微波光子技术在电子信息系统中的应用

时间：2024-05-04

文/陈丽强

1 微波光子技术的概念剖析

微波光子学的最终目标就是通过使用光子学领域内的方法制造出微波信号，并对这部分微波信号进行对应的处理以及分配，借此来提升原有的微波系统在频率、带宽等诸多方面的性能。

微波光子学作为一项独立的学科第一次被提出是在20世纪的70年代左右，并且这门学科是与微波以及光学两门学科的发展呈现出一种同步发展的趋势。这项技术最早是被应用在有线电视网络之中，借助于光纤将模拟出来的电视信号进行传输。在其发展到20世纪末期的时候，微波光子学的主要研究方向就变成了应用到无线通信系统之中，也就是被后来的人们称作是ROF（英文全称就是Radio Over Fiber,汉译就是光纤无线电）的实际应用。当人们进入21世纪之后，微波光子技术的应用范围也在逐步的扩大。就目前的发展情况来说，微波技术已经进入了发展的成熟期，相应的就会转换工作效率以及动态范围进出更高的要求，因此，就可以借助于光学领域的方式对微波系统进行对应的改善。目前微波系统的问题主要是集中在转换效率较低、相位噪音较大等方面。

2 在电子信息系统中微波光子技术的实际应用分析

2.1 微波光子技术在雷达中的实际应用分析

使用微波光子技术的雷达其最一开始的形式就是光控相控阵雷达，在其中使用光延时器作为质量较轻、损耗较低的延时单元来实现对雷达波束的控制，借此来解决存在于宽带宽角形势下扫描工作中的波束偏移以及孔径渡越现象。在这其中最具有代表性的就是如下的两个产品：第一，泰勒斯公司自行研发生产的光控相控机器，该公司的产品的工作频率范围基本控制在2.7GHz到3.1GHz之间，可以真正意义上实现5bits的延时以及6bits的相位控制，其中包括了各16个通道以及辐射单元，可以做到同时辐射出4波束，扫面角度的误差基本控制在20度之内。具体的在光子接收散点分布如图1所示。

这种产品的最为显著的特征就是整个系统中的元器件基本都是商业用途的货架产品，这一产品的应用标志着光控相控阵类型的雷达已经正式被投入到工程中应用。第二，双波段形式的微波光子雷达，这种类型的雷达是在之前的全光子类型雷达的基础上进一步发展而来的，通过使用锁模激光器，借助于其独有的频谱柳特点，将之前传统形式下的单一形式的X波段扩展为双波段形式的S+X波段，并且继续将之扩展为多个波段。这种类型的雷达可以针对诸如飞机等非合作形式的目标通过扫描之后形成清晰程度较高的一维距离像等等图像，自身在数据的相互融合方面颇为便利，并且经过图像融合之后的分辨率可以再次提升1倍左右。其因为阶段差异的衰减规律如图2所示。

图1：射频光子接受及的光子接受散点图

图2：具体辐射数值衰减图

2.2 微波光子技术在卫星通信以及成像中实际应用分析

自从2002年之后，世界各国都开始将研究重心转移到应用微波光子技术的新型太空载荷上，从最为基础的元器件、分机甚至于系统，从之前传输的不透明到半透明再到如今的具备处理能力星上光荷载传输。这其中最具代表性的卫星系统主要包括如下几种：

2.2.1 探测地球土壤湿度以及海洋盐度的卫星

这种类型的太空载荷主要是将光纤性质的传感器、空间收发模块等等作为其中关键组成部分，并且这些正式投入的模块在技术成熟程度上已经达到5级。其中还使用了800米左右的光缆以及200个左右的光纤链路，其中的光纤链路可以将56MHz的时钟信号予以分配，数据的返回速率基本保持在112M每秒。

2.2.2 ALPHASAT通信卫星

确切的来说是其中的使用的光互联系统模块最具有代表性，从其本质上来看，这个模块就是一个光链路延时所用的验证板。主要是由4个低速率的光纤链路以及4个中速率光纤链路所组成的，其速率分别为1Mbps以及100Mbps。在其发射之后的3到5年之间内，借助于功耗预算的差异将之对输出功率进行对应的检测，并同时针对数据产生错误的概率进行对应的检测。其具体的阵列排布方式如图3所示。

2.3 微波光子技术在深空探测中的实际应用

微波光子技术应用到深空探测的最具有代表性的设备就是阿塔卡马大型毫米波阵列，并且这个阵列是由美国等国家共同出资建立的，这个项目的正式启动时间就在1999年，在其中设置了66部直径在12米的抛物面天线，以此进行毫米以及亚毫米类型波长的太空检测活动。同时这个项目为了在最大程度上保障测量天文信号的相位分布的精准性，使用了长度达到18千米的光纤基线，从实现为每一个抛物面天线提供必要的本振参考信号。