微波光子濾波器在衛(wèi)星通信信號(hào)處理中的應(yīng)用

黃寧博，孫亨利，張安旭，呂　強(qiáng)

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 航天信息應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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微波光子濾波器在衛(wèi)星通信信號(hào)處理中的應(yīng)用

黃寧博1,2，孫亨利1,2，張安旭1,2，呂強(qiáng)1,2

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 航天信息應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

微波光子學(xué)主要研究微波和光波的相互作用，其應(yīng)用領(lǐng)域有寬帶無(wú)線接入網(wǎng)、傳感網(wǎng)絡(luò)、雷達(dá)、衛(wèi)星通信、儀器儀表和現(xiàn)代電子戰(zhàn)等。微波光子技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)為：載波所具有的巨大帶寬優(yōu)勢(shì)，傳輸介質(zhì)所具有的重量輕、低損耗，以及光載波能夠抵抗空間存在的各種電磁干擾等，而這也正是目前的電子技術(shù)面臨的困境。積極研究、探索用光子學(xué)技術(shù)和方法來(lái)進(jìn)行微波信號(hào)的產(chǎn)生、傳輸和處理等，就成為了微波光子學(xué)的熱門(mén)研究方向。論述了微波光子技術(shù)在信號(hào)濾波處理等方面的應(yīng)用以及近年來(lái)的研究進(jìn)展，簡(jiǎn)要介紹了正系數(shù)、負(fù)系數(shù)、復(fù)系數(shù)以及單通道微波光子濾波器的基本架構(gòu)、工作原理及其在衛(wèi)星通信信號(hào)處理中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)。在有巨大應(yīng)用前景的單通道微波光子濾波器中，目前已能實(shí)現(xiàn)0～20 GHz的頻率調(diào)諧范圍、350 MHz的通道帶寬。

微波光子技術(shù)；信號(hào)處理；衛(wèi)星通信；微波光子濾波器；延時(shí)模塊

0　引言

近40年來(lái)，伴隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，光波和微波的交叉學(xué)科——微波光子學(xué)也引起了世界范圍內(nèi)相關(guān)高校、研究機(jī)構(gòu)和商業(yè)界的廣泛關(guān)注[1]。微波光子技術(shù)將光子器件、技術(shù)及系統(tǒng)應(yīng)用到微波和毫米波信號(hào)的產(chǎn)生[2]、傳輸和處理[3]等領(lǐng)域。鑒于傳統(tǒng)微波器件的損耗及帶寬均無(wú)法滿足特定場(chǎng)合實(shí)際系統(tǒng)的應(yīng)用，自1976年Wilner和Heunel首先提出利用光纖作為延時(shí)介質(zhì)進(jìn)行信號(hào)處理以來(lái)[4]，微波光子信號(hào)處理已經(jīng)成為熱門(mén)研究領(lǐng)域。目前，微波光子技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高性能模擬微波信號(hào)鏈路傳輸[5]、雷達(dá)及其天線拉遠(yuǎn)[6]、衛(wèi)星通信、射電天文學(xué)[7]、有線電視系統(tǒng)、信號(hào)產(chǎn)生與處理[8]等領(lǐng)域。在信號(hào)處理應(yīng)用中的一個(gè)關(guān)鍵處理模塊是濾波器，鑒于傳統(tǒng)電子濾波器所遇到的瓶頸，利用光子技術(shù)實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)的濾波具有傳統(tǒng)電濾波器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，如低損耗、大帶寬、抗電磁干擾、可調(diào)諧和可重構(gòu)性等[9]。

衛(wèi)星通信有效載荷以及衛(wèi)星通信地面站的發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)中都需要用到不同頻段的帶通濾波器，且對(duì)濾波器的帶寬要求亦不盡相同。傳統(tǒng)電濾波器性能參數(shù)的不通用性給其廣泛應(yīng)用帶來(lái)了困難，也給濾波器設(shè)計(jì)帶來(lái)了難題。微波光子濾波器在參數(shù)調(diào)諧和系統(tǒng)可重構(gòu)方面彌補(bǔ)了傳統(tǒng)濾波器的缺點(diǎn)，因而可應(yīng)用于不同業(yè)務(wù)的衛(wèi)星地面站系統(tǒng)中。

1　微波光子濾波器基本原理

在傳統(tǒng)的電子電路信號(hào)處理中，微波信號(hào)源發(fā)出的或者天線接收到的射頻信號(hào)直接被饋入射頻電路中進(jìn)行處理；對(duì)于待處理高頻信號(hào)，一般要先經(jīng)過(guò)下變頻將高頻微波信號(hào)降為中頻信號(hào)才能進(jìn)行處理。而采用微波光子濾波技術(shù)，射頻信號(hào)直接加載到光載波上，然后再由光纖和光信號(hào)處理器等光電子器件組成的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)處理，處理過(guò)的射頻信號(hào)最后在光電探測(cè)器中經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換恢復(fù)出來(lái)，而無(wú)需復(fù)雜的變頻技術(shù)。微波光子濾波器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括光源、調(diào)制器、光色散器件和光電探測(cè)器等[10]。需要處理的微波信號(hào)加載在光載波上，通過(guò)光鏈路傳輸并經(jīng)過(guò)放大、延時(shí)和色散等處理；最后到達(dá)光電接收機(jī)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，恢復(fù)出微波信號(hào)。

圖1　微波光子濾波器系統(tǒng)組成

微波光子濾波器中的關(guān)鍵器件是光延時(shí)模塊，常用作延時(shí)模塊的有光纖布拉格光柵(FBG)、陣列波導(dǎo)光柵(AWG)、色散光纖或者硅基微環(huán)等。圖1給出了一個(gè)兩抽頭的有限沖激響應(yīng)(FIR)微波光子濾波器的結(jié)構(gòu)框圖。一般對(duì)于具有N抽頭的微波光子濾波器，其輸出端微波信號(hào)表達(dá)式為[10]：

y(t)=a0x(t)+a1x(t-T)+a2x(t-2T)+

(1)

式中，a0、a1、a2等是每個(gè)延時(shí)支路的抽頭系數(shù)，表示增益或損耗；T為相鄰兩延時(shí)支路的時(shí)延差。對(duì)式(1)進(jìn)行傅里葉變換，得到該結(jié)構(gòu)的微波光子濾波器的傳輸響應(yīng)為：

(2)

對(duì)于FIR濾波器，這是一個(gè)周期函數(shù)，其周期即是該微波光子濾波器的自由頻譜范圍(FSR)，且滿足FSR=1/T。典型的微波光子濾波器響應(yīng)曲線如圖2所示。

圖2　正系數(shù)微波光子濾波器頻率響應(yīng)曲線

2　微波光子濾波器的分類及實(shí)現(xiàn)

微波光子濾波器按其頻譜響應(yīng)曲線的差異，又可分為正抽頭系數(shù)、負(fù)抽頭系數(shù)和復(fù)抽頭系數(shù)微波光子濾波器。

2.1正系數(shù)微波光子濾波器

對(duì)于正系數(shù)微波光子濾波器，抽頭系數(shù)只有正值，表現(xiàn)在延時(shí)鏈路中即為每一路延時(shí)分量只對(duì)光波的強(qiáng)度有增益或損耗，而無(wú)相位的變化。正系數(shù)微波光子濾波器的一個(gè)重要特點(diǎn)是，對(duì)于基帶低頻信號(hào)，由于每一延時(shí)支路由信號(hào)頻率不同所引入的相移相對(duì)較小，從而到達(dá)探測(cè)器后可認(rèn)為這些被探測(cè)到的低頻電信號(hào)基本是同相疊加，因此這類微波光子濾波器在基帶低頻信號(hào)段總會(huì)存在響應(yīng)，這稱為基帶響應(yīng)。也正因?yàn)槿绱耍禂?shù)微波光子濾波器只能用作低通濾波器。圖1和圖2分別給出了基于延時(shí)線結(jié)構(gòu)的典型的正抽頭系數(shù)微波光子濾波器的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖及頻率響應(yīng)曲線。這種延時(shí)線結(jié)構(gòu)的時(shí)延差由相鄰支路的光纖長(zhǎng)度差決定。

除了使用光纖作為延時(shí)單元，還可以采用光柵作為延時(shí)模塊，將電信號(hào)加載到寬譜光源上，從而不同波長(zhǎng)的光載波將在不同反射點(diǎn)被反射[11]，相鄰2個(gè)反射點(diǎn)之間的光程差決定了時(shí)延差，且光纖光柵的反射率決定了各個(gè)支路的抽頭系數(shù)的大小。此外，寬譜光源也可以用陣列激光器來(lái)替代，且頻譜純度和噪聲系數(shù)要優(yōu)于采用寬譜光源的微波光子濾波器，但在成本上略高于前者。對(duì)于激光器波長(zhǎng)間隔為Δλ、色散系數(shù)為D(ps/nm/km)、長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖延時(shí)線，所引入的時(shí)延差為T(mén)=Δλ·D·L。例如，當(dāng)波長(zhǎng)間隔為0.4 nm、色散系數(shù)為17 ps/nm/km、長(zhǎng)度為25 km的單模光纖，它所引入的時(shí)延差T=170 ps，對(duì)應(yīng)的FSR=5.88 GHz。這種結(jié)構(gòu)的微波光子濾波器的頻率響應(yīng)與圖2所示類似。值得注意的是，采用寬譜光源或陣列激光器作為光源的微波光子濾波器，須保證激光器的拍頻信號(hào)落在濾波器通帶之外，這在實(shí)際系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中并不需要再額外放置電濾波器，一般采用截止頻率帶寬較小的調(diào)制器或光電探測(cè)器即可實(shí)現(xiàn)。

2.2負(fù)系數(shù)微波光子濾波器

由于正系數(shù)微波光子濾波器在低頻處總有基帶響應(yīng)，故只能用作低通濾波器。為克服這一應(yīng)用限制，研究人員又引入了負(fù)系數(shù)微波光子濾波器。實(shí)現(xiàn)負(fù)系數(shù)微波光子濾波器最直接的實(shí)驗(yàn)方案是采用差分探測(cè)方法[12]。平衡差分探測(cè)器輸出2路電信號(hào)的差信號(hào)，在消除基帶響應(yīng)的同時(shí)得到2路相位相差180°的微波信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了2抽頭的負(fù)系數(shù)微波光子濾波器。利用差分探測(cè)方法實(shí)現(xiàn)的負(fù)系數(shù)微波光子濾波器并不是全光的，而是混合的。典型的負(fù)系數(shù)微波光子濾波器頻譜響應(yīng)曲線如圖3所示。

圖3　典型負(fù)系數(shù)微波光子濾波器頻率響應(yīng)曲線

此后研究人員又分別提出了全光負(fù)系數(shù)微波光子濾波器，如利用半導(dǎo)體光放大器的交叉增益調(diào)制效應(yīng)(波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換)[13]、注入鎖定激光器等方案[14]，這主要是利用了光波注入引起的相位反轉(zhuǎn)，從而在光域?qū)崿F(xiàn)了2個(gè)正負(fù)抽頭系數(shù)的微波光子濾波器。

除了在光源部分引入相位反轉(zhuǎn)外，也可以通過(guò)改變所用強(qiáng)度調(diào)制器的偏置點(diǎn)來(lái)引入相位反轉(zhuǎn)[15]，這2個(gè)強(qiáng)度調(diào)制器分別工作在正斜率和負(fù)斜率正交偏置點(diǎn)處，經(jīng)過(guò)色散延時(shí)后在光電探測(cè)器上便得到不同延時(shí)量的微波信號(hào)，構(gòu)成了2抽頭負(fù)系數(shù)全光微波光子濾波器，其頻率響應(yīng)曲線與圖3所示類似。為了得到更多的抽頭數(shù)，可在光源部分采用多波長(zhǎng)激光器或激光器陣列，并相間輸入到正負(fù)偏置的強(qiáng)度調(diào)制器中。

在負(fù)系數(shù)微波光子濾波器中，除了利用強(qiáng)度調(diào)制器的方案，也可以采用相位調(diào)制器搭建微波光子濾波器系統(tǒng)[16]。在該方案中，負(fù)抽頭系數(shù)的獲取是通過(guò)色散元件的作用，將相位調(diào)制轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度調(diào)制而得到的。其工作原理是，當(dāng)直接將微波射頻信號(hào)加載到相位調(diào)制器上，得到調(diào)制后的載波及正負(fù)一階邊帶，但正負(fù)一階邊帶相位正好相差180°。由于光電探測(cè)器的包絡(luò)檢波特性，正一階邊帶與光載波的拍頻出的微波信號(hào)正好抵消了負(fù)一階邊帶與光載波的拍頻輸出的微波信號(hào)，從而導(dǎo)致其輸出將無(wú)法恢復(fù)出調(diào)制端所加載的電信號(hào)。然而當(dāng)相位調(diào)制器輸出的光信號(hào)經(jīng)過(guò)色散器件的延時(shí)作用后，2個(gè)邊帶與載波的相位關(guān)系就會(huì)發(fā)生改變，引起相位調(diào)制到強(qiáng)度調(diào)制的轉(zhuǎn)換。這種相位調(diào)制方案相比于強(qiáng)度調(diào)制方案的優(yōu)勢(shì)在于，相位調(diào)制器不需要進(jìn)行偏置點(diǎn)的穩(wěn)定控制，從而消除了強(qiáng)度調(diào)制器方案中的偏置點(diǎn)漂移問(wèn)題，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和損耗。

2.3復(fù)系數(shù)微波光子濾波器

在很多應(yīng)用場(chǎng)合，由于需要處理的微波射頻信號(hào)頻率并不是完全固定不變，當(dāng)載波頻率發(fā)生變化時(shí)，相應(yīng)的微波濾波器的通帶中心頻率也需要改變，這就要求濾波器具有頻率調(diào)諧特性。這種調(diào)諧特性在電濾波器中是很難實(shí)現(xiàn)的，尤其是對(duì)于高頻微波濾波器而言更是如此。而微波光子濾波器在通帶中心頻率調(diào)諧性方面具有極大優(yōu)勢(shì)，也是微波光子濾波器未來(lái)發(fā)展的重要方向?；诠饫w延時(shí)線結(jié)構(gòu)的微波光子濾波器的頻率調(diào)諧性是通過(guò)調(diào)節(jié)時(shí)延來(lái)實(shí)現(xiàn)的，然而直接調(diào)整各支路的時(shí)延差又會(huì)導(dǎo)致頻率響應(yīng)的自由頻譜范圍改變，這也就同時(shí)改變了單個(gè)通帶的3 dB帶寬，導(dǎo)致濾波器的整個(gè)頻率響應(yīng)曲線形狀發(fā)生了變化。而在很多應(yīng)用中，總是期望僅僅改變?yōu)V波器的通帶或者阻帶的中心頻率而不改變頻譜響應(yīng)曲線形狀。要實(shí)現(xiàn)這一功能，就需要采用具有復(fù)系數(shù)的延時(shí)線微波光子濾波器。一個(gè)N抽頭的復(fù)系數(shù)延時(shí)線微波光子濾波器的傳遞函數(shù)[10]如式(3)所示，典型頻率響應(yīng)曲線如圖4所示。

(3)

從式(3)中可以看出，為了在調(diào)諧濾波器中心頻率的同時(shí)保持濾波器頻率響應(yīng)形狀曲線不變，所有抽頭的相移項(xiàng)應(yīng)保持一個(gè)確定的相位差關(guān)系，因此實(shí)現(xiàn)復(fù)系數(shù)微波光子濾波器的關(guān)鍵就在于如何利用微波光子技術(shù)實(shí)現(xiàn)射頻移相器的功能。在文獻(xiàn)[17]中微波的相移功能是通過(guò)光纖中的受激布里淵散射(SBS)作用實(shí)現(xiàn)的。在得到的2路微波信號(hào)中，可以在±180°范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)其中一路微波信號(hào)進(jìn)行寬帶移相，從而得到一個(gè)2抽頭的復(fù)系數(shù)微波光子濾波器。同時(shí)在另一支路采用單邊帶調(diào)制技術(shù)，又克服了光纖色散引入的功率代價(jià)的影響，系統(tǒng)的頻率響應(yīng)范圍得以進(jìn)一步擴(kuò)展。

圖4　復(fù)系數(shù)微波光子濾波器頻率響應(yīng)曲線

由于SBS是一種非線性效應(yīng)，該系統(tǒng)的可靠性在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)受到很大限制，為此，研究人員采用了新的方法來(lái)搭建寬帶射頻移相器。文獻(xiàn)[18]給出了基于這類寬帶微波光子移相器的兩抽頭復(fù)系數(shù)微波光子濾波器。在所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，在Ka、Ku頻段，陷波濾波抑制深度可達(dá)到60 dB，并可在60 MHz頻段范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)調(diào)諧。類似的方案也可以采用2個(gè)獨(dú)立的強(qiáng)度調(diào)制器替代1個(gè)雙平衡M-Z強(qiáng)度調(diào)制器。

2.4單通道可調(diào)諧微波光子濾波器

盡管上面提到的有限沖擊響應(yīng)微波光子濾波器在高性能雷達(dá)、射電天文學(xué)以及毫米波通信中極富應(yīng)用吸引力，但這種離散時(shí)間有限沖擊響應(yīng)濾波器的一大缺點(diǎn)是其頻率響應(yīng)的周期性，很容易導(dǎo)致有用頻率分量和間隔較遠(yuǎn)的無(wú)用頻率分量都引入到系統(tǒng)中，增加系統(tǒng)噪聲，這在復(fù)雜電磁環(huán)境下很難得到實(shí)際應(yīng)用。此外，在衛(wèi)星通信應(yīng)用的地面站系統(tǒng)中以及未來(lái)極具應(yīng)用前景的通信雷達(dá)通道一體化應(yīng)用系統(tǒng)中，也都亟需單通道頻率、可大范圍調(diào)諧的濾波器，而目前這種高性能的濾波器采用電子技術(shù)是很難實(shí)現(xiàn)的。為了解決這一電子技術(shù)難題，研究人員提出了采用光子技術(shù)實(shí)現(xiàn)單通道寬帶可調(diào)諧微波光子濾波器的實(shí)現(xiàn)方案，其原理架構(gòu)可分為利用寬譜光源的無(wú)限沖擊響應(yīng)濾波器和基于光濾波器的相干微波光子濾波器。

2.4.1基于非切割寬譜光源的無(wú)限沖擊響應(yīng)單通道微波光子濾波器

在文獻(xiàn)[19]的實(shí)驗(yàn)中，利用可調(diào)諧光濾波器產(chǎn)生非切割的矩形寬譜光源作為微波信號(hào)的光載波。濾波整形后的寬譜光源經(jīng)由起偏器形成偏振光，兩正交偏振態(tài)的光路經(jīng)歷不同延時(shí)后經(jīng)偏振合束器輸入到偏振調(diào)制器中。當(dāng)偏振調(diào)制器與起偏器配合使用，二者偏振主軸夾角不同時(shí)，它們所引起的調(diào)制效果也不同，在小信號(hào)調(diào)制下，可以出現(xiàn)雙邊帶調(diào)制、載波抑制調(diào)制和奇階邊帶抑制調(diào)制。這篇文獻(xiàn)即采用這種原理，在2個(gè)偏振支路上分別單獨(dú)得到載波和邊帶，從而得到復(fù)系數(shù)微波光子濾波器。同時(shí)由于采用的是非切割寬譜光源，頻譜的周期無(wú)窮大，所得到的微波光子濾波器即是單通道的。此外，通過(guò)改變寬譜光源的譜寬，可以改變?yōu)V波器的3 dB帶寬，當(dāng)譜寬為4 nm時(shí)，帶寬在350 MHz左右；調(diào)節(jié)2個(gè)偏振支路的延時(shí)差，可以實(shí)現(xiàn)通帶中心頻率的調(diào)諧。0～20 GHz范圍內(nèi)中心頻率調(diào)諧實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

在基于寬譜光源的單通道可調(diào)諧微波光子濾波器實(shí)驗(yàn)方案中，除了利用光波的偏振特性，也可以采用直接光束分路。文獻(xiàn)[20]中提出了可變光載波時(shí)移機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)載波與邊帶信號(hào)分別產(chǎn)生獨(dú)立延時(shí)，進(jìn)而結(jié)合色散媒質(zhì)，最終產(chǎn)生寬帶可調(diào)諧單通道微波光子濾波器。

2.4.2基于光濾波器的相干微波光子濾波器

上面討論的基于延時(shí)線結(jié)構(gòu)的濾波器屬于非相干微波光子濾波器，在其工作頻段內(nèi)，不論是采用寬譜光源還是激光器陣列，都需要避開(kāi)光干涉的影響。實(shí)際上，微波光子濾波器也可以采用單一光波長(zhǎng)，這時(shí)就無(wú)需考慮光干涉的影響，在一定范圍內(nèi)拓展了微波光子濾波器的工作頻段。相干微波光子濾波器的一般實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖6所示，一個(gè)窄線寬光波輸入到相位調(diào)制器中，在小信號(hào)調(diào)制作用下，輸出1個(gè)光載波和2個(gè)一階邊帶。

圖6　基于光柵的單通道微波光子濾波器結(jié)構(gòu)

在負(fù)系數(shù)微波光子濾波器一節(jié)中已經(jīng)提到，由于相位調(diào)制的2個(gè)一階邊帶是相位相反的，如果它們直接在光電探測(cè)器中進(jìn)行拍頻，則輸出只有直流信號(hào)而沒(méi)有射頻信號(hào)輸出。這里為了恢復(fù)調(diào)制信號(hào)，采用了一個(gè)光濾波器(如光纖布拉格光柵FBG)濾除其中一個(gè)邊帶，這樣雙邊帶相位調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閱芜厧д{(diào)制信號(hào)，就可以在光電探測(cè)器中輸出微波信號(hào)。因此，這個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)微波光子濾波器功能的原理就是，當(dāng)加載到相位調(diào)制器上的微波信號(hào)頻率恰好等于光載波頻率與FBG的阻帶頻率的差時(shí)，就可以在輸出端得到該微波信號(hào)；而當(dāng)其他頻率的信號(hào)加載到調(diào)制器上時(shí)，在輸出端只有直流信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定頻率微波信號(hào)的單通帶濾波，通帶帶寬由FBG的帶寬決定，采用不同的FBG，其帶寬一般可在幾十MHz到數(shù)十GHz范圍內(nèi)改變。此外，這種結(jié)構(gòu)還可以實(shí)現(xiàn)通道中心頻率的調(diào)諧，當(dāng)固定FBG的通帶中心頻率后，可以通過(guò)調(diào)諧輸入光源的波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)調(diào)諧。這樣就很容易構(gòu)成了單通道寬帶可調(diào)諧微波光子濾波器[10]。

以此結(jié)構(gòu)為模型，研究人員又陸續(xù)提出了與此類似的相干單通道可調(diào)諧微波光子濾波器，以期提高濾波器的性能參數(shù)。事實(shí)上，對(duì)于工作在相干區(qū)域的微波光子濾波器來(lái)說(shuō)，濾波器的頻率響應(yīng)就是光濾波器的譜響應(yīng)在微波頻段的映射。因此，實(shí)現(xiàn)相干微波光子濾波器的關(guān)鍵就在于設(shè)計(jì)適合應(yīng)用需求的光濾波器的響應(yīng)譜線。這種微波光子濾波器的頻率調(diào)諧性也多是通過(guò)調(diào)節(jié)源端的激光器光波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)的。

3　結(jié)束語(yǔ)

本文回顧了微波光子技術(shù)在信號(hào)濾波處理等方面的應(yīng)用，并簡(jiǎn)要介紹了微波光子濾波器的基本架構(gòu)及其工作原理和應(yīng)用。盡管微波光子濾波器具有相較于電濾波器的明顯優(yōu)勢(shì)，然而在目前的技術(shù)條件下，這類基于光子技術(shù)的濾波器也有其缺點(diǎn)，如較高的插損和較小的動(dòng)態(tài)范圍等。這些性能參數(shù)的改善，有賴于器件如高功率處理能力的光電探測(cè)器、低插損高調(diào)制效率的調(diào)制器等參數(shù)的提高。此外，目前所報(bào)道的微波光子濾波器多是基于分立的光源、調(diào)制器、探測(cè)器和延時(shí)模塊等器件，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)體積較大、成本較高，未來(lái)微波光子濾波器技術(shù)的發(fā)展將朝著硅基集成化方向發(fā)展。隨著硅基光子技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，微波光子濾波器的性能也必將進(jìn)一步提高，并將廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)和雷達(dá)通信一體化系統(tǒng)中。

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黃寧博男，(1986—)，博士，工程師。主要研究方向：微波光子學(xué)及光通信。

孫亨利男，(1986—)，碩士，工程師。主要研究方向：微波光子學(xué)和自由空間光通信。

Applications of Microwave Photonic Filters in Signal Processing of Satellite Communications

HUANG Ning-bo1,2,SUN Heng-li1,2,ZHANG An-xu1,2,LV Qiang1,2

(1.Key Laboratory of Aerospace Information Applications,CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China;2.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

Microwave photonics mainly discusses the interaction between microwave and lightwave,which has been used in wireless access networks,sensing networks,radar,satellite communications,instruments and modern electronic warfare.The advantages of microwave photonics include the huge bandwidth carried by the carrier,light weight,low loss and the immunity to electromagnetic interference,and these help to overcome the bottlenecks that the traditional electronic technologies have met.Therefore,it is better to explore the photonic techniques to generate,transfer and process the microwave signal.In this paper,a summary of the applications and development of microwave photonics in signal filtering is presented,followed by a simple description of the principles and structures of microwave photonic filters with positive coefficients,negative coefficients and complex coefficients.As to the microwave photonic filter with a single-bandpass,a frequency tuning range of 0～20GHz and a bandwidth of 350MHz have been achieved,which has a prospect in satellite communications and radar.

microwave photonics;signal processing;satellite communications;microwave photonic filters;optical delay module

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.09.01

2016-05-14

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(61401411)。

TN29

A

1003-3106(2016)09-0001-05

引用格式：黃寧博,孫亨利,張安旭,等.微波光子濾波器在衛(wèi)星通信信號(hào)處理中的應(yīng)用[J].無(wú)線電工程,2016,46(9):1-5,32.