微波光子技術(shù)及其典型應(yīng)用

上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院 林旭遠(yuǎn)

微波光子技術(shù)實現(xiàn)了微波技術(shù)和光子技術(shù)的優(yōu)勢互補，充分利用微波光子技術(shù)帶來的體積小、重量輕、超寬帶、抗干擾等技術(shù)優(yōu)勢，近年來已經(jīng)取得了相當(dāng)數(shù)量的技術(shù)成果。本文介紹了微波光子技術(shù)中可重構(gòu)微波光子射頻前端技術(shù)、微波信號產(chǎn)生技術(shù)、微波信號的高穩(wěn)定性光傳輸技術(shù)、射頻對消和同時收發(fā)技術(shù)等幾種典型應(yīng)用。隨著光學(xué)器件、光信號傳輸處理等理論及技術(shù)的突破和發(fā)展，微波光子技術(shù)能夠適應(yīng)雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)系統(tǒng)陣列化、網(wǎng)絡(luò)化、綜合化、智能化方向發(fā)展的趨勢，能夠構(gòu)建性能更加優(yōu)越的系統(tǒng)。

微波光子學(xué)是微波技術(shù)和光子技術(shù)相互融合的新興交叉學(xué)科，主要研究光載微波信號的產(chǎn)生、傳輸、控制處理、接收以及相應(yīng)的系統(tǒng)集成。把光子技術(shù)應(yīng)用于微波系統(tǒng)中，利用光學(xué)系統(tǒng)特有的低損耗、大帶寬、響應(yīng)速度快、存儲密度高等巨大優(yōu)勢，實現(xiàn)微波信號的無衰減傳輸、多路信道并行、抗電磁干擾等多種傳輸和處理；同時把各種微波技術(shù)應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)中，促進(jìn)光通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的發(fā)展。微波光子技術(shù)實現(xiàn)了兩個領(lǐng)域的優(yōu)勢互補，能夠用光子技術(shù)手段解決微波的技術(shù)瓶頸，不斷促進(jìn)雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)等電子信息系統(tǒng)的性能提升、創(chuàng)新發(fā)展和體制演進(jìn)。下面介紹微波光子技術(shù)的幾種典型應(yīng)用。

1 可重構(gòu)微波光子射頻前端技術(shù)

射頻前端連接天線與收發(fā)機，處于電子信息系統(tǒng)的最前端，決定了整個系統(tǒng)收發(fā)性能的好壞。為滿足雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)系統(tǒng)的性能提升需求，射頻前端需要向著頻段更高、處理帶寬更寬、調(diào)制樣式更多、多種類型并行、收發(fā)多波束、信號處理更加復(fù)雜等方向發(fā)展。具有可調(diào)諧可重構(gòu)優(yōu)點的寬帶微波光子射頻前端為寬帶收發(fā)技術(shù)發(fā)展提供了技術(shù)途徑。

微波光子射頻前端針對發(fā)送和接收的信號，工作原理同傳統(tǒng)的電射頻前端一樣[1]，完成信號的放大、衰減、上下變頻、濾波、延時等。不同之處在于，微波光子射頻前端通過射頻信號到光信號的轉(zhuǎn)換，在光域?qū)崿F(xiàn)信號的放大、濾波和變頻等處理功能，優(yōu)勢是利用微波光子技術(shù)的超高頻、大帶寬特性，實現(xiàn)多頻段、多樣式、多類型信號的并行處理；同時還可通過光子技術(shù)產(chǎn)生可調(diào)諧的高頻本振信號。

美國Vencore 實驗室針對接收射頻前端的研究，在2GHz～18GHz 頻段范圍內(nèi)，利用外調(diào)制產(chǎn)生光梳多頻本振，實現(xiàn)了將射頻信號下變頻至2GHz 中頻頻段。意大利國家光電實驗室的研究人員同樣在頻率調(diào)諧范圍為2GHz～18GHz內(nèi)，利用鎖模激光器產(chǎn)生光頻梳本振，實現(xiàn)了寬帶可調(diào)諧信號的上變頻及下變頻。清華大學(xué)實驗室研究構(gòu)造的接收射頻前端，利用基于色散介質(zhì)和光頻梳的微波光子濾波器，實現(xiàn)了頻率覆蓋范圍大于20GHz 的信號下變頻接收，并且能夠進(jìn)行中頻濾波。該實驗室還提出了一種可調(diào)諧寬帶光子射頻前端方案，基于光電振蕩器（OEO）進(jìn)行設(shè)計，可調(diào)諧頻率范圍覆蓋了X 波段到Ka 波段?？梢?，可重構(gòu)微波光子射頻前端利用微波光子寬帶混頻技術(shù)的優(yōu)勢，實現(xiàn)信號接收和發(fā)送的寬帶可調(diào)諧上、下變頻，能夠適應(yīng)系統(tǒng)快速可重構(gòu)、多頻段并行的發(fā)展需要。

2 微波信號產(chǎn)生技術(shù)

性能優(yōu)良的微波信號可用作雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)系統(tǒng)射頻前端的本振信號、數(shù)字處理的時鐘信號、分布式收發(fā)系統(tǒng)中的同步信號。微波光子技術(shù)及超短脈沖光纖激光器為高性能微波信號的產(chǎn)生提供了更多的途徑[2]。

2.1 光電振蕩器技術(shù)

高性能振蕩器需要高儲能腔，傳統(tǒng)的介質(zhì)（微波儲能）和石英（聲波儲能）腔的頻率范圍最高適用于MHz～GHz；對于更高的載頻，光儲能（例如光纖的長距離、低損耗傳輸）的優(yōu)勢就表現(xiàn)出來。光電振蕩器可以產(chǎn)生一個低相噪的振蕩，關(guān)鍵是利用了光纖的長延遲特性。這里面存在的問題是由于光纖傳輸延遲的不穩(wěn)定造成低頻噪聲惡化，導(dǎo)致相位噪聲很大。光延時技術(shù)有助于光電振蕩器實現(xiàn)高品質(zhì)因數(shù)儲能環(huán)路，使用該技術(shù)的光電振蕩器能直接產(chǎn)生超低相位噪聲的高頻信號，在頻率10GHz、頻偏10kHz處，產(chǎn)生的相位噪聲低于-150dBc/Hz，應(yīng)用于高性能接收機能顯著提升設(shè)備接收性能。實際應(yīng)用中，在高低溫差大、振動顛簸等惡劣環(huán)境中使用數(shù)公里的光纖環(huán)路，還存在不小的問題，如何不采用長光纖也能提升諧振腔Q值，是研究人員進(jìn)一步探索嘗試的新途徑。

2.2 基于飛秒激光器的微波頻率合成

基于飛秒激光器、尤其是超短脈沖光纖激光器的高純度微波生成方案，近年來也開始引起研究單位的重點關(guān)注。飛秒激光器的輸出，在時域上表現(xiàn)為重復(fù)頻率在百MHz 量級、脈沖持續(xù)時間從幾十飛秒到幾百飛秒的高穩(wěn)定、高相干性窄脈沖序列。利用飛秒激光器產(chǎn)生微波振蕩的出發(fā)點很直接：光電探測器將飛秒激光器輸出的周期性窄時寬光脈沖轉(zhuǎn)化為周期性電脈沖，其頻譜（傅里葉變換）將包含間隔為周期倒數(shù)的眾多簡諧振蕩；一般情況下飛秒脈沖的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過光電探測器的帶寬，所以輸出微波振蕩的帶寬僅受限于探測器的帶寬。

在相位噪聲性能上，飛秒激光器所生成的微波振蕩也毫不遜色于已被廣泛認(rèn)可的OEO，在理論上甚至優(yōu)于后者。如圖1 所示表示了傳統(tǒng)電子或光子倍頻技術(shù)、微波振蕩直接產(chǎn)生技術(shù)（包括OEO、DRO 等）、以及基于飛秒激光器的分頻產(chǎn)生技術(shù)在相位噪聲性能方面的對比。從倍頻產(chǎn)生到直接產(chǎn)生、再到分頻產(chǎn)生，微波振蕩將具有越來越低的理論相位噪聲極限。

圖1 相位噪聲趨勢對比圖Fig.1 Comparative analysis of phase noise

2.3 光任意波形產(chǎn)生技術(shù)

脈沖激光器就是一個頻率梳，利用脈沖激光器作為光源，首先用光解復(fù)用器將它的梳齒分開，其次對每個梳齒分別進(jìn)行相位調(diào)制或幅度調(diào)制，不同的梳齒經(jīng)歷了不同的光學(xué)路徑，最后用光復(fù)用器合成，通過相位鎖定最終實現(xiàn)相干合成，就可以產(chǎn)生一個任意波形的超寬帶信號。

3 微波信號的高穩(wěn)定性光傳輸技術(shù)

在分布式系統(tǒng)中，微波光子遠(yuǎn)距離高穩(wěn)相傳輸技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，不同節(jié)點射頻微波信號的相位同步技術(shù)是其中的關(guān)鍵。目前的射頻信號光纖穩(wěn)相傳輸技術(shù)主要包括基于鎖相環(huán)的主動式延時抖動補償方法、基于混頻的被動式相位抖動消除方法等兩大類，核心思想是通過補償或消除光纖延時抖動來實現(xiàn)。

3.1 基于鎖相環(huán)的穩(wěn)相傳輸

基于鎖相環(huán)的主動式穩(wěn)相傳輸技術(shù)，實現(xiàn)基本原理如圖2 所示[3]，其中的關(guān)鍵設(shè)計思想為提取傳輸鏈路發(fā)送和接收信號的相位抖動信息，把相位抖動作為控制電路或者光路時延的反饋信號，實現(xiàn)射頻信號在微波光子射頻傳輸系統(tǒng)中的相位抖動補償。

圖2 主動式微波光子射頻鏈路穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)示意圖Fig.2 Active microwave photonic RF link transmission system with stable phase

德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院利用壓控振蕩器（VCO）進(jìn)行反饋控制，實現(xiàn)了146km 的長距離穩(wěn)相射頻信號傳輸，1s 頻率穩(wěn)定度為3×10-15，30000s 頻率穩(wěn)定度為1×10-19。北京大學(xué)研究的反饋控制電相移器對100MHz 信號實現(xiàn)了100km 穩(wěn)相傳輸，1s 頻率穩(wěn)定度為3×10-14，4000s 頻率穩(wěn)定度為3×10-17。北京郵電大學(xué)的研究團(tuán)隊針對光路時延抖動補償采用了激光器波長的反饋控制，對2.5GHz射頻信號實現(xiàn)了45km 穩(wěn)相傳輸。光可調(diào)延時線、VCO、電相移器等補償器件的自身特性限制了主動式延時抖動補償方法的性能，在調(diào)諧范圍和響應(yīng)速度等方面仍有不足。

3.2 基于混頻的相位抖動消除穩(wěn)相傳輸

我們以如圖3 所示的方案為例[4]，簡要闡述利用混頻相消的原理進(jìn)行鏈路的被動式時延抖動補償方法：首先在本地端，將射頻信號cos(ω0t)分成兩路，然后經(jīng)微波光子射頻鏈路傳輸至遠(yuǎn)端，假設(shè)由于鏈路傳輸引起的相位變化為θ，那么在遠(yuǎn)端的射頻信號就變?yōu)閏os[(0.5ω0(t-θ)]。在遠(yuǎn)端，將該信號分成兩路，一路回傳至本地端變?yōu)閏os[(0.5ω0(t-2θ)]，與發(fā)送的射頻信號cos(ω0t)進(jìn)行混頻，得到第二路的發(fā)送信號cos[(0.5ω0(t+2θ)]，另外一路與該混頻信號在遠(yuǎn)端混頻，得到消除了相位變化項θ的最終信號cos(ω0t)，補償了光纖鏈路的相位抖動。

圖3 被動式微波光子射頻鏈路穩(wěn)相傳輸原理圖Fig.3 Passive microwave photonic RF link transmission system with stable phase

該方法結(jié)構(gòu)簡單、補償速度快，理論上具有無限的補償范圍。澳大利亞麥考瑞大學(xué)的研究人員實現(xiàn)了100km鏈路中的混頻相消，1 萬秒頻率穩(wěn)定度為1×10-17。北京郵電大學(xué)的研究團(tuán)隊設(shè)計的三級混頻鏈路，實現(xiàn)了2.8GHz 射頻信號的10km 穩(wěn)相傳輸，獲得的相位抖動小于0.25rad，經(jīng)過優(yōu)化后，只需要本地端一級混頻，實現(xiàn)了2.42GHz 射頻信號的30km 穩(wěn)相傳輸，均方根相位抖動小于0.026rad。在多點穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)中，上海交通大學(xué)、中國計量科學(xué)研究院-清華大學(xué)等研究人員同樣采用了混頻相消的時延抖動補償方法。

4 射頻對消和同時收發(fā)技術(shù)

在電子戰(zhàn)系統(tǒng)中，對目標(biāo)進(jìn)行干擾的同時需對干擾效果進(jìn)行檢測和評估，涉及到同頻率信號的同時收發(fā)問題。同時，雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)系統(tǒng)的一體化發(fā)展面臨頻譜覆蓋范圍更寬、電磁環(huán)境更復(fù)雜等場景，對射頻系統(tǒng)提出了如大帶寬、高靈敏度、大動態(tài)范圍等更優(yōu)越的指標(biāo)要求，從而解決收發(fā)隔離問題變得更為迫切。

光子射頻干擾對消技術(shù)與傳統(tǒng)的電學(xué)對消技術(shù)相比，具有工作帶寬大、調(diào)節(jié)精度高等特性，在實現(xiàn)寬頻段、大帶寬、高干擾抑制度方面極具性能優(yōu)勢和應(yīng)用潛力[5]。在基于同時同頻全雙工技術(shù)的系統(tǒng)上，光子射頻干擾對消技術(shù)與微波光子變頻、微波光纖傳輸?shù)燃夹g(shù)相結(jié)合，具有廣泛應(yīng)用前景。

在光子射頻干擾消除方面，研究人員分別提出了基于光學(xué)分路生成多路參考信號、采用單模至多模耦合器進(jìn)行合路的光子射頻多路干擾消除方案，基于色散效應(yīng)的光學(xué)多徑射頻干擾消除方案，基于波分復(fù)用的多路徑干擾消除方案和利用光纖布拉格光柵調(diào)節(jié)延時的多路徑自干擾消除方案等多種技術(shù)方案。

5 結(jié)語

在雷達(dá)、通信以及電子戰(zhàn)等系統(tǒng)，充分利用微波光子技術(shù)帶來的體積小、重量輕、超寬帶、抗干擾等技術(shù)優(yōu)勢，適當(dāng)代替原來的電學(xué)分系統(tǒng)，近年來已經(jīng)取得了相當(dāng)數(shù)量的技術(shù)成果。隨著光器件、光處理、光子集成等理論與技術(shù)方面的發(fā)展，適應(yīng)系統(tǒng)陣列化、網(wǎng)絡(luò)化、綜合化、智能化方向發(fā)展的趨勢，微波光子技術(shù)將為雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)系統(tǒng)提供更加完整的解決方案，構(gòu)建性能更加優(yōu)越的系統(tǒng)。

引用

[1] 鄒喜華,李沛軒,劉豐瑋.智能微波光子射頻前端與鏈路[J].中興通訊技術(shù),2020,26(2):20-27.

[2] 何剛,瞿鵬飛,孫力軍.微波光子技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及趨勢[J].半導(dǎo)體光電,2017,38(5):627-632.

[3] SLIWCZYNSKI L,KREHLIK P,BUCZEK L,et al.Active Propagation Delay Stabilization for Fiber-Optic Frequency Distribution Using ControlledElectronic Delay Lines[J].IEEE Transactionson Instrumentation andMeasurement,2011,60(4):1480-1488.

[4] 姜瑤,鄒喜華,嚴(yán)相雷,等.基于被動補償?shù)狞c到多點微波信號光纖穩(wěn)相傳輸[J].光學(xué)學(xué)報,2019,39(9):86-92.

[5] 韓秀友,蘇鑫鑫,付雙林,等.光子射頻干擾對消技術(shù)研究進(jìn)展[J].空間電子技術(shù),2020(4):27-38.