基于光子技術(shù)的超寬帶高隔離度收發(fā)系統(tǒng)

高　暉，王　翌

(南京電子技術(shù)研究所,　南京 210039)

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基于光子技術(shù)的超寬帶高隔離度收發(fā)系統(tǒng)

高暉，王翌

(南京電子技術(shù)研究所,南京 210039)

針對(duì)現(xiàn)有電環(huán)形器帶寬隔離度有限的技術(shù)瓶頸，基于微波光子技術(shù)，通過光路射頻對(duì)消方法，得到了頻率2GHz～8 GHz，隔離度>35 dB的射頻收發(fā)系統(tǒng)。相比傳統(tǒng)電環(huán)形器，在多倍頻程范圍內(nèi)將收發(fā)隔離度提升了近15 dB。文中詳細(xì)論述了方案原理及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該成果可為同頻率共天線射頻同時(shí)收發(fā)系統(tǒng)提供新的解決方案。在連續(xù)波雷達(dá)性能提升、通信頻譜資源擴(kuò)展等領(lǐng)域具備重要應(yīng)用價(jià)值。

微波光子技術(shù); 超寬帶; 隔離度; 收發(fā)系統(tǒng)

0　引　言

自雷達(dá)問世至今，更多的是以脈沖體制的雷達(dá)為主，其中一個(gè)重要原因是在收發(fā)共用天線的單站雷達(dá)中，收發(fā)隔離一直是限制連續(xù)波雷達(dá)應(yīng)用和發(fā)展的主要因素[1-2]。首先，發(fā)射的強(qiáng)泄漏易引起中放飽和，乃至混頻器或前置低噪放飽和；其次，發(fā)射機(jī)噪聲泄漏至接收機(jī)將導(dǎo)致接收靈敏度下降；再次，泄漏信號(hào)的存在也會(huì)導(dǎo)致虛假多普勒信號(hào)的產(chǎn)生[3]。

因此，收發(fā)隔離一直是人們需要攻克的技術(shù)難題。特別是當(dāng)“偵、干、探、通”一體化電子系統(tǒng)的概念提出以后，更寬的頻譜覆蓋范圍、更復(fù)雜的電磁環(huán)境對(duì)射頻系統(tǒng)提出了諸如帶寬、靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍等更高的指標(biāo)要求。收發(fā)隔離問題的解決變得更為迫切?；仡櫧鼛资陙韲鴥?nèi)外相關(guān)的研究工作，分別從空間、時(shí)間、頻率和相位差別上提出了多種解決收發(fā)隔離的方案[4]，典型的如：利用環(huán)形器或基于相位補(bǔ)償對(duì)消的方法。然而，目前環(huán)形器的收發(fā)隔離度一般僅為20 dB左右，且寬帶有限?；谙辔谎a(bǔ)償對(duì)消的方法在改善收發(fā)隔離度方面有一定的提升，但實(shí)際上也會(huì)影響到接收機(jī)靈敏度及其動(dòng)態(tài)范圍與帶寬性能[5]。

為了在更寬的頻率范圍內(nèi)獲得更高的收發(fā)隔離度，人們開始嘗試?yán)眯碌募夹g(shù)實(shí)現(xiàn)突破。其中，20世紀(jì)90年代中期提出的微波光子技術(shù)引起了研究人員極大興趣[6]。20年來，微波光子技術(shù)憑借其巨大的帶寬及靈活性已在射頻信號(hào)的產(chǎn)生、傳輸、分配及處理等多方面體現(xiàn)出傳統(tǒng)電子技術(shù)不具備的優(yōu)勢[7-9]。在美國國防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局支持下，美國PSI公司研究人員利用該技術(shù)在0.1 GHz～8 GHz內(nèi)的某些頻段實(shí)現(xiàn)了隔離度近30 dB的射頻收發(fā)系統(tǒng)[10-11]。

本文對(duì)PSI公司的成果驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，該方案未能有效地解決在負(fù)載端口處因阻抗失配所發(fā)生的上行信號(hào)泄露問題，也即系統(tǒng)的帶寬和隔離度均有較大提升空間。為了去除反射信號(hào)帶來的負(fù)面影響，本文首次設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于射頻光路對(duì)消的同頻連續(xù)波收發(fā)系統(tǒng)，理論分析及實(shí)驗(yàn)表明：本文的方案在帶寬及收發(fā)隔離度等性能方面均獲得了顯著提升，基于帶有兩個(gè)負(fù)載端的雙平行馬赫-曾德爾調(diào)制器(DPMZM)實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻光路對(duì)消系統(tǒng)優(yōu)化的方案，為基于微波光子技術(shù)實(shí)現(xiàn)更小型化、更大帶寬、更高隔離度射頻收發(fā)系統(tǒng)提供了思路。

1　PSI方案驗(yàn)證

PSI方案原理，如圖1所示。上行信號(hào)從電光強(qiáng)度調(diào)制器的射頻A端口輸入，再經(jīng)射頻B端口輸出至天線并被發(fā)射出去。而下行信號(hào)則經(jīng)射頻端口B輸入至調(diào)制器，并對(duì)光信號(hào)進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。被調(diào)制的光信號(hào)經(jīng)過光電變換后轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)下行信號(hào)接收。

圖1　PSI方案原理示意圖

該系統(tǒng)的收發(fā)隔離度取決于上行信號(hào)和下行信號(hào)對(duì)光的強(qiáng)度調(diào)制能力的區(qū)別。根據(jù)電光強(qiáng)度調(diào)制器的工作原理[12]，只有當(dāng)光的傳輸方向和射頻信號(hào)傳輸方向相同時(shí)，射頻信號(hào)對(duì)光的強(qiáng)度調(diào)制才是有效的。如果兩個(gè)信號(hào)的傳輸方向相反，電光強(qiáng)度調(diào)制的能力將顯著下降。在圖1中，下行信號(hào)與光傳播方向相同，故調(diào)制效率高； 而上行信號(hào)方向與之相反，調(diào)制效率低。故經(jīng)過光電探測轉(zhuǎn)換得到的射頻信號(hào)主要由下行信號(hào)貢獻(xiàn)，由此實(shí)現(xiàn)了上下行信號(hào)的隔離。

定義β為上行信號(hào)調(diào)制效率ηT與下行信號(hào)調(diào)制效率ηR之比，通過對(duì)調(diào)制器特性的理論分析可知，β可通過式(1)定量描述

(1)

式中：α為由電光調(diào)制器特性決定的參數(shù)；ω為射頻信號(hào)角頻率。根據(jù)式(1)可得上下行信號(hào)的隔離度隨頻率變化趨勢ISO滿足

(2)

取α=0.8，由式(2)計(jì)算得到的上下行隔離度隨頻率變化的趨勢，如圖2所示?？梢钥闯觯舷滦懈綦x度在低頻時(shí)表現(xiàn)很差，高頻時(shí)有高于20 dB的隔離度，且頻率越高，隔離度越好。

圖2　PSI方案隔離度變化仿真結(jié)果

我們選用EOSPACE公司帶雙射頻端口的帶寬為10 GHz的鈮酸鋰電光調(diào)制器(器件結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示)，按圖4搭建了測試系統(tǒng)并進(jìn)行了隔離度測試。

圖3　雙射頻端口MZM內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖4　PSI方案隔離度測試系統(tǒng)示意圖

測試時(shí)，調(diào)制器A端口接天線負(fù)載，上行信號(hào)自B端口進(jìn)入，由A端口輸出；下行信號(hào)自A端口輸入，經(jīng)電光調(diào)制變?yōu)楣廨d射頻信號(hào)后由尾纖送入光電探測器，完成下行信號(hào)的接收。

試驗(yàn)測得的系統(tǒng)收發(fā)隔離度隨頻率變化曲線如圖5所示。

圖5　基于PSI方案的上下行信號(hào)隔離度測試結(jié)果

圖5中，隔離度隨輸入射頻頻率變化趨勢的測試結(jié)果與理論分析結(jié)果基本一致。曲線出現(xiàn)多個(gè)波谷，隔離度最大點(diǎn)超過40 dB，而最差點(diǎn)僅約12 dB。分析認(rèn)為，由于上行信號(hào)在調(diào)制器的端口B處會(huì)發(fā)生因阻抗失配所導(dǎo)致的反射，而此反射信號(hào)與光傳播方向同向，使得反射信號(hào)對(duì)光的調(diào)制效率與下行信號(hào)對(duì)光的調(diào)制效率相同，使得下行信號(hào)與之難以區(qū)分，無疑會(huì)惡化收發(fā)隔離度。圖6給出的曲線驗(yàn)證了我們的分析，從圖中可以看出，在負(fù)載調(diào)整后，收發(fā)隔離度明顯惡化。為了消除上行信號(hào)在負(fù)載端反射帶來的負(fù)面影響，必須對(duì)上述方案進(jìn)行改進(jìn)。

圖6　PSI方案負(fù)載調(diào)整后信號(hào)隔離度測試結(jié)果

2　基于射頻光路對(duì)消原理的雙調(diào)制器方案

如圖7所示，在原有系統(tǒng)上引入第二個(gè)調(diào)制器，通過對(duì)消上行信號(hào)在天線負(fù)載端的反射提高系統(tǒng)隔離度。圖7中，調(diào)制器電極上的射頻信號(hào)共有三種不同成分：上行信號(hào)T，被天線反射的上行信號(hào)γT(γ為反射系數(shù))，以及下行信號(hào)R。設(shè)定調(diào)制器的偏置點(diǎn)為90°，記調(diào)制器1輸出光功率為P1，調(diào)制器2輸出光功率為P2，分別用公式表示為

(3)

(4)

式中：β與式(1)定義相同；2δa為天線和匹配負(fù)載對(duì)上行信號(hào)反射能力的差異；2δb為光電調(diào)制器1和2的半波電壓的差異；2δc為激光器1和2輸出光強(qiáng)的差異。(注：2δa及2δc為試驗(yàn)可調(diào)量)。

圖7　基于光路對(duì)消原理的雙調(diào)制器寬帶收發(fā)隔離系統(tǒng)框圖

在下行端口，通過將兩個(gè)調(diào)制器偏置在相反的線性點(diǎn)上，使得輸出的調(diào)制光信號(hào)符號(hào)相反，PD的輸出電流為P1和P2對(duì)應(yīng)電流的差。利用式(3)和式(4)可得

(5)

對(duì)于式(5)，當(dāng)接收到的下行信號(hào)為0時(shí)，有

(6)

對(duì)于式(6)，在理想情況下，δa=δb=0，可以調(diào)節(jié)圖7中兩個(gè)激光器光強(qiáng)的差異，使得δc=0，此時(shí)有I=0，也即上行信號(hào)泄露為0；對(duì)于非理想情況，δa和δb很小但均不為0，可以證明此時(shí)仍可調(diào)節(jié)δc，使得I≈0，即上行信號(hào)的泄露約為0。

對(duì)于式(5)，當(dāng)接收到的下行信號(hào)不為0時(shí)，可在第二條光收發(fā)鏈路中引入光路延遲，調(diào)節(jié)其延遲量，將式(5)改寫為

(7)

調(diào)節(jié)ΔΦ，必然存在某一時(shí)刻滿足

(8)

在此情況下，式(7)可簡化為

(9)

因?yàn)橄滦行盘?hào)一般很弱，利用小信號(hào)下的泰勒級(jí)數(shù)展開，有

(10)

由式(7)和式(10)可推導(dǎo)系統(tǒng)的收發(fā)隔離度ISO為

|(2δa+2δb-2δc)γ|]2

(11)

由式(11)可見，在改進(jìn)的方案中存在兩個(gè)用于提升隔離度的試驗(yàn)可調(diào)變量，分別為負(fù)載匹配差異2δa和激光器功率差異2δc。本系統(tǒng)中由于存在著兩個(gè)可調(diào)節(jié)參數(shù)，收發(fā)隔離度的提升可得到有效的保證。

3　基于射頻光路對(duì)消原理的雙調(diào)制器方案實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1隔離度測試

為實(shí)現(xiàn)上行反射信號(hào)在寬帶范圍內(nèi)有效對(duì)消，首先將兩個(gè)調(diào)制器偏置在最佳線性點(diǎn)；然后，將其中一個(gè)調(diào)制器的偏置增大一個(gè)半波電壓；最終，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)鏈路輸出的射頻信號(hào)等大反相。其在2 GHz～8 GHz范圍內(nèi)的相位關(guān)系，分別如圖8a)、圖8b)所示。

圖8　鏈路輸出射頻信號(hào)相位

以鏈路1的下行鏈路為基準(zhǔn)對(duì)矢網(wǎng)校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后按照?qǐng)D7連接好系統(tǒng)，此時(shí)矢網(wǎng)測得的插損即為上下行信號(hào)的隔離度(已扣除下行光鏈路插損)。通過微調(diào)激光器光功率，調(diào)制器偏置點(diǎn)和可調(diào)光延遲線，實(shí)現(xiàn)2 GHz～8 GHz范圍內(nèi)的寬帶光收發(fā)隔離，隔離度測試結(jié)果如圖9所示。圖中5個(gè)Mark點(diǎn)對(duì)應(yīng)的值分別為：-39.2dB@3GHz，-46.6dB@4GHz，-41.3dB@5 GHz，-36.9 dB@6 GHz和-41.9 dB@7 GHz。

圖9　光寬帶收發(fā)隔離系統(tǒng)隔離度測試結(jié)果

3.2系統(tǒng)其他指標(biāo)測試

為了評(píng)估該方案對(duì)系統(tǒng)性能的影響，我們進(jìn)一步測試了上行鏈路插損以及下行鏈路的噪聲系數(shù)。其中，上行鏈路插損的測試系統(tǒng)連接框圖，如圖10所示，下行鏈路噪聲系數(shù)測試系統(tǒng)連接框圖，如圖11所示。

圖10　上行鏈路插損測試系統(tǒng)連接框圖

圖11　下行鏈路噪聲系數(shù)測試系統(tǒng)連接框圖

此部分的測試結(jié)果如表1所示。

表1　系統(tǒng)上下行鏈路指標(biāo)測試結(jié)果

從表1可以看出，上行信號(hào)的插入損耗隨著頻率變高而增大，在2 GHz≤f≤8 GHz頻率范圍內(nèi)，上行鏈路的損耗均不超過8 dB。需要說明的是，上行鏈路的損耗主要由兩部分組成：一部分來自于功分器的損耗，約3 dB；另一部分由電光調(diào)制器的特性決定。改善電光調(diào)制器的性能，可以降低上行鏈路的損耗。在實(shí)驗(yàn)頻段范圍內(nèi)，下行鏈路的噪聲系數(shù)滿足Nf≤34 dB。該結(jié)果相比PSI相關(guān)產(chǎn)品指標(biāo)略有惡化，然而這是因?yàn)楦倪M(jìn)方案包含有功率合成部分，該部分引入損耗，相應(yīng)地抬高了噪聲系數(shù)。若忽略這部分的影響，下行鏈路噪聲系數(shù)可看作ROF鏈路的噪聲系數(shù)，未有明顯惡化。

3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們得出如下結(jié)論：

(1)PSI實(shí)驗(yàn)方案中上下行信號(hào)隔離度主要由電光調(diào)制器的特性決定。隔離度隨頻率變化遵照sin2(αω)/(αω)2的變化趨勢，一旦電光調(diào)制器選定，該曲線的波峰波谷位置也隨之確定。

(2)通過引入第二個(gè)調(diào)制器來對(duì)消被反射的部分上行信號(hào)能量，已能實(shí)現(xiàn)2 GHz～8 GHz全帶寬范圍內(nèi)35 dB以上的收發(fā)隔離度(已扣除下行鏈路插損)，試驗(yàn)中的帶寬指標(biāo)僅受限于電功分器性能。

(3)上行信號(hào)經(jīng)調(diào)制器會(huì)損失一定功率，圖7的實(shí)驗(yàn)方案由于引入了功分器，對(duì)上行鏈路損耗帶來了一定程度的惡化，也相應(yīng)抬高了下行鏈路的噪聲系數(shù)(約3 dB)。然而，圖7的方案對(duì)消了上行鏈路的反射信號(hào)，在更寬的頻帶范圍內(nèi)獲得了更大的收發(fā)隔離度，同時(shí)理論分析和實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果均表明：改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方案并未顯著惡化信噪比。

4　基于雙平行馬赫-曾德爾調(diào)制器的方案

需要強(qiáng)調(diào)的是，本文第2、3節(jié)實(shí)現(xiàn)的寬帶隔離主要由兩個(gè)調(diào)制器輸出的射頻信號(hào)對(duì)消實(shí)現(xiàn)。因此，兩個(gè)調(diào)制器的一致性越高，能達(dá)到的隔離度越高。在本實(shí)驗(yàn)中，調(diào)制器本身生產(chǎn)時(shí)的器件不一致性以及測試時(shí)射頻輸入端口連接的匹配負(fù)載的不一致性限制了整個(gè)系統(tǒng)收發(fā)隔離度的進(jìn)一步提升。為此，我們提出使用DPMZM替代原有的兩個(gè)電光調(diào)制器來獲得更高隔離度的方案，如圖12所示。

圖12　帶兩個(gè)負(fù)載端的DPMZM結(jié)構(gòu)示意圖

該DPMZM由三個(gè)馬赫-曾德爾調(diào)制器(MZM)構(gòu)成，其中，兩個(gè)MZM相互平行，分別嵌入到第三個(gè)MZM的兩個(gè)臂上。通過設(shè)置第三個(gè)偏置BDC3使上下兩個(gè)強(qiáng)度調(diào)制器反相，就可以對(duì)消上行反射信號(hào)，實(shí)現(xiàn)寬帶高隔離度的收發(fā)組件。與原來的兩個(gè)分立調(diào)制器相比，該方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)由于兩個(gè)調(diào)制器位于同一個(gè)基板上，隔離度曲線的一致性更高，理論上能實(shí)現(xiàn)更大的收發(fā)隔離度；

(2)使用單一調(diào)制器，降低了外界環(huán)境溫度和振動(dòng)對(duì)原有兩個(gè)不同調(diào)制器引入的差異，系統(tǒng)更加穩(wěn)定；

(3)新方案可在原有基礎(chǔ)上減少一臺(tái)激光器、一個(gè)偏振控制器、一個(gè)波分復(fù)用耦合器和兩個(gè)光衰減器，極大地降低了系統(tǒng)復(fù)雜度和器件成本，同時(shí)易于實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的小型化。

5　結(jié)束語

本文首次提出基于光載射頻鏈路信號(hào)對(duì)消原理實(shí)現(xiàn)超寬帶高隔離度射頻收發(fā)系統(tǒng)的方案。理論分析表明該方案在提升系統(tǒng)收發(fā)隔離度方面具有多個(gè)調(diào)試自由度。相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在2 GHz～8 GHz頻帶范圍內(nèi)獲得了不低于35 dB的收發(fā)隔離度，相比傳統(tǒng)電環(huán)形器，在多倍頻程范圍內(nèi)將收發(fā)隔離度提升近15 dB。同時(shí)，系統(tǒng)上行損耗及下行噪聲系數(shù)無明顯惡化。本文討論了基于DPMZM的優(yōu)化方案，可在提升收發(fā)隔離性能、降低系統(tǒng)成本及復(fù)雜度方面發(fā)揮明顯優(yōu)勢。本文的研究成果為同頻率共天線射頻同時(shí)收發(fā)系統(tǒng)提供新的解決方案，在連續(xù)波雷達(dá)性能提升、通信頻譜資源擴(kuò)展等領(lǐng)域具備重要應(yīng)用價(jià)值。

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高暉男，1984年生，博士，工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)固態(tài)發(fā)射技術(shù)。

Ultra-wideband and High Isolation TR Module Based on Microwave Photonic Technology

GAO Hui，WANG Yi

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039, China)

Common circulator has narrow bandwidth and low isolation. For these bottlenecks, we made an ultra-wideband and high isolation TR module using microwave photonic technology. The results showed the isolation of this module was higher than 35 dB in the frequency range of 2 GHz～8 GHz. Furthermore, the isolation was 15 dB higher than conventional ferrite circulators in multiple octave bands. This paper reported the basic principle and the relative experiment in detail. This system could enable an RF system to simultaneously transmit and receive through a single antenna on the same frequency channel. These schemes and the results showed in this paper can be referenced in the researches on the enhancement of continuous wave radar, as well as communication channels.

microwave photonics; ultra-wideband; isolation; TR module

國家“863”計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2015AA8098086B)

高暉Email：sss_gaohui@126.com

2016-03-14

2016-05-19

TN958.94

A

1004-7859(2016)07-0062-05

·收/發(fā)技術(shù)·

DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.07.016