微波光子技术及其典型应用

上海交通大学电子信息与电气工程学院 林旭远

微波光子技术实现了微波技术和光子技术的优势互补，充分利用微波光子技术带来的体积小、重量轻、超宽带、抗干扰等技术优势，近年来已经取得了相当数量的技术成果。本文介绍了微波光子技术中可重构微波光子射频前端技术、微波信号产生技术、微波信号的高稳定性光传输技术、射频对消和同时收发技术等几种典型应用。随着光学器件、光信号传输处理等理论及技术的突破和发展，微波光子技术能够适应雷达、通信、电子战系统阵列化、网络化、综合化、智能化方向发展的趋势，能够构建性能更加优越的系统。

微波光子学是微波技术和光子技术相互融合的新兴交叉学科，主要研究光载微波信号的产生、传输、控制处理、接收以及相应的系统集成。把光子技术应用于微波系统中，利用光学系统特有的低损耗、大带宽、响应速度快、存储密度高等巨大优势，实现微波信号的无衰减传输、多路信道并行、抗电磁干扰等多种传输和处理；同时把各种微波技术应用于光学系统中，促进光通信网络和系统的发展。微波光子技术实现了两个领域的优势互补，能够用光子技术手段解决微波的技术瓶颈，不断促进雷达、通信、电子战等电子信息系统的性能提升、创新发展和体制演进。下面介绍微波光子技术的几种典型应用。

1 可重构微波光子射频前端技术

射频前端连接天线与收发机，处于电子信息系统的最前端，决定了整个系统收发性能的好坏。为满足雷达、通信、电子战系统的性能提升需求，射频前端需要向着频段更高、处理带宽更宽、调制样式更多、多种类型并行、收发多波束、信号处理更加复杂等方向发展。具有可调谐可重构优点的宽带微波光子射频前端为宽带收发技术发展提供了技术途径。

微波光子射频前端针对发送和接收的信号，工作原理同传统的电射频前端一样[1]，完成信号的放大、衰减、上下变频、滤波、延时等。不同之处在于，微波光子射频前端通过射频信号到光信号的转换，在光域实现信号的放大、滤波和变频等处理功能，优势是利用微波光子技术的超高频、大带宽特性，实现多频段、多样式、多类型信号的并行处理；同时还可通过光子技术产生可调谐的高频本振信号。

美国Vencore 实验室针对接收射频前端的研究，在2GHz～18GHz 频段范围内，利用外调制产生光梳多频本振，实现了将射频信号下变频至2GHz 中频频段。意大利国家光电实验室的研究人员同样在频率调谐范围为2GHz～18GHz内，利用锁模激光器产生光频梳本振，实现了宽带可调谐信号的上变频及下变频。清华大学实验室研究构造的接收射频前端，利用基于色散介质和光频梳的微波光子滤波器，实现了频率覆盖范围大于20GHz 的信号下变频接收，并且能够进行中频滤波。该实验室还提出了一种可调谐宽带光子射频前端方案，基于光电振荡器（OEO）进行设计，可调谐频率范围覆盖了X 波段到Ka 波段。可见，可重构微波光子射频前端利用微波光子宽带混频技术的优势，实现信号接收和发送的宽带可调谐上、下变频，能够适应系统快速可重构、多频段并行的发展需要。

2 微波信号产生技术

性能优良的微波信号可用作雷达、通信、电子战系统射频前端的本振信号、数字处理的时钟信号、分布式收发系统中的同步信号。微波光子技术及超短脉冲光纤激光器为高性能微波信号的产生提供了更多的途径[2]。

2.1 光电振荡器技术

高性能振荡器需要高储能腔，传统的介质（微波储能）和石英（声波储能）腔的频率范围最高适用于MHz～GHz；对于更高的载频，光储能（例如光纤的长距离、低损耗传输）的优势就表现出来。光电振荡器可以产生一个低相噪的振荡，关键是利用了光纤的长延迟特性。这里面存在的问题是由于光纤传输延迟的不稳定造成低频噪声恶化，导致相位噪声很大。光延时技术有助于光电振荡器实现高品质因数储能环路，使用该技术的光电振荡器能直接产生超低相位噪声的高频信号，在频率10GHz、频偏10kHz处，产生的相位噪声低于-150dBc/Hz，应用于高性能接收机能显著提升设备接收性能。实际应用中，在高低温差大、振动颠簸等恶劣环境中使用数公里的光纤环路，还存在不小的问题，如何不采用长光纤也能提升谐振腔Q值，是研究人员进一步探索尝试的新途径。

2.2 基于飞秒激光器的微波频率合成

基于飞秒激光器、尤其是超短脉冲光纤激光器的高纯度微波生成方案，近年来也开始引起研究单位的重点关注。飞秒激光器的输出，在时域上表现为重复频率在百MHz 量级、脉冲持续时间从几十飞秒到几百飞秒的高稳定、高相干性窄脉冲序列。利用飞秒激光器产生微波振荡的出发点很直接：光电探测器将飞秒激光器输出的周期性窄时宽光脉冲转化为周期性电脉冲，其频谱（傅里叶变换）将包含间隔为周期倒数的众多简谐振荡；一般情况下飞秒脉冲的带宽远远超过光电探测器的带宽，所以输出微波振荡的带宽仅受限于探测器的带宽。

在相位噪声性能上，飞秒激光器所生成的微波振荡也毫不逊色于已被广泛认可的OEO，在理论上甚至优于后者。如图1 所示表示了传统电子或光子倍频技术、微波振荡直接产生技术（包括OEO、DRO 等）、以及基于飞秒激光器的分频产生技术在相位噪声性能方面的对比。从倍频产生到直接产生、再到分频产生，微波振荡将具有越来越低的理论相位噪声极限。

图1 相位噪声趋势对比图Fig.1 Comparative analysis of phase noise

2.3 光任意波形产生技术

脉冲激光器就是一个频率梳，利用脉冲激光器作为光源，首先用光解复用器将它的梳齿分开，其次对每个梳齿分别进行相位调制或幅度调制，不同的梳齿经历了不同的光学路径，最后用光复用器合成，通过相位锁定最终实现相干合成，就可以产生一个任意波形的超宽带信号。

3 微波信号的高稳定性光传输技术

在分布式系统中，微波光子远距离高稳相传输技术已经得到了广泛应用，不同节点射频微波信号的相位同步技术是其中的关键。目前的射频信号光纤稳相传输技术主要包括基于锁相环的主动式延时抖动补偿方法、基于混频的被动式相位抖动消除方法等两大类，核心思想是通过补偿或消除光纤延时抖动来实现。

3.1 基于锁相环的稳相传输

基于锁相环的主动式稳相传输技术，实现基本原理如图2 所示[3]，其中的关键设计思想为提取传输链路发送和接收信号的相位抖动信息，把相位抖动作为控制电路或者光路时延的反馈信号，实现射频信号在微波光子射频传输系统中的相位抖动补偿。

图2 主动式微波光子射频链路稳相传输系统示意图Fig.2 Active microwave photonic RF link transmission system with stable phase

德国联邦物理技术研究院利用压控振荡器（VCO）进行反馈控制，实现了146km 的长距离稳相射频信号传输，1s 频率稳定度为3×10-15，30000s 频率稳定度为1×10-19。北京大学研究的反馈控制电相移器对100MHz 信号实现了100km 稳相传输，1s 频率稳定度为3×10-14，4000s 频率稳定度为3×10-17。北京邮电大学的研究团队针对光路时延抖动补偿采用了激光器波长的反馈控制，对2.5GHz射频信号实现了45km 稳相传输。光可调延时线、VCO、电相移器等补偿器件的自身特性限制了主动式延时抖动补偿方法的性能，在调谐范围和响应速度等方面仍有不足。

3.2 基于混频的相位抖动消除稳相传输

我们以如图3 所示的方案为例[4]，简要阐述利用混频相消的原理进行链路的被动式时延抖动补偿方法：首先在本地端，将射频信号cos(ω0t)分成两路，然后经微波光子射频链路传输至远端，假设由于链路传输引起的相位变化为θ，那么在远端的射频信号就变为cos[(0.5ω0(t-θ)]。在远端，将该信号分成两路，一路回传至本地端变为cos[(0.5ω0(t-2θ)]，与发送的射频信号cos(ω0t)进行混频，得到第二路的发送信号cos[(0.5ω0(t+2θ)]，另外一路与该混频信号在远端混频，得到消除了相位变化项θ的最终信号cos(ω0t)，补偿了光纤链路的相位抖动。

图3 被动式微波光子射频链路稳相传输原理图Fig.3 Passive microwave photonic RF link transmission system with stable phase

该方法结构简单、补偿速度快，理论上具有无限的补偿范围。澳大利亚麦考瑞大学的研究人员实现了100km链路中的混频相消，1 万秒频率稳定度为1×10-17。北京邮电大学的研究团队设计的三级混频链路，实现了2.8GHz 射频信号的10km 稳相传输，获得的相位抖动小于0.25rad，经过优化后，只需要本地端一级混频，实现了2.42GHz 射频信号的30km 稳相传输，均方根相位抖动小于0.026rad。在多点稳相传输系统中，上海交通大学、中国计量科学研究院-清华大学等研究人员同样采用了混频相消的时延抖动补偿方法。

4 射频对消和同时收发技术

在电子战系统中，对目标进行干扰的同时需对干扰效果进行检测和评估，涉及到同频率信号的同时收发问题。同时，雷达、通信、电子战系统的一体化发展面临频谱覆盖范围更宽、电磁环境更复杂等场景，对射频系统提出了如大带宽、高灵敏度、大动态范围等更优越的指标要求，从而解决收发隔离问题变得更为迫切。

光子射频干扰对消技术与传统的电学对消技术相比，具有工作带宽大、调节精度高等特性，在实现宽频段、大带宽、高干扰抑制度方面极具性能优势和应用潜力[5]。在基于同时同频全双工技术的系统上，光子射频干扰对消技术与微波光子变频、微波光纤传输等技术相结合，具有广泛应用前景。

在光子射频干扰消除方面，研究人员分别提出了基于光学分路生成多路参考信号、采用单模至多模耦合器进行合路的光子射频多路干扰消除方案，基于色散效应的光学多径射频干扰消除方案，基于波分复用的多路径干扰消除方案和利用光纤布拉格光栅调节延时的多路径自干扰消除方案等多种技术方案。

5 结语

在雷达、通信以及电子战等系统，充分利用微波光子技术带来的体积小、重量轻、超宽带、抗干扰等技术优势，适当代替原来的电学分系统，近年来已经取得了相当数量的技术成果。随着光器件、光处理、光子集成等理论与技术方面的发展，适应系统阵列化、网络化、综合化、智能化方向发展的趋势，微波光子技术将为雷达、通信、电子战系统提供更加完整的解决方案，构建性能更加优越的系统。

引用

[1] 邹喜华,李沛轩,刘丰玮.智能微波光子射频前端与链路[J].中兴通讯技术,2020,26(2):20-27.

[2] 何刚,瞿鹏飞,孙力军.微波光子技术应用现状及趋势[J].半导体光电,2017,38(5):627-632.

[3] SLIWCZYNSKI L,KREHLIK P,BUCZEK L,et al.Active Propagation Delay Stabilization for Fiber-Optic Frequency Distribution Using ControlledElectronic Delay Lines[J].IEEE Transactionson Instrumentation andMeasurement,2011,60(4):1480-1488.

[4] 姜瑶,邹喜华,严相雷,等.基于被动补偿的点到多点微波信号光纤稳相传输[J].光学学报,2019,39(9):86-92.

[5] 韩秀友,苏鑫鑫,付双林,等.光子射频干扰对消技术研究进展[J].空间电子技术,2020(4):27-38.