王凯*，张业斌，李悰，王蕾
(中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽省合肥市，230088)
1.摘要
本文针对微波光子相控阵系统，建立了光控波束合成系统多通道输入微波链路指标与等效成单一通道系统的单输入的微波链路指标关系与模型。分析了电域波束合成与光域波束合成对于相控阵系统噪声系数、增益指标的异同。
关键词：光控相控阵、多通道输入、通道合成
2.正文
2.1 引言
在宽带电子信息领域，传统的微波、数字阵列波束合成在宽瞬时带宽、二维、高频、大阵列等应用场合，在性能指标、集成度、工程化、功耗、造价等方面都遇到了着诸多挑战与瓶颈，而微波光子技术先天的一些优势，如低损耗射频光纤链路稳相传输、光波导真时延、宽带调制与解调链路、光波长与偏振等光学参量的多维资源复用等特点，有望给宽带相控阵电子系统提供最佳性本比的解决方案[1]。
本文旨在结合典型的微波光子相控阵系统架构，建立通用化的通道等效数学模型，便于指导含有微波光子波束合成的有源相控阵系统的链路指标分配与设计工作。
2.2 系统架构与通道合成指标建模
这里给出典型的激光多波长、多通道波束合成的微波光子相控阵系统架构[2]，如图1所示。其中输入的多通道阵列信号可以经过对应的微波光子链路进行接收，微波光子链路包括了激光器、电光调制器和光电探测器等基本器件。该系统通过不同波长的激光作为各射频通道的光载波，可以有效避免光相干带来的信号波动问题，波长的选择一般选在光通信常用的C波段，标准ITU波长，波长间隔根据调制的射频工作带宽来决定，并考虑通道串扰，留有一定余量，如调制射频带宽为40GHz以下，可以采用1.6nm光波长间隔(对应200GHz间隔)，常用的C波段1525~1565nm，有25个波长可以利用；调制射频带宽为20GHz以下，可以采用0.8nm光波长间隔(对应100GHz间隔)为例，常用的C波段即有50个波长可以利用。光波束合成通道主要是实现各路光载射频信号的延时控制与光域合成，主要包括了级联光开关延时线、通道光幅相补偿、以及必要的光放大等环节。
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图1 微波光子相控阵系统架构
以下针对微波光子相控阵系统光域通道合成链路进行建模。不失一般性，以M个通道为例。
首先建立增益指标模型，假设多通道输入信号总功率记为Pin，经光波束合成与光电转换后射频输出功率记为Pout，记多通道系统等效为单通道系统的总增益为gtotal,支路的增益为gm，则有：
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假设射频光子各支路增益一致，则从式5可知，多通道系统等效为单通道系统的总噪声系数nftotal即为nfm,即等效单通道与支路的噪声系数一致。这一规律光域波束合成相比电域合成，没有区别[3]。
有了上述微波光子相控阵多通道等效链路模型的基础，只要分析与设计出各通道微波光子链路的增益与噪声系数，就可以得到多通道等效合成的增益和噪声系数。
单通道微波光子链路的增益与输入进光电探测器的光功率以及探测器光电转换系数有关，光电探测器输出的射频功率越大，链路增益越大；也与电光调制器的半波电压(Vπ)有关，半波电压值是表征了电光转换的效率，即调制π的光相位，需要加载的电压幅度，半波电压值越小，电光转换效率越高。单通道微波光子噪声系数与链路增益以及输出噪声的功率有关，链路增益越高，噪声系数越小；输出噪声功率越小，噪声系数越小，其中输出噪声功率与激光器的相对强度噪声（RIN）、光放大器的自发辐射噪声（ASE）、探测器的散粒噪声（SHOT）以及系统热噪声有关，从中也可以看出从最优化系统噪声系数而言，噪声输出功率与增益是需要折中考虑的，并非经光电探测器输出射频功率越大越好，链路噪声系数优化的核心思想是让输出噪声功率的增长速率不超过增益的增长速率，当两者达到平衡时，即接近了噪声系数的最优值，这一点对于指导系统的光功率设计与分配很关键，也很经济。此外，也可见，优化电光调制器的半波电压(Vπ)会提升链路增益,同时也不影响输出噪声功率，因而提升优化电光调制器的半波电压(Vπ)会同时改善链路的增益和噪声系数性能指标[4]。
3 总结
本文建立了微波光子相控阵系统通道与波束合成微波指标模型，光子相控阵系统等效合成的总增益比支路增益大10*lg(M)，光子相控阵系统等效合成的总噪声系数与支路噪声系数一致。
参考文献：
[1] 王凯，张业斌，张方正. 跨代雷达微波光子技术：机遇与挑战[J].雷达科学与技术, 2021, 19(2), 168-171.
[2] Jianqi Wu,Kai Wang,Yiying Gu. Research on Technology of Microwave-Photonic-based Multifunctional Radar[C]，CIE International Conference on Radar(RADAR),2016.
[3] 赵旭昊.相控阵天线多通道并联噪声系数分析[J].现代雷达, 2015, 37(3), 55-62.
[4] Vincent J.Urick,Frank Bucholtz,Jason D.McKinney and et al.Long-Haul Analog Photonics[J],Journal of lightwave technology,2011,29(8),1182-1205.