李小軍，蔣 煒，和新陽，龔靜文，張 武

(中國空間技術研究院西安分院，空間微波技術重點實驗室，西安 710100)

0 引言

衛(wèi)星通信頻段的擴展和通信業(yè)務需求的不斷提高，要求衛(wèi)星通信載荷上不同種類、不同用途電子設備以及多種通信手段有機結合，構成多頻段一體化通信載荷，以取得強大的信息獲取及處理能力，這就需要克服當前電子技術及傳統(tǒng)鏈路傳輸處理信號帶寬的瓶頸，實現(xiàn)寬帶、多頻段射頻信號的高性能接收、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，其結構和性能直接影響整個衛(wèi)星通信系統(tǒng)。目前主要采用傳統(tǒng)的微波技術進行微波信號信道化接收變頻及傳輸。受電子技術瓶頸限制，傳統(tǒng)基于電子技術的信道化接收動態(tài)范圍有限，且接收處理帶寬在吉赫茲(GHz)量級，在更大動態(tài)范圍、更高帶寬接收處理上存在技術瓶頸。此外，傳統(tǒng)電子變頻技術使用以二極管和三級管為核心的微波混頻器來實現(xiàn)。受電子技術瓶頸限制，電子變頻帶寬較窄，且在處理多頻段微波信號時容易出現(xiàn)頻段間串擾、非線性失真等現(xiàn)象。這無疑會大大降低變頻動態(tài)范圍及變頻效率，使得寬帶大動態(tài)變頻能力嚴重受限。

圖1 當前衛(wèi)星射頻前端結構示意圖Fig.1 Structure diagram of current satellite RF front end

基于微波光子的大瞬時帶寬微波信號信道化接收變頻是微波技術和光學技術相結合的一種新型技術，可實現(xiàn)微波和光波之間的轉(zhuǎn)換，并在光域?qū)崿F(xiàn)寬帶信號的信道化接收及變頻。該技術既可以滿足新型寬帶通信衛(wèi)星在大系統(tǒng)容量、多業(yè)務類型和廣域覆蓋等方面的需求，又降低了系統(tǒng)復雜度和工程實現(xiàn)難度，且在體積、重量、功耗等方面都具有無與倫比的優(yōu)勢。通過基于微波光子的大瞬時帶寬微波信號信道化接收變頻一方面可以替代傳統(tǒng)電學濾波器組及微波混頻器，另一方面還可以簡化射頻前端的系統(tǒng)架構、降低天線的體積、重量、功耗等重要參數(shù)，進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構示意圖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構

微波光子信道化接收變頻是通過光學手段在頻域上對接收到的寬帶射頻信號進行窄帶劃分，而后將經(jīng)處理劃分后的窄帶信號在光域與本振信號進行混頻，最后經(jīng)相應的光電轉(zhuǎn)換后得到多個窄帶中頻信號，具有大帶寬、低損耗、無電磁干擾、體積小與重量輕等優(yōu)勢，可有效解決傳統(tǒng)電信道化接收變頻結構復雜、信道化帶寬受限及變頻輸出動態(tài)范圍小的問題。微波光子信道化接收變頻基本結構如下圖所示，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調(diào)制到光載波/光頻梳上實現(xiàn)電信號到光信號的轉(zhuǎn)換，光域通道劃分是用光濾波器來實現(xiàn)寬帶信號的信道劃分，微波光子變頻是將信道劃分后的信號變頻至同中頻，光電轉(zhuǎn)換是將處理后的光信號恢復為電信號。實際系統(tǒng)中，不同的微波光子信道化接收機根據(jù)功能的不同，可能會有不同的結構，各部分關系也可能會有所變化。

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信道化接收及同中頻變頻、寬帶射頻信號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實現(xiàn)。此外，當接收的寬帶射頻信號帶寬很大，而劃分的子信道帶寬較窄時，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 寬帶射頻信號信道化接收及同中頻變頻

2001年，美國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公開報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光載波提供，因此與信號光載波具有高度相干性，滿足相干檢測的要求。試驗表明各個信道具有等中頻(中心頻率均為5GHz)輸出，信道瞬時帶寬100GHz，子信道帶寬為1GHz，無雜散動態(tài)范圍為101dB Hz2/3。

2014年，東南大學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。其設計重點就是采用自由譜(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)電路的復雜度。該方法實現(xiàn)了9.74 9.86GHz和9.86 9.98GHz波段的信號分別下轉(zhuǎn)換到兩個帶寬為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Fig.5 Microwave photonics channelized receiver with the same intermediate frequency

2019年，空間微波技術重點實驗室面向多頻段衛(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，完成寬帶微波信號的多信道劃分及高抑制比同中頻變頻。該方法可實現(xiàn)3GHz帶寬高頻微波信號的信道劃分，得到六路同中頻信號，其無雜散動態(tài)范圍(SFDR)為101 dB·Hz2/3, 帶內(nèi)平坦度優(yōu)于0.5 dB。

2.2 寬帶射頻信號信道化接收及不同中頻變頻

2001年，美國海軍實驗室的研究人員設計了基于通道濾波方式的寬帶信道化接收機，方案中8-18GHz的寬帶信號通過一個電光相位調(diào)制器同時加載到復用的四路不同波長的光載波上，同時這四路光載波經(jīng)四個相位調(diào)制器加載不同的本振信號，復用后的四路光載射頻信號在光濾波器的作用下選出一個獨立的邊帶，再將四路射頻信號進行解復用，并分別與相應的光載本振信號合路，最后利用光電探測器恢復出中頻信號。2010年，美國貝爾實驗室首次給出了基于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，并通過調(diào)節(jié)光帶通濾波器的中心頻率及本振電信號的輸入頻率，實現(xiàn)不同中頻信號的輸出，該信道化接收變頻的動態(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

在單光梳結合濾波實現(xiàn)的信道化接收及變頻方向上，2012年，美國普渡大學基于單光梳結合色散補償光纖，實現(xiàn)了微波光子信道化接收及下變頻,其頻率覆蓋范圍為200GHz，瞬時帶寬為5GHz。2013年，中科院半導體提出了基于偏振復用的微波光子信道化變頻方法。同年清華大學該采用硅基集成的級聯(lián)光延遲干涉儀實現(xiàn)均勻通道濾波和信道化，該方法在單通道濾波的基礎上，引入本振光梳，光學正交耦合后相干探測，進而實現(xiàn)寬帶信號的信道劃分接收。2014年，北京郵電大學提出了一種基于雙光頻疏的多頻段信號產(chǎn)生及變頻。光頻梳為整個系統(tǒng)提供了多個本振源，在此基礎上，C波段的6.1 GHz信號可以被同時轉(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可以忽略，光不同頻率的本振信號和中頻信號之間不相關，因此可以確保信道之間的高隔離度。2015年，清華大學基于結合光頻梳的可調(diào)濾波器實現(xiàn)寬帶微波光子射頻前端。在該方案中，通過附加的相位補償及延時控制提高系統(tǒng)頻率可調(diào)性，同時實現(xiàn)寬帶射頻輸入信號拍頻干擾的抑制。此外，清華大學還完成了20GHz帶寬寬帶射頻接收前端的試驗驗證，試驗結果表明其通帶信號的中心頻率連續(xù)可調(diào)。2017年，北京郵電大學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，具體結構如下圖所示。在本方案中，鎖模激光器產(chǎn)生光頻梳經(jīng)光濾波進行整形后，經(jīng)色散補償光纖后生成線性調(diào)頻信號，該線性調(diào)頻信號分為兩路，一路經(jīng)光調(diào)制器產(chǎn)生光載波抑制的頻梳信號作為多載頻信號，另一路經(jīng)多根可調(diào)光延遲線作為多本振信號輸出，所生成的多載頻信號與多本振信號經(jīng)同相/正交(I/Q)解調(diào)后輸出中頻信號。

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，大部分對混頻器研究的主要關注點在于實現(xiàn)變頻，或者實現(xiàn)混頻后的信號能夠克服長距離光纖傳輸過程中的功率衰減問題。但是對于混頻過程中的鏡像干擾問題，國內(nèi)外的研究都很有限。2016年，西安電子科技大學提出了一種基于雙偏振BPSK(DP-BPSK)的混頻器方案。主要創(chuàng)新點在于，這種方案可以同時實現(xiàn)高變頻增益和抑制鏡像干擾，鏡像抑制比能夠達到55 dB以上。在此之前，南京航空航天大學提出了一種可重構的混頻器，下圖給出了可重構的微波光子混頻器結構圖。將射頻信號和本振信號產(chǎn)生的+1階邊帶提取出來，分別輸入到90度的正交耦合器中，四個端口輸出四個具有相同正交相位的信號。每個端口進行獨立的光探測之后，選取其中兩個同相的輸出實現(xiàn)平衡探測，選取其中兩個相互正交的輸出實現(xiàn)正交混頻，如果兩個正交輸出在電域中進行了正交耦合，就可以達到鏡像抑制的目的。

圖9 可重構的微波光子混頻器結構圖Fig.9 Reconfigurable structure of microwave photonics mixer

3 大瞬時帶寬微波光子信道化接收變頻發(fā)展趨勢

微波光子技術可實現(xiàn)寬帶微波信號的信道化接收變頻，作為新型技術逐漸引起研究人員的關注。在寬帶微波信號信道化變頻中，結構簡單、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鍵。當前基于微波光子技術的寬帶微波信號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立濾波結合直接探測的方式實現(xiàn)。該方法需要窄帶高Q因子窄帶濾波器，實現(xiàn)性較差；單光梳結合濾波的信道化接收變頻主要是在單通道濾波的基礎上，引入本振光梳，并在光學正交耦合后相干探測接收。該類方法對光濾波器的穩(wěn)定性、光梳齒間隔都有較為嚴格的要求；采用雙光梳的信道化接收變頻，首先調(diào)制寬帶微波信號實現(xiàn)多波長復制，隨后通過特定方法使每根光梳對應一個信道，最后進行單獨濾波及變頻輸出。該類方法對高質(zhì)量的雙光梳信號具有嚴格的要求。基于光頻移和I/Q下變頻無需窄帶光濾波器和高穩(wěn)定相干光梳，變頻輸出信號的無雜散動態(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)復雜度。

根據(jù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀可知，基于光頻率梳與波分復用相結合的信道化方案是近幾年的研究熱點。可通過對參考激光源進行單音微波調(diào)制的方法來產(chǎn)生光頻率梳，將其作為信道化器的多波長光源，具有成本低、結構簡單的優(yōu)點。光頻率梳中相鄰光波長(頻率)分量之間的頻率間隔相等，可與光波分復用器相結合使用，在每個光波長上均實現(xiàn)一個微波頻率信道，從而可在各光路上實現(xiàn)多個并行的微波頻率信道，極大地降低了系統(tǒng)的體積和復雜度，且系統(tǒng)還具有可擴展性。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，動態(tài)范圍不高。

表1 不同微波光子信道化接收變頻方法對比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，面對大容量、多功能、多業(yè)務信號處理環(huán)境以及頻率覆蓋范圍的擴大，如何實現(xiàn)大帶寬、多制式射頻信號線性化、通用化的信道化接收變頻成為未來研究的重點之一。現(xiàn)有的微波光子信道化變頻技術無論在實現(xiàn)復雜度上，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)急需開展簡單靈活可配置，且能生成數(shù)十個子信道的寬帶微波光子信道化接收變頻方法，進一步滿足多頻段一體化射頻前端的需求。此外，隨著融合光子技術和電子技術的硅基光電子學的興起與發(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)實現(xiàn)提供了可能性，面向多頻段一體化射頻前端應用的寬帶、大動態(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發(fā)展的必然趨勢。

4 結束語

集成了微波寬覆蓋范圍與激光高速大容量低損耗優(yōu)勢的微波光子技術，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，在簡化射頻前端的系統(tǒng)架構的基礎上，有效提高衛(wèi)星載荷性能。目前國內(nèi)外微波光子信道化接收變頻主要基于光頻梳形式實現(xiàn)，需進一步研究無光濾波方式和光頻梳方式的、可生成數(shù)十個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的需求。并在此基礎上完成微波光子信道化接收變頻的集成設計與實現(xiàn) ，為構建片上多頻段一體化射頻前端提供可能。