基于微波光子技術(shù)的一體化射頻前端

周建偉，李建強(qiáng)，呂　強(qiáng)，張君毅，戴一堂，尹飛飛，徐　坤

(1.北京郵電大學(xué) 信息光子學(xué)與光通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100876；2.北京郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，北京100876；3.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；4.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)

?

基于微波光子技術(shù)的一體化射頻前端

周建偉1，李建強(qiáng)1，呂強(qiáng)3,4，張君毅2，戴一堂1，尹飛飛1，徐坤1

(1.北京郵電大學(xué) 信息光子學(xué)與光通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100876；2.北京郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，北京100876；3.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；4.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)

針對(duì)傳統(tǒng)射頻前端技術(shù)中電子器件在頻率、帶寬方面受限的問題，研究了基于微波光子技術(shù)的射頻前端。介紹了微波光子技術(shù)在寬帶、低損和靈活等方面的優(yōu)勢(shì)，分析了光學(xué)輔助本振產(chǎn)生、多頻變換以及微波光子交叉連接等技術(shù)，提出了一種基于微波光子技術(shù)的一體化射頻前端。這種新型的前端架構(gòu)具有高頻寬帶、靈活可重構(gòu)的特點(diǎn)，適應(yīng)不同的射頻體制，并且能夠有效降低系統(tǒng)的體積、重量和功耗。

射頻前端；一體化；微波光子學(xué)；變頻；交叉連接

0　引言

在航空、軍事領(lǐng)域，電子系統(tǒng)正在變得越來越綜合化，諸如雷達(dá)、通信、控制等2種或以上的電子系統(tǒng)將會(huì)裝備在一個(gè)獨(dú)立平臺(tái)上[1]。簡(jiǎn)單疊加會(huì)造成各個(gè)設(shè)備之間互干擾，而且系統(tǒng)分立使得天線、接收機(jī)和信號(hào)處理機(jī)無法共用，能量消耗和結(jié)構(gòu)復(fù)雜度等大大增加，從而降低整個(gè)系統(tǒng)的性能。

因此，出現(xiàn)了借助軟件無線電技術(shù)的綜合射頻系統(tǒng)，共用射頻物理通道以及數(shù)字處理單元，通過軟件編程在一套設(shè)備上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的可重配置[2]。并且希望在增加功能的同時(shí)，降低設(shè)備的體積、重量和功耗，提高設(shè)備資源的利用率[3]。為了應(yīng)對(duì)多種復(fù)雜功能，既要增加通信帶寬，又要實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)、高鏡頻抑制的變頻與射頻交換，保證靈活、通用、可配置和可重構(gòu)等性能，這就對(duì)射頻前端的性能提出了很高的要求。本文綜合國(guó)內(nèi)外微波光子技術(shù)最新研究成果，借鑒軟件定義和射頻功能一體化的思想，提出了一種新穎的微波光子一體化射頻前端的架構(gòu)。

1　一體化射頻前端與微波光子技術(shù)

1.1傳統(tǒng)微波射頻前端面臨的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)的射頻前端使用電子器件在處理高頻、寬帶信號(hào)方面的能力明顯不足，對(duì)頻率響應(yīng)和電磁兼容等帶來巨大挑戰(zhàn)；也解決不了多通道、多頻段、多功能的需求所帶來的電子器件的數(shù)量增多，體積、重量、功耗均增加的問題。如何才能解決傳統(tǒng)微波技術(shù)在高頻、寬帶等方面的問題，提供高性能的一體化射頻前端，微波光子技術(shù)為解決這個(gè)問題提供了一個(gè)新的思路。

1.2微波光子技術(shù)

微波光子學(xué)是一門涉及微波與光子學(xué)的新興交叉學(xué)科，主要研究微波與光波之間的相互作用機(jī)理[4]。微波光子技術(shù)充分利用光子學(xué)寬帶、高速、低功耗、抗電磁干擾、頻率響應(yīng)平坦和并行處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)寬帶微波信號(hào)的產(chǎn)生、傳輸、處理和控制[5]。

融合了光子技術(shù)和微波技術(shù)優(yōu)勢(shì)的微波光子技術(shù)已經(jīng)成為了國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。光波作為信息載體，具有極高的時(shí)間—空間帶寬積、高度的并行性和抗干擾性，在信息高速傳送和處理時(shí)具有功率損耗低和干擾小等優(yōu)點(diǎn)。利用微波光子技術(shù)可以同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)低噪聲的微波源，實(shí)現(xiàn)高頻段、低損耗的頻率變換，大容量、寬帶信道交換等[6]。以此為基礎(chǔ)的射頻前端可以實(shí)現(xiàn)單純微波技術(shù)和光子技術(shù)難以完成甚至無法完成的信息接收與處理，突破電域處理的“瓶頸效應(yīng)”。

1.3微波光子技術(shù)實(shí)現(xiàn)本振產(chǎn)生

本振源是電子系統(tǒng)必不可少的模塊，為系統(tǒng)中的各種發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、參考源和微處理器提供頻率參考。傳統(tǒng)的本振源如晶體振蕩器和介質(zhì)諧振腔振蕩器等只能提供低頻本振，更高的頻率需利用倍頻手段，而倍頻過程會(huì)使相位噪聲翻倍、體積笨重，信號(hào)衰減也很大[7]。

微波光子技術(shù)一方面相對(duì)純電子技術(shù)可以產(chǎn)生更低噪聲的微波源。例如，OEwave公司的光電振蕩器(OEO)可實(shí)現(xiàn)10 GHz載頻-170 dBc/Hz @ 10 MHz的超低相位噪聲[8]。另一方面，利用光頻梳等技術(shù)可以以單一結(jié)構(gòu)產(chǎn)生多個(gè)頻率的射頻本振，具有集中控制、高效率的優(yōu)點(diǎn)[9]。因此可以利用一套設(shè)備產(chǎn)生多個(gè)通道、多個(gè)頻率的光載本振，輔助實(shí)現(xiàn)多通道、多頻段的微波光子變頻，滿足一體化設(shè)備的發(fā)展需要。

1.4微波光子技術(shù)實(shí)現(xiàn)多頻變換

傳統(tǒng)的微波混頻器難以處理高頻段射頻信號(hào)的變頻要求，在處理多頻段射頻時(shí)容易出現(xiàn)頻段間串?dāng)_、鏡頻干擾和本振泄露等問題。為避免鏡頻干擾，通常使用多次變頻，但多次變頻會(huì)嚴(yán)重降低系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍和變頻效率[10]，同時(shí)需要大量的本振源和混頻器等射頻器件，會(huì)大幅增加系統(tǒng)的成本、復(fù)雜性、體積、重量、功耗和電磁干擾等。

而微波光子技術(shù)利用電光調(diào)制器將微波信號(hào)與本振信號(hào)在光域內(nèi)進(jìn)行混頻，只需一次變頻即可獲得中頻信號(hào)。電光調(diào)制具有超過40 GHz的帶寬，可支持L～Ka內(nèi)7個(gè)頻段的頻率變換，且光域變頻由于載頻極高，無需多級(jí)變頻來避免鏡頻干擾[11]。電光混頻將射頻與本振之間的連接用光路隔開，從而無本振泄露，提供極高的隔離度。另外，微波光子變頻可與光波分復(fù)用(WDM)兼容，從而易實(shí)現(xiàn)多頻段[12]、多信道同時(shí)并行變頻[13]。

1.5微波光子技術(shù)實(shí)現(xiàn)交叉連接

傳統(tǒng)的技術(shù)中機(jī)械開關(guān)體積龐大、笨重，并且切換速率慢；半導(dǎo)體開關(guān)在插損、直流功耗、隔離度、功率處理能力以及交叉調(diào)制方面表現(xiàn)不足[14]。而一體化設(shè)備需要同時(shí)處理多天線、多波束的信號(hào)，電子開關(guān)明顯出現(xiàn)帶寬不足的現(xiàn)象，另外，電子開關(guān)的電磁兼容問題也不可避免。

微波光子技術(shù)將射頻調(diào)制到光波上構(gòu)成光載射頻信號(hào)，利用光學(xué)開關(guān)根據(jù)波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)光載射頻信號(hào)的靈活路由和快速切換。光開關(guān)相比電子開關(guān)具有THz級(jí)的無可比擬的寬帶優(yōu)勢(shì)和平坦的頻率響應(yīng)特點(diǎn)，可提供極高的交換容量。同時(shí)在光上實(shí)現(xiàn)射頻的切換提供可達(dá)-70 dB的極低通道間串?dāng)_。與電交換矩陣相比，光學(xué)交換矩陣能夠提供更高的射頻隔離度，且體積小、功耗小、重量輕。

2　微波光子一體化射頻前端的設(shè)計(jì)

2.1微波光子一體化射頻前端的總體架構(gòu)

基于微波光子本振產(chǎn)生、多頻變換和交叉連接等相關(guān)技術(shù)，本文提出了一種新型的微波光子一體化射頻前端架構(gòu)。該前端能夠?qū)崿F(xiàn)本振、通道資源的共享，具有對(duì)任意波束、任意頻段、任意帶寬射頻信號(hào)的變頻與路由的能力，一套設(shè)備應(yīng)對(duì)不同的功能需求，方便集成，適合星載、艦載等體積、重量、功耗受限的情景。

一體化射頻前端總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。微波光子一體化射頻前端包括射頻通道、多通道光載本振、微波光子變頻模塊、微波光子交換網(wǎng)絡(luò)以及中頻通道等部分。該前端同時(shí)支持多個(gè)通道的射頻信號(hào)的變頻與交換處理，輸入為射頻信號(hào)，輸出為中頻信號(hào)(下面以接收通路為例介紹射頻前端)。射頻通道連接天線單元，輸入輸出多路多頻信號(hào)；多通道光載本振部分能夠產(chǎn)生多通道的光載本振信號(hào)，每個(gè)通道均能覆蓋多個(gè)頻段的本振。射頻信號(hào)經(jīng)過光調(diào)制與光載本振在微波光子變頻模塊進(jìn)行拍頻實(shí)現(xiàn)低損傷下變頻。微波光子網(wǎng)絡(luò)利用光學(xué)交換矩陣對(duì)變頻后的光載信號(hào)實(shí)現(xiàn)寬帶、大容量、可重構(gòu)的信號(hào)交換。中頻通道利用光電轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一微波中頻，連接交換網(wǎng)絡(luò)與后端的數(shù)字處理單元。

圖1　一體化射頻前端總體結(jié)構(gòu)

2.2關(guān)鍵技術(shù)分析及設(shè)計(jì)

2.2.1微波光子多通道本振的設(shè)計(jì)

陣列波導(dǎo)光柵(AWG)基于不同波長(zhǎng)的光相互間線性干涉的基本光學(xué)原理，同一光纖攜帶多個(gè)通道不同波長(zhǎng)的光信號(hào)，對(duì)信號(hào)具有透明性。既可以將多個(gè)通道的光復(fù)合入單一光纖中，也可以將不同的光重新分離出來。

一種采用cyclic AWG(循環(huán)移位陣列波導(dǎo)光柵)分配本振實(shí)現(xiàn)共享的設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2　微波光子多通道本振

M×N個(gè)激光源經(jīng)過M個(gè)波分復(fù)用器形成M個(gè)光載復(fù)用信號(hào)(每一路光載信號(hào)均由N路光信號(hào)復(fù)用得到)。每一路復(fù)用信號(hào)使用電光調(diào)制器(EOM)調(diào)制一種射頻本振，使得每一路復(fù)用信號(hào)均載有相同的本振。cyclic AWG具有循環(huán)移位的功能，即每個(gè)輸出端口的信號(hào)來自不同的輸入端口，也就實(shí)現(xiàn)了每個(gè)輸入端口相同的光載本振分配至不同的輸出端口。如此一來，每個(gè)輸出光載本振信號(hào)是M個(gè)頻段本振的復(fù)用，也就支持實(shí)現(xiàn)同一通道對(duì)M個(gè)不同頻段的射頻信號(hào)進(jìn)行混頻的需要，達(dá)到本振共享、通道共享的目的。

2.2.2微波光子變頻模塊的設(shè)計(jì)

利用微波光子寬帶的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)支持多通道、多頻段的混頻，能夠克服傳統(tǒng)的微波混頻方式不同的頻段間無法共用變頻器件的問題，使得一套變頻設(shè)備可以不支持多個(gè)頻段的變頻。一種多通道下變頻的微波光子變頻結(jié)構(gòu)如圖3所示，射頻信號(hào)經(jīng)過調(diào)制器調(diào)制到光載波上與多通道光載本振耦合，進(jìn)行拍頻，最終經(jīng)過光電探測(cè)器(PD)輸出中頻電信號(hào)。輸入的光載本振信號(hào)為多個(gè)通道多個(gè)頻段，即可支持多個(gè)通道不同頻段射頻輸入信號(hào)的變頻。

圖3　微波光子變頻模塊

電光調(diào)制器可以選用Mach-Zehnder調(diào)制器(MZM)和相位調(diào)制器(PM)等，使用不同的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)和光學(xué)器件，光學(xué)混頻的各項(xiàng)性能指標(biāo)諸如相位噪聲、隔離度和穩(wěn)定性等方面存在差異。具體設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮器件指標(biāo)、環(huán)境影響與使用場(chǎng)景做出選擇。

2.2.3微波光子交換網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

構(gòu)建一個(gè)大型的光開關(guān)陣列需要考慮的因素包括：需要子開關(guān)模塊的數(shù)量(直接影響成本)、損耗一致性(指光從輸入口經(jīng)不同路徑到達(dá)輸出口其損耗相當(dāng))、光路交叉點(diǎn)數(shù)量以及阻塞特性。

一種方案是采用當(dāng)前最為成熟的MEMS光開關(guān)設(shè)計(jì)具有可重構(gòu)功能的光子射頻交換模塊，MEMS光開關(guān)具有快速(毫秒級(jí))、工藝成熟和大規(guī)模矩陣等優(yōu)勢(shì)。采用光學(xué)MEMS開關(guān)和光分路器設(shè)計(jì)具有可擴(kuò)展的多端口輸入輸出的交換矩陣，如圖4所示，交換矩陣由1∶N分路器和N×1光學(xué)MEMS開關(guān)陣列連接組成，通過任一分路器與任一MEMS開關(guān)連接，可以實(shí)現(xiàn)任一輸入端口與輸出端口相連通。光開關(guān)在信號(hào)隔離度、帶寬上具有極大的優(yōu)勢(shì)，等效RF隔離度將達(dá)到約100 dB，且在工作頻率范圍內(nèi)的一致性非常好。

另外，Polatis的壓電直連光切換技術(shù)(Piezoelectric Directlight Beam-Steering)[15]制作的矩陣光開關(guān)也有很大優(yōu)勢(shì)。由于采用壓電陶瓷控制技術(shù)，比機(jī)械控制的光開關(guān)穩(wěn)定度高，光直連切換使得輸入輸出損耗很小(約1 dB)，能夠支持4×4～1 024×1 024的光交換。

圖4　基于光學(xué)MEMS技術(shù)的微波光子交換網(wǎng)絡(luò)

2.3微波光子一體化射頻前端的優(yōu)勢(shì)

基于微波光子技術(shù)的一體化射頻前端的具有如下優(yōu)勢(shì)：

① 寬帶大容量。光信號(hào)具有超過50 THz的寬帶，采用微波光子的變頻和交換技術(shù)，核心交換單元在光上實(shí)現(xiàn)，能夠充分發(fā)揮光學(xué)輔助手段的寬帶優(yōu)點(diǎn)，使得射頻前端具備很大的信號(hào)帶寬。

② 支持通道資源共享。微波光子技術(shù)引入波長(zhǎng)這一自由度，基于波分復(fù)用技術(shù)產(chǎn)生共享本振，可以方便地實(shí)現(xiàn)多通道、多頻段變頻。本振共享、多頻段同時(shí)變頻，大大提高了資源的利用率，降低了一體化射頻前端的體積和功耗等。

③ 動(dòng)態(tài)可重構(gòu)。微波光子頻率變換技術(shù)具有多頻段的變頻能力，光學(xué)交換矩陣也能夠根據(jù)指令實(shí)時(shí)配置波長(zhǎng)路由選擇開關(guān)的交換規(guī)則與信號(hào)帶寬，再配合強(qiáng)大的后續(xù)數(shù)字處理便可實(shí)現(xiàn)功能的重構(gòu)。滿足多功能、多頻段的前端信號(hào)處理需求，實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)的一體化。

④ 兼容帶通采樣。一體化射頻前端支持多通道、多頻段的射頻信號(hào)變頻，不需要對(duì)每個(gè)通道均配置數(shù)字處理器，通過動(dòng)態(tài)可重構(gòu)的射頻交換共用數(shù)字處理單元。如此便可兼容帶通采樣技術(shù)，以低性能的ADC處理寬帶、高速的射頻信號(hào)，使輕量的一體化設(shè)備也具備處理復(fù)雜信息的能力。

3　結(jié)束語

面對(duì)通信、電子戰(zhàn)給射頻前端帶來的巨大壓力，微波技術(shù)精細(xì)、靈活和光子技術(shù)寬帶、低損的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，使得實(shí)現(xiàn)多波束、多頻段(尤其是高頻)、多端口的一體化射頻前端成為可能。微波光子一體化射頻前端能夠解決射頻前端在信號(hào)寬帶和隔離度等方面的問題?；诓ǚ謴?fù)用技術(shù)共享射頻通道，實(shí)現(xiàn)寬帶大容量、多頻段射頻信號(hào)的低損傷變頻與高隔離度、大寬帶射頻交換，并且大大降低尺寸和功耗。

但是另一方面，整個(gè)研究尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，無法直接產(chǎn)業(yè)化。光鏈路對(duì)時(shí)延和抖動(dòng)敏感，需要嚴(yán)格的相位與非線性的補(bǔ)償，普遍使用的商用光子、微波器件集成化還比較低，沒有體積小、易集成的光頻梳等器件。

展望未來，隨著光子集成技術(shù)與微波光子學(xué)的不斷發(fā)展，科研人員能夠最終解決以上難題，構(gòu)建出高性能的射頻前端，支撐雷達(dá)、衛(wèi)星和電子戰(zhàn)等系統(tǒng)的一體化建設(shè)。

[1]孫紹國(guó),盛景泰.艦載雷達(dá)與電子戰(zhàn)一體化的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].電訊技術(shù),2005(6):1-5.

[2]王曉海.軟件無線電技術(shù)在衛(wèi)星系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電信科技,2006(10):25-32.

[3]袁興鵬,陳正寧.基于軟件無線電的雷達(dá)電子戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].電子設(shè)計(jì)工程,2013,21(11):101-104.

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

[5]CAPMANY J,NOVAK D.Microwave Photonics Combines Two Worlds[J].Nature Photonics,2007,1(6):319-330.

[6]楊心武.基于微波光子技術(shù)的綜合射頻系統(tǒng)及其應(yīng)用研究[D].北京:北京郵電大學(xué),2014:4-10.

[7]MALLETTE L A.Atomic and Quartz Clock Hardware for Communication and Navigation Satellites[C]∥Proceeding of the 39th Annual Precise Time and Time Interval Meeting,Long Beach,CA ,2007:45-58.

[8]LIANG W,ELIYAHU D,ILCHENKO V S,et al.High Spectral Purity Kerr Frequency Comb Radio Frequency Photonic Oscillator[J].Nature communications,2015,6:1-6.

[9]CUNDIFFS T,YE J.Colloquium:Femtosecond Optical Frequency Combs[J].Reviews of Modern Physics,2003,75(1):325.

[10]DUNSMORE J P.Handbook of Microwave Component Measurements:with Advanced VNA Techniques[M].John Wiley & Sons,2012:6-55.

[11]蔣天煒.大動(dòng)態(tài)范圍微波光子下變頻技術(shù)研究[D].北京：北京郵電大學(xué),2014:11-13.

[12]SOTOM M,BENAZET B,LE KERNEC A,et al.Microwave Photonic Technologies for Flexible Satellite Telecom Payloads[C]∥Proceedings of 35th European Conference on Optical Communication,2009:1-4.

[13]CLICHéJ F,SHILLUE B.Precision Timing Control for Radioastronomy-Maintaining Femtosecond Synchronization in the Atacama Large Millimeter Array[J].IEEE Control System Magazine,2006,26(1):19-26.

[14]DANESHMAND M,MANSOUR R R.RF MEMS Satellite Switch Matrices[J].Microwave Magazine,IEEE,2011,12(5):92-109.

[15]XIA T,LANE M F,LAWTER T,et al.Field Trial of Photonic Switches for Efficient Fiber Network Operation and Maintenance[C]∥National Fiber Optic Engineers Conference.Optical Society of America,2007:NTuC6.

周建偉男，(1991—)，碩士研究生，光學(xué)工程專業(yè)。主要研究方向：微波光子交換與微波光子射頻前端技術(shù)。

李建強(qiáng)男，(1983—)，副教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向：微波光子學(xué)在光纖無線融合、天地一體化網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)等。

Integrated RF Front-end Based on Microwave Photonics

ZHOU Jian-wei1，LI Jian-qiang1，LV Qiang3,4，ZHANG Jun-yi2，DAI Yi-tang1，YIN Fei-fei1，XU Kun1

(1.State Key Laboratory of Information Photonics and Optical Communications,BUPT,Beijing 100876,China;2.SchoolofElectronicEngineering，BUPT,Beijing100876,China；3.KeyLaboratoryofAerospaceInformationApplications,CETC,ShijiazhuangHebei050081,China；4.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

Conventional RF front-ends suffer from limitations in operating carrier frequency and signal bandwidth.Therefore,RF front-ends based on microwave photonic technology are investigated in this paper.First,the advantages of microwave photonic technology are specified.Second,several enabling techniques are introduced including photonic-assisted local oscillator generation,multi-band frequency conversion,and RF photonic switching.Finally,a RF photonic front-end scheme is proposed.The proposed scheme features high-bandwidth,reconfigurability,compatibility to multiple RF standards,and reduced size,weight and power.

RF front-end;integration;microwave photonics;frequency conversion;cross connect

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.09.02

2016-05-28

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61431003，61302086，61401411)；中國(guó)電子科技集團(tuán)公司創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目；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)室開放課題資助項(xiàng)目。

TN856

A

1003-3106(2016)09-0006-04

引用格式：周建偉,李建強(qiáng),呂強(qiáng),等.基于微波光子技術(shù)的一體化射頻前端[J].無線電工程,2016,46(9):6-9,14.