清華新聞網(wǎng)8月29日電 相控陣是現(xiàn)代雷達(dá)與通信系統(tǒng)中的核心技術(shù)，其迅捷的波束賦形能力為實(shí)現(xiàn)靈活、高效的空間資源調(diào)度奠定了基礎(chǔ)。隨著通信與感知技術(shù)在自動(dòng)駕駛、無(wú)人機(jī)集群、物聯(lián)網(wǎng)等復(fù)雜多任務(wù)場(chǎng)景中的深度融合，相控陣系統(tǒng)正不斷向?qū)拵?、大?guī)模方向演進(jìn)，從而為高分辨雷達(dá)探測(cè)與大容量通信提供支撐。微波光子真延時(shí)相控陣是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，具有抗波束傾斜、瞬時(shí)帶寬大等優(yōu)點(diǎn)，然而傳統(tǒng)基于延時(shí)線(xiàn)陣列的波束賦形網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度高、調(diào)控難度大，成為制約大規(guī)模微波光子相控陣實(shí)際應(yīng)用的瓶頸。
近日，清華大學(xué)電子工程系的薛曉曉、鄭小平團(tuán)隊(duì)提出了一種無(wú)需延時(shí)線(xiàn)的光頻梳驅(qū)動(dòng)超寬帶真延時(shí)相控陣新方案。原理如圖1所示，相控陣天線(xiàn)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由兩個(gè)重復(fù)頻率存在微小差異的光頻梳進(jìn)行光電混頻產(chǎn)生，利用線(xiàn)性調(diào)頻波的頻時(shí)映射關(guān)系，將復(fù)雜的延時(shí)調(diào)控轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)單的頻率調(diào)控，從而擺脫了對(duì)大規(guī)模物理延時(shí)線(xiàn)的依賴(lài)。該方案充分發(fā)揮了光頻梳的精準(zhǔn)頻率控制與寬光譜擴(kuò)展能力，系統(tǒng)集成度與可擴(kuò)展性相對(duì)于傳統(tǒng)方案可實(shí)現(xiàn)顯著提升。
圖1.基于雙光頻梳驅(qū)動(dòng)的等效真延時(shí)相控陣概念圖
團(tuán)隊(duì)分別構(gòu)建了1×16、4×4的一維和二維相控陣實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在Ku波段成功驗(yàn)證了其超寬帶、無(wú)傾斜波束賦形與連續(xù)波束掃描能力，瞬時(shí)帶寬覆蓋整個(gè)Ku波段（12-18GHz）。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將所提出的系統(tǒng)應(yīng)用于通信感知一體化（Integrated sensing and technology，ISAC）場(chǎng)景（圖2），采用以線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)為載波的正交頻分復(fù)用相位調(diào)制作為ISAC波形，成功實(shí)現(xiàn)了高分辨逆合成孔徑雷達(dá)成像與高速通信功能。雷達(dá)二維成像分辨率達(dá)到2.6×3.0cm，通信速率達(dá)到4.8Gbps。該研究展示了光頻梳驅(qū)動(dòng)的超寬帶相控陣系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)緊湊性、高可擴(kuò)展性與靈活波束調(diào)控方面的優(yōu)勢(shì)，為未來(lái)高性能ISAC硬件平臺(tái)的發(fā)展提供了一種極具競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案。
圖2.等效真延時(shí)相控陣系統(tǒng)在通感一體化場(chǎng)景下的應(yīng)用展示。（a）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；（b）波束方向圖；（c）波束掃描曲線(xiàn)；（d）左側(cè)：四小球逆合成孔徑（ISAR）成像圖，右側(cè)：64QAM-OFDM接收星座圖
研究成果以“面向通感一體的光頻梳驅(qū)動(dòng)超寬帶準(zhǔn)真延時(shí)波束賦形技術(shù)”（Frequency-comb-steered ultrawideband quasi-true-time-delay beamformer for integrated sensing and communication）為題，于8月14日發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。
清華大學(xué)電子工程系2019級(jí)博士生王棉為論文第一作者，電子工程系副教授薛曉曉為論文通訊作者。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-62854-z
供稿：電子系
編輯：李華山
審核：郭玲
