簡要回顧了光控相控陣天線的發展歷程,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星載荷領域的應用優勢。指出高通量衛星超寬帶應用和多功能載荷多頻段應用是衛星通信的發展趨勢之一,光控相控陣天線在大口徑、超寬帶、寬角掃描方面的應用優勢明顯。

衛星通信是重要的現代化通信手段,在國家軍事、經濟建設等方面發揮著越來越重要的作用。隨著衛星通信技術的不斷發展以及用戶通信對衛星性能依賴的不斷提升,星載天線的大通信容量、高機動、寬覆蓋、多用戶等需求日益突顯。相控陣天線自20世紀70年代開始使用以來,以其獨特的優勢在雷達領域處于非常重要的地位。相控陣天線無機械運動的轉向、高的二維掃描靈活性、準確的波束指向,以及實現低的空間旁瓣所需的精密相位和幅度控制等優點使其在天線領域得到廣泛應用。

為滿足未來高速傳輸多種數據、快速機動通信、多功能服務等用戶需求,衛星系統要具有更寬的射頻帶寬、更強的波束機動性和更高的融合度。而提高天線的有效工作射頻帶寬是提高衛星通信容量的重要途徑之一。傳統的相控陣天線具備靈活的波束機動性和高可靠性,但微波移相器的相移量通常不隨頻率變化,或者說相移量與頻率不具備線性關系,因此信號頻率的變化將引起天線波束的指向發生偏斜,這種“孔徑效應”嚴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機制的延遲器件代替傳統的移相器。

光控波束形成技術采用光纖或光波導作為傳輸線,具有頻帶寬、損耗低、體積小、抗電磁干擾、無電磁泄漏和保密性好等特點,其技術核心是通過有序的光子真延遲控制實現波束掃描,優勢在于能有效克服相控陣天線系統的孔徑效應等瓶頸,有效利用相控陣系統的工作帶寬。隨著天線技術的發展,傳統的微波器件在相控陣天線的發展中遇到越來越多的瓶頸。Campany等[2]提出將光子技術與微波技術相結合,實現優勢互補,形成了微波光子技術,在未來衛星載荷相控陣天線領域具有較好的應用前景。

1? 發展歷程

國外對光控天線的研究已經歷了20余年的時間,從20世紀80年代至今,美國軍方一直重視光電子技術在微波領域的應用,并專項專款長期支持光控相控陣天線及相關微波光子器件的研究和開發。經過國際上各大公司、研究所、高校20余年的聯合努力,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載應用研究已進入工程化,第三代光控相控陣天線正進行實驗室研究,星載應用研究即將步入飛行試驗階段。除美國外,其他國家也在積極開展有關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在實驗室搭建了產生3波束的光控相控陣系統,給出了光控陣的設計思想及實驗系統圖。1994 年,Westinghouse 的Akis Goutzoulis等演示并測試了16單元、發射頻率為0.35~2.1GHz的6bit WDMTTD(波分復用實時延遲)系統,用這種結構緊湊的系統在TTD(True Time Delay)±45°的掃描范圍內獲得了0.6~1.5GHz穩定無偏斜的天線方向圖。

第一代光控相控陣天線主要研究光控相控陣的設計思想、技術可行性以及樣機測試情況,驗證光控波束形成原理,確定光控相控陣天線的關鍵技術和設計方法。

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展面向應用的研究。1999年美國提出了EHF頻段通信衛星光控相控陣天線設計,衛星采用光控波束形成網絡,有效增加了天線帶寬,提高了衛星的通信容量。歐洲以射電天線應用為背景開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在1.1~1.5G掃描23.5°的情況下有效避免了傳統相控陣天線的“孔徑效應”。

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證,掌握了可變光延時、多光束集成探測等基于光控波束形成的多波束相控陣天線關鍵技術,將光控相控陣天線推向實用階段。

1.3 第三代光控相控陣天線

隨著單片微波集成電路(MMIC)技術的不斷發展,現有光器件在體積、重量、成本等方面的不足愈發明顯。面對系統多功能混合集成的發展趨勢,光控相控陣天線必須要在集成光波導上實現突破。

2010年,歐洲采用對硅基氮化硅波導微環的慢光可調諧延時開展了波束形成網絡研究,其特殊的波導材料和結構克服了高密度集成和損耗的瓶頸,成功研制了多種不同規模的片上光波束形成網絡。2014年,歐洲在基于氮化硅波導材料和結構技術的基礎上進一步研究混合集成技術,即通過該技術完善無源光子系統,通過集成陣列化的射頻光調制芯片完成了片上的電光轉換功能與無源光學波束網絡系統的集成化,初步形成了有源無源混合集成光學芯片。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證。

第三代光控相控陣天線實現了光控相控陣天線高集成度設計和驗證,需要突破有源無源芯片級集成設計和工藝,實現光控相控陣天線的微波光子高密度集成。

2? 工作原理

相控陣天線通過控制陣列天線中輻射單元的饋電相位來改變方向圖形狀。控制相位可以改變天線方向圖最大值的指向,以達到波束掃描的目的。

相對于遠場目標,天線陣面在相應掃描角度的輻射或來波等效于平面波。當相控陣天線波束掃描時,如圖1所示,單元到達等相位面存在空間光程差,傳統的相控陣天線采用相位差來補償空間光程差。設陣元間隔為d,陣元數為N ,微波頻率為f,當天線主瓣波束指向θ 方向時,輻射方向或來波方向相鄰單元之間需要補充的相位差為

其中,β 為電磁波在媒質中傳播的相位常數:

其中,λ 為電磁波在媒質中的波長,在真空中:

其中,c 為光速。

圖1 相控陣天線掃描原理圖

當微波頻率f 為一固定頻率f0 時,相鄰單元固定的相移? 可以補償輻射方向或來波方向的空間光程差,但當信號寬帶為2Δf 時,若仍保持? 為常數,則:

其中,θL 為低頻點波束指向,θH 為高頻點波束指向。

由式(4)可以看出,在相控陣天線使用帶寬內,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波束指向相對于中心頻點發生偏斜,頻帶越寬波束偏斜得越嚴重,如圖2所示。

圖3 頻率偏斜現象仿真結果

若引入光實時延技術,當天線主瓣波束指向θ方向時,兩個相鄰單元之間需要補償的光程為

對于第n 陣元引入時延τn ,則:

光控相控陣天線通過時延補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絡實現每個單元在目標角度的等光程輻射。根據式(6),只要相控陣天線單元間距d 和掃描角度θ 確定,陣中單元需要補償的光程差即確定,光控波束形成網絡需要給相應單元提供的光時延也就確定。光控相控陣天線采用光實時延技術補償相控陣天線掃描產生的空間光程差,掃描過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時延(Optical True Time Delay,OTTD)是高性能相控陣天線系統無偏斜、寬帶設計的關鍵,因為只有用OTTD技術,才能實現相控陣天線與頻率無關的有效單元矢量累加(在接收模中)或分配(在發射模中)。因此現代高性能天線需采用光控相控陣技術和單元單片收/發(R/T)組件構成的光控相控陣天線。光控相控陣天線采用實時延技術需解決的主要問題包括時延范圍、時延步長以及延遲精度,在實現這些指標的基礎上,還需減小光鏈路損耗、縮短延時器開關切換時間。

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、電光調制器、收/發光控波束形成網絡、光電解調器以及波控機組成,可以實現多波束收發功能。發射狀態:射頻信號(可以來自同一信號也可以是不同信號)通過電光調制器對激光器發出的光信號進行強度調制,得到調制的光波信號,再經發射光控波束形成網絡進行波束形成;到達光電探測器將光信號轉換成射頻信號,經放大后通過輻射單元發射射頻(RF)信號;接收狀態:天線單元接收到的射頻信號經過低噪聲放大器放大后通過電光調制器對激光器發出的光信號進行強度調制,得到調制的光波信號,再經接收光控波束形成網絡進行波束形成,到達光電探測器將光信號轉換成射頻信號進入接收機。其中發射光控波束形成網絡和接收光控波束形成網絡是一樣的,只是用途不同,其內部采用可變延時器和固定延時器實現可動波束和固定波束。

3? 星載應用

盡管傳統的相控陣天線具備靈活的波束機動性和高可靠性,但微波移相器的相移量通常不隨頻率變化,或者說相移量與頻率不具備線性關系,因此信號頻率的變化將引起天線波束的指向發生偏斜,這種“孔徑效應”嚴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機制的延遲器件代替傳統的移相器進行移相。

基于光控波束形成技術實現的波束形成網絡稱為光控波束形成網絡,采用光控波束形成網絡的相控陣天線稱為光控相控陣天線。光控相控陣天線通過引入光實時延遲線(OTTD),避免了傳統相控陣天線因“渡越時間”和“孔徑效應”對信號瞬時帶寬的限制,可以滿足大口徑相控陣天線的寬帶寬角掃描應用。另外,光纖傳輸具有低損耗、寬頻帶、抗干擾等固有優點,可以提高天線和波束形成網絡的傳輸距離和傳輸性能。基于光控波束形成網絡技術的天線將是未來星載天線技術發展的一個重要方向。

隨著地面用戶需求的增加和衛星通信能力的提升,星載大孔徑陣列天線和大孔徑相控陣天線逐漸增多,“渡越時間”同樣制約了陣列相控陣天線的工作帶寬,當寬帶相控陣天線孔徑渡越時間大于信號帶寬的倒數時,陣列兩端天線單元信號不能同時相加,需要對相控陣天線單元或子陣后端接開關控制的無色散延遲線實現信號同步。同時,大孔徑相控陣天線掃描存在物理尺寸的過周期現象,大規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行補償。

車、船和飛機等用戶對衛星通信的需求不斷增加,需要傳送的業務類型多,包括語音、圖像、數據等多種信息,大容量是通信衛星需要解決的問題。星載通信領域工作的頻段越高所獲取的有效帶寬越大,傳輸的信息越多,現階段通信衛星載荷工作在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。隨著地面用戶數量的不斷增長,對通信容量的需求也不斷增加,需要未來通信衛星具有更寬的射頻帶寬、更多的波束、更強的波束機動性。多波束天線可以通過頻率復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。在相同的服務區范圍內,采用多波束代替一個波束覆蓋,可以收窄單個波束,提高覆蓋范圍內的波束增益,使地面站的設備小型化;同時,波束還可根據需要進行掃描,從而提高系統靈活性。提高天線的有效工作射頻帶寬并采用多波束天線技術是未來高通量衛星發展的重要途徑,采用多波束相控陣天線技術是滿足多波束機動性的手段之一。

實現多波束掃描的相控陣技術有多種,以波束形成方式來分,目前多波束相控陣技術包括射頻波束形成、數字波束形成、光控波束形成三類。多波束相控陣技術都具備靈活的波束機動性和高可靠性。各類星載相控陣技術的適用范圍如圖5所示,基于射頻的相控陣多波束網絡實現的可動多波束隨波束數目的增加付出的代價也成倍增加,實際工程中較大規模的波束數目難以實現。基于數字的相控陣多波束網絡目前不易實現寬帶特性,工程中難以在超寬帶系統中應用。光控波束形成技術采用光纖作為傳輸線,具有頻帶寬、損耗低、容易實現多波束等特點,基于光控波束形成的多波束相控陣技術在同時實現寬帶和多波束方面優勢明顯,是通信衛星有效載荷技術發展的重要方向之一。

圖5 星載相控陣技術的適用范圍

光控相控陣技術的關鍵是光控波束形成網絡,其核心是光控波束形成技術。光控波束形成技術在實現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、基于空間光調制的光控波束形成、基于光學諧振環的光控波束形成、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通過改變輸入波長實現連續掃描,該方案完成了一維掃描的演示,但是受限于光波長的穩定性,其普適性不足,并未成為主流方案進行推廣。基于羅特曼透鏡的光控波束形成技術只能實現一維掃描,即使通過兩級羅德曼透鏡進行拓展,仍存在波位相對固定,不能對波束外形進行主動調控等問題,限制了其應用范圍。基于空間光調制的光控波束形成技術易于實現集成化和空間多波束,一度作為日本超高速因特網同步軌道通信衛星的后繼方案,但該方案對力學和空間環境要求較高,截至目前并未實現星載應用。基于光學諧振環的光控波束形成技術結構易于集成化,可以在光芯片上實現多通道光學波束形成網絡的設計,經過長期研究與試驗,該方案地面已經達到實用階段,但是其對溫度相對敏感,阻礙了其空間應用的工程化進程。基于光程切換的光控波束形成技術具有技術成熟、結構簡單等特點,通道延時完全由光通道長度決定,理論上可以任意延時,其他指標,如切換時間、隔離度、插入損耗等主要由光開關決定,該方案的空間環境適應性好,是目前星載通信領域光控相控陣天線研究的熱點。

早在20世紀末,美國就已經對通信衛星相控陣技術設計進行了多方案比較研究,其中相控陣技術采用光控波束形成網絡設計可以有效增加帶寬,提高衛星的通信容量。近年來,Thales,AirBus,DAS等宇航公司均開展了大量針對航天應用的微波光子載荷研究。國內在20世紀90年代開始了光控相控陣天線的研究,中國電科29所在2012年研制的16元陣光控相控陣天線樣機,其瞬時帶寬達到6GHz,掌握了光控波束形成技術的基本原理、設計方法、調控手段和實現途徑。2011年,西安空間無線電技術研究所率先開展了星載光控相控陣天線技術研究,采用基于磁光開關的光程切換光控波束形成技術方案,完成了星載S波段19元8波束光控相控陣天線原理樣機的研制,突破了高靈敏電光轉換、可變光延時、多光束集成探測等多項關鍵技術,研制的8波束光控波束形成網絡具有帶寬大、抗電磁干擾、尺寸小等優點。2016年突破了可變光延遲網絡的芯片化研究,采用基于片上熱光開關的光程切換光控波束形成技術方案,完成了基于集成光波導的Ka頻段4波束高集成度光控相控陣天線研制,突破了亞皮秒級高精度可變光延時控制、微波光子芯片的混合集成與封裝等關鍵技術,針對性地開展了微波光子器件和芯片的空間環境試驗,提升了光控相控陣天線空間應用的技術成熟度。

4? 需要解決的問題及挑戰

光控相控陣天線在超寬帶相控陣天線領域具有明顯的優勢,但是由于電光變換的差入損耗大,光電器件體積重量大,可變光網絡的高精度延時控制問題,以及光電器件空間環境適應性驗證的充分性,都限制了光控相控陣天線的星載應用。截至目前,國際上鮮有光控多波束超寬帶相控陣天線在軌應用的報道。隨著集成光學的不斷發展,星載光控相控陣天線的應用前景變得愈發明朗。

基于微波光子芯片的光控相控陣天線技術是未來光控相控陣天線發展的趨勢之一,也是未來光控相控陣天線實現星載應用的主要途徑,但是現階段微波光子芯片還面臨一些關鍵技術需要攻關。

光控相控陣天線系統中高頻段電光外調制器的電光轉換損耗大,這個問題短時間內難以解決,加上光分路器、光芯片等無源光器件的差入損耗,整個光通道射頻差入損耗較大,在接收天線陣列系統中,需要高增益、低噪放組件來保證系統噪聲系數滿足星載使用要求,高增益、高集成度、低噪放組件的功耗、散熱以及多通道時延一致性等技術需要進一步攻關。

光控相控陣接收天線的一個單元或一個子陣需要配置一組調制器和激光器,激光器的自動溫度控制和自動功率控制功耗較大,大規模陣列星載應用必將導致系統的體積、重量、功耗、成本等約束難以控制,需要開展有源光陣列的高密度集成和高效率散熱等關鍵技術攻關。

現階段國際上可變光延時網絡芯片采用的光開關大都采用工藝比較成熟的熱光開關方案,但是在星載通信領域應用中存在開關速度慢、功耗大等工程問題,基于集成光波導的低功耗高速響應片上光開關技術是解決工程應用的主要方向,也是現階段研究的熱點。

片上光放大器受制于工藝和高集成芯片散熱等技術問題,很大程度上制約了大規模光控相控陣天線片上一體化設計。現階段光控相控陣天線片上系統中的光放大器大多采用光纖連接的方式外掛到芯片外圍,單獨封裝設計,很大程度上影響了光控波束形成片上系統的一體化集成水平。在現有的光芯片體系下實現高效率片上光放大器集成是光控波束形成片上系統需要解決的關鍵技術之一。

光控相控陣天線實現星載通信領域應用除上述幾個問題及挑戰外,隨著工程應用的研究深入還有可能遇到空間環境等諸多需要解決的問題。

5? 結論

本文介紹了相控陣天線在星載通信領域的應用現狀和光控相控陣天線的優勢,總結了光控相控陣天線的進展歷程,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星載大孔徑多波束相控陣天線寬帶寬角掃描的重要實現途徑,是下一代高通量衛星發展的方向之一。國內外對光控相控陣天線星載應用的探索取得了一定的成果,但是在大規模高集成陣列的星載工程應用上還面臨諸多問題和挑戰。光控波束形成一體化片上系統是未來光控相控陣的發展趨勢,對衛星通信載荷的發展具有重要意義。

審核編輯：湯梓紅