面向卫星载荷的大瞬时带宽微波光子信道化接收变频技术研究进展①

李小军，蒋 炜，和新阳，龚静文，张 武

(中国空间技术研究院西安分院，空间微波技术重点实验室，西安 710100)

0 引言

卫星通信频段的扩展和通信业务需求的不断提高，要求卫星通信载荷上不同种类、不同用途电子设备以及多种通信手段有机结合，构成多频段一体化通信载荷，以取得强大的信息获取及处理能力，这就需要克服当前电子技术及传统链路传输处理信号带宽的瓶颈，实现宽带、多频段射频信号的高性能接收、传输与处理。

卫星通信系统中，作为核心部分的射频前端，其结构和性能直接影响整个卫星通信系统。目前主要采用传统的微波技术进行微波信号信道化接收变频及传输。受电子技术瓶颈限制，传统基于电子技术的信道化接收动态范围有限，且接收处理带宽在吉赫兹(GHz)量级，在更大动态范围、更高带宽接收处理上存在技术瓶颈。此外，传统电子变频技术使用以二极管和三级管为核心的微波混频器来实现。受电子技术瓶颈限制，电子变频带宽较窄，且在处理多频段微波信号时容易出现频段间串扰、非线性失真等现象。这无疑会大大降低变频动态范围及变频效率，使得宽带大动态变频能力严重受限。

图1 当前卫星射频前端结构示意图Fig.1 Structure diagram of current satellite RF front end

基于微波光子的大瞬时带宽微波信号信道化接收变频是微波技术和光学技术相结合的一种新型技术，可实现微波和光波之间的转换，并在光域实现宽带信号的信道化接收及变频。该技术既可以满足新型宽带通信卫星在大系统容量、多业务类型和广域覆盖等方面的需求，又降低了系统复杂度和工程实现难度，且在体积、重量、功耗等方面都具有无与伦比的优势。通过基于微波光子的大瞬时带宽微波信号信道化接收变频一方面可以替代传统电学滤波器组及微波混频器，另一方面还可以简化射频前端的系统架构、降低天线的体积、重量、功耗等重要参数，进一步满足多频段一体化通信需求。

图2 多频段一体化射频前端结构示意图Fig.2 Structure diagram of multi-band integrated RF front end

1 微波光子信道化接收变频基本结构

微波光子信道化接收变频是通过光学手段在频域上对接收到的宽带射频信号进行窄带划分，而后将经处理划分后的窄带信号在光域与本振信号进行混频，最后经相应的光电转换后得到多个窄带中频信号，具有大带宽、低损耗、无电磁干扰、体积小与重量轻等优势，可有效解决传统电信道化接收变频结构复杂、信道化带宽受限及变频输出动态范围小的问题。微波光子信道化接收变频基本结构如下图所示，主要由光源、电光转换、光域通道划分、微波光子变频与光电转换等部分。其中光源用于生成作为调制载体的光载波或光频梳，电光转换是将宽带射频信号调制到光载波/光频梳上实现电信号到光信号的转换，光域通道划分是用光滤波器来实现宽带信号的信道划分，微波光子变频是将信道划分后的信号变频至同中频，光电转换是将处理后的光信号恢复为电信号。实际系统中，不同的微波光子信道化接收机根据功能的不同，可能会有不同的结构，各部分关系也可能会有所变化。

图3 微波光子信道化接收变频示意图Fig.3 Schematic diagram of microwave photonics channelized reception and frequency conversion

2 微波光子信道化接收变频技术的发展现状

微波光子信道化接收变频主要包括宽带射频信号信道化接收及同中频变频、宽带射频信号信道化接收及不同中频变频两种方式，均以单光梳或双光梳的技术实现。此外，当接收的宽带射频信号带宽很大，而划分的子信道带宽较窄时，还需要大频率间隔的光频移参与到信道化接收变频中。

2.1 宽带射频信号信道化接收及同中频变频

2001年，美国TRW公司提出了基于单光梳和衍射光栅的微波光子信道化接收及同中频变频方案，这也是世界上第一个公开报道的信道化同中频方法。该方案中光频率梳的种子光由信号光载波提供，因此与信号光载波具有高度相干性，满足相干检测的要求。试验表明各个信道具有等中频(中心频率均为5GHz)输出，信道瞬时带宽100GHz，子信道带宽为1GHz，无杂散动态范围为101dB Hz2/3。

2014年，东南大学提出了一种基于双光梳的微波光子信道化及同中频变频接收机。其设计重点就是采用自由谱(FSR)不同的两套光频梳分别作为光载波和光本振，使得各个信道的输出等带宽、等中频的微波信道，降低了后续电路的复杂度。该方法实现了9.74 9.86GHz和9.86 9.98GHz波段的信号分别下转换到两个带宽为120MHz的中频信道。

图4 基于光频率梳和衍射光栅的微波光子信道化接收及同中频变频Fig.4 Microwave photonics channelized reception and frequency conversion based on optical comb and diffraction grating

图5 同中频微波光子信道化接收机Fig.5 Microwave photonics channelized receiver with the same intermediate frequency

2019年，空间微波技术重点实验室面向多频段卫星射频前端提出了一种基于光频移的宽带多路信道化系统及实现方法。该方案利用电光调制器之间的干涉作用及光频移特性，完成宽带微波信号的多信道划分及高抑制比同中频变频。该方法可实现3GHz带宽高频微波信号的信道划分，得到六路同中频信号，其无杂散动态范围(SFDR)为101 dB·Hz2/3, 带内平坦度优于0.5 dB。

2.2 宽带射频信号信道化接收及不同中频变频

2001年，美国海军实验室的研究人员设计了基于通道滤波方式的宽带信道化接收机，方案中8-18GHz的宽带信号通过一个电光相位调制器同时加载到复用的四路不同波长的光载波上，同时这四路光载波经四个相位调制器加载不同的本振信号，复用后的四路光载射频信号在光滤波器的作用下选出一个独立的边带，再将四路射频信号进行解复用，并分别与相应的光载本振信号合路，最后利用光电探测器恢复出中频信号。2010年，美国贝尔实验室首次给出了基于CMOS光带通滤波器的信道化接收及下变频方案。该方法可实现调谐频率在20GHz范围内的微波光子信道化变频，并通过调节光带通滤波器的中心频率及本振电信号的输入频率，实现不同中频信号的输出，该信道化接收变频的动态范围为100dB Hz2/3。

图6 基于光频移的宽带多路信道化及同中频变频Fig.6 Broadband multi-channelization and frequency conversion with the same intermediate frequency based on optical frequency shifting

图7 基于CMOS光带通滤波器的信道化接收变频Fig.7 Microwave photonics channelized reception and frequency conversion based on CMOS optical band-pass filter

在单光梳结合滤波实现的信道化接收及变频方向上，2012年，美国普渡大学基于单光梳结合色散补偿光纤，实现了微波光子信道化接收及下变频,其频率覆盖范围为200GHz，瞬时带宽为5GHz。2013年，中科院半导体提出了基于偏振复用的微波光子信道化变频方法。同年清华大学该采用硅基集成的级联光延迟干涉仪实现均匀通道滤波和信道化，该方法在单通道滤波的基础上，引入本振光梳，光学正交耦合后相干探测，进而实现宽带信号的信道划分接收。2014年，北京邮电大学提出了一种基于双光频疏的多频段信号产生及变频。光频梳为整个系统提供了多个本振源，在此基础上，C波段的6.1 GHz信号可以被同时转化到4.1 GHz(C波段)，3.9 GHz(C波段)和11.9 GHz(X波段)。由于在MZM和光纤中的非线性效应可以忽略，光不同频率的本振信号和中频信号之间不相关，因此可以确保信道之间的高隔离度。2015年，清华大学基于结合光频梳的可调滤波器实现宽带微波光子射频前端。在该方案中，通过附加的相位补偿及延时控制提高系统频率可调性，同时实现宽带射频输入信号拍频干扰的抑制。此外，清华大学还完成了20GHz带宽宽带射频接收前端的试验验证，试验结果表明其通带信号的中心频率连续可调。2017年，北京邮电大学提出了一种基于单光梳和光延迟线的微波光子信道化变频方法，具体结构如下图所示。在本方案中，锁模激光器产生光频梳经光滤波进行整形后，经色散补偿光纤后生成线性调频信号，该线性调频信号分为两路，一路经光调制器产生光载波抑制的频梳信号作为多载频信号，另一路经多根可调光延迟线作为多本振信号输出，所生成的多载频信号与多本振信号经同相/正交(I/Q)解调后输出中频信号。

图8 基于单光梳和光延迟线的信道化接收变频原理框图Fig.8 The diagram of Microwave photonics channelized reception and frequency conversion based on single optical comb and optical delay line

近年来，大部分对混频器研究的主要关注点在于实现变频，或者实现混频后的信号能够克服长距离光纤传输过程中的功率衰减问题。但是对于混频过程中的镜像干扰问题，国内外的研究都很有限。2016年，西安电子科技大学提出了一种基于双偏振BPSK(DP-BPSK)的混频器方案。主要创新点在于，这种方案可以同时实现高变频增益和抑制镜像干扰，镜像抑制比能够达到55 dB以上。在此之前，南京航空航天大学提出了一种可重构的混频器，下图给出了可重构的微波光子混频器结构图。将射频信号和本振信号产生的+1阶边带提取出来，分别输入到90度的正交耦合器中，四个端口输出四个具有相同正交相位的信号。每个端口进行独立的光探测之后，选取其中两个同相的输出实现平衡探测，选取其中两个相互正交的输出实现正交混频，如果两个正交输出在电域中进行了正交耦合，就可以达到镜像抑制的目的。

图9 可重构的微波光子混频器结构图Fig.9 Reconfigurable structure of microwave photonics mixer

3 大瞬时带宽微波光子信道化接收变频发展趋势

微波光子技术可实现宽带微波信号的信道化接收变频，作为新型技术逐渐引起研究人员的关注。在宽带微波信号信道化变频中，结构简单、工作频段透明、工作带宽大、线性度高成为满足宽带一体化射频前端需求的关键。当前基于微波光子技术的宽带微波信号信道化变频方法主要包括多通道滤波信道化接收变频、单光梳结合滤波的信道化接收变频、基于双光梳的信道化接收变频、基于光频移和I/Q下变频四种。其中多通道滤波信道化接收变频主要采用通道独立滤波结合直接探测的方式实现。该方法需要窄带高Q因子窄带滤波器，实现性较差；单光梳结合滤波的信道化接收变频主要是在单通道滤波的基础上，引入本振光梳，并在光学正交耦合后相干探测接收。该类方法对光滤波器的稳定性、光梳齿间隔都有较为严格的要求；采用双光梳的信道化接收变频，首先调制宽带微波信号实现多波长复制，随后通过特定方法使每根光梳对应一个信道，最后进行单独滤波及变频输出。该类方法对高质量的双光梳信号具有严格的要求。基于光频移和I/Q下变频无需窄带光滤波器和高稳定相干光梳，变频输出信号的无杂散动态范围、镜像抑制比良好，但随着变频输出通道数目的增加，将无可避免的增加光频移模块和I/Q下变频，大大增加了系统复杂度。

根据国内外发展现状可知，基于光频率梳与波分复用相结合的信道化方案是近几年的研究热点。可通过对参考激光源进行单音微波调制的方法来产生光频率梳，将其作为信道化器的多波长光源，具有成本低、结构简单的优点。光频率梳中相邻光波长(频率)分量之间的频率间隔相等，可与光波分复用器相结合使用，在每个光波长上均实现一个微波频率信道，从而可在各光路上实现多个并行的微波频率信道，极大地降低了系统的体积和复杂度，且系统还具有可扩展性。但是在采用滤波器的微波光子信道化变频方案中，信道带宽在500MHZ～2GHz之间，频率分辨率较差；另外，由于现有光滤波器的形状因子较差，相邻信道交叠较多，动态范围不高。

表1 不同微波光子信道化接收变频方法对比Table 1 Comparison of microwave photonic channelized reception and frequency conversion based on different technologies

综上所述，随着多频段一体化射频前端的发展，面对大容量、多功能、多业务信号处理环境以及频率覆盖范围的扩大，如何实现大带宽、多制式射频信号线性化、通用化的信道化接收变频成为未来研究的重点之一。现有的微波光子信道化变频技术无论在实现复杂度上，还是在信道化数目及线性度上，都存在一定的局限性。后续急需开展简单灵活可配置，且能生成数十个子信道的宽带微波光子信道化接收变频方法，进一步满足多频段一体化射频前端的需求。此外，随着融合光子技术和电子技术的硅基光电子学的兴起与发展，微波光子信道化接收变频的硅基集成为多频段一体化射频前端的小型化甚至片上系统实现提供了可能性，面向多频段一体化射频前端应用的宽带、大动态范围、配置灵活的多功能小型化微波光子信道化接收变频将成为未来发展的必然趋势。

4 结束语

集成了微波宽覆盖范围与激光高速大容量低损耗优势的微波光子技术，可有效解决现有卫星通信宽带、高线性、大覆盖范围与有效载荷承载能力有限性、体积重量功耗有限性之间的矛盾。随着多频段一体化射频前端发展需求，将微波光子技术引入卫星通信射频前端可有效突破电域信道化接收变频带宽限制，在简化射频前端的系统架构的基础上，有效提高卫星载荷性能。目前国内外微波光子信道化接收变频主要基于光频梳形式实现，需进一步研究无光滤波方式和光频梳方式的、可生成数十个子信道的微波光子信道化变频方法，以满足多频段一体化射频前端不断增长的需求。并在此基础上完成微波光子信道化接收变频的集成设计与实现 ，为构建片上多频段一体化射频前端提供可能。