亮点 | 基于微波光子信道化的宽带相控阵接收机

      基于微波光子信道化的相控阵（CHannelized Phased Array，CHPA）架构如图1(a)所示。级联的强度-相位调制器产生具有N个梳齿的光频梳，放大后经解复用器分成N路，每一路都调制上来自不同阵元的接收信号，然后再复用到一起。周期性窄带滤波器阵列（Periodic Narrowband Filter Array，PNFA）由M个周期和带宽相同但波峰位置不同的FP滤波器组成，它们将宽带一阶信号进行信道化处理。同时，每一个信道的本振光频梳都经过一个可调光延时线对各梳齿进行相位加权——不同频率的光载波经过同一段延时后，附加不同的相位。然后信号与本振梳通过平衡探测器进行下变频，得到相权调控后的各阵元信号的相干叠加。整个过程的光谱与波形演化图如图1(b)、(c)所示。

图1 CHPA的结构和示意图。(a) CHPA的架构；(b)在光链路上各节点模拟光谱演化；(c)由每个通道的延迟线控制的波形相位变化

    通过采用多波长光源和波分复用技术，不同阵元接收到的信号被排布到同一波导中的不同频率处。通过合理设计延迟量和频率间隔，就可以精确控制每个阵元的不同相位权重。当不同频率和方向的波束入射时，通过调节每个信道中延迟量可以实现波束扫描。在图2(a)中，光频梳的25 GHz自由光谱范围决定了延时扫描周期为40 ps，对应±90°的扫描范围。随着信道频率的降低，延时调谐范围也相应减小。基于时空映射关系，作为时间延迟Tv函数的阵列因子曲线可以转换为作为方向θ函数的雷达图，如图2(b)和2(c)所示。

图2 波束形成的空时映射。(a)延时量与sinθ之间的线性对应关系；(b) 角域中的波束方向图；(c)延时域中的阵列因子

    实验设计了如图3所示的0°、-60°和＋60°三个角度下4GHz、8GHz和12GHz三个信道，共9个来波信号；将他们同时接入系统，将测量结果绘制为延迟-功率曲线，然后进行时空转换，得到一系列波束图案。不同信道的用户可以在相同方向被接收；不同方向的用户也可以在相同信道被接收。这些结果表明在4–12 GHz的工作带宽内没有波束斜视。同时，系统在不同信道上实现不同方向的波束赋形，显示出面向用户接收的灵活性。同时，每个信道扫描全空间所需最大延迟量仅为40 ps，而TTD方案每个阵元在相同覆盖范围内都需要625 ps。

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图3 在4-12 GHz频段中±60°内的9个波束测试方向图

    该研究将微波光子信道化技术创造性地应用在宽带相控阵系统中，将宽工作频段划分为多个窄带信道并行处理。研究具有三方面影响和意义。第一，目前大部分系统（如TTD方案）的单一静态架构难以满足点对点用户通讯需求，而CHPA可以以用户为导向在不同信道中同时独立地进行多个波束形成。第二，系统使用一种虚拟延时进行相位控制，所需的延时量远远小于真延时方案，在同时多波束和大规模阵列场景中大大降低系统的SWaP，并具备向芯片级方案的可扩展性。第三，信道化并行窄带输出不需要末端大带宽的收发组件，DSP不需要处理海量数据和数字分频段处理。

   “在实际的5G/6G通讯和雷达电子等应用网络中，用户信号通常以多载波形式分布在不同频段和不同方向，CHPA架构灵活高效地运用资源，为建立用户导向的波束形成网络提供了一种新思路。”通讯作者戴一堂教授表示，“该系统稳定可靠，且规模不受阵列数量影响，在大规模阵列应用中更加凸显优势。此外，由于光电器件集成技术的高速发展，该系统也具备全架构集成的可行性，有望进一步制造为原理样机或实体芯片，并在新一代电子通讯中展现其实用性。”

在后续工作中，研究团队将测试并优化系统的性能，如噪声系数、SWaP等；根据实际应用场景需求搭建外场环境和原理样机，进一步展示其解决实际问题的能力；优化系统组成，设计芯片级实现方案，并研发芯片模块，将其推广至电子雷达与通讯的应用领域中。

参考文献： 中国光学期刊网

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