邢建泉

【摘 要】无人机多任务载荷是实现多任务无人机的关键。微波光子技术在传输、处理大动态、宽频带射频信号方面有着独特的优势，MEMS技术在构建可重构射频系统方面有巨大潜力。针对无人机载荷多功能一体化的需求，提出用微波光子技术和MEMS技术结合研制多功能一体化载荷，并对其构成和关键技术进行了分析。

【关键词】无人机；微波光子；多任务载荷；宽带；MEMS

中图分类号： V279.3 文献标识码： A 文章编号： 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

随着无人机在战场上的应用越来越广泛，其优势也日益显现，与卫星和有人飞机相比，其成本低廉，使用灵活，不受场地限制，隐身性强，零伤亡等，使得各强国均大力发展各类无人机，特别是用于侦察和对抗的无人机，而且希望能够在无人机上实现更多的任务功能。但是，由于平台体积的限制，目前无人机实现多任务综合还面临着很大困难，难以适应未来的信息化高技术战争对无人机一机多功能的需求。

微波光子学是微波技术和光学技术交互的新兴学科，通过研究微波与光波之间的相互作用机理。将光波的宽带特性应用到微波的传输和处理上，将宽频带微波变成了窄带光波，从而简化了处理，突破了在微波领域难以实现的宽频带、超大动态信号的传输与处理，因此成为了军事电子装备未来重要的发展方向之一。

事实上，综合一体化电子系统在众多应用领域已经开始得到人们的重视。国外以美国为代表。例如，美国为F-35战斗机研制的“多功能综合射频系统”（MIFRS）。该系统具备雷达、通信、导航和射频电子战等多种功能，通过天线和处理器等硬件的共享而成为一体，使F-35战斗机具有了多频谱作战能力，成为全天候隐身攻击平台。

1 微波光子和RF MEMS技术

1.1 微波光子技术

自微波光子学概念提出以来，国内外通过研究，发现了它在微波领域具有很好的应用前景和商业价值。采用微波光子技术可轻松实现40GHz以上的大带宽，100dB·Hz2/3以上的高动态[1]。采用微波光子技术可以实现超宽频带、低插损、大动态范围，如果将其应用于无人机载荷，可以大幅度的改进和提升现有载荷的性能，适应日益复杂的战场电磁环境。因此，美、欧等率先研究微波光子的军事强国将其军事应用作为重要发展方向。2010年，美国国防部更是把“光子学、光电子学”列为十大国防技术之一[2]。

由于微波光子技术的巨大应用价值，使得国际上对此领域极为重视，微波光子學年会每年都有相关专题，美国DARPA和欧盟科技框架计划等均投入巨资开展相关研究工作。

美国DARPA近年来设立了“可重构的微波光子信号处理器”（PHASER）、“光子型射频收发”（P-STAR），“模拟光信号处理”（AOSP），“光任意波形产生”（OAWG）等微波光子项目，开展了微波光子器件、信号处理方面的研究。2015年7月在美国联邦政府支持下成立了“美国集成光子研究所（AIM-Photonics）”，集合了55家公司，20所综合性大学，33个学院和16个非营利组织。其使命是开发新的光子集成制造技术，解决高性能光子集成芯片和微波电集成芯片的大规模制造难题。

作为微波光子技术应用的基础元器件，高性能的电光调制器、光滤波器、光矩阵开关等已经开始大规模商用，但高端器件的主要供应商集中在美、日、法、德等国家。电光调制器主要是基于铌酸锂的M-Z调制器，其工作频率已达到40GHz。光滤波器主要是基于光纤光栅的可调谐滤波器，调谐速度可达纳秒级，近年来还发展出了集成可编程可重构的光滤波器。光矩阵开关主要有基于MEMS技术和半导体技术的机械式和非机械式开关，其中非机械式光开关可实现ps级的开关速度。

随着微波光子理论、器件、集成制造技术的不断成熟，其在雷达、电子战、综合射频和航空航天等领域的应用也越来越广泛。原有的电子学链路结构将逐步被光电子链路所取代，最终取代现有的微波链路[3]。

1.2 RF MEMS技术

微电子机械系统（MEMS）是将集成电路制造技术和微型机械制造技术相结合形成的，随着微制造技术的飞速发展，人们已经可以将尺寸在毫米级，甚至更小尺寸的机械装置，比如微小的驱动装置、开关阵列与处理器等集成在一起，形成一个高度集成的智能化、可编程的机电一体的器件或微系统。由于借鉴了集成电路的生产工艺和技术使其能够大批量生产，不但体积小、功能强，而且价格低。

由于采用MEMS技术使得由其组成的系统天生具备了重构的潜力，因此也引起了各国军方的关注，为此美、欧、日等发达国家已研究了30年。由于射频信号的特性，使得不同频率、带宽、幅度的射频信号通常只能使用专用的器件，特别是像电感、电容、滤波器、频率振荡器等只能工作在相对较窄的频段，而RF MEMS技术的发展解决了一系列的射频通用性难题，使宽频带、可复用、能重构的射频系统成为可能。由于功能复用大幅减小了多功能射频系统的体积、重量、功耗等指标，因此开始广泛应用到通信产品、卫星、有人/无人飞行器等领域。endprint

2 多任务微波光子载荷

将微波光子的宽频带、大动态、低损耗特性和RF MEMS的可编程、可重构特性相结合，可以设计出体积小、重量轻、能力强的满足未来战场需求的多功能无人机载荷。

采用微波光子技术和RF MEMS技术的多任务微波光子载荷主要由宽频带可重构天线、宽带大动态可重构信道、综合数字基带等设备组成[4]。

该结构可充分发挥微波光子处理大阵列、宽频带、多信号的技术特点，可同时工作在不同频段上，具有自适应带宽调整能力。同时，利用RF MEMS系统的可重构特性，动态完成射频前端的自适应变化，实现载荷的多功能一体化。

在接收端，外部的宽带多频段信号经宽频带可重构天线阵列的接收，由电光转换模块调制到光载波上通过光纤传输送至光子射频处理前端。将侦收信号按一定需求并行进行瞬时测频、频谱变换等微波光子处理[5]，同时将基带电信号数字化后送综合数字基带设备处理。

在发射端，由光任意波形产生模块与可调谐光电振荡器产生多个不同频段上的待发射波形后，经宽带波束形成与匹配滤波，经光电转换模块生成待发射射频信号送天线单元辐射。

可见，如果将微波光子技术在无人机平台上应用，将可解决在无人机载荷体积、重量受限情况下实现宽开侦察、自适应电子对抗等多种功能的问题，使无人机真正成为未来信息化作战的核心装备。

3 关键技术

3.1 宽频带可重构天线技术

宽频带可重构天线并不是传统意义上的多频段天线或宽频带天线，而是要求将现有各类型天线指标、功能综合集成于一种新体制天线内。传统的天线技术在这样的要求下必然出现极大的不适应性。这就要求设计开发出一种全新的天线架构模式。

单一依靠优化天线电磁结构，从而满足共口径天线需求的技术路线已出现极大困难，通过微机电（MEMS）技术、射频智能化技术，微波光子技术，从而发展出一种新型的宽频带多功能自适应可重构的智能化天线。

智能可重构天线可实现工作频率、方向图、极化方式等参数分别独立或综合加以控制，实现不同的工作状态和功能。并有望通过宽带共形智能蒙皮阵列形成与飞机机体结构成为一体的宽带多功能共形阵列[6-7]。

3.2 宽带大动态可重构信道技术

宽带大动态可重构信道是为满足多任务载荷对信道的要求，主要的技术方向将是微波光子技术和微机电（MEMS）技术的结合。

微波光子技术在传输、处理大动态、宽频带射频信号方面有着独特的优势，已经发展出了多种可商用的微波光子器件，如铌酸锂M-Z调制器、光滤波器、高速光开关矩阵等。同时，随着大规模MEMS技术的发展，器件性能的提高，各种类型的高性能可重构射频器件和系统将相继实现。二者的结合将使未来的信道：（1）接收模式可变，可根据后端处理的要求重新构建通道；（2）工作带宽自适应动态调整，可适应不同类型的信号和不同的工作模式；（3）具备自动陷波功能，可抑制强干扰信号的影响；（4）链路增益可自适应调整，适应大动态电磁环境。从而满足无人机多任务载荷的需求。

3.3 综合数字基带技术

综合数字基带技术是实现多任务载荷的关键技术之一。对于无人机多任务载荷来说，需要完成侦察、探测、通信、干扰等多种任务，这些任务的信号频率、带宽、波形、极化方式等要求各不相同，甚至相互矛盾，因此需要设计出适合一体化载荷使用的信号形式。同时，对不同信号的处理要做到高效，必须加强软件架构的研究。

以通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通过调用运行于平台上的不同软件模块来实现电子设备中的各项功能。利用功能软件模块化，可以用软件来控制和再定义电子设备的硬件，从而符合不同任务的要求。由于通过软件加载就可以实现不同功能的切换，因此，无人机多任务载荷必然将是基于软件无线电架构的开放平台，通过具备多任务并行处理能力的基带设备，采用人工智能高效处理算法，在有限的设备资源条件下，实现无人机系统整体性能的飞跃。

4 结束语

长期以来，无人机平台都采用大量分别独立开发的任务载荷完成所需各种功能，模块化程度低，重量体积功耗大，成本高，可靠性差，改进困难，难以适应未来的信息化高技术战争的要求。基于微波光子技术的多功能一体化结构，以宽频带、大动态的优异特性实现多传感器、多功能综合是现代战争中电子装备的一个重要发展趋势，必将带来无人机平台整体性能的提升和作战效率的大幅提高。

【参考文献】

[1]王景国，朱少林，欧阳立强.新型大动态超宽频带微波光纤通信系统[J].光通信技术，2007（8）：38-40.

[2]张忠华，孙晓昶.光控相控阵雷达[J].电讯技术，2004（2）：71-75.

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

[4]方立军，李佩，马骏.基于微波光电技术的未来数字阵列构想[J].雷达科学与技术，2013（6）：583～586。

[5]胡总华.用微波光子技术实现雷达信号的瞬时测频[D].河南，河南师范大学，2011.

[6]李国民，张军红.传感器无人机发展状况及其关键技術[J].飞行力学，2012（6）：481-484.

[7]阿雯，胡冬冬.传感无人机的关键技术及其研究进展[J].飞航导弹，2010（2）：12-13.endprint