基于微波光子技術的一體化射頻前端

周建偉，李建強，呂　強，張君毅，戴一堂，尹飛飛，徐　坤

(1.北京郵電大學 信息光子學與光通信國家重點實驗室，北京100876；2.北京郵電大學 電子工程學院，北京100876；3.中國電子科技集團公司 航天信息應用技術重點實驗室，河北 石家莊 050081；4.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

?

基于微波光子技術的一體化射頻前端

周建偉1，李建強1，呂強3,4，張君毅2，戴一堂1，尹飛飛1，徐坤1

(1.北京郵電大學 信息光子學與光通信國家重點實驗室，北京100876；2.北京郵電大學 電子工程學院，北京100876；3.中國電子科技集團公司 航天信息應用技術重點實驗室，河北 石家莊 050081；4.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對傳統射頻前端技術中電子器件在頻率、帶寬方面受限的問題，研究了基于微波光子技術的射頻前端。介紹了微波光子技術在寬帶、低損和靈活等方面的優勢，分析了光學輔助本振產生、多頻變換以及微波光子交叉連接等技術，提出了一種基于微波光子技術的一體化射頻前端。這種新型的前端架構具有高頻寬帶、靈活可重構的特點，適應不同的射頻體制，并且能夠有效降低系統的體積、重量和功耗。

射頻前端；一體化；微波光子學；變頻；交叉連接

0　引言

在航空、軍事領域，電子系統正在變得越來越綜合化，諸如雷達、通信、控制等2種或以上的電子系統將會裝備在一個獨立平臺上[1]。簡單疊加會造成各個設備之間互干擾，而且系統分立使得天線、接收機和信號處理機無法共用，能量消耗和結構復雜度等大大增加，從而降低整個系統的性能。

因此，出現了借助軟件無線電技術的綜合射頻系統，共用射頻物理通道以及數字處理單元，通過軟件編程在一套設備上實現系統功能的可重配置[2]。并且希望在增加功能的同時，降低設備的體積、重量和功耗，提高設備資源的利用率[3]。為了應對多種復雜功能，既要增加通信帶寬，又要實現大動態、高鏡頻抑制的變頻與射頻交換，保證靈活、通用、可配置和可重構等性能，這就對射頻前端的性能提出了很高的要求。本文綜合國內外微波光子技術最新研究成果，借鑒軟件定義和射頻功能一體化的思想，提出了一種新穎的微波光子一體化射頻前端的架構。

1　一體化射頻前端與微波光子技術

1.1傳統微波射頻前端面臨的挑戰

傳統的射頻前端使用電子器件在處理高頻、寬帶信號方面的能力明顯不足，對頻率響應和電磁兼容等帶來巨大挑戰；也解決不了多通道、多頻段、多功能的需求所帶來的電子器件的數量增多，體積、重量、功耗均增加的問題。如何才能解決傳統微波技術在高頻、寬帶等方面的問題，提供高性能的一體化射頻前端，微波光子技術為解決這個問題提供了一個新的思路。

1.2微波光子技術

微波光子學是一門涉及微波與光子學的新興交叉學科，主要研究微波與光波之間的相互作用機理[4]。微波光子技術充分利用光子學寬帶、高速、低功耗、抗電磁干擾、頻率響應平坦和并行處理能力強等優點來實現寬帶微波信號的產生、傳輸、處理和控制[5]。

融合了光子技術和微波技術優勢的微波光子技術已經成為了國內外的研究熱點。光波作為信息載體，具有極高的時間—空間帶寬積、高度的并行性和抗干擾性，在信息高速傳送和處理時具有功率損耗低和干擾小等優點。利用微波光子技術可以同時產生多個低噪聲的微波源，實現高頻段、低損耗的頻率變換，大容量、寬帶信道交換等[6]。以此為基礎的射頻前端可以實現單純微波技術和光子技術難以完成甚至無法完成的信息接收與處理，突破電域處理的“瓶頸效應”。

1.3微波光子技術實現本振產生

本振源是電子系統必不可少的模塊，為系統中的各種發射機、接收機、參考源和微處理器提供頻率參考。傳統的本振源如晶體振蕩器和介質諧振腔振蕩器等只能提供低頻本振，更高的頻率需利用倍頻手段，而倍頻過程會使相位噪聲翻倍、體積笨重，信號衰減也很大[7]。

微波光子技術一方面相對純電子技術可以產生更低噪聲的微波源。例如，OEwave公司的光電振蕩器(OEO)可實現10 GHz載頻-170 dBc/Hz @ 10 MHz的超低相位噪聲[8]。另一方面，利用光頻梳等技術可以以單一結構產生多個頻率的射頻本振，具有集中控制、高效率的優點[9]。因此可以利用一套設備產生多個通道、多個頻率的光載本振，輔助實現多通道、多頻段的微波光子變頻，滿足一體化設備的發展需要。

1.4微波光子技術實現多頻變換

傳統的微波混頻器難以處理高頻段射頻信號的變頻要求，在處理多頻段射頻時容易出現頻段間串擾、鏡頻干擾和本振泄露等問題。為避免鏡頻干擾，通常使用多次變頻，但多次變頻會嚴重降低系統的動態范圍和變頻效率[10]，同時需要大量的本振源和混頻器等射頻器件，會大幅增加系統的成本、復雜性、體積、重量、功耗和電磁干擾等。

而微波光子技術利用電光調制器將微波信號與本振信號在光域內進行混頻，只需一次變頻即可獲得中頻信號。電光調制具有超過40 GHz的帶寬，可支持L～Ka內7個頻段的頻率變換，且光域變頻由于載頻極高，無需多級變頻來避免鏡頻干擾[11]。電光混頻將射頻與本振之間的連接用光路隔開，從而無本振泄露，提供極高的隔離度。另外，微波光子變頻可與光波分復用(WDM)兼容，從而易實現多頻段[12]、多信道同時并行變頻[13]。

1.5微波光子技術實現交叉連接

傳統的技術中機械開關體積龐大、笨重，并且切換速率慢；半導體開關在插損、直流功耗、隔離度、功率處理能力以及交叉調制方面表現不足[14]。而一體化設備需要同時處理多天線、多波束的信號，電子開關明顯出現帶寬不足的現象，另外，電子開關的電磁兼容問題也不可避免。

微波光子技術將射頻調制到光波上構成光載射頻信號，利用光學開關根據波長實現對光載射頻信號的靈活路由和快速切換。光開關相比電子開關具有THz級的無可比擬的寬帶優勢和平坦的頻率響應特點，可提供極高的交換容量。同時在光上實現射頻的切換提供可達-70 dB的極低通道間串擾。與電交換矩陣相比，光學交換矩陣能夠提供更高的射頻隔離度，且體積小、功耗小、重量輕。

2　微波光子一體化射頻前端的設計

2.1微波光子一體化射頻前端的總體架構

基于微波光子本振產生、多頻變換和交叉連接等相關技術，本文提出了一種新型的微波光子一體化射頻前端架構。該前端能夠實現本振、通道資源的共享，具有對任意波束、任意頻段、任意帶寬射頻信號的變頻與路由的能力，一套設備應對不同的功能需求，方便集成，適合星載、艦載等體積、重量、功耗受限的情景。

一體化射頻前端總體結構如圖1所示。微波光子一體化射頻前端包括射頻通道、多通道光載本振、微波光子變頻模塊、微波光子交換網絡以及中頻通道等部分。該前端同時支持多個通道的射頻信號的變頻與交換處理，輸入為射頻信號，輸出為中頻信號(下面以接收通路為例介紹射頻前端)。射頻通道連接天線單元，輸入輸出多路多頻信號；多通道光載本振部分能夠產生多通道的光載本振信號，每個通道均能覆蓋多個頻段的本振。射頻信號經過光調制與光載本振在微波光子變頻模塊進行拍頻實現低損傷下變頻。微波光子網絡利用光學交換矩陣對變頻后的光載信號實現寬帶、大容量、可重構的信號交換。中頻通道利用光電轉換成統一微波中頻，連接交換網絡與后端的數字處理單元。

圖1　一體化射頻前端總體結構

2.2關鍵技術分析及設計

2.2.1微波光子多通道本振的設計

陣列波導光柵(AWG)基于不同波長的光相互間線性干涉的基本光學原理，同一光纖攜帶多個通道不同波長的光信號，對信號具有透明性。既可以將多個通道的光復合入單一光纖中，也可以將不同的光重新分離出來。

一種采用cyclic AWG(循環移位陣列波導光柵)分配本振實現共享的設計方案如圖2所示。

圖2　微波光子多通道本振

M×N個激光源經過M個波分復用器形成M個光載復用信號(每一路光載信號均由N路光信號復用得到)。每一路復用信號使用電光調制器(EOM)調制一種射頻本振，使得每一路復用信號均載有相同的本振。cyclic AWG具有循環移位的功能，即每個輸出端口的信號來自不同的輸入端口，也就實現了每個輸入端口相同的光載本振分配至不同的輸出端口。如此一來，每個輸出光載本振信號是M個頻段本振的復用，也就支持實現同一通道對M個不同頻段的射頻信號進行混頻的需要，達到本振共享、通道共享的目的。

2.2.2微波光子變頻模塊的設計

利用微波光子寬帶的特點，設計支持多通道、多頻段的混頻，能夠克服傳統的微波混頻方式不同的頻段間無法共用變頻器件的問題，使得一套變頻設備可以不支持多個頻段的變頻。一種多通道下變頻的微波光子變頻結構如圖3所示，射頻信號經過調制器調制到光載波上與多通道光載本振耦合，進行拍頻，最終經過光電探測器(PD)輸出中頻電信號。輸入的光載本振信號為多個通道多個頻段，即可支持多個通道不同頻段射頻輸入信號的變頻。

圖3　微波光子變頻模塊

電光調制器可以選用Mach-Zehnder調制器(MZM)和相位調制器(PM)等，使用不同的級聯結構和光學器件，光學混頻的各項性能指標諸如相位噪聲、隔離度和穩定性等方面存在差異。具體設計中應綜合考慮器件指標、環境影響與使用場景做出選擇。

2.2.3微波光子交換網絡的設計

構建一個大型的光開關陣列需要考慮的因素包括：需要子開關模塊的數量(直接影響成本)、損耗一致性(指光從輸入口經不同路徑到達輸出口其損耗相當)、光路交叉點數量以及阻塞特性。

一種方案是采用當前最為成熟的MEMS光開關設計具有可重構功能的光子射頻交換模塊，MEMS光開關具有快速(毫秒級)、工藝成熟和大規模矩陣等優勢。采用光學MEMS開關和光分路器設計具有可擴展的多端口輸入輸出的交換矩陣，如圖4所示，交換矩陣由1∶N分路器和N×1光學MEMS開關陣列連接組成，通過任一分路器與任一MEMS開關連接，可以實現任一輸入端口與輸出端口相連通。光開關在信號隔離度、帶寬上具有極大的優勢，等效RF隔離度將達到約100 dB，且在工作頻率范圍內的一致性非常好。

另外，Polatis的壓電直連光切換技術(Piezoelectric Directlight Beam-Steering)[15]制作的矩陣光開關也有很大優勢。由于采用壓電陶瓷控制技術，比機械控制的光開關穩定度高，光直連切換使得輸入輸出損耗很小(約1 dB)，能夠支持4×4～1 024×1 024的光交換。

圖4　基于光學MEMS技術的微波光子交換網絡

2.3微波光子一體化射頻前端的優勢

基于微波光子技術的一體化射頻前端的具有如下優勢：

① 寬帶大容量。光信號具有超過50 THz的寬帶，采用微波光子的變頻和交換技術，核心交換單元在光上實現，能夠充分發揮光學輔助手段的寬帶優點，使得射頻前端具備很大的信號帶寬。

② 支持通道資源共享。微波光子技術引入波長這一自由度，基于波分復用技術產生共享本振，可以方便地實現多通道、多頻段變頻。本振共享、多頻段同時變頻，大大提高了資源的利用率，降低了一體化射頻前端的體積和功耗等。

③ 動態可重構。微波光子頻率變換技術具有多頻段的變頻能力，光學交換矩陣也能夠根據指令實時配置波長路由選擇開關的交換規則與信號帶寬，再配合強大的后續數字處理便可實現功能的重構。滿足多功能、多頻段的前端信號處理需求，實現電子系統的一體化。

④ 兼容帶通采樣。一體化射頻前端支持多通道、多頻段的射頻信號變頻，不需要對每個通道均配置數字處理器，通過動態可重構的射頻交換共用數字處理單元。如此便可兼容帶通采樣技術，以低性能的ADC處理寬帶、高速的射頻信號，使輕量的一體化設備也具備處理復雜信息的能力。

3　結束語

面對通信、電子戰給射頻前端帶來的巨大壓力，微波技術精細、靈活和光子技術寬帶、低損的優勢相結合，使得實現多波束、多頻段(尤其是高頻)、多端口的一體化射頻前端成為可能。微波光子一體化射頻前端能夠解決射頻前端在信號寬帶和隔離度等方面的問題。基于波分復用技術共享射頻通道，實現寬帶大容量、多頻段射頻信號的低損傷變頻與高隔離度、大寬帶射頻交換，并且大大降低尺寸和功耗。

但是另一方面，整個研究尚處于實驗室階段，無法直接產業化。光鏈路對時延和抖動敏感，需要嚴格的相位與非線性的補償，普遍使用的商用光子、微波器件集成化還比較低，沒有體積小、易集成的光頻梳等器件。

展望未來，隨著光子集成技術與微波光子學的不斷發展，科研人員能夠最終解決以上難題，構建出高性能的射頻前端，支撐雷達、衛星和電子戰等系統的一體化建設。

[1]孫紹國,盛景泰.艦載雷達與電子戰一體化的現狀及發展[J].電訊技術,2005(6):1-5.

[2]王曉海.軟件無線電技術在衛星系統中的應用[J].現代電信科技,2006(10):25-32.

[3]袁興鵬,陳正寧.基于軟件無線電的雷達電子戰系統設計研究[J].電子設計工程,2013,21(11):101-104.

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

[5]CAPMANY J,NOVAK D.Microwave Photonics Combines Two Worlds[J].Nature Photonics,2007,1(6):319-330.

[6]楊心武.基于微波光子技術的綜合射頻系統及其應用研究[D].北京:北京郵電大學,2014:4-10.

[7]MALLETTE L A.Atomic and Quartz Clock Hardware for Communication and Navigation Satellites[C]∥Proceeding of the 39th Annual Precise Time and Time Interval Meeting,Long Beach,CA ,2007:45-58.

[8]LIANG W,ELIYAHU D,ILCHENKO V S,et al.High Spectral Purity Kerr Frequency Comb Radio Frequency Photonic Oscillator[J].Nature communications,2015,6:1-6.

[9]CUNDIFFS T,YE J.Colloquium:Femtosecond Optical Frequency Combs[J].Reviews of Modern Physics,2003,75(1):325.

[10]DUNSMORE J P.Handbook of Microwave Component Measurements:with Advanced VNA Techniques[M].John Wiley & Sons,2012:6-55.

[11]蔣天煒.大動態范圍微波光子下變頻技術研究[D].北京：北京郵電大學,2014:11-13.

[12]SOTOM M,BENAZET B,LE KERNEC A,et al.Microwave Photonic Technologies for Flexible Satellite Telecom Payloads[C]∥Proceedings of 35th European Conference on Optical Communication,2009:1-4.

[13]CLICHéJ F,SHILLUE B.Precision Timing Control for Radioastronomy-Maintaining Femtosecond Synchronization in the Atacama Large Millimeter Array[J].IEEE Control System Magazine,2006,26(1):19-26.

[14]DANESHMAND M,MANSOUR R R.RF MEMS Satellite Switch Matrices[J].Microwave Magazine,IEEE,2011,12(5):92-109.

[15]XIA T,LANE M F,LAWTER T,et al.Field Trial of Photonic Switches for Efficient Fiber Network Operation and Maintenance[C]∥National Fiber Optic Engineers Conference.Optical Society of America,2007:NTuC6.

周建偉男，(1991—)，碩士研究生，光學工程專業。主要研究方向：微波光子交換與微波光子射頻前端技術。

李建強男，(1983—)，副教授，博士生導師。主要研究方向：微波光子學在光纖無線融合、天地一體化網絡和物聯網等。

Integrated RF Front-end Based on Microwave Photonics

ZHOU Jian-wei1，LI Jian-qiang1，LV Qiang3,4，ZHANG Jun-yi2，DAI Yi-tang1，YIN Fei-fei1，XU Kun1

(1.State Key Laboratory of Information Photonics and Optical Communications,BUPT,Beijing 100876,China;2.SchoolofElectronicEngineering，BUPT,Beijing100876,China；3.KeyLaboratoryofAerospaceInformationApplications,CETC,ShijiazhuangHebei050081,China；4.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

Conventional RF front-ends suffer from limitations in operating carrier frequency and signal bandwidth.Therefore,RF front-ends based on microwave photonic technology are investigated in this paper.First,the advantages of microwave photonic technology are specified.Second,several enabling techniques are introduced including photonic-assisted local oscillator generation,multi-band frequency conversion,and RF photonic switching.Finally,a RF photonic front-end scheme is proposed.The proposed scheme features high-bandwidth,reconfigurability,compatibility to multiple RF standards,and reduced size,weight and power.

RF front-end;integration;microwave photonics;frequency conversion;cross connect

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.09.02

2016-05-28

國家自然科學基金資助項目(61431003，61302086，61401411)；中國電子科技集團公司創新基金資助項目；中國電子科技集團公司航天信息應用技術重點實驗室開放課題資助項目。

TN856

A

1003-3106(2016)09-0006-04

引用格式：周建偉,李建強,呂強,等.基于微波光子技術的一體化射頻前端[J].無線電工程,2016,46(9):6-9,14.