呂　強(qiáng)，孫亨利，張安旭，黃寧博，李建強(qiáng)，徐　坤

(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；3.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)

?

基于微波光子的靈活有效載荷系統(tǒng)研究

呂強(qiáng)1,2，孫亨利1,2，張安旭1,2，黃寧博1,2，李建強(qiáng)3，徐坤3

(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；3.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)

目前衛(wèi)星載荷的設(shè)計(jì)壽命一般在15年左右，期間通信技術(shù)已發(fā)生了日新月異的變化?，F(xiàn)有多頻段、多波束衛(wèi)星在入軌以后，其單端口的技術(shù)狀態(tài)基本固定，一旦投入使用，針對(duì)不同波束業(yè)務(wù)需求，難以靈活地對(duì)衛(wèi)星工作頻率和帶寬等資源進(jìn)行重新分配。針對(duì)傳統(tǒng)微波技術(shù)在多頻段通用、可重構(gòu)的技術(shù)瓶頸，探討寬可調(diào)諧本振及分發(fā)技術(shù)、全光變頻技術(shù)、光控波束形成技術(shù)和射頻光交換技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)在一體化、通用化和在軌可重構(gòu)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器方面的潛在應(yīng)用價(jià)值。

靈活有效載荷；一體化；微波光子

0　引言

衛(wèi)星有效載荷是各種軍事和民用信息處理的中繼，在未來(lái)需要承載各種軍事和民用信息的處理和傳遞，包括：電子偵察、預(yù)警、定位、導(dǎo)航、氣象和各種多媒體業(yè)務(wù)通信等[1]。此外，由于不同國(guó)家和地區(qū)采用的通信體制不同，現(xiàn)有通信載荷中大量組件都需要單獨(dú)設(shè)計(jì)，通用性很差。如果繼續(xù)采用傳統(tǒng)的單一波段、單一功能、單一體制的射頻技術(shù)和系統(tǒng)，上述多功能集成將是多種電子裝備簡(jiǎn)單疊加而成的多功能的系統(tǒng)或體系，帶來(lái)大體積、超重量和高功耗等一系列問(wèn)題，造成電子信息平臺(tái)無(wú)法在衛(wèi)星有效載荷這一特殊環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。

歐空局為了提高其在國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，萌發(fā)了“靈活有效載荷”的概念：① 波束覆蓋的靈活性；② 頻率規(guī)劃的靈活性；③ 發(fā)射功率的靈活性；④ 路由顆粒度的靈活性；⑤ 可利用軟件再定義電子設(shè)備功能。然而，隨著未來(lái)軍用及民用偵察、干擾、探測(cè)、通信等使用的頻率覆蓋范圍的擴(kuò)大，信號(hào)參數(shù)多變，信號(hào)形式也日益復(fù)雜，各種信號(hào)的傳輸、交換、處理和調(diào)度變得尤為復(fù)雜。未來(lái)新型衛(wèi)星載荷需要更苛刻的多頻段、多功能綜合處理能力和資源管理功能，而傳統(tǒng)的電域處理已經(jīng)遇到信號(hào)處理頻段、帶寬和靈活性等問(wèn)題。

微波光子技術(shù)的發(fā)展使人們意識(shí)到：依賴其寬帶、低損優(yōu)勢(shì)，微波光子技術(shù)將成為新的模擬信號(hào)處理平臺(tái)[2]。光巨大的帶寬以及光波導(dǎo)(尤其是光纖)超低損耗的傳輸，是其實(shí)現(xiàn)通道一體化的物理保證。光纖的損耗只有0.2 dB/km；光載波的頻率在1 550 nm處接近200 THz，因而幾十GHz的帶寬在射頻波段看來(lái)是超寬帶，在承載到光載波之后成為窄帶信號(hào)。微波光子技術(shù)在針對(duì)超寬帶射頻信號(hào)的傳輸和處理等關(guān)鍵技術(shù)方面，已經(jīng)表現(xiàn)出優(yōu)異的、超越傳統(tǒng)射頻信號(hào)處理技術(shù)的性能。

本文針對(duì)傳統(tǒng)微波技術(shù)通用、可重構(gòu)的技術(shù)瓶頸，論證基于微波光子的一體化、可重構(gòu)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)架構(gòu)，探索寬可調(diào)諧本振及分發(fā)技術(shù)、全光變頻技術(shù)、光控波束形成技術(shù)和射頻光交換技術(shù)等微波光子技術(shù)的潛在應(yīng)用價(jià)值。

1　衛(wèi)星有效載荷發(fā)展趨勢(shì)

1.1波束數(shù)量、工作頻段不斷增多

當(dāng)前寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)大都采用多點(diǎn)波束，相對(duì)傳統(tǒng)的寬波束而言，點(diǎn)波束可以使波束能量更加集中，并且通過(guò)波束間頻率復(fù)用可使系統(tǒng)容量大大增加。此外，為了適應(yīng)衛(wèi)星移動(dòng)通信、話音、廣播電視和寬帶等不同的業(yè)務(wù)需求以及可靈活地分配星上資源，需要未來(lái)GEO等骨干載荷具有多頻段處理能力。在民用上，不僅可方便地利用衛(wèi)星的多種頻率資源，獲得更大的業(yè)務(wù)靈活性，而且在不同雨衰條件下，多頻段備用手段可保證系統(tǒng)工作的可靠性。在軍事上可按需求為作戰(zhàn)單元提供頻率可變的、基于任務(wù)的軍用和商用連通能力，支持?jǐn)?shù)據(jù)、圖像、視頻和話音通信。

1.2不斷向高頻化、寬帶化發(fā)展

近年來(lái)隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，寬帶已經(jīng)在很大程度上融入我們的日常生活。而寬帶業(yè)務(wù)和應(yīng)用的爆發(fā)式發(fā)展，尤其是“物聯(lián)網(wǎng)+”概念的提出，反過(guò)來(lái)促進(jìn)了寬帶衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展。目前傳統(tǒng)的波段頻率資源已近枯竭，且可用帶寬僅有500～600 MHz，還遠(yuǎn)不能滿足大容量傳輸?shù)男枨?，而更高的Ka頻段頻率資源豐富，可用帶寬高達(dá)3.5 GHz，是理想的寬帶衛(wèi)星通信波段。

1.3可根據(jù)地面需求實(shí)時(shí)在軌重構(gòu)

現(xiàn)有多頻段、多波束衛(wèi)星在入軌以后，其單端口的技術(shù)狀態(tài)基本固定。一旦投入使用，針對(duì)不同波束業(yè)務(wù)需求，難以靈活地對(duì)衛(wèi)星工作頻率、帶寬等資源進(jìn)行重新分配。然而在衛(wèi)星使用期間，業(yè)務(wù)的不斷改變，甚至軌道位置或歸屬權(quán)的改變，都需要衛(wèi)星的工作頻率、處理帶寬做出相應(yīng)調(diào)整。目前衛(wèi)星載荷的設(shè)計(jì)壽命一般在15年左右，而此期間通信技術(shù)已發(fā)生了日新月異的變化，傳統(tǒng)衛(wèi)星通信載荷難以適應(yīng)通信技術(shù)的發(fā)展速度。

1.4透明轉(zhuǎn)發(fā)與處理轉(zhuǎn)發(fā)的混合柔性轉(zhuǎn)發(fā)

轉(zhuǎn)發(fā)器分為透明轉(zhuǎn)發(fā)器與處理轉(zhuǎn)發(fā)器。透明轉(zhuǎn)發(fā)器便于適應(yīng)不同的用戶體制和組網(wǎng)要求，具有簡(jiǎn)單和靈活的特性。處理轉(zhuǎn)發(fā)器具有星上接收信號(hào)再生、動(dòng)態(tài)調(diào)整并有效地利用系統(tǒng)容量、建立星際通信鏈路實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星星際聯(lián)網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)。計(jì)劃中的大部分系統(tǒng)將采用星上處理和交換，以提高頻譜和衛(wèi)星資源的使用效率。但處理轉(zhuǎn)發(fā)器復(fù)雜程度高于透明轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)個(gè)量級(jí)，同時(shí)在極高頻率下，星上處理在目前技術(shù)水平下實(shí)現(xiàn)也較為困難，從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的角度推測(cè)，在今后一段時(shí)期內(nèi)將呈現(xiàn)透明轉(zhuǎn)發(fā)器和處理轉(zhuǎn)發(fā)器構(gòu)成混合載荷的發(fā)展趨勢(shì)。

2　微波光子技術(shù)國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1美國(guó)

美國(guó)DARPA從2000年開(kāi)始有計(jì)劃、成體系地開(kāi)展了基于微波光子的綜合、一體化射頻前端技術(shù)研究，覆蓋了微波信號(hào)產(chǎn)生、傳輸、處理和控制等方面，形成了從基礎(chǔ)機(jī)理到系統(tǒng)應(yīng)用的完整發(fā)展規(guī)劃[3]。系統(tǒng)性地開(kāi)展了一系列課題研究：模擬光信號(hào)處理(AOSP)、超寬帶多功能光子收發(fā)組件(ULTRA-T/R)、可重構(gòu)的微波光子信號(hào)處理器(PHASER)、大帶寬光子帶寬壓縮技術(shù)(PHOBIAC)、高線性光子射頻前端技術(shù)(PHOR-FRONT)、適于射頻收發(fā)的光子技術(shù)(TROPHY)、適于射頻收發(fā)的光子技術(shù)(TROPHY)、光子型射頻收發(fā)(P-STAR)和光任意波形產(chǎn)生(OAWG)。

2012年美國(guó)Harris公司提出了一種寬帶通用軟件無(wú)線電平臺(tái)，可以對(duì)執(zhí)行的任務(wù)在軌重配置，大大增加了載荷應(yīng)用的靈活性。值得注意的是，Harris公司在提出的架構(gòu)中采用了微波光子變頻器來(lái)提高射頻前端的寬頻帶適應(yīng)性和模擬信號(hào)處理性能[3]，并完成了PCI板卡式的小型化集成封裝，如圖1所示。

圖1　PCI板卡式的微波光子混頻器

研制的微波光子變頻器具有4 GHz的瞬時(shí)帶寬，射頻覆蓋至45 GHz以上，變頻損耗小于15 dB，雜散抑制出色，能夠同時(shí)滿足地面站和空間應(yīng)用。Harris公司已經(jīng)在地面站的應(yīng)用演示中證明了傳輸一定距離后的高頻模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)微波光子變頻器，能夠直接下變換后使用數(shù)字接收機(jī)成功接收。

2.2歐洲

多頻段、多波束的通信衛(wèi)星載荷(包括多頻段轉(zhuǎn)發(fā)器和多波束天線)也屬于一體化射頻系統(tǒng)的范疇。歐空局(ESA)在基于微波光子技術(shù)的新型衛(wèi)星載荷方面進(jìn)行了大量的研究。針對(duì)提升星上數(shù)據(jù)交換能力，ESA開(kāi)展了以光子技術(shù)為基礎(chǔ)的Optical Technologies for Ultra-fast Signal Processing on Silicon Platforms(OTUS)計(jì)劃，目的在于實(shí)現(xiàn)一種能支持Tb/s級(jí)容量的交換技術(shù)，以支持星上包交換和突發(fā)交換應(yīng)用。該交換載荷計(jì)劃可承載100個(gè)子波束，具有ns級(jí)交換延時(shí)。

針對(duì)多波束的大容量通信衛(wèi)星信號(hào)處理能力，ESA進(jìn)行了微波和數(shù)字信號(hào)的光學(xué)處理(Optical Handling of Microwave and Digital Signals)項(xiàng)目研究，主要利用微波光子技術(shù)完成衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的功能，如圖2所示。該結(jié)構(gòu)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了Ka波段到C波段的下變頻、26 GHz范圍內(nèi)可調(diào)的本振產(chǎn)生、4×4無(wú)阻塞光射頻交換矩陣的射頻轉(zhuǎn)發(fā)。目前歐空局已經(jīng)完成了系統(tǒng)級(jí)的地面演示驗(yàn)證試驗(yàn)，并即將進(jìn)行在軌實(shí)驗(yàn)。在這些應(yīng)用中，涉及到光生微波技術(shù)、光子射頻變頻技術(shù)和光子射頻交換技術(shù)等典型的微波光子技術(shù)。

圖2　歐空局基于微波光子的衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)器地面演示系統(tǒng)

3　面向靈活有效載荷的微波光子關(guān)鍵技術(shù)

3.1寬可調(diào)諧光生本振及分發(fā)技術(shù)

本振是衛(wèi)星通信轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)中必不可少的射頻器件，為各波束接收通道、發(fā)射通道提供本振頻率源。由于衛(wèi)星通信向多制式、多頻段方向發(fā)展，往往需要多個(gè)、不同頻率本振源?；趥鹘y(tǒng)微波技術(shù)的本振源僅能前置于射頻端，因此造成整個(gè)系統(tǒng)的體積重量功耗大大增加。

基于光學(xué)方法產(chǎn)生本振源不僅可以實(shí)現(xiàn)寬帶可調(diào)諧，并可利用光纖低損、輕柔的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)光生本振的中心化、集中共享和大范圍分發(fā)。大量關(guān)于光生微波技術(shù)的方法、方案被論證和報(bào)道。各種光生微波方法和方案基于原理的區(qū)別可大致分為光倍頻技術(shù)、光電振蕩環(huán)技術(shù)和光學(xué)差頻技術(shù)等。

最簡(jiǎn)單的光倍頻法[5]是通過(guò)馬赫曾德調(diào)制器的非線性原理，將調(diào)制到光波上的微波信號(hào)產(chǎn)生多個(gè)邊帶，再利用這些邊帶的差拍產(chǎn)生倍頻信號(hào)。由于光邊帶具有完全項(xiàng)目的隨機(jī)相位，因而相位差異導(dǎo)致的差拍噪聲影響被抵消，進(jìn)而產(chǎn)生高純譜的微波、毫米波信號(hào)。

使用光外差的方法產(chǎn)生射頻本振信號(hào)[6,7]，在原理上比較簡(jiǎn)單，即使用2個(gè)激光器，輸出光波之間的頻率差為所需射頻本振信號(hào)的頻率。2個(gè)光波同時(shí)被1個(gè)光電探測(cè)器接收，在光電探測(cè)器上差頻，輸出的電信號(hào)就是所需要的本振信號(hào)。光外差法產(chǎn)生的信號(hào)頻率只受到光電探測(cè)器響應(yīng)帶寬的限制。而且2個(gè)光波的功率都能轉(zhuǎn)化為射頻信號(hào)的功率，所以光外差系統(tǒng)產(chǎn)生的射頻信號(hào)有著較好的信噪比。光外差法產(chǎn)生射頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵與難點(diǎn)在于如何獲得2個(gè)穩(wěn)定的光波。如果使用2個(gè)獨(dú)立的激光器作為光源，要產(chǎn)生穩(wěn)定的射頻信號(hào)是比較困難的。光學(xué)相位鎖定技術(shù)光注入鎖定技術(shù)被廣泛地使用。

光電振蕩器(OEO)[8]通過(guò)微波和光器件組合成光電混合結(jié)構(gòu)的振蕩環(huán)路實(shí)現(xiàn)自注入鎖定，光纖環(huán)路產(chǎn)生時(shí)間延遲，用來(lái)獲得產(chǎn)生低噪聲高質(zhì)量的信號(hào)所需的品質(zhì)因素。不過(guò)這種早期的OEO存在光纖長(zhǎng)度過(guò)短則相位噪聲較高，光纖長(zhǎng)度太長(zhǎng)則起振模式間隔太密的矛盾，為了解決這一問(wèn)題，人們又提出了同時(shí)使用長(zhǎng)光纖和短光纖形成雙環(huán)路OEO的結(jié)構(gòu)來(lái)降低相位噪聲的方法[9]。在這種雙環(huán)結(jié)構(gòu)的OEO中，起振的模式間隔由短光纖環(huán)路決定，相位噪聲則由長(zhǎng)光纖環(huán)路決定，雙環(huán)振蕩器可以得到模式間隔大且相位噪聲低的振蕩信號(hào)?；阪i模激光器與OEO的耦合的鎖模振蕩器(COEO)[10]，以鎖模環(huán)路作為選模諧振腔，這種結(jié)構(gòu)的OEO具有鎖模激光器光源和OEO的雙重功能，微波信號(hào)具有極低的相位噪聲。

3.2全光變頻技術(shù)

頻率變換模塊是通信衛(wèi)星載荷中重要組成部分。衛(wèi)星要實(shí)現(xiàn)與地面的雙向通信，需將上行頻率變換至下行頻率，以避免信號(hào)間的干擾。隨著通信容量的增加，衛(wèi)星通信頻段覆蓋L、S、C、Ku和Ka等多個(gè)頻段，尤其是隨著現(xiàn)代衛(wèi)星通信的頻段提高至Ka波段以上，微波混頻器變頻帶寬難以覆蓋所有頻段，且各個(gè)射頻端口之間隔離度差，混頻易出現(xiàn)雜散頻率分量；采用先下變頻處理后再上變頻的多級(jí)變頻處理方式會(huì)造成系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍降低。

基于光學(xué)混頻的頻率變換技術(shù)[11]具有寬帶和端口間隔離度高等優(yōu)點(diǎn)，且能夠直接單級(jí)變頻，避免多級(jí)變頻導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)范圍降低。目前已有微波光子混頻方案主要采用外調(diào)制方式，根據(jù)調(diào)制器的位置結(jié)構(gòu)分為調(diào)制器串聯(lián)型和調(diào)制器并聯(lián)型。調(diào)制器串聯(lián)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很多雜波分量，這就要求系統(tǒng)采用高性能高帶外抑制比窄帶濾波器來(lái)濾除雜波分量，而現(xiàn)實(shí)中的濾波器并不理想，很多雜波分量都會(huì)殘留，導(dǎo)致PD輸出的拍頻結(jié)果出現(xiàn)大量干擾，給接收機(jī)對(duì)信號(hào)的識(shí)別和解調(diào)帶來(lái)困難，并對(duì)其他頻點(diǎn)的信號(hào)造成干擾。而調(diào)制器的并聯(lián)結(jié)構(gòu)在不增加調(diào)制器的基礎(chǔ)上，明顯減少了雜波。同時(shí)通過(guò)在上下兩光路引入光濾波器可進(jìn)一步減少無(wú)用光譜分量，降低變頻系統(tǒng)雜散。同時(shí)結(jié)合波分復(fù)用技術(shù)，提供了多通道并行變頻和完全分離的功能。該方案可通過(guò)幾個(gè)承載不同本振頻率的光載波通過(guò)WDM系統(tǒng)并入同一根光纖，使用一個(gè)電光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)并行下變頻，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

3.3光控波束形成技術(shù)

目前許多應(yīng)用衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命可以達(dá)10年以上。而用戶數(shù)量及業(yè)務(wù)需求卻以日新月異的速度在變化。因此，對(duì)衛(wèi)星載荷及天線系統(tǒng)提出了可在軌動(dòng)態(tài)重構(gòu)的技術(shù)要求。另外一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)景，也要求相控陣天線實(shí)現(xiàn)在軌重構(gòu)，重新修改衛(wèi)星波束覆蓋參數(shù)。然而，傳統(tǒng)相控陣天線采用電相移器來(lái)實(shí)現(xiàn)波束的掃描，存在體積大、質(zhì)量大、傳輸損耗高和易受干擾等不足，尤為重要的是由于受孔徑效應(yīng)與渡越時(shí)間的限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大寬帶波束控制，阻礙了其在星上實(shí)現(xiàn)高頻段多波束掃描的應(yīng)用。光控波束形成技術(shù)[12,13]采用光纖或集成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光延時(shí)網(wǎng)絡(luò)，可使光載微波信號(hào)獲得真時(shí)延。

較為成熟的光控波束形成主要有基于光纖物理長(zhǎng)度延時(shí)和色散機(jī)制延時(shí)兩種。

① 基于光纖物理長(zhǎng)度機(jī)制的光纖延時(shí)技術(shù)己經(jīng)逐步進(jìn)入了工程應(yīng)用階段。然而隨著雷達(dá)工作頻率的增加，所需的延時(shí)分辨率也越來(lái)越高，基于光纖物理長(zhǎng)度的延時(shí)技術(shù)需要進(jìn)一步減小最短光纖長(zhǎng)度，同時(shí)對(duì)光纖的切割精度提出了更為苛刻的要求。

② 色散光纖延時(shí)(尤其是以高色散系數(shù)光子晶體光纖為傳輸介質(zhì))和光纖光柵延時(shí)(布拉格光纖光柵、惆啾光纖光柵等)均是基于色散機(jī)制的延時(shí)技術(shù)，這些延時(shí)線的延時(shí)分辨率和系統(tǒng)性能相對(duì)于物理長(zhǎng)度延時(shí)方案有了進(jìn)一步的提高。然而，基于色散機(jī)制的延時(shí)技術(shù)為了實(shí)現(xiàn)高的延時(shí)分辨率，通常需要大范圍、快速、連續(xù)可調(diào)激光光源或需要附加溫度、應(yīng)力等調(diào)諧控制裝置，而這將大大增加微波光子波束形成系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本。

基于集成波導(dǎo)微環(huán)諧振腔延時(shí)特性的光真時(shí)延技術(shù)[14]是目前國(guó)際較為前沿的微波光子波束形成發(fā)展方向。波導(dǎo)微環(huán)諧振腔利用其對(duì)光波的諧振效應(yīng)，可使光波在微環(huán)諧振腔內(nèi)往返多次傳輸從而對(duì)光波產(chǎn)生一定的延時(shí)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)和級(jí)聯(lián)數(shù)目可以達(dá)到對(duì)延時(shí)量的良好控制。該方案采用先進(jìn)的光刻技術(shù)，其延時(shí)分辨率可以達(dá)到ps量級(jí)，這一精度有望滿足越來(lái)越高的雷達(dá)工作頻率要求，同時(shí)利用光子集成技術(shù)可將調(diào)制器、光延時(shí)線和光電探測(cè)器等集成到同一芯片上，可進(jìn)一步減小光延時(shí)系統(tǒng)的體積，降低功耗，提高系統(tǒng)性能。其優(yōu)勢(shì)有望在微波光子波束形成技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮重大作用。

3.4射頻光交換技術(shù)

通信衛(wèi)星使用波束天線形成多個(gè)點(diǎn)波束實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)服務(wù)區(qū)的覆蓋，點(diǎn)波束能夠有效地提高衛(wèi)星天線增益，在各波束之間通過(guò)頻率的再利用，實(shí)現(xiàn)任一點(diǎn)波束區(qū)域的用戶信息與其他波束區(qū)域的用戶信息進(jìn)行交換。在今后一段時(shí)期內(nèi)，衛(wèi)星通信載荷將呈現(xiàn)透明轉(zhuǎn)發(fā)器和處理轉(zhuǎn)發(fā)器共存的發(fā)展趨勢(shì)。微波矩陣由于體積、重量過(guò)大，隔離度實(shí)現(xiàn)困難，很難適用于星上環(huán)境?；谖⒉ü庾蛹夹g(shù)的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器概念最早由歐空局在SAT’NLIGHT 計(jì)劃中提出。由微波光子技術(shù)實(shí)現(xiàn)的低噪聲射頻前端將天線接收的射頻信號(hào)調(diào)制到光載波上，通過(guò)光下變頻后進(jìn)入光交換模塊，完成交換后再進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，通過(guò)射頻發(fā)射模塊傳輸。由于光信號(hào)在光纖傳輸過(guò)程中幾乎不會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_，因此隔離度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)射頻開(kāi)關(guān)系統(tǒng)。

微波光子技術(shù)采用光學(xué)開(kāi)關(guān)矩陣實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)在轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)輸入和輸出端口間的交叉連接和切換[15]。采用光學(xué)開(kāi)關(guān)矩陣完成射頻交換的方式，任意功能組的信號(hào)可以上變頻到任意頻率，且可以被路由到任意一條鏈路輸出去或同時(shí)發(fā)送到所有鏈路，實(shí)現(xiàn)多種頻率和功能重構(gòu)組合，具有極大的帶寬和頻率平坦性，且射頻信號(hào)間具有極高的隔離度，不會(huì)給射頻信號(hào)造成非線性和相位噪聲的惡化。此外，采用光子射頻交換，利用光的寬帶、低串?dāng)_特性，其高頻、帶寬不受限，可實(shí)現(xiàn)射頻的大容量交換。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文面向空天地一體化重大戰(zhàn)略需求，結(jié)合未來(lái)通信衛(wèi)星載荷向多頻段、多波束、靈活可重構(gòu)的通用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)展趨勢(shì)，針對(duì)傳統(tǒng)微波前端技術(shù)遇到的通道一體化、處理一體化、轉(zhuǎn)發(fā)粒度可配置等問(wèn)題，探討了寬可調(diào)諧本振及分技術(shù)、全光變頻技術(shù)、光控波束形成技術(shù)、射頻光交換技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)在通用、可重構(gòu)一體化射頻通道的潛在應(yīng)用價(jià)值。

[1]汪春霆.衛(wèi)星通信系統(tǒng)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2012.

[2]CAPMANYJ,NOVAK D.Microwave Photonics Combines Two Worlds[J].Nature Photonics,2007,1:391-330.

[3]MIDDLETONC,MAST A,DESALVO R.Mixing Spur Reduction Through Photonic-Assisted Frequency Conversion[C]∥IEEE Conf.Avionics Fiber-Opt.Photon.Technol,2012:26-27.

[4]SOTOM M,BENAZET B.Microwave Photonic Technologies for Flexible Satellite Telecom Payloads[C]∥Vienna,Austria,2009:20-24.

[5]SHENP,GOMES N J,DAVIES P A,et al.High-Purity Millimeter-Wave Photonic Local Oscillator Generation and Delivery[C]∥ Microw.Photonics Topical Meeting,2003:189-192.

[6]GLIESEU,NIELSEN T N,BRUUN M,et al.A Wideband Heterodyne Optical Phaselocked Loop for Generation of 3-18 GHz Microwave Carriers[J].IEEE Photon.Technol.Lett.,1992,4(8):936-938.

[7]GOLDBERGL,TAYLOR H F,WELLER J F,et al.Microwave Signal Generation with Injection Locked Laser Diodes[J].Electron.Lett.,1983,19(13):491-493.

[8]YAOX S,MALEKI L.Optoelectronic Microwave Oscillator[J].J.Opt.Soc.Amer.B,1996,13:1 725-1 735.

[9]YAOX S,MALEKI L.Multiloop Optoelectronic Oscillator[J].IEEE J.Quantum Electron.,2000,36(1):79-84.

[10]YUN,SALIK E,MALEKI L.Ultralow-Noisemode-Locked Laser with Coupled Optoelectronic Oscillator Configuration[J].Opt.Lett.,2005,30:1 231-1 233.

[11]GOPALAKRISHNANG K,BURNS W K,BULMER C H.Microwave-Optical Mixing in LiNbO3 Modulators[J].IEEE Trans.Microw.Theory Techn.,1993,41(12):2 383-2 391.

[12]NGW,WALSTON A A,TANGONAN G L,et al.The First Demonstration of an Optically Steered Microwave Phased Array Antenna Using True-Time-Delay[J].J.Lightw.Technol.,1991,9(9):1 124-1 131.

[13]RAZO,ROTMAN R,DANZIGER Y,et al.Implementation of Photonic True Time Delay Using High-Order-Mode Dispersion Compensating Fibers[J].IEEE Photon.Technol.Lett.,2004,16(5):1 367-1 369.

[14]BURLAM,MARPAUNG D A I,ZHUANG L,et al.On-chip CMOS Compatible Reconfigurable Optical Delay Line with Separate Carrier Tuning for Microwave Photonic Signal Processing[J].Opt.Exp.,2011,19(22):21 475-21 484.

[15]TAVIKG C,HILTERBRICK C L,EVINS J B,et al.The Advanced Multifunction RF Concept[J].IEEE Trans.on Microw.Theory and Techn.,2005,53(3):1 009-1 020.

呂強(qiáng)男，(1982—)，博士，高級(jí)工程師。主要研究方向：微波光子技術(shù)和無(wú)線光通信技術(shù)。

孫亨利男，(1986—)，碩士，工程師。主要研究方向：微波光子技術(shù)和無(wú)線光通信技術(shù)。

Microwave Photonic Technologies for Flexible Satellite Payloads

LV Qiang1,2，SUN Heng-li1,2,ZHANG An-xu1,2,HUANG Ning-bo1,2,LI Jian-qiang3,XU Kun3

(1.The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China;2.KeyLaboratoryofAerospaceInformationApplications,CETC,ShijiazhuangHebei050081,China;3.StateKeyLaboratoryofInformationPhotonicsandOpticalCommunications,BUPT,Beijing100876,China)

Normally a communication satellite payload has a lifetime of 15 years,and over such a long period of time the communication technologies have evolved rapidly.Commonly,after the multi-beam,multi-band communication satellite payloads flying into orbit,the technical configuration of the RF port is fixed,and the radio system cannot dynamically adapt to different operational needs.Based on the bottleneck of traditional microwave technology for multi-band,reconfigurable signal processing in electronic domain,this article presents an overview of the microwave photonic techniques such as optically generated local frequency and distribution,all optical frequency conversion,photonic true-time delay beamforming as well as microwave photonic switching,and discusses their potential applications in development of multi-band,reconfigurable satellite payloads.

flexible satellite payload;integrated;microwave photonic

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.09.03

2016-05-28

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)09-0010-05

引用格式：呂強(qiáng),孫亨利,張安旭,等.基于微波光子的靈活有效載荷系統(tǒng)研究[J].無(wú)線電工程,2016,46(9):10-14.