光子技术在电子战系统中的应用

逍遥设计自动化

引言
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, \( M- ]6 B1 m5 t) f4 K电子战系统对宽带宽、高灵敏度和实时信号处理能力的要求不断提高。光子技术已成为克服传统电子系统局限性的有效解决方案。本文介绍光子技术如何通过多种应用提升电子战系统性能，包括微波光子链路、瞬时频率测量系统和扫描接收机[1]。
用于信号传输的微波光子链路
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: p) Z" |/ D6 N, |. m9 R微波光子链路（MPLs）为射频信号在天线和处理单元之间的传输提供了高效方式。最常见的实现方式是强度调制和直接检测（IM-DD），其中射频信号通过马赫-曾德尔调制器（MZM）调制光载波。
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图1：无线电光纤（RoF）系统的基本结构图，展示了使用MZM进行射频信号光载波调制和使用光电二极管进行检测的过程。
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微波光子链路的主要优势是极低的损耗 - 光纤的典型衰减仅为0.2 dB/km，而18 GHz频率下同轴电缆的衰减超过1 dB/m。这使天线可以远程控制数公里的距离。微波光子链路还具有电磁干扰免疫性，与射频电缆相比体积和重量更小。
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然而，微波光子链路在实现高动态范围方面面临挑战，这是由于噪声和失真的影响。无杂散动态范围（SFDR）在低信号电平受噪声限制，在高功率下受非线性失真限制。为提高SFDR，开发了几种技术：
2 }7 `$ @9 Y# F0 C使用MZM前的线路进行预失真线性化
3 J+ |+ c7 W! H4 w! ]使用平衡光电二极管进行差分检测
相位调制配合相干检测
1 z0 `* F9 Q* x' d[/ol]先进光子接收机

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图2：基于光子技术的相干扫描接收机详细示意图，展示了射频-光转换、光本振产生和信号检测组件。
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相干扫描接收机使用光本振将射频信号下变频至基带。主激光器被射频输入调制，并在光混合耦合器中与从激光器混合。通过平衡光电二极管检测产生的同相/正交信号并进行数字化。
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这种架构提供多个优势：

宽瞬时带宽（>40 GHz）

高动态范围（>40 dB）

对射频馈通免疫

快速频率扫描能力
1 E* Q" w0 O# N$ |现场试验结果

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图3：在CSSN-ITE的现场试验设置，显示(a)移动发射实验室，(b)接收机位置，(c)喇叭天线放置。

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. j3 a0 a& e- K& A) S9 I' Y! h0 n图4：现场试验的频谱图，展示了(a)频率跳变脉冲和(b)啁啾雷达信号的检测，以及显示脉冲参数的详细放大图(c,d)。

9 `: d; b( d1 @3 U  N- x. a. |光子扫描接收机在海军环境中使用实际雷达信号进行了测试。系统成功检测和表征了复杂波形，包括：
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8.91-9.08 GHz之间的频率跳变脉冲

150-250 MHz带宽的线性频率啁啾

0.4-0.8 μs持续时间的短脉冲

8.6-410 μs的脉冲重复间隔

现场试验验证了接收机的高动态范围，镜像抑制大于41 dB，且能够处理多个同时存在的信号。
* G$ X' a3 H! B' K# M3 P9 Q3 @6 g4 D( l发展展望

光子解决方案虽然在电子战应用中显示出巨大潜力，但仍面临一些挑战：

通过光电子集成实现尺寸、重量和功耗的降低

规模化生产的成本效益

可靠性和环境适应性认证
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' Q( O* L) E2 j7 T/ X光电子集成技术的快速发展和不断增长的产业界兴趣表明这些挑战可以克服。随着性能持续提升，光子系统在军用和民用领域的高性能射频信号处理应用中的采用将会增加。
参考文献
: h5 m& f& V7 e' M
[1] Bogoni, P. Ghelfi, and F. Laghezza, Eds., Photonics for Radar Networks and Electronic Warfare Systems (Radar, Sonar and Navigation). London, UK: Scitech Publishing, 2019.
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