基于微波光子和MEMS的無人機多任務(wù)載荷

邢建泉

【摘 要】無人機多任務(wù)載荷是實現(xiàn)多任務(wù)無人機的關(guān)鍵。微波光子技術(shù)在傳輸、處理大動態(tài)、寬頻帶射頻信號方面有著獨特的優(yōu)勢，MEMS技術(shù)在構(gòu)建可重構(gòu)射頻系統(tǒng)方面有巨大潛力。針對無人機載荷多功能一體化的需求，提出用微波光子技術(shù)和MEMS技術(shù)結(jié)合研制多功能一體化載荷，并對其構(gòu)成和關(guān)鍵技術(shù)進行了分析。

【關(guān)鍵詞】無人機；微波光子；多任務(wù)載荷；寬帶；MEMS

中圖分類號： V279.3 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）29-0098-002

【Abstract】UAV multitasking load is the key to realize multi-mission UAV. Microwave photonics has unique advantages in transmitting and processing large dynamic and wideband RF signals. MEMS technology has great potential in building reconfigurable RF systems. In order to meet the demand of UAV multi-functional integration， a multi-functional integrated load based on microwave photonics technology and MEMS technology is proposed and its composition and key technologies are analyzed.

【Key words】Drones； Microwave photons； Multi-tasking load； Broadband； MEMS

0 引言

隨著無人機在戰(zhàn)場上的應(yīng)用越來越廣泛，其優(yōu)勢也日益顯現(xiàn)，與衛(wèi)星和有人飛機相比，其成本低廉，使用靈活，不受場地限制，隱身性強，零傷亡等，使得各強國均大力發(fā)展各類無人機，特別是用于偵察和對抗的無人機，而且希望能夠在無人機上實現(xiàn)更多的任務(wù)功能。但是，由于平臺體積的限制，目前無人機實現(xiàn)多任務(wù)綜合還面臨著很大困難，難以適應(yīng)未來的信息化高技術(shù)戰(zhàn)爭對無人機一機多功能的需求。

微波光子學(xué)是微波技術(shù)和光學(xué)技術(shù)交互的新興學(xué)科，通過研究微波與光波之間的相互作用機理。將光波的寬帶特性應(yīng)用到微波的傳輸和處理上，將寬頻帶微波變成了窄帶光波，從而簡化了處理，突破了在微波領(lǐng)域難以實現(xiàn)的寬頻帶、超大動態(tài)信號的傳輸與處理，因此成為了軍事電子裝備未來重要的發(fā)展方向之一。

事實上，綜合一體化電子系統(tǒng)在眾多應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)開始得到人們的重視。國外以美國為代表。例如，美國為F-35戰(zhàn)斗機研制的“多功能綜合射頻系統(tǒng)”（MIFRS）。該系統(tǒng)具備雷達、通信、導(dǎo)航和射頻電子戰(zhàn)等多種功能，通過天線和處理器等硬件的共享而成為一體，使F-35戰(zhàn)斗機具有了多頻譜作戰(zhàn)能力，成為全天候隱身攻擊平臺。

1 微波光子和RF MEMS技術(shù)

1.1 微波光子技術(shù)

自微波光子學(xué)概念提出以來，國內(nèi)外通過研究，發(fā)現(xiàn)了它在微波領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景和商業(yè)價值。采用微波光子技術(shù)可輕松實現(xiàn)40GHz以上的大帶寬，100dB·Hz2/3以上的高動態(tài)[1]。采用微波光子技術(shù)可以實現(xiàn)超寬頻帶、低插損、大動態(tài)范圍，如果將其應(yīng)用于無人機載荷，可以大幅度的改進和提升現(xiàn)有載荷的性能，適應(yīng)日益復(fù)雜的戰(zhàn)場電磁環(huán)境。因此，美、歐等率先研究微波光子的軍事強國將其軍事應(yīng)用作為重要發(fā)展方向。2010年，美國國防部更是把“光子學(xué)、光電子學(xué)”列為十大國防技術(shù)之一[2]。

由于微波光子技術(shù)的巨大應(yīng)用價值，使得國際上對此領(lǐng)域極為重視，微波光子學(xué)年會每年都有相關(guān)專題，美國DARPA和歐盟科技框架計劃等均投入巨資開展相關(guān)研究工作。

美國DARPA近年來設(shè)立了“可重構(gòu)的微波光子信號處理器”（PHASER）、“光子型射頻收發(fā)”（P-STAR），“模擬光信號處理”（AOSP），“光任意波形產(chǎn)生”（OAWG）等微波光子項目，開展了微波光子器件、信號處理方面的研究。2015年7月在美國聯(lián)邦政府支持下成立了“美國集成光子研究所（AIM-Photonics）”，集合了55家公司，20所綜合性大學(xué)，33個學(xué)院和16個非營利組織。其使命是開發(fā)新的光子集成制造技術(shù)，解決高性能光子集成芯片和微波電集成芯片的大規(guī)模制造難題。

作為微波光子技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)元器件，高性能的電光調(diào)制器、光濾波器、光矩陣開關(guān)等已經(jīng)開始大規(guī)模商用，但高端器件的主要供應(yīng)商集中在美、日、法、德等國家。電光調(diào)制器主要是基于鈮酸鋰的M-Z調(diào)制器，其工作頻率已達到40GHz。光濾波器主要是基于光纖光柵的可調(diào)諧濾波器，調(diào)諧速度可達納秒級，近年來還發(fā)展出了集成可編程可重構(gòu)的光濾波器。光矩陣開關(guān)主要有基于MEMS技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的機械式和非機械式開關(guān)，其中非機械式光開關(guān)可實現(xiàn)ps級的開關(guān)速度。

隨著微波光子理論、器件、集成制造技術(shù)的不斷成熟，其在雷達、電子戰(zhàn)、綜合射頻和航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。原有的電子學(xué)鏈路結(jié)構(gòu)將逐步被光電子鏈路所取代，最終取代現(xiàn)有的微波鏈路[3]。

1.2 RF MEMS技術(shù)

微電子機械系統(tǒng)（MEMS）是將集成電路制造技術(shù)和微型機械制造技術(shù)相結(jié)合形成的，隨著微制造技術(shù)的飛速發(fā)展，人們已經(jīng)可以將尺寸在毫米級，甚至更小尺寸的機械裝置，比如微小的驅(qū)動裝置、開關(guān)陣列與處理器等集成在一起，形成一個高度集成的智能化、可編程的機電一體的器件或微系統(tǒng)。由于借鑒了集成電路的生產(chǎn)工藝和技術(shù)使其能夠大批量生產(chǎn)，不但體積小、功能強，而且價格低。

由于采用MEMS技術(shù)使得由其組成的系統(tǒng)天生具備了重構(gòu)的潛力，因此也引起了各國軍方的關(guān)注，為此美、歐、日等發(fā)達國家已研究了30年。由于射頻信號的特性，使得不同頻率、帶寬、幅度的射頻信號通常只能使用專用的器件，特別是像電感、電容、濾波器、頻率振蕩器等只能工作在相對較窄的頻段，而RF MEMS技術(shù)的發(fā)展解決了一系列的射頻通用性難題，使寬頻帶、可復(fù)用、能重構(gòu)的射頻系統(tǒng)成為可能。由于功能復(fù)用大幅減小了多功能射頻系統(tǒng)的體積、重量、功耗等指標，因此開始廣泛應(yīng)用到通信產(chǎn)品、衛(wèi)星、有人/無人飛行器等領(lǐng)域。endprint

2 多任務(wù)微波光子載荷

將微波光子的寬頻帶、大動態(tài)、低損耗特性和RF MEMS的可編程、可重構(gòu)特性相結(jié)合，可以設(shè)計出體積小、重量輕、能力強的滿足未來戰(zhàn)場需求的多功能無人機載荷。

采用微波光子技術(shù)和RF MEMS技術(shù)的多任務(wù)微波光子載荷主要由寬頻帶可重構(gòu)天線、寬帶大動態(tài)可重構(gòu)信道、綜合數(shù)字基帶等設(shè)備組成[4]。

該結(jié)構(gòu)可充分發(fā)揮微波光子處理大陣列、寬頻帶、多信號的技術(shù)特點，可同時工作在不同頻段上，具有自適應(yīng)帶寬調(diào)整能力。同時，利用RF MEMS系統(tǒng)的可重構(gòu)特性，動態(tài)完成射頻前端的自適應(yīng)變化，實現(xiàn)載荷的多功能一體化。

在接收端，外部的寬帶多頻段信號經(jīng)寬頻帶可重構(gòu)天線陣列的接收，由電光轉(zhuǎn)換模塊調(diào)制到光載波上通過光纖傳輸送至光子射頻處理前端。將偵收信號按一定需求并行進行瞬時測頻、頻譜變換等微波光子處理[5]，同時將基帶電信號數(shù)字化后送綜合數(shù)字基帶設(shè)備處理。

在發(fā)射端，由光任意波形產(chǎn)生模塊與可調(diào)諧光電振蕩器產(chǎn)生多個不同頻段上的待發(fā)射波形后，經(jīng)寬帶波束形成與匹配濾波，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換模塊生成待發(fā)射射頻信號送天線單元輻射。

可見，如果將微波光子技術(shù)在無人機平臺上應(yīng)用，將可解決在無人機載荷體積、重量受限情況下實現(xiàn)寬開偵察、自適應(yīng)電子對抗等多種功能的問題，使無人機真正成為未來信息化作戰(zhàn)的核心裝備。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 寬頻帶可重構(gòu)天線技術(shù)

寬頻帶可重構(gòu)天線并不是傳統(tǒng)意義上的多頻段天線或?qū)掝l帶天線，而是要求將現(xiàn)有各類型天線指標、功能綜合集成于一種新體制天線內(nèi)。傳統(tǒng)的天線技術(shù)在這樣的要求下必然出現(xiàn)極大的不適應(yīng)性。這就要求設(shè)計開發(fā)出一種全新的天線架構(gòu)模式。

單一依靠優(yōu)化天線電磁結(jié)構(gòu)，從而滿足共口徑天線需求的技術(shù)路線已出現(xiàn)極大困難，通過微機電（MEMS）技術(shù)、射頻智能化技術(shù)，微波光子技術(shù)，從而發(fā)展出一種新型的寬頻帶多功能自適應(yīng)可重構(gòu)的智能化天線。

智能可重構(gòu)天線可實現(xiàn)工作頻率、方向圖、極化方式等參數(shù)分別獨立或綜合加以控制，實現(xiàn)不同的工作狀態(tài)和功能。并有望通過寬帶共形智能蒙皮陣列形成與飛機機體結(jié)構(gòu)成為一體的寬帶多功能共形陣列[6-7]。

3.2 寬帶大動態(tài)可重構(gòu)信道技術(shù)

寬帶大動態(tài)可重構(gòu)信道是為滿足多任務(wù)載荷對信道的要求，主要的技術(shù)方向?qū)⑹俏⒉ü庾蛹夹g(shù)和微機電（MEMS）技術(shù)的結(jié)合。

微波光子技術(shù)在傳輸、處理大動態(tài)、寬頻帶射頻信號方面有著獨特的優(yōu)勢，已經(jīng)發(fā)展出了多種可商用的微波光子器件，如鈮酸鋰M-Z調(diào)制器、光濾波器、高速光開關(guān)矩陣等。同時，隨著大規(guī)模MEMS技術(shù)的發(fā)展，器件性能的提高，各種類型的高性能可重構(gòu)射頻器件和系統(tǒng)將相繼實現(xiàn)。二者的結(jié)合將使未來的信道：（1）接收模式可變，可根據(jù)后端處理的要求重新構(gòu)建通道；（2）工作帶寬自適應(yīng)動態(tài)調(diào)整，可適應(yīng)不同類型的信號和不同的工作模式；（3）具備自動陷波功能，可抑制強干擾信號的影響；（4）鏈路增益可自適應(yīng)調(diào)整，適應(yīng)大動態(tài)電磁環(huán)境。從而滿足無人機多任務(wù)載荷的需求。

3.3 綜合數(shù)字基帶技術(shù)

綜合數(shù)字基帶技術(shù)是實現(xiàn)多任務(wù)載荷的關(guān)鍵技術(shù)之一。對于無人機多任務(wù)載荷來說，需要完成偵察、探測、通信、干擾等多種任務(wù)，這些任務(wù)的信號頻率、帶寬、波形、極化方式等要求各不相同，甚至相互矛盾，因此需要設(shè)計出適合一體化載荷使用的信號形式。同時，對不同信號的處理要做到高效，必須加強軟件架構(gòu)的研究。

以通用、標準、模塊化的硬件平臺為依托，通過調(diào)用運行于平臺上的不同軟件模塊來實現(xiàn)電子設(shè)備中的各項功能。利用功能軟件模塊化，可以用軟件來控制和再定義電子設(shè)備的硬件，從而符合不同任務(wù)的要求。由于通過軟件加載就可以實現(xiàn)不同功能的切換，因此，無人機多任務(wù)載荷必然將是基于軟件無線電架構(gòu)的開放平臺，通過具備多任務(wù)并行處理能力的基帶設(shè)備，采用人工智能高效處理算法，在有限的設(shè)備資源條件下，實現(xiàn)無人機系統(tǒng)整體性能的飛躍。

4 結(jié)束語

長期以來，無人機平臺都采用大量分別獨立開發(fā)的任務(wù)載荷完成所需各種功能，模塊化程度低，重量體積功耗大，成本高，可靠性差，改進困難，難以適應(yīng)未來的信息化高技術(shù)戰(zhàn)爭的要求。基于微波光子技術(shù)的多功能一體化結(jié)構(gòu)，以寬頻帶、大動態(tài)的優(yōu)異特性實現(xiàn)多傳感器、多功能綜合是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中電子裝備的一個重要發(fā)展趨勢，必將帶來無人機平臺整體性能的提升和作戰(zhàn)效率的大幅提高。

【參考文獻】

[1]王景國，朱少林，歐陽立強.新型大動態(tài)超寬頻帶微波光纖通信系統(tǒng)[J].光通信技術(shù)，2007（8）：38-40.

[2]張忠華，孫曉昶.光控相控陣雷達[J].電訊技術(shù)，2004（2）：71-75.

[3]Anne Vilcot， Béatrice Cabon， Jean Chazelas.Microwave Photonics：from Components to Applications and Systems[M].2005.

[4]方立軍，李佩，馬駿.基于微波光電技術(shù)的未來數(shù)字陣列構(gòu)想[J].雷達科學(xué)與技術(shù)，2013（6）：583～586。

[5]胡總?cè)A.用微波光子技術(shù)實現(xiàn)雷達信號的瞬時測頻[D].河南，河南師范大學(xué)，2011.

[6]李國民，張軍紅.傳感器無人機發(fā)展狀況及其關(guān)鍵技術(shù)[J].飛行力學(xué)，2012（6）：481-484.

[7]阿雯，胡冬冬.傳感無人機的關(guān)鍵技術(shù)及其研究進展[J].飛航導(dǎo)彈，2010（2）：12-13.endprint