微波光子混频技术

第1章 绪论 本章首先从当前电子系统发展需求出发，阐述微波光子学及微波光子混频技术在带宽、损耗、体积重量、抗电磁干扰等方面的优势和应用意义；其次介绍微波光子混频技术的发展历程和国内外研究现状；*后介绍本书的研究工作，说明章节安排。 1.1 研究背景 1.1.1 电子系统发展需求 随着现代社会发展，宽带无线通信、卫星、雷达、电子战、深空探测等电子系统业务量增加迅速，对信息速率的要求越来越高。常规低频的无线频谱资源已经分配殆尽，要想提高信道带宽，电子系统工作频率需要向更高的微波甚至毫米波段拓展。例如，目前的移动电话和无线局域网（wireless local area network，WLAN）的工作频段在800MHz～5.8GHz，下一代宽带无线通信系统要扩展到毫米波段，包括20～40GHz的本地多点分布式系统（local multipoint distribution system，LMDS）频段，以及免执照的57～64GHz频段[1，2]。我国目前的通信卫星大多采用 C（6/4GHz）、Ku（14/12GHz）频段[3，4]，Ka（26.5～40GHz）频段卫星还处于研究阶段[5]。国际上极高频（extremely high frequency，EHF）频段军事通信卫星普遍使用40/20GHz频段，如美国军事卫星MILSTAR的上行频率为43.5～45.5GHz，下行频率为20.2～21.2GHz，此外星际链路使用60GHz频段；国防卫星AEHF作为MILSTAR的后继，相控阵天线工作在44GHz，总通信容量超过1Gbit/s。另外，在往高段频发展的同时，许多电子系统逐渐采用多频段共用的工作方式来进一步提高系统可用带宽，或使电子系统多功能一体化，同时具备通信、目标识别、跟踪、环境测绘等功能。美国国防部高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）对未来军用多功能接收机的性能要求如表1.1所示，对工作带宽和瞬时带宽有非常高的要求[6]。 表1.1 DARPA对未来军用多功能接收机的主要性能指标要求[6] 高频率、大带宽、多频段一体化的发展需求对未来电子系统提出巨大挑战。首先，随着工作频率的提高，微波信号时间抖动显著变大[7]，相位噪声恶化[8]，传输线损耗增大[9]、相位漂移愈加严重[10]。其次，大多基于晶体管的微波器件和电路具有明显的频率依赖性，宽带幅频和相频一致性差，不能满足大带宽、多频段一体化的应用需求。例如，在微波I/Q混频器中，微波正交耦合器的幅度和相位分配不理想会引起同相和正交两路幅相失衡，导致I/Q混频器的镜像抑制能力变差[11，12]。另外，由于微波电路的宽带局限，一体化电子系统只能采用多个不同工作频段的射频前端相叠加来实现多频段融合，所以射频通道资源严重浪费，系统体积、重量和功耗也相应增大。 1.1.2微波光子学 微波光子学是微波与光子学相融合的一门新型交叉学科，它利用光子学技术产生、传输和处理微波信号，旨在克服传统微波技术在处理速度和传输带宽等方面的电子瓶颈，大幅度提高微波系统工作性能，或实现传统微波技术无法实现的功能。具体说来，微波光子技术具有以下几个明显的优势。 （1）通道带宽大。标准单模光纤（single mode fiber，SMF）、电光调制器、掺铒光纤放大器（erbium doped fiber amplifier，EDFA）、光电二极管（photodiode）、光耦合器、光滤波器等常用光子学器件在C波段（波长1530～1565nm）内超过4THz的带宽内能够保持良好的工作性能。 （2）光电响应带宽大。市场中成熟的电光调制器在直流（DC）～50GHz频带内有较为一致的调制效率。由DARPA赞助的发射和接收优化光子学项目（transmit and receive optimized photonics，TROPHY）研制出的小型化铌酸锂（LiNbO3）电光调制器的工作带宽可达110GHz[6]。商用PD的3dB响应带宽也达到了110GHz以上[13]。因此微波光子系统的工作频段可在大带宽内灵活调谐，且对微波信号透明，这非常适合超宽带、多频段一体化的应用。 （3）传输损耗小。射频电缆在18GHz频段的传输损耗典型值为0.72dB/m，而SMF在C波段传输时损耗小于0.2dB/km[6]。在天线拉远系统中，由于传输损耗太大，天线接收到的射频信号无法直接传输到中心站，需要在天线站下变频、采样量化为数字信号才能传输。利用微波光子技术，射频信号直接传输到中心站成为可能，这可以大幅度简化天线站结构、降低成本。 （4）体积小，重量轻。美国Harbour公司生产的军用级别低损耗同轴电缆的典型重量为113kg/km；加拿大光缆公司Optical Fiber Corporation生产的军用级别光缆的典型重量为31kg/km，仅为同轴电缆的三分之一[6]。随着集成光电技术的成熟，微波光子系统在体积、重量上将有更大优势[14]。 （5）无电磁干扰。微波信息以光信号的形式传输和处理，因此不受电磁干扰，也不会产生电磁辐射。 传统微波技术和微波光子技术简要对比如表1.2所示[6]。 表1.2传统微波技术与微波光子技术简要对比 由于微波光子技术的以上显著优势，其在未来卫星、雷达、电子战等电子系统中具有较大的应用潜力，目前在以下几个方面得到广泛的研究。 （1）宽带微波信号的光子学产生。其中包括微波本振信号[15]、任意波形信号[16-20]、线性调频信号[21]、相位编码信号[22-24]、超宽带（ultra wide band，UWB）信号[25]等的光子学产生及光子学数模转换[26]。 （2）微波信号的光纤传输。包括时钟信号光纤同步[27，28]，本振信号的多路光纤馈送[29]，天线光纤拉远[30]，基于波分复用（wavelength division multiplexer，WDM）、偏振复用、多芯复用的多通道射频信号传输[31]等。 （3）微波信号的光子学处理[32]。宽带微波信号的光子学混频[33]、滤波[34]、延迟[35，36]、移相[37]、信道化[38-40]、通道交换[41]、光子学采样量化及模数转换[42]。 （4）微波信号参量的光子学测量[43，44]。测角测向[45，46]、实时频谱分析[47-49]、瞬时频率测量[50，51]、多普勒频移测量[52]、相位噪声测量[53]等。 1.1.3 微波光子混频 微波混频器是电子系统中的关键部件，主要可实现的功能包括。 （1）频率变换。在射频收发机中，中频信号需要利用混频器上变频到适合无线传输的电磁频段，天线接收到的射频信号需要利用混频器下变频到中频或基带进行信号处理[54]。频谱分析仪等电子仪器内部也需要混频器完成频率变换的功能[55]。 （2）矢量信号调制与解调。在矢量信号调制解调模块或零中频收发机时，需要一组正交混频器实现矢量信号的I/Q调制与解调[56，57]。 （3）鉴频鉴相。在锁相环、自动相位控制、测频、测向、相位噪声测量系统中，需要混频器实现鉴频/鉴相功能[58-60]。 （4）频率合成。在多频段一体化、跳频等电子系统中，往往需要结合直接数字频率合成与锁相环，以混频的方式得到高频段、低相噪、频率快速可调谐的微波本振源[61]。 现代电子系统对宽频段、高隔离度、大动态的微波混频器的要求与日俱增。例如，在多功能一体化系统中，信号工作带宽非常大，甚至覆盖1～20GHz[62]，这要求混频器能够同时在多频段良好地工作。在零中频接收机中，要求有较高的本振（local oscillator，LO）与射频（radio frequency，RF）隔离度，避免LO泄漏引起基带信息直流偏差[63]。在电子战系统中，由于环境及敌方干扰强烈，要求接收机有较大的动态范围，进而也对混频器的线性度有较高的要求。 微波光子混频继承了微波光子技术大带宽、频率可调谐、高隔离度、无电磁干扰等优点，在上述电子系统应用中，相比传统微波混频具有固有的技术优势。表1.3是宽带微波混频器与微波光子混频系统的典型指标的汇总。其中宽带微波混频器采用的是美国军用微波器件制造商L-3 Narda-MITEQ公司生产的超宽带平衡混频器（DB0250LW1）[64]，微波光子混频数据来源于本课题组公开报道的研究成果[65，66]及本书第4章内容。 表1.3宽带微波混频器与微波光子混频系统的典型指标对比 由表1.3对比数据可以看到，由于微波器件固有的电子瓶颈，即使是宽带微波混频器，其RF、LO和中频（intermediate frequency，IF）信号的工作频率也均有一定限制，而较低的隔离度则源于电磁泄漏。微波光子混频系统在工作频率、隔离度等指标方面有明显优势，RF、LO与IF端口的带宽只与电光调制器和PD的带宽有关，如果采用110GHz带宽的调制器和PD，工作频率范围可以进一步拓宽。另外，微波光子混频系统中一般采用RF与LO物理分离的调制模式，光信号不会引起电磁干扰，进而RF与LO隔离度可以无限大，此特点使微波光子混频系统非常适合应用在零中频收发机、多通道共用LO的收发系统中。 此外，微波光子混频系统的另一优点是可以与其他光子学系统兼容。与光子学微波本振倍频系统结合，可以构成微波光子谐波混频系统[67]；与微波光子滤波系统相结合，可以提高混频信号的频谱纯度[68]；与微波光子移相相结合，在实现微波频率变换的同时可以实现混频信号的移相，应用于测向[59]、波束形成[69]、相位噪声测量[53]、矢量信号调制与解调系统[70-72]；与模拟光链路相结合，可以实现射频信号或混频信号的长距离光纤传输[66，73，74]。 图1.1是一种基于微波光子技术的宽带转发器，旨在通过微波光子技术构建多频段一体化收发前端，解决目前卫星有效载荷面临的射频前端通用性差、瞬时带宽受限、交换容量受限、电磁干扰严重等难题。该系统以微波光子频率变换为核心，相比传统微波技术方案具有以下显著特点。 （1）多频段通用一体化。由于现代无线通信业务显著增多，要求卫星转发器能够同时适用于多频段工作（L、S、C、Ku、Ka等频段）。传统微波技术中，混频器、滤波器等一般具有明显的频率依赖性，各频段通用性差。微波光子混频系统由于在40GHz甚至100GHz带宽内具有平坦的响应，因此非常适合应用于未来多频段一体化的卫星转发器。 （2）大瞬时带宽。在多频段同时工作时，系统瞬时带宽可能在10GHz以上。传统的微波技术采用信道化机实现，宽带微波信号先后经过不同信道的滤波、下变频后，在中频进行交换和处理。然而随着信道数量的增加，该信道化机会变得非常笨重复杂。在图1.1所示的方案中，接收到的宽带信号通过线性电光调制加载到光波上，然后在光域实现信道划分，经过全光透明转发或柔性转发后，光电转换得到变频后的微波信号，*终被天线发射出去。柔性转发模式中，各信道信号通过微波光子信道化同中频下变频实现接收；全光透明转发模式中，只需要一次全光变频，接收到的微波信号便转换为另一频段直接转发。 （3）全光一体化。该系统以微波光子变频为核心，在一个光链路中有机结合光学本振生成与馈送、线性度优化、光学信道划分、全光透明转发、转发模式切换等功能，形成全光一体化转发系统，极大地简化了系统复杂度，降低了电磁干扰，系统体积重量、功耗等也有望得到降低。 图1.1 微波光子多频段一体化转发器原理图 综上所述，研究微波光子混频技术，并研究与其他光子学系统结合后存在的关键技术问题，对于实现微波光子技术在电子系统中的广泛应用，推动电子系统发展，具有重要意义。