微波超低相噪光電振蕩器的實驗研究?

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

強雜波下檢測低空慢速、小型、隱身目標(biāo)是現(xiàn)代先進(jìn)雷達(dá)必須面對的挑戰(zhàn)。隨著大型數(shù)字陣列雷達(dá)的信號合成效應(yīng)、大動態(tài)接收機、高分辨A/D技術(shù)發(fā)展,雷達(dá)系統(tǒng)頻率源相位噪聲逐漸成為檢測強雜波下慢、小、隱目標(biāo)的性能瓶頸。對于大型數(shù)字陣列雷達(dá),相位噪聲甚至影響超遠(yuǎn)程探測距離。因此,進(jìn)一步提升頻率源的相位噪聲性能顯得非常重要和迫切。近年來,高性能晶體振蕩器和原子鐘的相位噪聲性能得到一定提升,遺憾的是這些高性能基準(zhǔn)源的工作頻率相對較低,合成到微波頻段會大幅惡化,目前發(fā)展的高頻晶體振蕩器也是以犧牲相位噪聲為代價。隨著微波和光學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,形成了一門新交叉技術(shù)領(lǐng)域——微波光子學(xué)(Microwave Photonics),作為微波光子學(xué)的典范應(yīng)用,微波光電振蕩器(Opto-Electronic Oscillator,OEO)將是一種新穎的、有發(fā)展前途的高質(zhì)量微波信號源,將是振蕩器領(lǐng)域的革命性突破,對未來雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

1 工作原理

光電振蕩器的基本原理是構(gòu)建基于光電混合的時間鑒相反饋環(huán)路(即光與微波的復(fù)合諧振腔),當(dāng)環(huán)路滿足反饋幅度增益和相位起振條件時,將形成自激振蕩[1-2]。與傳統(tǒng)電子合成器相比,高性能光電振蕩器相位噪聲指標(biāo)將提升兩個數(shù)量級以上,目前高性能X波段電子合成器相位噪聲約為-120 dBc/Hz@10 k Hz,而X波段光電振蕩器的相位噪聲將優(yōu)于-140 dBc/Hz@10 k Hz,同時,光電振蕩器還具有如下優(yōu)點:低相噪性能與振蕩頻率無關(guān),振蕩頻率高(頻率范圍可覆蓋1～100 GHz),調(diào)諧范圍寬、速度快,振動敏感性低(10-12/g)。因而,光電振蕩器是一種不同于傳統(tǒng)振蕩器的新型振蕩器,有學(xué)者稱之為“終極振蕩器”。光電振蕩器原理框圖如圖1所示。

圖1 微波光電振蕩器原理框圖

光電振蕩器的相噪表達(dá)式[3]為

式中,f m為相對于振蕩器振蕩頻率的頻偏,τ為環(huán)路延遲時間,為振蕩器的噪聲信號功率比,ρN為從放大器輸入端進(jìn)入振蕩器的噪聲密度為放大器之前的振蕩功率,POSC為振蕩器的輸出功率,GAmp為電放大器的總增益。

通常,2πf mτ≤1,簡化式(1)可得

由式(1)和式(2)可知:系統(tǒng)相噪與光纖延時的二次方成近似反比關(guān)系,光纖延時與光纖長度成正比;因此,增加長光纖長度,可以有效降低系統(tǒng)相噪。

由于存在360°周期性,因此單回路微波光電振蕩存在頻率模糊性,其頻率周期為

式中,t為光反饋回路時延。為獲得高頻譜純度,實現(xiàn)對其他周期頻率的抑制,采用雙回路法對其他頻率進(jìn)行抑制,雙回路頻率選擇性如圖2所示[4]。

圖2 雙回路光電振蕩器頻率選擇特性

從分析結(jié)果來看,環(huán)路中各部件的低噪聲(特別是光電調(diào)制器噪聲)、環(huán)路高增益和環(huán)路等效長時延是實現(xiàn)光電振蕩器低相位噪聲的有效技術(shù)路徑。由于長時延將帶來更小間隔的頻率模糊度,因此環(huán)路中微波濾波器的選擇特性是技術(shù)難點之一。

2 實驗研究

國外對于微波光電子技術(shù)在軍事上應(yīng)用研究已開展近30年,相關(guān)概念和理論體系已基本建立。美國加州理工學(xué)院和NASA共管的噴氣推進(jìn)實驗室(JPL)對高穩(wěn)定寬帶光電振蕩器進(jìn)行了深入研究,取得了一系列的成果,已獲得50多項微波光電方面專利,研發(fā)的X波段光電振蕩器頻偏10 k Hz處的相位噪聲可達(dá)-145 d Bc/Hz,價格極其昂貴,核心技術(shù)保密,加拿大、法國的研究機構(gòu)也對光電振蕩器開展了研究工作但尚未見實用化產(chǎn)品的報道。

國內(nèi)在微波光電技術(shù)領(lǐng)域的研究起步相對較晚,十年不到,但成績斐然,特別是低相噪頻率源超遠(yuǎn)程傳輸和微波光電接收機,已實現(xiàn)工程化應(yīng)用,而微波光電振蕩器尚處于實驗室研究階段,近年我們加快了研究開發(fā)工作[5],期望為下一代高性能雷達(dá)提供高性能微波源,實驗平臺如圖3所示。

圖3 微波光電振蕩器實驗樣機

主要技術(shù)創(chuàng)新點有:采用雙長光纖延時回路和低噪聲光電調(diào)制技術(shù),實現(xiàn)低雜波和低相位噪聲,并采用微波移相實現(xiàn)振蕩頻率控制,環(huán)路中內(nèi)插光電放大器實現(xiàn)環(huán)路高信噪比,環(huán)路濾波器采用高選擇性諧振腔帶通濾波器,帶寬為20 MHz。振蕩頻率設(shè)計在10 GHz,雜波抑制優(yōu)于70 dBc,相位噪聲優(yōu)于-120 dBc/Hz@1 k Hz,-128 dBc/Hz@10 k Hz,如圖4所示。

圖4 微波光電振蕩器實驗研究結(jié)果

結(jié)果對比如表1所示。

表1 微波光電振蕩器實驗結(jié)果對比

對比情況來看,光電振蕩器噪聲基底,即遠(yuǎn)載頻相位噪聲較傳統(tǒng)高性能電子頻綜器有極大的性能優(yōu)勢,而近載頻相位噪聲較傳統(tǒng)高性能電子頻綜器的性能有待進(jìn)一步提高,主要原因是光電器件的溫度特性漂移較大。實驗樣機與美國OE-wave公司光電振蕩器近載頻相位噪聲性能近似,而遠(yuǎn)載頻相位噪聲差距較大,說明兩種振蕩器在存儲時間尺度上近似的,只是美國OEwave公司采用了光學(xué)微腔,可能光學(xué)微腔的損耗較光纖更小,從而環(huán)路等效噪聲更低。

3 值得研究的若干問題

從實驗研究結(jié)果來看,雙回路微波光電振蕩器具有優(yōu)良的相位噪聲特性和雜波性能,工作狀態(tài)穩(wěn)定,但樣機尺寸較大,同時寬溫存在慢速漂移現(xiàn)象,主要是長光路寬溫下存在的物理變形。雙回路微波光電振蕩器存在多模糊工作頻點,微波光電振蕩器的頻率控制也是未來技術(shù)難點[6]。

(1)光學(xué)微腔

微波光電振蕩器采用頻率-時間鑒相原理,長光纖延時容易受溫度的影響,穩(wěn)定性差,同時體積較大,難以集成。使激光束在可控、約束的光學(xué)微腔內(nèi)(即光學(xué)回音壁模微腔)反復(fù)折射實現(xiàn)可控延時將是實現(xiàn)高性能微波光電振蕩器的有效方法,目前,中國科技大學(xué)等單位已開展類似的工作。

(2)鎖相頻率控制

微波光電振蕩器采用時間鑒相原理,應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng),原理上存在頻率精準(zhǔn)控制、慢速漂移和相位同步問題,因此在光電振蕩回路中可附加鎖相反饋相位控制,與基準(zhǔn)源實現(xiàn)鎖相同步,可充分發(fā)揮微波光電振蕩器遠(yuǎn)載頻超低噪聲特性和雷達(dá)基準(zhǔn)源的頻率精準(zhǔn)度和寬溫穩(wěn)定性,應(yīng)是微波光電振蕩器應(yīng)用于雷達(dá)的主要方案。

(3)光電器件寬溫穩(wěn)定性

光電器件,特別是激光發(fā)生器和光放大器,寬溫穩(wěn)定性是微波光電技術(shù)目前普遍問題,限制了微波光電技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展,是微波光電的基礎(chǔ)技術(shù),隨著新材料、新工藝、新技術(shù)在激光發(fā)生器和溫度控制方面的應(yīng)用。

(4)超低相位噪聲的測試

相位噪聲測試儀器均存在相位噪聲基底,即存在殘留噪聲,同時測量精度與測量積累時間相關(guān)聯(lián),目前,先進(jìn)的相位噪聲測試系統(tǒng)(如安捷侖E5052A+5052B)測試對象是傳統(tǒng)頻率合成器,而微波光電振蕩器相位噪聲較傳統(tǒng)高性能頻率合成器提升兩個數(shù)量級以上,因此常規(guī)的測試方法和測試儀表已無法滿足光電振蕩器的測試,如何對超低相位噪聲微波光電振蕩器進(jìn)行有效測量是一個值得研究的課題。

4 結(jié)束語

微波光電振蕩器是頻率源領(lǐng)域一次重要技術(shù)革命,其高頻率、低相位噪聲特性具有極大技術(shù)優(yōu)勢,目前我們已完成基于雙回路原理樣機的研制,雜波抑制達(dá)70 d B,但穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高,其中光學(xué)微腔是未來關(guān)鍵技術(shù)。每一次新材料新技術(shù)的誕生必將給相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域帶來新的技術(shù)革命,現(xiàn)代雷達(dá)的多項技術(shù)性能,如測速精度、測距精度、動目標(biāo)改善因子、雜波能見度等,與頻率合成器相位噪聲直接相關(guān),因此,基于微波光子學(xué)的超低相位噪聲微波光電振蕩器必將為未來高性能雷達(dá)、電子戰(zhàn)系統(tǒng)提供一種全新的技術(shù)路徑。光電振蕩器屬于國際前沿技術(shù),又是一門交叉學(xué)科,其中很多關(guān)鍵技術(shù)尚待突破。作者從2007年介入微波光電技術(shù)研究,其中高性能微波光電接收機和低相位噪聲微波源超遠(yuǎn)程光電傳輸已進(jìn)入工程化應(yīng)用,微波光電振蕩器還處于實驗研究階段,期望實驗研究及成果得到相關(guān)領(lǐng)域科技及管理人員的重視,推動我國微波光電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

[1]YAO Jianping.Microwave Photonics[J].Journal of Lightwave Technology,2009,27(3):314-335.

[2]SEEDS A J,WILLIAMS K J.Microwave Photonics[J].Journal of Lightwave Technology,2006,24(12):4628-4641.

[3]YAO X S,MALEKI L.Optoelectronic Oscillator for Photonic Systems[J].Journal of Quantum Electronics,1996,32(7):1141-1149.

[4]陳吉欣,惠洋,鄢勃,等.長光纖環(huán)高性能光電振蕩器研究[J].光學(xué)學(xué)報,2013,33(1):95-99.

[5]方立軍,柳勇,張焱,等.射頻光電傳輸?shù)膶嶒炑芯縖C]∥第十二界全國雷達(dá)學(xué)術(shù)年會論文集,武漢:中國電子學(xué)會無線電定位技術(shù)分會,2012:439-442.

[6]方立軍,李佩,馬駿,等.基于微波光電技術(shù)的未來數(shù)字陣列構(gòu)想[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2013,11(6):583-586.FANG Li-jun,LI Pei,MA Jun,et al.An Idea for Future Digital Array Radar Based on Microwave Optoelectronics[J].Radar Science and Technology,2013,11(6):583-586.(in Chinese)