基于微波光子信道化的相控陣（CHannelized Phased Array，CHPA）架構(gòu)如圖1(a)所示。級聯(lián)的強度-相位調(diào)制器產(chǎn)生具有N個梳齒的光頻梳，放大后經(jīng)解復用器分成N路，每一路都調(diào)制上來自不同陣元的接收信號，然后再復用到一起。周期性窄帶濾波器陣列（Periodic Narrowband Filter Array，PNFA）由M個周期和帶寬相同但波峰位置不同的FP濾波器組成，它們將寬帶一階信號進行信道化處理。同時，每一個信道的本振光頻梳都經(jīng)過一個可調(diào)光延時線對各梳齒進行相位加權(quán)——不同頻率的光載波經(jīng)過同一段延時后，附加不同的相位。然后信號與本振梳通過平衡探測器進行下變頻，得到相權(quán)調(diào)控后的各陣元信號的相干疊加。整個過程的光譜與波形演化圖如圖1(b)、(c)所示。

圖1 CHPA的結(jié)構(gòu)和示意圖。(a) CHPA的架構(gòu)；(b)在光鏈路上各節(jié)點模擬光譜演化；(c)由每個通道的延遲線控制的波形相位變化

     通過采用多波長光源和波分復用技術(shù)，不同陣元接收到的信號被排布到同一波導中的不同頻率處。通過合理設計延遲量和頻率間隔，就可以精確控制每個陣元的不同相位權(quán)重。當不同頻率和方向的波束入射時，通過調(diào)節(jié)每個信道中延遲量可以實現(xiàn)波束掃描。在圖2(a)中，光頻梳的25 GHz自由光譜范圍決定了延時掃描周期為40 ps，對應±90°的掃描范圍。隨著信道頻率的降低，延時調(diào)諧范圍也相應減小。基于時空映射關系，作為時間延遲Tv函數(shù)的陣列因子曲線可以轉(zhuǎn)換為作為方向θ函數(shù)的雷達圖，如圖2(b)和2(c)所示。

圖2 波束形成的空時映射。(a)延時量與sinθ之間的線性對應關系；(b) 角域中的波束方向圖；(c)延時域中的陣列因子

     實驗設計了如圖3所示的0°、-60°和＋60°三個角度下4GHz、8GHz和12GHz三個信道，共9個來波信號；將他們同時接入系統(tǒng)，將測量結(jié)果繪制為延遲-功率曲線，然后進行時空轉(zhuǎn)換，得到一系列波束圖案。不同信道的用戶可以在相同方向被接收；不同方向的用戶也可以在相同信道被接收。這些結(jié)果表明在4–12 GHz的工作帶寬內(nèi)沒有波束斜視。同時，系統(tǒng)在不同信道上實現(xiàn)不同方向的波束賦形，顯示出面向用戶接收的靈活性。同時，每個信道掃描全空間所需最大延遲量僅為40 ps，而TTD方案每個陣元在相同覆蓋范圍內(nèi)都需要625 ps。

圖3 在4-12 GHz頻段中±60°內(nèi)的9個波束測試方向圖

     該研究將微波光子信道化技術(shù)創(chuàng)造性地應用在寬帶相控陣系統(tǒng)中，將寬工作頻段劃分為多個窄帶信道并行處理。研究具有三方面影響和意義。第一，目前大部分系統(tǒng)（如TTD方案）的單一靜態(tài)架構(gòu)難以滿足點對點用戶通訊需求，而CHPA可以以用戶為導向在不同信道中同時獨立地進行多個波束形成。第二，系統(tǒng)使用一種虛擬延時進行相位控制，所需的延時量遠遠小于真延時方案，在同時多波束和大規(guī)模陣列場景中大大降低系統(tǒng)的SWaP，并具備向芯片級方案的可擴展性。第三，信道化并行窄帶輸出不需要末端大帶寬的收發(fā)組件，DSP不需要處理海量數(shù)據(jù)和數(shù)字分頻段處理。

    “在實際的5G/6G通訊和雷達電子等應用網(wǎng)絡中，用戶信號通常以多載波形式分布在不同頻段和不同方向，CHPA架構(gòu)靈活高效地運用資源，為建立用戶導向的波束形成網(wǎng)絡提供了一種新思路。"通訊作者戴一堂教授表示，“該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，且規(guī)模不受陣列數(shù)量影響，在大規(guī)模陣列應用中更加凸顯優(yōu)勢。此外，由于光電器件集成技術(shù)的高速發(fā)展，該系統(tǒng)也具備全架構(gòu)集成的可行性，有望進一步制造為原理樣機或?qū)嶓w芯片，并在新一代電子通訊中展現(xiàn)其實用性。"

在后續(xù)工作中，研究團隊將測試并優(yōu)化系統(tǒng)的性能，如噪聲系數(shù)、SWaP等；根據(jù)實際應用場景需求搭建外場環(huán)境和原理樣機，進一步展示其解決實際問題的能力；優(yōu)化系統(tǒng)組成，設計芯片級實現(xiàn)方案，并研發(fā)芯片模塊，將其推廣至電子雷達與通訊的應用領域中。

參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)

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