隨著5G/6G網(wǎng)絡(luò)、軍事通信、衛(wèi)星導(dǎo)航及航空航天等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)高速、高容量通信的需求呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。在這一背景下，相控陣技術(shù)作為信號(hào)傳輸、接收和處理的核心手段，正面臨新的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。傳統(tǒng)相控陣系統(tǒng)的發(fā)展已不再局限于擴(kuò)展工作帶寬和消除波束斜視，而是需要建立以用戶為導(dǎo)向的波束形成架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)更小的體積、重量和功耗（SWaP），并提升收發(fā)組件的效率與靈活性。
光子真時(shí)延（TTD）補(bǔ)償技術(shù)曾是相控陣系統(tǒng)中的主流解決方案，但其局限性日益凸顯。一方面，TTD方案通常針對(duì)特定波束設(shè)計(jì)，難以適應(yīng)6G通信中多用戶、多方向的實(shí)際場(chǎng)景需求；另一方面，大型陣列對(duì)延時(shí)波導(dǎo)儲(chǔ)備和調(diào)諧范圍的要求極高，導(dǎo)致功耗、插損和體積顯著增加。系統(tǒng)后端對(duì)模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC/DAC）的帶寬需求遠(yuǎn)超現(xiàn)有技術(shù)能力，數(shù)字信號(hào)處理（DSP）單元的計(jì)算規(guī)模和功耗也面臨巨大壓力。
針對(duì)這些難題，北京郵電大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于微波光子學(xué)的寬帶信道化相控陣接收機(jī)方案。該方案通過將工作頻帶劃分為多個(gè)窄帶信道，并在每個(gè)信道內(nèi)獨(dú)立移相實(shí)現(xiàn)波束形成，有效解決了傳統(tǒng)方案的靈活性不足和資源消耗過高的問題。相關(guān)研究成果以“Broadband phased array receiver based on microwave photonics channelization”為題發(fā)表。
這一創(chuàng)新架構(gòu)的核心在于級(jí)聯(lián)的強(qiáng)度-相位調(diào)制器，它能夠生成具有多個(gè)梳齒的光頻梳。這些光頻梳經(jīng)放大后被解復(fù)用器分成多路，每路分別調(diào)制來自不同陣元的接收信號(hào)，再?gòu)?fù)用到一起。通過周期性窄帶濾波器陣列（PNFA）的信道化處理，寬帶信號(hào)被分解為多個(gè)窄帶信號(hào)。同時(shí)，每個(gè)信道的本振光頻梳經(jīng)過可調(diào)光延時(shí)線進(jìn)行相位加權(quán)，使不同頻率的光載波在經(jīng)過同一段延時(shí)后附加不同的相位。最終，信號(hào)與本振梳通過平衡探測(cè)器下變頻，得到相權(quán)調(diào)控后的各陣元信號(hào)的相干疊加。
實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)在4–12 GHz的工作帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)了無波束斜視的波束形成。通過調(diào)節(jié)每個(gè)信道中的延遲量，系統(tǒng)能夠同時(shí)掃描全空間，且每個(gè)信道所需的最大延遲量?jī)H為40 ps，遠(yuǎn)低于TTD方案的625 ps。這一優(yōu)勢(shì)在多波束和大規(guī)模陣列場(chǎng)景中尤為顯著，不僅大幅降低了系統(tǒng)的SWaP，還為芯片級(jí)集成提供了可能。
該研究的創(chuàng)新之處在于將微波光子信道化技術(shù)引入寬帶相控陣系統(tǒng)，通過并行處理多個(gè)窄帶信道，實(shí)現(xiàn)了資源的高效利用。首先，系統(tǒng)能夠以用戶為導(dǎo)向，在不同信道中同時(shí)獨(dú)立形成多個(gè)波束，滿足了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的多樣化需求。其次，虛擬延時(shí)相位控制技術(shù)顯著減少了所需的延時(shí)量，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度。最后，信道化并行窄帶輸出避免了末端大帶寬收發(fā)組件的需求，減輕了DSP單元的數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)。
這一成果為5G/6G通信和雷達(dá)電子等領(lǐng)域提供了新的技術(shù)路徑。在實(shí)際應(yīng)用中，用戶信號(hào)通常以多載波形式分布在不同頻段和方向，而該系統(tǒng)能夠靈活分配資源，建立用戶導(dǎo)向的波束形成網(wǎng)絡(luò)。隨著光電器件集成技術(shù)的進(jìn)步，這一系統(tǒng)有望進(jìn)一步發(fā)展為原理樣機(jī)或?qū)嶓w芯片，并在新一代電子通信中發(fā)揮重要作用。
