面向衛(wèi)星載荷的大瞬時(shí)帶寬微波光子信道化接收變頻技術(shù)研究進(jìn)展①

李小軍，蔣 煒，和新陽(yáng)，龔靜文，張 武

(中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，空間微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710100)

0 引言

衛(wèi)星通信頻段的擴(kuò)展和通信業(yè)務(wù)需求的不斷提高，要求衛(wèi)星通信載荷上不同種類(lèi)、不同用途電子設(shè)備以及多種通信手段有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成多頻段一體化通信載荷，以取得強(qiáng)大的信息獲取及處理能力，這就需要克服當(dāng)前電子技術(shù)及傳統(tǒng)鏈路傳輸處理信號(hào)帶寬的瓶頸，實(shí)現(xiàn)寬帶、多頻段射頻信號(hào)的高性能接收、傳輸與處理。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，作為核心部分的射頻前端，其結(jié)構(gòu)和性能直接影響整個(gè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)。目前主要采用傳統(tǒng)的微波技術(shù)進(jìn)行微波信號(hào)信道化接收變頻及傳輸。受電子技術(shù)瓶頸限制，傳統(tǒng)基于電子技術(shù)的信道化接收動(dòng)態(tài)范圍有限，且接收處理帶寬在吉赫茲(GHz)量級(jí)，在更大動(dòng)態(tài)范圍、更高帶寬接收處理上存在技術(shù)瓶頸。此外，傳統(tǒng)電子變頻技術(shù)使用以二極管和三級(jí)管為核心的微波混頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)。受電子技術(shù)瓶頸限制，電子變頻帶寬較窄，且在處理多頻段微波信號(hào)時(shí)容易出現(xiàn)頻段間串?dāng)_、非線性失真等現(xiàn)象。這無(wú)疑會(huì)大大降低變頻動(dòng)態(tài)范圍及變頻效率，使得寬帶大動(dòng)態(tài)變頻能力嚴(yán)重受限。

圖1 當(dāng)前衛(wèi)星射頻前端結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of current satellite RF front end

基于微波光子的大瞬時(shí)帶寬微波信號(hào)信道化接收變頻是微波技術(shù)和光學(xué)技術(shù)相結(jié)合的一種新型技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)微波和光波之間的轉(zhuǎn)換，并在光域?qū)崿F(xiàn)寬帶信號(hào)的信道化接收及變頻。該技術(shù)既可以滿足新型寬帶通信衛(wèi)星在大系統(tǒng)容量、多業(yè)務(wù)類(lèi)型和廣域覆蓋等方面的需求，又降低了系統(tǒng)復(fù)雜度和工程實(shí)現(xiàn)難度，且在體積、重量、功耗等方面都具有無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)基于微波光子的大瞬時(shí)帶寬微波信號(hào)信道化接收變頻一方面可以替代傳統(tǒng)電學(xué)濾波器組及微波混頻器，另一方面還可以簡(jiǎn)化射頻前端的系統(tǒng)架構(gòu)、降低天線的體積、重量、功耗等重要參數(shù)，進(jìn)一步滿足多頻段一體化通信需求。

圖2 多頻段一體化射頻前端結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of multi-band integrated RF front end

1 微波光子信道化接收變頻基本結(jié)構(gòu)

微波光子信道化接收變頻是通過(guò)光學(xué)手段在頻域上對(duì)接收到的寬帶射頻信號(hào)進(jìn)行窄帶劃分，而后將經(jīng)處理劃分后的窄帶信號(hào)在光域與本振信號(hào)進(jìn)行混頻，最后經(jīng)相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換后得到多個(gè)窄帶中頻信號(hào)，具有大帶寬、低損耗、無(wú)電磁干擾、體積小與重量輕等優(yōu)勢(shì)，可有效解決傳統(tǒng)電信道化接收變頻結(jié)構(gòu)復(fù)雜、信道化帶寬受限及變頻輸出動(dòng)態(tài)范圍小的問(wèn)題。微波光子信道化接收變頻基本結(jié)構(gòu)如下圖所示，主要由光源、電光轉(zhuǎn)換、光域通道劃分、微波光子變頻與光電轉(zhuǎn)換等部分。其中光源用于生成作為調(diào)制載體的光載波或光頻梳，電光轉(zhuǎn)換是將寬帶射頻信號(hào)調(diào)制到光載波/光頻梳上實(shí)現(xiàn)電信號(hào)到光信號(hào)的轉(zhuǎn)換，光域通道劃分是用光濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)的信道劃分，微波光子變頻是將信道劃分后的信號(hào)變頻至同中頻，光電轉(zhuǎn)換是將處理后的光信號(hào)恢復(fù)為電信號(hào)。實(shí)際系統(tǒng)中，不同的微波光子信道化接收機(jī)根據(jù)功能的不同，可能會(huì)有不同的結(jié)構(gòu)，各部分關(guān)系也可能會(huì)有所變化。

圖3 微波光子信道化接收變頻示意圖Fig.3 Schematic diagram of microwave photonics channelized reception and frequency conversion

2 微波光子信道化接收變頻技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

微波光子信道化接收變頻主要包括寬帶射頻信號(hào)信道化接收及同中頻變頻、寬帶射頻信號(hào)信道化接收及不同中頻變頻兩種方式，均以單光梳或雙光梳的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。此外，當(dāng)接收的寬帶射頻信號(hào)帶寬很大，而劃分的子信道帶寬較窄時(shí)，還需要大頻率間隔的光頻移參與到信道化接收變頻中。

2.1 寬帶射頻信號(hào)信道化接收及同中頻變頻

2001年，美國(guó)TRW公司提出了基于單光梳和衍射光柵的微波光子信道化接收及同中頻變頻方案，這也是世界上第一個(gè)公開(kāi)報(bào)道的信道化同中頻方法。該方案中光頻率梳的種子光由信號(hào)光載波提供，因此與信號(hào)光載波具有高度相干性，滿足相干檢測(cè)的要求。試驗(yàn)表明各個(gè)信道具有等中頻(中心頻率均為5GHz)輸出，信道瞬時(shí)帶寬100GHz，子信道帶寬為1GHz，無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍為101dB Hz2/3。

2014年，東南大學(xué)提出了一種基于雙光梳的微波光子信道化及同中頻變頻接收機(jī)。其設(shè)計(jì)重點(diǎn)就是采用自由譜(FSR)不同的兩套光頻梳分別作為光載波和光本振，使得各個(gè)信道的輸出等帶寬、等中頻的微波信道，降低了后續(xù)電路的復(fù)雜度。該方法實(shí)現(xiàn)了9.74 9.86GHz和9.86 9.98GHz波段的信號(hào)分別下轉(zhuǎn)換到兩個(gè)帶寬為120MHz的中頻信道。

圖4 基于光頻率梳和衍射光柵的微波光子信道化接收及同中頻變頻Fig.4 Microwave photonics channelized reception and frequency conversion based on optical comb and diffraction grating

圖5 同中頻微波光子信道化接收機(jī)Fig.5 Microwave photonics channelized receiver with the same intermediate frequency

2019年，空間微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室面向多頻段衛(wèi)星射頻前端提出了一種基于光頻移的寬帶多路信道化系統(tǒng)及實(shí)現(xiàn)方法。該方案利用電光調(diào)制器之間的干涉作用及光頻移特性，完成寬帶微波信號(hào)的多信道劃分及高抑制比同中頻變頻。該方法可實(shí)現(xiàn)3GHz帶寬高頻微波信號(hào)的信道劃分，得到六路同中頻信號(hào)，其無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)為101 dB·Hz2/3, 帶內(nèi)平坦度優(yōu)于0.5 dB。

2.2 寬帶射頻信號(hào)信道化接收及不同中頻變頻

2001年，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室的研究人員設(shè)計(jì)了基于通道濾波方式的寬帶信道化接收機(jī)，方案中8-18GHz的寬帶信號(hào)通過(guò)一個(gè)電光相位調(diào)制器同時(shí)加載到復(fù)用的四路不同波長(zhǎng)的光載波上，同時(shí)這四路光載波經(jīng)四個(gè)相位調(diào)制器加載不同的本振信號(hào)，復(fù)用后的四路光載射頻信號(hào)在光濾波器的作用下選出一個(gè)獨(dú)立的邊帶，再將四路射頻信號(hào)進(jìn)行解復(fù)用，并分別與相應(yīng)的光載本振信號(hào)合路，最后利用光電探測(cè)器恢復(fù)出中頻信號(hào)。2010年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室首次給出了基于CMOS光帶通濾波器的信道化接收及下變頻方案。該方法可實(shí)現(xiàn)調(diào)諧頻率在20GHz范圍內(nèi)的微波光子信道化變頻，并通過(guò)調(diào)節(jié)光帶通濾波器的中心頻率及本振電信號(hào)的輸入頻率，實(shí)現(xiàn)不同中頻信號(hào)的輸出，該信道化接收變頻的動(dòng)態(tài)范圍為100dB Hz2/3。

圖6 基于光頻移的寬帶多路信道化及同中頻變頻Fig.6 Broadband multi-channelization and frequency conversion with the same intermediate frequency based on optical frequency shifting

圖7 基于CMOS光帶通濾波器的信道化接收變頻Fig.7 Microwave photonics channelized reception and frequency conversion based on CMOS optical band-pass filter

在單光梳結(jié)合濾波實(shí)現(xiàn)的信道化接收及變頻方向上，2012年，美國(guó)普渡大學(xué)基于單光梳結(jié)合色散補(bǔ)償光纖，實(shí)現(xiàn)了微波光子信道化接收及下變頻,其頻率覆蓋范圍為200GHz，瞬時(shí)帶寬為5GHz。2013年，中科院半導(dǎo)體提出了基于偏振復(fù)用的微波光子信道化變頻方法。同年清華大學(xué)該采用硅基集成的級(jí)聯(lián)光延遲干涉儀實(shí)現(xiàn)均勻通道濾波和信道化，該方法在單通道濾波的基礎(chǔ)上，引入本振光梳，光學(xué)正交耦合后相干探測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)的信道劃分接收。2014年，北京郵電大學(xué)提出了一種基于雙光頻疏的多頻段信號(hào)產(chǎn)生及變頻。光頻梳為整個(gè)系統(tǒng)提供了多個(gè)本振源，在此基礎(chǔ)上，C波段的6.1 GHz信號(hào)可以被同時(shí)轉(zhuǎn)化到4.1 GHz(C波段)，3.9 GHz(C波段)和11.9 GHz(X波段)。由于在MZM和光纖中的非線性效應(yīng)可以忽略，光不同頻率的本振信號(hào)和中頻信號(hào)之間不相關(guān)，因此可以確保信道之間的高隔離度。2015年，清華大學(xué)基于結(jié)合光頻梳的可調(diào)濾波器實(shí)現(xiàn)寬帶微波光子射頻前端。在該方案中，通過(guò)附加的相位補(bǔ)償及延時(shí)控制提高系統(tǒng)頻率可調(diào)性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)寬帶射頻輸入信號(hào)拍頻干擾的抑制。此外，清華大學(xué)還完成了20GHz帶寬寬帶射頻接收前端的試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明其通帶信號(hào)的中心頻率連續(xù)可調(diào)。2017年，北京郵電大學(xué)提出了一種基于單光梳和光延遲線的微波光子信道化變頻方法，具體結(jié)構(gòu)如下圖所示。在本方案中，鎖模激光器產(chǎn)生光頻梳經(jīng)光濾波進(jìn)行整形后，經(jīng)色散補(bǔ)償光纖后生成線性調(diào)頻信號(hào)，該線性調(diào)頻信號(hào)分為兩路，一路經(jīng)光調(diào)制器產(chǎn)生光載波抑制的頻梳信號(hào)作為多載頻信號(hào)，另一路經(jīng)多根可調(diào)光延遲線作為多本振信號(hào)輸出，所生成的多載頻信號(hào)與多本振信號(hào)經(jīng)同相/正交(I/Q)解調(diào)后輸出中頻信號(hào)。

圖8 基于單光梳和光延遲線的信道化接收變頻原理框圖Fig.8 The diagram of Microwave photonics channelized reception and frequency conversion based on single optical comb and optical delay line

近年來(lái)，大部分對(duì)混頻器研究的主要關(guān)注點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)變頻，或者實(shí)現(xiàn)混頻后的信號(hào)能夠克服長(zhǎng)距離光纖傳輸過(guò)程中的功率衰減問(wèn)題。但是對(duì)于混頻過(guò)程中的鏡像干擾問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外的研究都很有限。2016年，西安電子科技大學(xué)提出了一種基于雙偏振BPSK(DP-BPSK)的混頻器方案。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于，這種方案可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高變頻增益和抑制鏡像干擾，鏡像抑制比能夠達(dá)到55 dB以上。在此之前，南京航空航天大學(xué)提出了一種可重構(gòu)的混頻器，下圖給出了可重構(gòu)的微波光子混頻器結(jié)構(gòu)圖。將射頻信號(hào)和本振信號(hào)產(chǎn)生的+1階邊帶提取出來(lái)，分別輸入到90度的正交耦合器中，四個(gè)端口輸出四個(gè)具有相同正交相位的信號(hào)。每個(gè)端口進(jìn)行獨(dú)立的光探測(cè)之后，選取其中兩個(gè)同相的輸出實(shí)現(xiàn)平衡探測(cè)，選取其中兩個(gè)相互正交的輸出實(shí)現(xiàn)正交混頻，如果兩個(gè)正交輸出在電域中進(jìn)行了正交耦合，就可以達(dá)到鏡像抑制的目的。

圖9 可重構(gòu)的微波光子混頻器結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Reconfigurable structure of microwave photonics mixer

3 大瞬時(shí)帶寬微波光子信道化接收變頻發(fā)展趨勢(shì)

微波光子技術(shù)可實(shí)現(xiàn)寬帶微波信號(hào)的信道化接收變頻，作為新型技術(shù)逐漸引起研究人員的關(guān)注。在寬帶微波信號(hào)信道化變頻中，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作頻段透明、工作帶寬大、線性度高成為滿足寬帶一體化射頻前端需求的關(guān)鍵。當(dāng)前基于微波光子技術(shù)的寬帶微波信號(hào)信道化變頻方法主要包括多通道濾波信道化接收變頻、單光梳結(jié)合濾波的信道化接收變頻、基于雙光梳的信道化接收變頻、基于光頻移和I/Q下變頻四種。其中多通道濾波信道化接收變頻主要采用通道獨(dú)立濾波結(jié)合直接探測(cè)的方式實(shí)現(xiàn)。該方法需要窄帶高Q因子窄帶濾波器，實(shí)現(xiàn)性較差；單光梳結(jié)合濾波的信道化接收變頻主要是在單通道濾波的基礎(chǔ)上，引入本振光梳，并在光學(xué)正交耦合后相干探測(cè)接收。該類(lèi)方法對(duì)光濾波器的穩(wěn)定性、光梳齒間隔都有較為嚴(yán)格的要求；采用雙光梳的信道化接收變頻，首先調(diào)制寬帶微波信號(hào)實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)復(fù)制，隨后通過(guò)特定方法使每根光梳對(duì)應(yīng)一個(gè)信道，最后進(jìn)行單獨(dú)濾波及變頻輸出。該類(lèi)方法對(duì)高質(zhì)量的雙光梳信號(hào)具有嚴(yán)格的要求。基于光頻移和I/Q下變頻無(wú)需窄帶光濾波器和高穩(wěn)定相干光梳，變頻輸出信號(hào)的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍、鏡像抑制比良好，但隨著變頻輸出通道數(shù)目的增加，將無(wú)可避免的增加光頻移模塊和I/Q下變頻，大大增加了系統(tǒng)復(fù)雜度。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀可知，基于光頻率梳與波分復(fù)用相結(jié)合的信道化方案是近幾年的研究熱點(diǎn)。可通過(guò)對(duì)參考激光源進(jìn)行單音微波調(diào)制的方法來(lái)產(chǎn)生光頻率梳，將其作為信道化器的多波長(zhǎng)光源，具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。光頻率梳中相鄰光波長(zhǎng)(頻率)分量之間的頻率間隔相等，可與光波分復(fù)用器相結(jié)合使用，在每個(gè)光波長(zhǎng)上均實(shí)現(xiàn)一個(gè)微波頻率信道，從而可在各光路上實(shí)現(xiàn)多個(gè)并行的微波頻率信道，極大地降低了系統(tǒng)的體積和復(fù)雜度，且系統(tǒng)還具有可擴(kuò)展性。但是在采用濾波器的微波光子信道化變頻方案中，信道帶寬在500MHZ～2GHz之間，頻率分辨率較差；另外，由于現(xiàn)有光濾波器的形狀因子較差，相鄰信道交疊較多，動(dòng)態(tài)范圍不高。

表1 不同微波光子信道化接收變頻方法對(duì)比Table 1 Comparison of microwave photonic channelized reception and frequency conversion based on different technologies

綜上所述，隨著多頻段一體化射頻前端的發(fā)展，面對(duì)大容量、多功能、多業(yè)務(wù)信號(hào)處理環(huán)境以及頻率覆蓋范圍的擴(kuò)大，如何實(shí)現(xiàn)大帶寬、多制式射頻信號(hào)線性化、通用化的信道化接收變頻成為未來(lái)研究的重點(diǎn)之一?，F(xiàn)有的微波光子信道化變頻技術(shù)無(wú)論在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度上，還是在信道化數(shù)目及線性度上，都存在一定的局限性。后續(xù)急需開(kāi)展簡(jiǎn)單靈活可配置，且能生成數(shù)十個(gè)子信道的寬帶微波光子信道化接收變頻方法，進(jìn)一步滿足多頻段一體化射頻前端的需求。此外，隨著融合光子技術(shù)和電子技術(shù)的硅基光電子學(xué)的興起與發(fā)展，微波光子信道化接收變頻的硅基集成為多頻段一體化射頻前端的小型化甚至片上系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)提供了可能性，面向多頻段一體化射頻前端應(yīng)用的寬帶、大動(dòng)態(tài)范圍、配置靈活的多功能小型化微波光子信道化接收變頻將成為未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

集成了微波寬覆蓋范圍與激光高速大容量低損耗優(yōu)勢(shì)的微波光子技術(shù)，可有效解決現(xiàn)有衛(wèi)星通信寬帶、高線性、大覆蓋范圍與有效載荷承載能力有限性、體積重量功耗有限性之間的矛盾。隨著多頻段一體化射頻前端發(fā)展需求，將微波光子技術(shù)引入衛(wèi)星通信射頻前端可有效突破電域信道化接收變頻帶寬限制，在簡(jiǎn)化射頻前端的系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，有效提高衛(wèi)星載荷性能。目前國(guó)內(nèi)外微波光子信道化接收變頻主要基于光頻梳形式實(shí)現(xiàn)，需進(jìn)一步研究無(wú)光濾波方式和光頻梳方式的、可生成數(shù)十個(gè)子信道的微波光子信道化變頻方法，以滿足多頻段一體化射頻前端不斷增長(zhǎng)的需求。并在此基礎(chǔ)上完成微波光子信道化接收變頻的集成設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ，為構(gòu)建片上多頻段一體化射頻前端提供可能。