光纖延時網(wǎng)絡(luò)又包含了8個光纖延時線，可實現(xiàn)3位實時延時。經(jīng)測量，該天線系統(tǒng)在1.9 GHz和9 GHz兩個頻點上，天線方向圖無波束偏移現(xiàn)象，并且實現(xiàn)了-28°～+28°的波束掃描。

1995年，美國休斯公司的L波段光控共形相控陣實驗系統(tǒng)研制成功，具體參數(shù)如表1所示。系統(tǒng)共分為96個單元，排成24個縱列，每列4個單元。其中，24個縱列又劃分為8個子陣，每個子陣包含3個T/R組件。子陣中使用5位光控真延時技術(shù)，每個T/R組件內(nèi)部采用6位移相器，因此，整個控制系統(tǒng)可以提供11位的時間延時和±60°的掃描角度。實驗結(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，無波束傾斜現(xiàn)象。但是，受當(dāng)時器件水平限制，5位光控延時模塊由4個激光器、1個4×8耦合器及8個探測器組成。此模塊增加了約40 dB的信號損耗，為后面T/R組件中低噪聲放大和功率放大等帶來很大困難。

表1 休斯公司的光控相控陣

1998年，美國海軍實驗室在海用AN/SPQ-9BADM雷達上完成了光傳輸實驗，這是首次在現(xiàn)役雷達系統(tǒng)中開展信號的光纖鏈路實驗并取得成功。該實驗系統(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。實驗結(jié)果顯示，引入光纖傳輸和分配方案后，AN/SPQ-9B雷達系統(tǒng)的相位噪聲、信噪比等各項指標(biāo)完全滿足設(shè)計要求。次年，美國海軍實驗室又將光傳輸分配技術(shù)用于Ka波段相控陣天線實驗系統(tǒng)，并用基于色散棱鏡的OTTD實現(xiàn)了在-60°～+60°角度范圍內(nèi)波束掃描指向無偏斜，實驗所采用的光器件全部來自于商用現(xiàn)貨產(chǎn)品。

在多波束相控陣研究方面，雷聲公司為美國國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年進行了相關(guān)試驗。德國為歐洲太空署研制的四波束相控陣，屬于ARTES-3項目的內(nèi)容之一，同樣用于低軌道衛(wèi)星。日本Gigabit項目研究的64單元四波束子陣試驗是用于地球靜止衛(wèi)星的。

美國和日本研制的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)勢顯而易見。

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［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)(波長為1.55 μm)，用其制作的真延時模塊，可在相鄰?fù)ǖ篱g實現(xiàn)-31 ps～+31 ps的連續(xù)可調(diào)光時延差。利用該模塊控制的1×4相控陣可實現(xiàn)±45°范圍內(nèi)的無波束偏移掃描。

在星載光控相控陣天線的研究中，以COMSAT實驗室為代表，多年來致力于光控波束形成技術(shù)方面的研究。COMSAT通過對光控相控陣天線中采用的光學(xué)子系統(tǒng)、器件、材料等在許多實際應(yīng)用情況中的評估以及飛行實驗充分驗證了光纖實延時系統(tǒng)的可行性。

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

圖1 歐洲開發(fā)的毫米波光子器件

在光子雷達系統(tǒng)架構(gòu)方面影響最大的為意大利于2009年底投資160萬歐元開展的為期兩年的PHODIR(基于光子技術(shù)的全數(shù)字雷達)計劃。并于2014年上半年報道，意大利已經(jīng)開發(fā)出基于光子的全數(shù)字雷達。預(yù)計2020年前后，基于光子技術(shù)的全數(shù)字雷達將作為無人機的雷達裝備。此外，日本、韓國、加拿大、新加坡、以色列等國也在光控相控陣領(lǐng)域取得不同程度的進展。

國內(nèi)方面，針對大帶寬、大延時、大動態(tài)范圍的光控微波波束技術(shù)，許多大學(xué)研究機構(gòu)展開了相關(guān)方面的研究，文獻［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創(chuàng)新成果，先后設(shè)計和實現(xiàn)了基于光開關(guān)的X波段光真延時網(wǎng)絡(luò)、基于寬譜光源的X波段4路4位光真延時網(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)是下一代相控陣雷達和智能天線的核心技術(shù)，它通過控制陣列中各微波鏈路的相位差或真延時差，使各微波輻射源的輻射場在遠場的特定方向產(chǎn)生干涉極大，達到定向發(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、無波束傾斜等優(yōu)點。人們對于相控陣雷達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)是未來無線通信和軍事領(lǐng)域的重要支撐技術(shù)，已成為各國研究計劃的前沿課題與重點項目。

目前，光波束形成技術(shù)應(yīng)用主要包括以下幾個方面:

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

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

(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模塊的實現(xiàn)是關(guān)鍵。

(4)利用光電子技術(shù)實現(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)利用光纖實現(xiàn)實時延時。

(7)用于常規(guī)陣列實現(xiàn)天線輻射孔徑的幅相綜合，尤其是高精度的相位綜合，從而達到設(shè)計單脈沖陣列、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 射頻信號的光分配技術(shù)

射頻信號的光分配技術(shù)是指RF信號輸入到T/R組件之間的傳輸鏈路是通過光纖來實現(xiàn)的，特別是單模光纖網(wǎng)絡(luò)在相控陣天線信號的分配中可以帶來很多好處，比如說布局靈活，易于構(gòu)造三維;在同一光纖中將微波和數(shù)字信號混合傳輸，并且能夠?qū)崿F(xiàn)實時延遲兼容，具有非常寬的帶寬;再次，對多種陣列信號是否能以波分復(fù)用技術(shù)用同一網(wǎng)絡(luò)來分配，這是光控相控陣雷達要解決的關(guān)鍵問題。

2.3 模擬信號傳輸技術(shù)

利用光子技術(shù)實現(xiàn)模擬信號的遠距離傳輸，在滿足低損耗要求的同時，能夠避免相位漂移，實現(xiàn)大的動態(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

相控陣雷達工作頻點可能需要根據(jù)戰(zhàn)場實況進行自適應(yīng)調(diào)整，為此可以選擇濾波器組來實現(xiàn)，但是，一般的濾波器組具有體積大、質(zhì)量大、功耗高等缺點不適于無人機等平臺。希望基于光子技術(shù)的可調(diào)諧濾波器可以滿足無人機的需求。

另外，如何利用光纖的靈活性在天線部署時實現(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雷達的關(guān)鍵技術(shù)之一。希望在光的頻域內(nèi)實現(xiàn)天線波束形成所要求的移相操作，如此可以設(shè)想是否在將來能夠?qū)崿F(xiàn)在L和X兩個波段同時工作的光電饋送的相控陣天線(據(jù)說美國通用電氣和美空軍正在致力于這方面的研制)。

3 結(jié)束語

展望未來，光子技術(shù)在射頻系統(tǒng)中的應(yīng)用將越來越廣泛。無論從哪個角度看，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，未來將可能適用于天基預(yù)警平臺、太陽能無人機、艦載多功能射頻系統(tǒng)等。寬帶、大動態(tài)射頻光鏈路，時鐘、本振信號陣面光傳輸，射頻光纖拉遠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)，這將大大提高未來雷達的性能。

［1］ 張直中.論寬帶相控陣雷達的戰(zhàn)術(shù)優(yōu)越性［J］.電子學(xué)報，1993，21(3):86-91.Zhang Zhizhong.Tactical advantages of quasi-wide-band phase array radar［J］.Acta Electronica Sinica，1993，21(3):86-91.

［2］ Fetterman H，Han J，Zhang H，et al.Multiple output photonic RF phase shifters for optically controlled radar systems［C］//IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest.Los Angeles:IEEE Press，2002:1937-1940.

［3］ 張光義.相控陣雷達系統(tǒng)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1994.Zhang Guangyi.Phased array radar system［M］.Beijing:National Defense Industry Press，1994.

［4］ 王德純.寬帶相控陣雷達系統(tǒng)分析［J］.現(xiàn)代雷達，2008，30(3):1-6.Wang Dechun.System analysis of wideband phased array radar［J］.Modern Radar，2008，30(3):1-6.

［5］ Blais S，Yao J P.Effects of chromatic dispersion in a waveg uide bragg grating prism based ture time-delay beamforming module［C］//Electrical and Computer Engineering.Saskatoon，Sask:IEEE Press，2005:215-218.

［6］ 倪 斌，鄭小平，陳 銳，等.基于色散器件的波束形成網(wǎng)絡(luò)中的色散限制［J］.光子學(xué)報，2005，34(4):550～553.Ni Bin，Zheng Xiaoping，Chen Rui，et al.Dispersion induced limitation of beam formaer based on dispersion devices［J］.Acta Photonica Sinica，2005，34(4):550～553.