光控相控陣天線的發(fā)展歷程及工作原理

簡(jiǎn)要回顧了光控相控陣天線的發(fā)展歷程,介紹了光控相控陣天線的工作原理,探討了光控相控陣天線在衛(wèi)星載荷領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。指出高通量衛(wèi)星超寬帶應(yīng)用和多功能載荷多頻段應(yīng)用是衛(wèi)星通信的發(fā)展趨勢(shì)之一,光控相控陣天線在大口徑、超寬帶、寬角掃描方面的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯。

衛(wèi)星通信是重要的現(xiàn)代化通信手段,在國(guó)家軍事、經(jīng)濟(jì)建設(shè)等方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的不斷發(fā)展以及用戶通信對(duì)衛(wèi)星性能依賴的不斷提升,星載天線的大通信容量、高機(jī)動(dòng)、寬覆蓋、多用戶等需求日益突顯。相控陣天線自20世紀(jì)70年代開(kāi)始使用以來(lái),以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在雷達(dá)領(lǐng)域處于非常重要的地位。相控陣天線無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)向、高的二維掃描靈活性、準(zhǔn)確的波束指向,以及實(shí)現(xiàn)低的空間旁瓣所需的精密相位和幅度控制等優(yōu)點(diǎn)使其在天線領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

為滿足未來(lái)高速傳輸多種數(shù)據(jù)、快速機(jī)動(dòng)通信、多功能服務(wù)等用戶需求,衛(wèi)星系統(tǒng)要具有更寬的射頻帶寬、更強(qiáng)的波束機(jī)動(dòng)性和更高的融合度。而提高天線的有效工作射頻帶寬是提高衛(wèi)星通信容量的重要途徑之一。傳統(tǒng)的相控陣天線具備靈活的波束機(jī)動(dòng)性和高可靠性,但微波移相器的相移量通常不隨頻率變化,或者說(shuō)相移量與頻率不具備線性關(guān)系,因此信號(hào)頻率的變化將引起天線波束的指向發(fā)生偏斜,這種“孔徑效應(yīng)”嚴(yán)重制約了相控陣天線的工作帶寬。為了獲得更寬的工作帶寬,相控陣天線需要采取基于真延時(shí)機(jī)制的延遲器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的移相器。

光控波束形成技術(shù)采用光纖或光波導(dǎo)作為傳輸線,具有頻帶寬、損耗低、體積小、抗電磁干擾、無(wú)電磁泄漏和保密性好等特點(diǎn),其技術(shù)核心是通過(guò)有序的光子真延遲控制實(shí)現(xiàn)波束掃描,優(yōu)勢(shì)在于能有效克服相控陣天線系統(tǒng)的孔徑效應(yīng)等瓶頸,有效利用相控陣系統(tǒng)的工作帶寬。隨著天線技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的微波器件在相控陣天線的發(fā)展中遇到越來(lái)越多的瓶頸。Campany等[2]提出將光子技術(shù)與微波技術(shù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),形成了微波光子技術(shù),在未來(lái)衛(wèi)星載荷相控陣天線領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

1? 發(fā)展歷程

國(guó)外對(duì)光控天線的研究已經(jīng)歷了20余年的時(shí)間,從20世紀(jì)80年代至今,美國(guó)軍方一直重視光電子技術(shù)在微波領(lǐng)域的應(yīng)用,并專(zhuān)項(xiàng)專(zhuān)款長(zhǎng)期支持光控相控陣天線及相關(guān)微波光子器件的研究和開(kāi)發(fā)。經(jīng)過(guò)國(guó)際上各大公司、研究所、高校20余年的聯(lián)合努力,光控相控陣天線取得豐碩的研究成果。目前第一代和第二代光控相控陣天線地面和機(jī)載應(yīng)用研究已進(jìn)入工程化,第三代光控相控陣天線正進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室研究,星載應(yīng)用研究即將步入飛行試驗(yàn)階段。除美國(guó)外,其他國(guó)家也在積極開(kāi)展有關(guān)光控相控陣天線研究。

1.1 第一代光控相控陣天線

1985年,ITT的Gardone在實(shí)驗(yàn)室搭建了產(chǎn)生3波束的光控相控陣系統(tǒng),給出了光控陣的設(shè)計(jì)思想及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖。1994 年,Westinghouse 的Akis Goutzoulis等演示并測(cè)試了16單元、發(fā)射頻率為0.35~2.1GHz的6bit WDMTTD(波分復(fù)用實(shí)時(shí)延遲)系統(tǒng),用這種結(jié)構(gòu)緊湊的系統(tǒng)在TTD(True Time Delay)±45°的掃描范圍內(nèi)獲得了0.6~1.5GHz穩(wěn)定無(wú)偏斜的天線方向圖。

第一代光控相控陣天線主要研究光控相控陣的設(shè)計(jì)思想、技術(shù)可行性以及樣機(jī)測(cè)試情況,驗(yàn)證光控波束形成原理,確定光控相控陣天線的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)計(jì)方法。

1.2 第二代光控相控陣天線

1996年以后,光控相控陣天線主要開(kāi)展面向應(yīng)用的研究。1999年美國(guó)提出了EHF頻段通信衛(wèi)星光控相控陣天線設(shè)計(jì),衛(wèi)星采用光控波束形成網(wǎng)絡(luò),有效增加了天線帶寬,提高了衛(wèi)星的通信容量。歐洲以射電天線應(yīng)用為背景開(kāi)展了光控相控陣天線研究,2012年完成的光控相控陣天線樣機(jī)在1.1~1.5G掃描23.5°的情況下有效避免了傳統(tǒng)相控陣天線的“孔徑效應(yīng)”。

第二代光控相控陣天線完成了光控相控陣天線的二維掃描能力驗(yàn)證,掌握了可變光延時(shí)、多光束集成探測(cè)等基于光控波束形成的多波束相控陣天線關(guān)鍵技術(shù),將光控相控陣天線推向?qū)嵱秒A段。

1.3 第三代光控相控陣天線

隨著單片微波集成電路(MMIC)技術(shù)的不斷發(fā)展,現(xiàn)有光器件在體積、重量、成本等方面的不足愈發(fā)明顯。面對(duì)系統(tǒng)多功能混合集成的發(fā)展趨勢(shì),光控相控陣天線必須要在集成光波導(dǎo)上實(shí)現(xiàn)突破。

2010年,歐洲采用對(duì)硅基氮化硅波導(dǎo)微環(huán)的慢光可調(diào)諧延時(shí)開(kāi)展了波束形成網(wǎng)絡(luò)研究,其特殊的波導(dǎo)材料和結(jié)構(gòu)克服了高密度集成和損耗的瓶頸,成功研制了多種不同規(guī)模的片上光波束形成網(wǎng)絡(luò)。2014年,歐洲在基于氮化硅波導(dǎo)材料和結(jié)構(gòu)技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究混合集成技術(shù),即通過(guò)該技術(shù)完善無(wú)源光子系統(tǒng),通過(guò)集成陣列化的射頻光調(diào)制芯片完成了片上的電光轉(zhuǎn)換功能與無(wú)源光學(xué)波束網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的集成化,初步形成了有源無(wú)源混合集成光學(xué)芯片。2018年,Duarte等完成了光控相控陣天線射頻入射頻出的全光芯片的研制和演示驗(yàn)證。

第三代光控相控陣天線實(shí)現(xiàn)了光控相控陣天線高集成度設(shè)計(jì)和驗(yàn)證,需要突破有源無(wú)源芯片級(jí)集成設(shè)計(jì)和工藝,實(shí)現(xiàn)光控相控陣天線的微波光子高密度集成。

2? 工作原理

相控陣天線通過(guò)控制陣列天線中輻射單元的饋電相位來(lái)改變方向圖形狀?？刂葡辔豢梢愿淖兲炀€方向圖最大值的指向,以達(dá)到波束掃描的目的。

相對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo),天線陣面在相應(yīng)掃描角度的輻射或來(lái)波等效于平面波。當(dāng)相控陣天線波束掃描時(shí),如圖1所示,單元到達(dá)等相位面存在空間光程差,傳統(tǒng)的相控陣天線采用相位差來(lái)補(bǔ)償空間光程差。設(shè)陣元間隔為d,陣元數(shù)為N ,微波頻率為f,當(dāng)天線主瓣波束指向θ 方向時(shí),輻射方向或來(lái)波方向相鄰單元之間需要補(bǔ)充的相位差為

其中,β 為電磁波在媒質(zhì)中傳播的相位常數(shù):

其中,λ 為電磁波在媒質(zhì)中的波長(zhǎng),在真空中:

其中,c 為光速。

圖1 相控陣天線掃描原理圖

當(dāng)微波頻率f 為一固定頻率f0 時(shí),相鄰單元固定的相移? 可以補(bǔ)償輻射方向或來(lái)波方向的空間光程差,但當(dāng)信號(hào)寬帶為2Δf 時(shí),若仍保持? 為常數(shù),則:

其中,θL 為低頻點(diǎn)波束指向,θH 為高頻點(diǎn)波束指向。

由式(4)可以看出,在相控陣天線使用帶寬內(nèi),不同頻率的波束指向不同。相控陣天線在一定的頻帶寬度內(nèi)波束指向相對(duì)于中心頻點(diǎn)發(fā)生偏斜,頻帶越寬波束偏斜得越嚴(yán)重,如圖2所示。

圖3 頻率偏斜現(xiàn)象仿真結(jié)果

若引入光實(shí)時(shí)延技術(shù),當(dāng)天線主瓣波束指向θ方向時(shí),兩個(gè)相鄰單元之間需要補(bǔ)償?shù)墓獬虨?img src="https://file1.elecfans.com//web2/M00/96/92/wKgaomTnHS6AJGIOAAAtlN3blXA425.png" alt="57950a1a-2922-11ed-ba43-dac502259ad0.png" />

對(duì)于第n 陣元引入時(shí)延τn ,則:

光控相控陣天線通過(guò)時(shí)延補(bǔ)償滿足相控陣天線掃描引起的光程差,采用可變光波束形成網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)每個(gè)單元在目標(biāo)角度的等光程輻射。根據(jù)式(6),只要相控陣天線單元間距d 和掃描角度θ 確定,陣中單元需要補(bǔ)償?shù)墓獬滩罴创_定,光控波束形成網(wǎng)絡(luò)需要給相應(yīng)單元提供的光時(shí)延也就確定。光控相控陣天線采用光實(shí)時(shí)延技術(shù)補(bǔ)償相控陣天線掃描產(chǎn)生的空間光程差,掃描過(guò)程中不管微波頻率如何變化,天線主瓣波束總能指向θ 方向。

相控陣天線陣元提供光實(shí)時(shí)延(Optical True Time Delay,OTTD)是高性能相控陣天線系統(tǒng)無(wú)偏斜、寬帶設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,因?yàn)橹挥杏肙TTD技術(shù),才能實(shí)現(xiàn)相控陣天線與頻率無(wú)關(guān)的有效單元矢量累加(在接收模中)或分配(在發(fā)射模中)。因此現(xiàn)代高性能天線需采用光控相控陣技術(shù)和單元單片收/發(fā)(R/T)組件構(gòu)成的光控相控陣天線。光控相控陣天線采用實(shí)時(shí)延技術(shù)需解決的主要問(wèn)題包括時(shí)延范圍、時(shí)延步長(zhǎng)以及延遲精度,在實(shí)現(xiàn)這些指標(biāo)的基礎(chǔ)上,還需減小光鏈路損耗、縮短延時(shí)器開(kāi)關(guān)切換時(shí)間。

光控波束形成天線原理框圖如圖4所示。

圖4 光控波束形成天線原理框圖

光控相控陣天線由天線陣面、T/R 組件、電光調(diào)制器、收/發(fā)光控波束形成網(wǎng)絡(luò)、光電解調(diào)器以及波控機(jī)組成,可以實(shí)現(xiàn)多波束收發(fā)功能。發(fā)射狀態(tài):射頻信號(hào)(可以來(lái)自同一信號(hào)也可以是不同信號(hào))通過(guò)電光調(diào)制器對(duì)激光器發(fā)出的光信號(hào)進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制,得到調(diào)制的光波信號(hào),再經(jīng)發(fā)射光控波束形成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行波束形成;到達(dá)光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成射頻信號(hào),經(jīng)放大后通過(guò)輻射單元發(fā)射射頻(RF)信號(hào);接收狀態(tài):天線單元接收到的射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)低噪聲放大器放大后通過(guò)電光調(diào)制器對(duì)激光器發(fā)出的光信號(hào)進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制,得到調(diào)制的光波信號(hào),再經(jīng)接收光控波束形成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行波束形成,到達(dá)光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成射頻信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)。其中發(fā)射光控波束形成網(wǎng)絡(luò)和接收光控波束形成網(wǎng)絡(luò)是一樣的,只是用途不同,其內(nèi)部采用可變延時(shí)器和固定延時(shí)器實(shí)現(xiàn)可動(dòng)波束和固定波束。

3? 星載應(yīng)用

盡管傳統(tǒng)的相控陣天線具備靈活的波束機(jī)動(dòng)性和高可靠性,但微波移相器的相移量通常不隨頻率變化,或者說(shuō)相移量與頻率不具備線性關(guān)系,因此信號(hào)頻率的變化將引起天線波束的指向發(fā)生偏斜,這種“孔徑效應(yīng)”嚴(yán)重制約了相控陣天線的工作帶寬。為了獲得更寬的工作帶寬,需要采取基于真延時(shí)機(jī)制的延遲器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的移相器進(jìn)行移相。

基于光控波束形成技術(shù)實(shí)現(xiàn)的波束形成網(wǎng)絡(luò)稱為光控波束形成網(wǎng)絡(luò),采用光控波束形成網(wǎng)絡(luò)的相控陣天線稱為光控相控陣天線。光控相控陣天線通過(guò)引入光實(shí)時(shí)延遲線(OTTD),避免了傳統(tǒng)相控陣天線因“渡越時(shí)間”和“孔徑效應(yīng)”對(duì)信號(hào)瞬時(shí)帶寬的限制,可以滿足大口徑相控陣天線的寬帶寬角掃描應(yīng)用。另外,光纖傳輸具有低損耗、寬頻帶、抗干擾等固有優(yōu)點(diǎn),可以提高天線和波束形成網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離和傳輸性能?；诠饪夭ㄊ纬删W(wǎng)絡(luò)技術(shù)的天線將是未來(lái)星載天線技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

隨著地面用戶需求的增加和衛(wèi)星通信能力的提升,星載大孔徑陣列天線和大孔徑相控陣天線逐漸增多,“渡越時(shí)間”同樣制約了陣列相控陣天線的工作帶寬,當(dāng)寬帶相控陣天線孔徑渡越時(shí)間大于信號(hào)帶寬的倒數(shù)時(shí),陣列兩端天線單元信號(hào)不能同時(shí)相加,需要對(duì)相控陣天線單元或子陣后端接開(kāi)關(guān)控制的無(wú)色散延遲線實(shí)現(xiàn)信號(hào)同步。同時(shí),大孔徑相控陣天線掃描存在物理尺寸的過(guò)周期現(xiàn)象,大規(guī)模陣列相干合成同樣需要天線單元或子陣采用大比特延遲線進(jìn)行補(bǔ)償。

車(chē)、船和飛機(jī)等用戶對(duì)衛(wèi)星通信的需求不斷增加,需要傳送的業(yè)務(wù)類(lèi)型多,包括語(yǔ)音、圖像、數(shù)據(jù)等多種信息,大容量是通信衛(wèi)星需要解決的問(wèn)題。星載通信領(lǐng)域工作的頻段越高所獲取的有效帶寬越大,傳輸?shù)男畔⒃蕉?現(xiàn)階段通信衛(wèi)星載荷工作在Ka甚至更高的工作頻段,并且要求星載有效載荷具有較寬的帶寬。隨著地面用戶數(shù)量的不斷增長(zhǎng),對(duì)通信容量的需求也不斷增加,需要未來(lái)通信衛(wèi)星具有更寬的射頻帶寬、更多的波束、更強(qiáng)的波束機(jī)動(dòng)性。多波束天線可以通過(guò)頻率復(fù)用成倍地提高通信容量,使得寶貴的頻譜資源得以有效利用。在相同的服務(wù)區(qū)范圍內(nèi),采用多波束代替一個(gè)波束覆蓋,可以收窄單個(gè)波束,提高覆蓋范圍內(nèi)的波束增益,使地面站的設(shè)備小型化;同時(shí),波束還可根據(jù)需要進(jìn)行掃描,從而提高系統(tǒng)靈活性。提高天線的有效工作射頻帶寬并采用多波束天線技術(shù)是未來(lái)高通量衛(wèi)星發(fā)展的重要途徑,采用多波束相控陣天線技術(shù)是滿足多波束機(jī)動(dòng)性的手段之一。

實(shí)現(xiàn)多波束掃描的相控陣技術(shù)有多種,以波束形成方式來(lái)分,目前多波束相控陣技術(shù)包括射頻波束形成、數(shù)字波束形成、光控波束形成三類(lèi)。多波束相控陣技術(shù)都具備靈活的波束機(jī)動(dòng)性和高可靠性。各類(lèi)星載相控陣技術(shù)的適用范圍如圖5所示,基于射頻的相控陣多波束網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的可動(dòng)多波束隨波束數(shù)目的增加付出的代價(jià)也成倍增加,實(shí)際工程中較大規(guī)模的波束數(shù)目難以實(shí)現(xiàn)?；跀?shù)字的相控陣多波束網(wǎng)絡(luò)目前不易實(shí)現(xiàn)寬帶特性,工程中難以在超寬帶系統(tǒng)中應(yīng)用。光控波束形成技術(shù)采用光纖作為傳輸線,具有頻帶寬、損耗低、容易實(shí)現(xiàn)多波束等特點(diǎn),基于光控波束形成的多波束相控陣技術(shù)在同時(shí)實(shí)現(xiàn)寬帶和多波束方面優(yōu)勢(shì)明顯,是通信衛(wèi)星有效載荷技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。

圖5 星載相控陣技術(shù)的適用范圍

光控相控陣技術(shù)的關(guān)鍵是光控波束形成網(wǎng)絡(luò),其核心是光控波束形成技術(shù)。光控波束形成技術(shù)在實(shí)現(xiàn)途徑上又可以分為基于光色散的光控波束形成、基于羅特曼透鏡的光控波束形成、基于空間光調(diào)制的光控波束形成、基于光學(xué)諧振環(huán)的光控波束形成、基于光程切換的光控波束形成等。其中,基于光色散的光控波束形成技術(shù)通過(guò)改變輸入波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)連續(xù)掃描,該方案完成了一維掃描的演示,但是受限于光波長(zhǎng)的穩(wěn)定性,其普適性不足,并未成為主流方案進(jìn)行推廣?；诹_特曼透鏡的光控波束形成技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)一維掃描,即使通過(guò)兩級(jí)羅德曼透鏡進(jìn)行拓展,仍存在波位相對(duì)固定,不能對(duì)波束外形進(jìn)行主動(dòng)調(diào)控等問(wèn)題,限制了其應(yīng)用范圍?；诳臻g光調(diào)制的光控波束形成技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)集成化和空間多波束,一度作為日本超高速因特網(wǎng)同步軌道通信衛(wèi)星的后繼方案,但該方案對(duì)力學(xué)和空間環(huán)境要求較高,截至目前并未實(shí)現(xiàn)星載應(yīng)用?；诠鈱W(xué)諧振環(huán)的光控波束形成技術(shù)結(jié)構(gòu)易于集成化,可以在光芯片上實(shí)現(xiàn)多通道光學(xué)波束形成網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì),經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究與試驗(yàn),該方案地面已經(jīng)達(dá)到實(shí)用階段,但是其對(duì)溫度相對(duì)敏感,阻礙了其空間應(yīng)用的工程化進(jìn)程?；诠獬糖袚Q的光控波束形成技術(shù)具有技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn),通道延時(shí)完全由光通道長(zhǎng)度決定,理論上可以任意延時(shí),其他指標(biāo),如切換時(shí)間、隔離度、插入損耗等主要由光開(kāi)關(guān)決定,該方案的空間環(huán)境適應(yīng)性好,是目前星載通信領(lǐng)域光控相控陣天線研究的熱點(diǎn)。

早在20世紀(jì)末,美國(guó)就已經(jīng)對(duì)通信衛(wèi)星相控陣技術(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了多方案比較研究,其中相控陣技術(shù)采用光控波束形成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)可以有效增加帶寬,提高衛(wèi)星的通信容量。近年來(lái),Thales,AirBus,DAS等宇航公司均開(kāi)展了大量針對(duì)航天應(yīng)用的微波光子載荷研究。國(guó)內(nèi)在20世紀(jì)90年代開(kāi)始了光控相控陣天線的研究,中國(guó)電科29所在2012年研制的16元陣光控相控陣天線樣機(jī),其瞬時(shí)帶寬達(dá)到6GHz,掌握了光控波束形成技術(shù)的基本原理、設(shè)計(jì)方法、調(diào)控手段和實(shí)現(xiàn)途徑。2011年,西安空間無(wú)線電技術(shù)研究所率先開(kāi)展了星載光控相控陣天線技術(shù)研究,采用基于磁光開(kāi)關(guān)的光程切換光控波束形成技術(shù)方案,完成了星載S波段19元8波束光控相控陣天線原理樣機(jī)的研制,突破了高靈敏電光轉(zhuǎn)換、可變光延時(shí)、多光束集成探測(cè)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),研制的8波束光控波束形成網(wǎng)絡(luò)具有帶寬大、抗電磁干擾、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)。2016年突破了可變光延遲網(wǎng)絡(luò)的芯片化研究,采用基于片上熱光開(kāi)關(guān)的光程切換光控波束形成技術(shù)方案,完成了基于集成光波導(dǎo)的Ka頻段4波束高集成度光控相控陣天線研制,突破了亞皮秒級(jí)高精度可變光延時(shí)控制、微波光子芯片的混合集成與封裝等關(guān)鍵技術(shù),針對(duì)性地開(kāi)展了微波光子器件和芯片的空間環(huán)境試驗(yàn),提升了光控相控陣天線空間應(yīng)用的技術(shù)成熟度。

4? 需要解決的問(wèn)題及挑戰(zhàn)

光控相控陣天線在超寬帶相控陣天線領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢(shì),但是由于電光變換的差入損耗大,光電器件體積重量大,可變光網(wǎng)絡(luò)的高精度延時(shí)控制問(wèn)題,以及光電器件空間環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證的充分性,都限制了光控相控陣天線的星載應(yīng)用。截至目前,國(guó)際上鮮有光控多波束超寬帶相控陣天線在軌應(yīng)用的報(bào)道。隨著集成光學(xué)的不斷發(fā)展,星載光控相控陣天線的應(yīng)用前景變得愈發(fā)明朗。

基于微波光子芯片的光控相控陣天線技術(shù)是未來(lái)光控相控陣天線發(fā)展的趨勢(shì)之一,也是未來(lái)光控相控陣天線實(shí)現(xiàn)星載應(yīng)用的主要途徑,但是現(xiàn)階段微波光子芯片還面臨一些關(guān)鍵技術(shù)需要攻關(guān)。

光控相控陣天線系統(tǒng)中高頻段電光外調(diào)制器的電光轉(zhuǎn)換損耗大,這個(gè)問(wèn)題短時(shí)間內(nèi)難以解決,加上光分路器、光芯片等無(wú)源光器件的差入損耗,整個(gè)光通道射頻差入損耗較大,在接收天線陣列系統(tǒng)中,需要高增益、低噪放組件來(lái)保證系統(tǒng)噪聲系數(shù)滿足星載使用要求,高增益、高集成度、低噪放組件的功耗、散熱以及多通道時(shí)延一致性等技術(shù)需要進(jìn)一步攻關(guān)。

光控相控陣接收天線的一個(gè)單元或一個(gè)子陣需要配置一組調(diào)制器和激光器,激光器的自動(dòng)溫度控制和自動(dòng)功率控制功耗較大,大規(guī)模陣列星載應(yīng)用必將導(dǎo)致系統(tǒng)的體積、重量、功耗、成本等約束難以控制,需要開(kāi)展有源光陣列的高密度集成和高效率散熱等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。

現(xiàn)階段國(guó)際上可變光延時(shí)網(wǎng)絡(luò)芯片采用的光開(kāi)關(guān)大都采用工藝比較成熟的熱光開(kāi)關(guān)方案,但是在星載通信領(lǐng)域應(yīng)用中存在開(kāi)關(guān)速度慢、功耗大等工程問(wèn)題,基于集成光波導(dǎo)的低功耗高速響應(yīng)片上光開(kāi)關(guān)技術(shù)是解決工程應(yīng)用的主要方向,也是現(xiàn)階段研究的熱點(diǎn)。

片上光放大器受制于工藝和高集成芯片散熱等技術(shù)問(wèn)題,很大程度上制約了大規(guī)模光控相控陣天線片上一體化設(shè)計(jì)。現(xiàn)階段光控相控陣天線片上系統(tǒng)中的光放大器大多采用光纖連接的方式外掛到芯片外圍,單獨(dú)封裝設(shè)計(jì),很大程度上影響了光控波束形成片上系統(tǒng)的一體化集成水平。在現(xiàn)有的光芯片體系下實(shí)現(xiàn)高效率片上光放大器集成是光控波束形成片上系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

光控相控陣天線實(shí)現(xiàn)星載通信領(lǐng)域應(yīng)用除上述幾個(gè)問(wèn)題及挑戰(zhàn)外,隨著工程應(yīng)用的研究深入還有可能遇到空間環(huán)境等諸多需要解決的問(wèn)題。

5? 結(jié)論

本文介紹了相控陣天線在星載通信領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀和光控相控陣天線的優(yōu)勢(shì),總結(jié)了光控相控陣天線的進(jìn)展歷程,論述了光控相控陣天線的工作原理。光控相控陣天線是未來(lái)星載大孔徑多波束相控陣天線寬帶寬角掃描的重要實(shí)現(xiàn)途徑,是下一代高通量衛(wèi)星發(fā)展的方向之一。國(guó)內(nèi)外對(duì)光控相控陣天線星載應(yīng)用的探索取得了一定的成果,但是在大規(guī)模高集成陣列的星載工程應(yīng)用上還面臨諸多問(wèn)題和挑戰(zhàn)。光控波束形成一體化片上系統(tǒng)是未來(lái)光控相控陣的發(fā)展趨勢(shì),對(duì)衛(wèi)星通信載荷的發(fā)展具有重要意義。

審核編輯：湯梓紅