基于微波光子技术的构架和路线探讨 （四）

(4) 简化系统复杂度的优势明显。

在使用微波光子进行频率变换时，光载波频率极高，可实现高频微波信号到基带信号的低变频损耗的单次下变频，同时仍可保持较高的镜频干扰抑制，从而有效地避免了多级频率变换带来的损耗和复杂度提升。此外，该技术可以和光波分复用技术相结合，实现一次性将多端口的射频信号与单本振信号上 / 下变频 。进一步地，将该方案与微波光子波束赋形网络的设计相结合，可以基于新的架构，在省略了传统的复杂的本振馈送网络的同时，建立灵活高效的信号收发链路。

3.3 微波光子相控阵的关键技术

与传统的光开关、光交换、光逻辑等数字信号处理功能完全不同，微波光子技术面向的是宽带微波信号，其进行的是模拟信号的光处理。其实质上是将“电域上超宽带的微波信号处理问题”转化为“光域上极窄带的模拟信号处理问题”。因此，微波光子技术应用于相控阵雷达系统中，在提供了上述诸多优势的同时，也必将会遇到一些新的难点和技术挑战。涉及到的关键技术有：

(1) 高性能器件及芯片。

随着收发信道容量的增加，微波光子相控阵系统对直调激光器的调制带宽和线性度的要求势必越来越高，尤其需要衡量其 1 dB 压缩点以及激光器谐振非线性两项指标。调和空间烧孔效应，增加整个腔内载流子的利用率均匀性，提高 1 dB 压缩点；同时削弱光子载流子的非线性复合，削弱激光器谐振非线性，成为激光器阵列混合集成芯片制作中的关键技术。虽然国外很多科研单位和研究人员在单个模拟直调激光器改善带宽和减小非线性等方面都有广泛研究，但是对于模拟直调半导体激光器等高性能多波长激光器阵列，目前尚缺乏相关报道。

其次，对于微波光子相控阵的阵列化应用，波长的准确控制是激光器阵列非常重要的技术指标。电子束曝光技术受到拼接误差及外界环境影响，由其制作的 DFB 激光器波长精度难达到 1 nm 以内。目前理论研究发现，基于纳米压印技术的激光器波长精度误差可控制在±0.2 nm，但未见工程应用报道。

就微波光子相控阵来说，其广泛使用的模拟光传输链路对于高饱和功率光电探测的需求日益迫切。微波光子相控阵天线需要接收高功率模拟信号，势必要求探测器有高线性度和高动态范围，从而减小信号失真并且易于提高传输容量。目前来看，由于探测器中光生载流子的空间电荷效应，探测器在饱和功率下遇到较大困难，是目前国际上尚未解决的一个关键技术难点。

(2) 高频宽带的微波信号与光载波之间高效线性相互作用与能量转换。

超宽带射频信号可以表示为包含若干中心角频率为 wk 信号的通频带信号，如式(1)表示

其中， pk (t)为信号的振幅包络。

连续光波通过电光调制器，被注入的超宽带射频信号所调制。电光调制器的传递函数可表示为

其中，为调制器的偏置角度 ,为调制器的半波电压，分别为 0 阶和 1 阶贝塞尔函数。

由式(2)可知，超宽带工作状态下，频率为的信号将既受到载波间的互调失真影响，又受到带内的交调失真影响，两种失真并存，共同影响着信号的线性接收。因此，多源非线性的共同抑制和补偿是超宽带高性能系统中的重要研究内容。各类噪声是限制微波光子链路接收微弱信号的主要因素，系统自身的噪声特性好坏直接影响到链路弱信号检测能力。当前，微波光子链路的噪声系数仍普遍在 20 dB 以上，极大地制约了其在相控阵雷达中的应用。

非线性和噪声对微波光子链路性能的影响可以通过链路 SFDR 这一指标来衡量，其综合体现了一个系统克服噪声影响，处理微弱信号的能力以及克服非线性失真影响，接收和处理强信号的能力。在过去的几十年里，各国的专家学者围绕模拟光链路动态范围的提升问题展开了大量的研究工作。概括来说，无外乎从提高链路的信噪比(降低链路噪声系数)以及提高链路的线性度两方面入手。主要包括了调节激光器输出功率、降低激光器 RIN 值、低偏置技术、光载波过滤技术、双波长注入技术、调制其的级联(串联 / 并联)技术、平衡探测技术、预失真、失真后补偿技术等。表 1 对提升微波光子链路(Radio Over Fiber, ROF)动态范围的几种关键技术的主要优缺点进行了比较。

表 1 大动态范围微波光子链路实现手段的优缺点比较

从表 1 可以看出，纵然微波光子链路可以通过采取一定的手段获得极高的动态范围，但在实际应用中，仍需要综合考虑链路的指标、系统实现的复杂度、成本等多方面的因素，特别是系统稳定性、复杂度及成本等，成为了制约现有大动态范围微波光子链路实现方法在微波光子相控阵中大规模工程应用的关键因素。

(3) 微波模拟信号的光域处理与精细灵活调控。

由于光波的频率比微波的频率高 3～5 个数量级，在光域进行微波信号的处理实际上就是进行超窄带的模拟信号处理，这就需要在光域上直接对带宽仅为 GHz 甚至百 MHz 量级的微波信号的幅度和相位进行精细控制。下面以微波光子滤波和高性能模数转换为例进行说明。

在宽带微波模拟信号的产生和处理时，往往需要对宽带信号的时域波形和频谱进行灵活地控制，以满足一些特定的要求。比如在超宽带微波光子相控阵应用中，一方面要通过控制超宽带信号的时域波形，使脉冲的频谱能够尽可能逼近美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission,FCC)制定的世界通用频谱规范；另一方面还要在光域实现对超宽带脉冲信号的高速调制和编码，以满足未来超宽带微波光子相控阵系统灵活接入的需求。但需要注意的是，微波光子系统输出的微波信号幅度与光电探测器接收到的光功率是成正比的。遗憾的是，光功率没有负值，因此一般情况下基于数字滤波思想构成的微波光子滤波器只能是产生正抽头系数的微波信号处理系统。这就大大限制了系统的可调谐性和可重构能力。纵然可以通过差分检测、混合光电方法、利用电光调制器反向特性或者光器件的非线性效应来实现负抽头系数的微波光子滤波器 ，然而这样的滤波器在实现上往往需要精心地设计，难免在实用性和可靠性上大打折扣。