微波超低相噪光电振荡器的实验研究∗

(中国电子科技集团公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

强杂波下检测低空慢速、小型、隐身目标是现代先进雷达必须面对的挑战。随着大型数字阵列雷达的信号合成效应、大动态接收机、高分辨A/D技术发展,雷达系统频率源相位噪声逐渐成为检测强杂波下慢、小、隐目标的性能瓶颈。对于大型数字阵列雷达,相位噪声甚至影响超远程探测距离。因此,进一步提升频率源的相位噪声性能显得非常重要和迫切。近年来,高性能晶体振荡器和原子钟的相位噪声性能得到一定提升,遗憾的是这些高性能基准源的工作频率相对较低,合成到微波频段会大幅恶化,目前发展的高频晶体振荡器也是以牺牲相位噪声为代价。随着微波和光学技术的迅速发展,形成了一门新交叉技术领域——微波光子学(Microwave Photonics),作为微波光子学的典范应用,微波光电振荡器(Opto-Electronic Oscillator,OEO)将是一种新颖的、有发展前途的高质量微波信号源,将是振荡器领域的革命性突破,对未来雷达技术的发展产生深远的影响。

1 工作原理

光电振荡器的基本原理是构建基于光电混合的时间鉴相反馈环路(即光与微波的复合谐振腔),当环路满足反馈幅度增益和相位起振条件时,将形成自激振荡[1-2]。与传统电子合成器相比,高性能光电振荡器相位噪声指标将提升两个数量级以上,目前高性能X波段电子合成器相位噪声约为-120 dBc/Hz@10 k Hz,而X波段光电振荡器的相位噪声将优于-140 dBc/Hz@10 k Hz,同时,光电振荡器还具有如下优点:低相噪性能与振荡频率无关,振荡频率高(频率范围可覆盖1～100 GHz),调谐范围宽、速度快,振动敏感性低(10-12/g)。因而,光电振荡器是一种不同于传统振荡器的新型振荡器,有学者称之为“终极振荡器”。光电振荡器原理框图如图1所示。

图1 微波光电振荡器原理框图

光电振荡器的相噪表达式[3]为

式中,f m为相对于振荡器振荡频率的频偏,τ为环路延迟时间,为振荡器的噪声信号功率比,ρN为从放大器输入端进入振荡器的噪声密度为放大器之前的振荡功率,POSC为振荡器的输出功率,GAmp为电放大器的总增益。

通常,2πf mτ≤1,简化式(1)可得

由式(1)和式(2)可知:系统相噪与光纤延时的二次方成近似反比关系,光纤延时与光纤长度成正比;因此,增加长光纤长度,可以有效降低系统相噪。

由于存在360°周期性,因此单回路微波光电振荡存在频率模糊性,其频率周期为

式中,t为光反馈回路时延。为获得高频谱纯度,实现对其他周期频率的抑制,采用双回路法对其他频率进行抑制,双回路频率选择性如图2所示[4]。

图2 双回路光电振荡器频率选择特性

从分析结果来看,环路中各部件的低噪声(特别是光电调制器噪声)、环路高增益和环路等效长时延是实现光电振荡器低相位噪声的有效技术路径。由于长时延将带来更小间隔的频率模糊度,因此环路中微波滤波器的选择特性是技术难点之一。

2 实验研究

国外对于微波光电子技术在军事上应用研究已开展近30年,相关概念和理论体系已基本建立。美国加州理工学院和NASA共管的喷气推进实验室(JPL)对高稳定宽带光电振荡器进行了深入研究,取得了一系列的成果,已获得50多项微波光电方面专利,研发的X波段光电振荡器频偏10 k Hz处的相位噪声可达-145 d Bc/Hz,价格极其昂贵,核心技术保密,加拿大、法国的研究机构也对光电振荡器开展了研究工作但尚未见实用化产品的报道。

国内在微波光电技术领域的研究起步相对较晚,十年不到,但成绩斐然,特别是低相噪频率源超远程传输和微波光电接收机,已实现工程化应用,而微波光电振荡器尚处于实验室研究阶段,近年我们加快了研究开发工作[5],期望为下一代高性能雷达提供高性能微波源,实验平台如图3所示。

图3 微波光电振荡器实验样机

主要技术创新点有:采用双长光纤延时回路和低噪声光电调制技术,实现低杂波和低相位噪声,并采用微波移相实现振荡频率控制,环路中内插光电放大器实现环路高信噪比,环路滤波器采用高选择性谐振腔带通滤波器,带宽为20 MHz。振荡频率设计在10 GHz,杂波抑制优于70 dBc,相位噪声优于-120 dBc/Hz@1 k Hz,-128 dBc/Hz@10 k Hz,如图4所示。

图4 微波光电振荡器实验研究结果

结果对比如表1所示。

表1 微波光电振荡器实验结果对比

对比情况来看,光电振荡器噪声基底,即远载频相位噪声较传统高性能电子频综器有极大的性能优势,而近载频相位噪声较传统高性能电子频综器的性能有待进一步提高,主要原因是光电器件的温度特性漂移较大。实验样机与美国OE-wave公司光电振荡器近载频相位噪声性能近似,而远载频相位噪声差距较大,说明两种振荡器在存储时间尺度上近似的,只是美国OEwave公司采用了光学微腔,可能光学微腔的损耗较光纤更小,从而环路等效噪声更低。

3 值得研究的若干问题

从实验研究结果来看,双回路微波光电振荡器具有优良的相位噪声特性和杂波性能,工作状态稳定,但样机尺寸较大,同时宽温存在慢速漂移现象,主要是长光路宽温下存在的物理变形。双回路微波光电振荡器存在多模糊工作频点,微波光电振荡器的频率控制也是未来技术难点[6]。

(1)光学微腔

微波光电振荡器采用频率-时间鉴相原理,长光纤延时容易受温度的影响,稳定性差,同时体积较大,难以集成。使激光束在可控、约束的光学微腔内(即光学回音壁模微腔)反复折射实现可控延时将是实现高性能微波光电振荡器的有效方法,目前,中国科技大学等单位已开展类似的工作。

(2)锁相频率控制

微波光电振荡器采用时间鉴相原理,应用于雷达系统,原理上存在频率精准控制、慢速漂移和相位同步问题,因此在光电振荡回路中可附加锁相反馈相位控制,与基准源实现锁相同步,可充分发挥微波光电振荡器远载频超低噪声特性和雷达基准源的频率精准度和宽温稳定性,应是微波光电振荡器应用于雷达的主要方案。

(3)光电器件宽温稳定性

光电器件,特别是激光发生器和光放大器,宽温稳定性是微波光电技术目前普遍问题,限制了微波光电技术应用与发展,是微波光电的基础技术,随着新材料、新工艺、新技术在激光发生器和温度控制方面的应用。

(4)超低相位噪声的测试

相位噪声测试仪器均存在相位噪声基底,即存在残留噪声,同时测量精度与测量积累时间相关联,目前,先进的相位噪声测试系统(如安捷仑E5052A+5052B)测试对象是传统频率合成器,而微波光电振荡器相位噪声较传统高性能频率合成器提升两个数量级以上,因此常规的测试方法和测试仪表已无法满足光电振荡器的测试,如何对超低相位噪声微波光电振荡器进行有效测量是一个值得研究的课题。

4 结束语

微波光电振荡器是频率源领域一次重要技术革命,其高频率、低相位噪声特性具有极大技术优势,目前我们已完成基于双回路原理样机的研制,杂波抑制达70 d B,但稳定性有待进一步提高,其中光学微腔是未来关键技术。每一次新材料新技术的诞生必将给相关应用领域带来新的技术革命,现代雷达的多项技术性能,如测速精度、测距精度、动目标改善因子、杂波能见度等,与频率合成器相位噪声直接相关,因此,基于微波光子学的超低相位噪声微波光电振荡器必将为未来高性能雷达、电子战系统提供一种全新的技术路径。光电振荡器属于国际前沿技术,又是一门交叉学科,其中很多关键技术尚待突破。作者从2007年介入微波光电技术研究,其中高性能微波光电接收机和低相位噪声微波源超远程光电传输已进入工程化应用,微波光电振荡器还处于实验研究阶段,期望实验研究及成果得到相关领域科技及管理人员的重视,推动我国微波光电技术的进一步发展。

[1]YAO Jianping.Microwave Photonics[J].Journal of Lightwave Technology,2009,27(3):314-335.

[2]SEEDS A J,WILLIAMS K J.Microwave Photonics[J].Journal of Lightwave Technology,2006,24(12):4628-4641.

[3]YAO X S,MALEKI L.Optoelectronic Oscillator for Photonic Systems[J].Journal of Quantum Electronics,1996,32(7):1141-1149.

[4]陈吉欣,惠洋,鄢勃,等.长光纤环高性能光电振荡器研究[J].光学学报,2013,33(1):95-99.

[5]方立军,柳勇,张焱,等.射频光电传输的实验研究[C]∥第十二界全国雷达学术年会论文集,武汉:中国电子学会无线电定位技术分会,2012:439-442.

[6]方立军,李佩,马骏,等.基于微波光电技术的未来数字阵列构想[J].雷达科学与技术,2013,11(6):583-586.FANG Li-jun,LI Pei,MA Jun,et al.An Idea for Future Digital Array Radar Based on Microwave Optoelectronics[J].Radar Science and Technology,2013,11(6):583-586.(in Chinese)