基于微波光子信道化的相控陣（CHannelized Phased Array，CHPA）架構如圖1(a)所示。級聯的強度-相位調制器產生具有N個梳齒的光頻梳，放大后經解復用器分成N路，每一路都調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過一個可調光延時線對各梳齒進行相位加權——不同頻率的光載波經過同一段延時后，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，得到相權調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的結構和示意圖。(a) CHPA的架構；(b)在光鏈路上各節點模擬光譜演化；(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，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重。當不同頻率和方向的波束入射時，通過調節每個信道中延遲量可以實現波束掃描。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函數的陣列因子曲線可以轉換為作為方向θ函數的雷達圖，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，將測量結果繪制為延遲-功率曲線，然后進行時空轉換，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。這些結果表明在4–12 GHz的工作帶寬內沒有波束斜視。同時，系統在不同信道上實現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都需要625 ps。

圖3 在4-12 GHz頻段中±60°內的9個波束測試方向圖

     該研究將微波光子信道化技術創造性地應用在寬帶相控陣系統中，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（如TTD方案）的單一靜態架構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模陣列場景中大大降低系統的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組件，DSP不需要處理海量數據和數字分頻段處理。

    “在實際的5G/6G通訊和雷達電子等應用網絡中，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架構靈活高效地運用資源，為建立用戶導向的波束形成網絡提供了一種新思路。"通訊作者戴一堂教授表示，“該系統穩定可靠，且規模不受陣列數量影響，在大規模陣列應用中更加凸顯優勢。此外，由于光電器件集成技術的高速發展，該系統也具備全架構集成的可行性，有望進一步制造為原理樣機或實體芯片，并在新一代電子通訊中展現其實用性。"

在后續工作中，研究團隊將測試并優化系統的性能，如噪聲系數、SWaP等；根據實際應用場景需求搭建外場環境和原理樣機，進一步展示其解決實際問題的能力；優化系統組成，設計芯片級實現方案，并研發芯片模塊，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

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