2 先進相控陣的需求與挑戰
2.1 相控陣雷達特征
未來先進相控陣技術的需求主要體現在 4 個方面，如圖 1 所示。
圖 1 未來相控陣雷達發展趨勢示意
(1) 寬帶化。寬帶化的需求是由未來信息系統的作戰使命與任務決定的。一方面，多種探測對象和任務需求要求相控陣雷達系統能夠靈活地配置頻段資源；另一方面，反彈道導彈作戰等要求雷達具備更寬的帶寬以提高雷達的探測精度與分辨率，從而實現更精細的目標識別。此外，不同的作戰平臺均要求相控陣雷達系統能夠實現戰場環境監視、目標搜索與跟蹤、目標識別、通信、反干擾等多功能一體化，相控陣雷達的硬件系統必須具備寬頻段甚至是跨頻段工作的能力，才有望采用綜合且開放式的模擬和數字處理以及軟件體系架構進行靈活的資源調度和管理，進而實現雷達、電子戰、通信、導航、識別等多種射頻功能以及多源信息融合；
(2) 陣列化。相控陣雷達具有波束無慣性捷變、副瓣電平低及高陣列增益的特點。雷達通過陣列化實現了能力的跨越式提升，包括在威力、抗干擾以及可靠性等多個方面。未來對作戰效能進一步提升需求，均需要相控陣向著大空域覆蓋、高精度測向以及同時多波束等技術方向發展；
(3) 通用化、小型化。大型平臺受威脅的程度與日俱增，未來的相控陣雷達必須能夠同時兼顧探測性能和平臺隱身的需要。未來裝備對隱身性能的要求將從目前的有限角度和有限頻段向全方位和全頻段擴展，隱身性能要求的指標量級將進一步增加，因此對配置于平臺的各類探測系統提出了更高隱身性設計要求。此外，未來作戰目標雷達散射截面積(Radar Cross Section, RCS)更小、飛行速度更快、武器攻擊距離更遠，要求探測系統具備更大的探測能力和更高的探測精度。在這樣的需求背景下，通用化、小型化的平臺將成為未來戰場下不可忽視的主要作戰力量；
(4) 協同化、網絡化。未來的軍事戰爭將從平臺中心戰轉移到網絡中心戰。依靠單個平臺自身的武器裝備，由于受到傳感器的類型、精度及視距的限制，很難滿足對抗現代精確制導武器的需要。只有將整個作戰兵力組成一個網絡，作戰資源和情報資源共享，才能發揮比各個平臺的簡單累加更大的軍事效益。
2.2 相控陣雷達面臨的挑戰
未來相控陣雷達的關鍵問題一方面在于要實現能夠承載雷達、通信、電子戰等多種功能所覆蓋的全部帶寬的模擬通道，另一方面要求能夠高性能地連接處于最前端的分布式的寬帶天線和處于后端的軟件無線電平臺。
考慮到多功能覆蓋的射頻帶寬非常寬，支持一體化多功能的信道當前面臨的困難集中表現于當前的電子技術仍難以支持超寬帶信號的數字化 ；同時，當前射頻器件也難以支持超寬帶、多頻段射頻信號的傳輸和處理。一方面，由于模數轉換器(Analogto Digital Converter, ADC)的帶寬仍遠小于多功能覆蓋的射頻帶寬，在數字化之前寬帶射頻信號將經過例如變頻、濾波和信道化等模擬信號處理；而當前單個電子器件難以支持超寬帶的模擬處理，也無法實現超寬帶的可調諧處理，因而針對每個波段仍需要不同的硬件支持，無法實現通道的一體化。另一方面，傳統的射頻傳輸方式無法在超寬的帶寬內保持均一且高的動態范圍，因而射頻信號必須在非常接近天線的地方變頻為低頻或者數字信號 ，這些針對每個天線的硬件無法集中在一起，在多天線或陣列的情況下會進一步造成硬件的冗余。總之，傳統電子技術無法支持超寬帶射頻信號的傳輸和處理，是當前相控陣雷達應對未來技術發展需求所面臨的主要困難。
3 微波光子相控陣及其性能分析
3.1 微波光子相控陣架構
微波光子學經過近 30 年的發展，在針對超寬帶射頻信號的傳輸、處理等關鍵技術方面，已經表現出優異的、超越傳統射頻信號處理技術的性能。基于微波光子學的獨特優點，特別是利用光模擬信號傳輸技術，未來相控陣雷達相比現有的相控陣雷達將呈現出一種新的架構。如圖 2 所示，復雜的數字陣列模塊(Digital Array Module, DAM)的核心部分可通過射頻光拉遠與天線物理分離，并遠程安裝于空間相對寬闊的后端中心站。天線陣面部分將僅由天線輻射單元和超寬帶光電混合集成前端組成。后端處理單元可基于微波光子技術來完成光電數字陣列中信號產生、頻率變換、模擬和數字的相互轉換等功能，變為數字信號后送入后端數字處理單元。
圖 2 基于微波光子的新型相控陣架構
基于微波光子的新型相控陣其整個架構主要包括超寬帶光電混合集成前端、基于微波光子的射頻拉遠和交換網絡以及后端微波光子功能組件 3 個部分。其中，基于微波光子的射頻拉遠和交換網絡在光域實現模擬波束合成的功能。整個架構的建立是以能夠將原有的微波頻段的傳輸和處理通過高效的微波 - 光波轉換變換到光波頻段進行傳輸和處理為基礎的，其實現的硬件基礎是超寬帶的光電集成收發模塊。該模塊除包括原有射頻收發模塊所需的各類功能組成外，還增加了光 / 電、電 / 光轉換部分，并與后端通過光網絡來進行互連。由于光載波對射頻頻段的透明性，光電集成收發模塊可面向 6～18 GHz 甚至更寬帶寬，Ka, W 甚至更高頻段的射頻信號。由于微波 / 光波信號相互轉換也將不可避免地引入轉換損耗，進而對整個射頻鏈路的增益、噪聲性能產生影響。因此，為滿足更高的探測感知能力的需求，光電收發組件的實現除了在器件性能上不斷提升微波 / 光波轉換的性能外，還必須從整個鏈路性能的角度出發，通過必要的射頻預處理、后處理以及相關的補償措施來進行優化。
整個架構的發射鏈路為：數據
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基帶信號通過電光調制，與光生本振信號完成上變頻后，經過光濾波器濾除雜散信號經射頻光拉遠送至全光交換網絡。利用全光交換網絡完成發射通道間的動態配置，送至對應的光電混合集成前端。在光電混合集成前端中，通過真延遲調整實現波束方向控制，后經光電變換后恢復出射頻激勵信號，再經射頻放大后由天線輻射。