光域微波信號緩存的關(guān)鍵技術(shù)研究

代豐羽， 龍云澤

(1. 中國電子科技集團公司第三十四研究所， 廣西桂林 541004；2. 桂林航天工業(yè)學院汽車與交通工程學院， 廣西桂林 541004)

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，隨著各種類型的雷達設備、電子戰(zhàn)設備、通信設備、技術(shù)偵察設備和導航設備等的大量使用，戰(zhàn)場電磁環(huán)境變得異常的復雜，新體制雷達、脈沖壓縮雷達、頻率捷變雷達和連續(xù)波雷達等的同時、大量使用，特別是美軍F35隱形戰(zhàn)機(瞬時帶寬達到6 GHz)大范圍投入實戰(zhàn)[1-2]。然而，傳統(tǒng)的電子戰(zhàn)裝備受制于數(shù)字儲頻(DRFM)瞬時工作帶寬(難以突破2 GHz)、響應速度、瞬時工作動態(tài)等的限制，使得電子對抗的難度進一步增加，因此需要研制一種能滿足“適應復雜電磁環(huán)境、瞬時全頻段對抗、干擾反應速度快、信號相關(guān)性好”的電子對抗技術(shù)適應現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需要。

利用微波光子技術(shù)具有的瞬時工作帶寬寬、響應速度快、傳輸損耗低、靈敏度高、重量輕、功耗小和體積省等優(yōu)點[3-5]，可以解決現(xiàn)有電子對抗技術(shù)在拓展瞬時工作帶寬、加快干擾反應速度、長距離射頻信號傳輸和提升信號處理能力時遇到的“電子瓶頸”；增強電子對抗裝備在極端復雜電磁環(huán)境下的適應能力，提升對抗新體制雷達的作戰(zhàn)效能。光域微波信號緩存技術(shù)是在光域內(nèi)實現(xiàn)微波信號的緩存、變換和處理等的新型技術(shù)，該技術(shù)具有瞬時對抗帶寬寬(10 GHz以上)、目標信號丟失少(全頻段實時響應)、響應速度快(亞微秒量級)、信號取樣長度長(亞毫秒量級)、信號相關(guān)性強(模擬信號存儲失真小)、工作動態(tài)大(60 dBc以上)、同時對抗目標多(40個目標以上)等優(yōu)勢。

1 光域微波信號緩存總體技術(shù)

光域微波信號緩存技術(shù)主要有利用慢光材料進行光信號傳輸緩存、利用普通的光纖環(huán)路進行光信號傳輸緩存和光域輔助的電域微波信號緩存等方式[6]。電子戰(zhàn)裝備特別是雷達對抗裝備需要瞬時工作帶寬寬、信號緩存時間長、同時對抗目標數(shù)量多和環(huán)境適應能力強等特點，因此本文設計的光域微波信號緩存技術(shù)主要是利用光纖傳輸損耗低(0.2 dB/km)、光域微波信號處理靈活的優(yōu)勢，將光載微波信號(RoF)封存在一段光纖環(huán)路中實現(xiàn)光載微波信號的緩存。光域微波信號緩存的工作原理框圖如圖1所示。

圖1 光域微波信號緩存的工作原理框圖

光域微波信號緩存系統(tǒng)的工作原理是：接收空間微波信號經(jīng)低噪聲放大器放大后，形成微波脈沖信號，如圖1(a)所示；在中央控制單元的控制下，可調(diào)諧光源(TLS)產(chǎn)生相應波長的光信號，并將微波脈沖信號調(diào)制到光載波上，形成光載微波脈沖信號，如圖1(b)所示；1×2超高速光開關(guān)在中央控制單元的控制下，選取光載微波脈沖信號中待緩存的光載微波脈沖信號，形成光載目標微波脈沖信號，并在光緩存環(huán)路中進行光信號的周期性傳輸緩存，形成光載目標微波脈沖緩存信號，如圖1(c)所示；光信號緩存的同時，經(jīng)光纖環(huán)中的光耦合器(OC)同步輸出光緩存信號，該信號經(jīng)光信號分路、微延時、合路和干擾信號加載等處理后，形成光載目標設備對抗信號，如圖1(d)所示；光載目標設備對抗信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、功率放大等轉(zhuǎn)換后，形成最終的目標設備對抗信號，如圖1(e)所示。光域微波信號緩存的信號變換流圖如圖2所示。

電光調(diào)制技術(shù)、超高速光開關(guān)技術(shù)、超低噪聲光功率補償技術(shù)、快速光功率自動校準技術(shù)和光波長快速切換技術(shù)等是光域微波信號緩存的關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)對抗目標的需求和產(chǎn)生信號質(zhì)量的要求，本文選取了電光調(diào)制技術(shù)和超高速光開關(guān)技術(shù)開展了深入的研究。

2 光緩存的電光調(diào)制技術(shù)

光載微波信號(RoF)在長時間傳輸緩存過程中，受光纖色散的影響(不同波長的光信號傳輸速度不相同)，不同時到達的微波信號光載波分量經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后會出現(xiàn)微波信號的功率起伏(即光載微波信號功率的“周期性衰落”)，通過電光調(diào)制方式可以較好地解決該問題[7-8]。

2.1 信號緩存中的微波信號功率周期性衰落

本文利用MATLAB針對“周期性衰落”現(xiàn)象進行了仿真。仿真選取了常用的G652光纖(色散為17 ps/nm·km)，傳輸距離總長度為100 km(時間0.5 ms)，傳輸信號分別為8 GHz和18 GHz，RoF傳輸信號功率隨傳輸距離的變化情況如圖3(a)所示。圖中紅色為8 GHz微波信號的功率起伏情況，藍色為18 GHz微波信號的功率起伏情況。根據(jù)仿真可知，在100 km的光纖傳輸鏈路中8 GHz的RoF信號出現(xiàn)了2次“周期性衰落”，18 GHz的RoF信號出現(xiàn)了9次“周期性衰落”。

解決“周期性衰落”的主要電光調(diào)制方式有電光強度調(diào)制(ODSB)、電光單邊帶調(diào)制(OSSB)、電光殘留邊帶調(diào)制(OVSB)等。本文利用Matlab對其中的電光殘留邊帶調(diào)制OVSB(OSSB優(yōu)于OVSB的效果)進行了對比仿真。OVSB與ODSB調(diào)制的衰減對比情況如圖3(b)所示。

圖3(b)中，紅色為OVSB信號，藍色為ODSB信號，微波頻率為18 GHz，OSSB的邊帶抑制為15 dB。從仿真結(jié)果可知，微波信號邊帶抑制達到15 dB，光傳輸?shù)摹爸芷谛运ヂ洹眴栴}基本得到解決。

(a) 8 GHz和18 GHz傳輸信號功率隨傳輸距離的變化情況

(b) OSSB與ODSB調(diào)制的衰減對比情況圖3 不同電光調(diào)制方式的微波信號光傳輸仿真圖

本文利用G652單模光纖搭建了一條長度為102.5 km的微波信號光傳輸系統(tǒng)，通過改變被傳輸微波信號頻率，驗證ODSB與OSSB電光調(diào)制對光纖“周期性衰落”現(xiàn)象的影響，電光調(diào)制對比實驗測試結(jié)果如圖4所示，微波信號光傳輸系統(tǒng)的主要測試數(shù)據(jù)如表1所示。

(a) ODSB調(diào)制的測試結(jié)果

(b) OSSB調(diào)制的測試結(jié)果圖4 電光調(diào)制對比實驗測試結(jié)果

表1 微波信號光傳輸系統(tǒng)的主要測試數(shù)據(jù)

采用OSSB電光調(diào)制后再經(jīng)長距離光纖傳輸可以極大地改善光纖色散引入的微波信號功率“周期性衰落”問題。但是由于本實驗中沒有加入微波信號功率均衡器，對功分器、移相器和放大器等微波器件造成的增益不平衡進行功率均衡，因此功率起伏的測試結(jié)果僅為±2.26 dB。

2.2 適應光緩存的電光調(diào)制技術(shù)

為了獲得更好的干擾信號效果，本文采用電光單邊帶調(diào)制(OSSB)將無用光邊帶壓縮到最小，更好地消除光纖色散對緩存微波信號功率的擾動。該調(diào)制方式以雙臂電光調(diào)制器(DD-MZM)為核心實現(xiàn)無用邊帶抑制功能?；陔p臂電光調(diào)制器的OSSB原理如圖5所示。

圖5 基于雙臂電光調(diào)制器的OSSB原理圖

該調(diào)制方式需要將調(diào)制器的Bias1與Bias2偏置電壓設置為相位相差π/2，同時將射頻信號的一條支路微波信號進行希爾伯特變換(相移π/2)后與原信號分別加載到調(diào)制器的兩個射頻口RF1和RF2。假設接收的射頻信號fRF和輸入的光信號fOL如下：

fRF=ARFcos (ωRFt+φRF)

(1)

fOL=AOLcos (ωOLt+φOL)

(2)

式中，A為信息的幅度，ω為信號的角頻率，φ為信號的初始相位。

因為光功率和微波功率的插入損耗僅影響輸出信號的幅度，不影響調(diào)制信號的形式，為了簡化計算，假設光分路器/合路器的光功率插入損耗為0，微波信號的功分器和希爾伯特變換的插入損耗均為0，根據(jù)圖5中的工作原理、式(1)和式(2)，可以推導出OSSB輸出信號fOSSB的數(shù)學表達式如下：

(3)

式中，m為微波信號的調(diào)制率。

設置光載波頻率為193.4 THz(1 550 nm)，調(diào)制系數(shù)為0.8，利用Matlab對上述數(shù)學模式進行仿真。OSSB調(diào)制的仿真結(jié)果如圖6所示。

(a) 光下邊帶調(diào)制

(b) 光上邊帶調(diào)制圖6 OSSB調(diào)制的仿真結(jié)果

通過調(diào)制雙臂電光調(diào)制器的Bias1與Bias2之間的電壓差可實現(xiàn)不同的OSSB調(diào)制，當Bias1對應的光相位超前Bias2對應的光相位π/2時，就實現(xiàn)了光下邊帶調(diào)制，如圖6(a)所示；當Bias1對應的光相位滯后Bias2對應的光相位π/2時，實現(xiàn)了光上邊帶調(diào)制，如圖6(b)所示。

3 光緩存的光路切換技術(shù)

火控雷達、精確制導雷達等快反雷達的脈沖寬度越來越窄，已經(jīng)達到納秒量級，因此需要光取樣開關(guān)的開啟/關(guān)斷時間優(yōu)于納秒量級，同時減小緩存過程中光信號的抖動、目標信號擾動和緩存信號功率起伏，也需要光取樣開關(guān)達到納秒級。

3.1 高速光開關(guān)

目前市面上較成熟的高速光開關(guān)主要有MEMS光開關(guān)、LiNbO3光開關(guān)、聲光開關(guān)和SOA光開關(guān)等。本文對這些光開關(guān)的開關(guān)時間、插入損耗和優(yōu)缺點進行了比較。典型光開關(guān)的主要參數(shù)比較如表2所示。

表2 典型光開關(guān)的主要參數(shù)比較

光脈沖加載單元的光開關(guān)要求：開關(guān)時間小于1 ns，開關(guān)模式1×2，噪聲系數(shù)和插入損耗小，技術(shù)成熟、可靠。綜合考慮以上要求，僅能選用LiNbO3光開關(guān)。但是該類型的光開關(guān)僅有1×1類型(n×n的速度較慢)。因此需要利用1×1光開關(guān)進行適當?shù)慕M合成1×2光開關(guān)。

3.2 1×2超高速光開關(guān)

利用2個1×1的LiNbO3高速光開關(guān)，并且嚴格控制好2個光開關(guān)的開啟和關(guān)斷時序，就能組合成高速的1×2光開關(guān)。1×2高速光開關(guān)原理如圖7所示。

圖7 1×2高速光開關(guān)原理圖

如圖1所示，由于該光開關(guān)需要完成光纖存儲環(huán)信號加載，同時開啟/關(guān)斷光纖環(huán)的緩存通路，即加載信號時光纖存儲環(huán)必須關(guān)斷，緩存信號時不能加載信號。因此光開關(guān)的切換(由一支路開啟到另一支路關(guān)閉)必須保證完全的同步，否則會造成緩存光信號的疊加或連接不到位，從而產(chǎn)生緩存信號的擾亂，甚至影響光緩存信號的平衡，如圖8所示就是由于光開關(guān)開啟時速度較慢造成的微波信號功率起伏。

圖8 緩存微波信號的功率起伏

3.3 高速光開關(guān)控制

1×1的LiNbO3高速光開關(guān)主要由光功率分配器、光功率合成器、Bias電極和RF電極等部分組成，如圖9(a)所示。光開關(guān)的關(guān)斷和開啟就是通過控制Bias電壓，使其工作于關(guān)斷工作點或開啟工作點實現(xiàn)，如圖9(b)所示。

(a) LiNbO3光開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

(b) LiNbO3光開關(guān)轉(zhuǎn)換響應示意圖圖9 LiNbO3高速光開關(guān)工作原理圖

根據(jù)a臂光信號經(jīng)過RF信號和Bias控制信號調(diào)制后在末端的光功率合成器處與b臂光信號進行光功率的合成的工作原理，如圖9(a)所示，可推導出其輸出光功率Pout(t)表達式為

(4)

式中，αMZM為電光調(diào)制器的插損，Pin(t)為光信號，Vπ為半波電壓，VDC為靜態(tài)工作點電壓值，VRF為微波信號的幅度值，ωRF為射頻信號角頻率。

由于LiNbO3調(diào)制器作為光開關(guān)時，RF信號輸入為0，即VRF=0。因此，LiNbO3高速光開關(guān)的輸出光功率Pout(t)表達式為

(5)

控制LiNbO3高速光開關(guān)需要首先將RF輸入口通過電容接地，保證RF口輸入信號為0，然后根據(jù)Bias的開啟/關(guān)斷電壓進行實時調(diào)整，實現(xiàn)光開關(guān)的控制。

4 光緩存系統(tǒng)的試驗驗證

光緩存試驗驗證系統(tǒng)采用1 550 nm波長光信號，8～18 GHz的RF信號，4 km長的光纖(20 μs)作為緩存光纖，實現(xiàn)80 μs時間的光信號緩存。光緩存試驗驗證系統(tǒng)組成如圖10所示。試驗驗證系統(tǒng)相關(guān)圖如圖11所示。

該實驗驗證系統(tǒng)由于使用的高速示波器的信號存儲容量有限和RF信號頻率較高(8～18 GHz)，本實驗僅測試了80 μs的時間長度(實際系統(tǒng)可以緩存更長時間)；并且采用了欠采樣模式，因此緩存后的微波信號幅度顯示有起伏，如圖10(c)所示，實際緩存后的微波信號幅度是相對平穩(wěn)的。試驗驗證系統(tǒng)主要測試指標如表3所示。

圖10 光緩存試驗驗證系統(tǒng)組成圖

(a) 光緩存試驗驗證系統(tǒng)實物圖

(b) 光緩存前的取樣信號圖

(c) 光緩存后的全信號圖圖11 試驗驗證系統(tǒng)相關(guān)圖

表3 試驗驗證系統(tǒng)的主要測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

本文對光緩存的總體技術(shù)、電光調(diào)制技術(shù)和光路切換技術(shù)等開展了研究，對關(guān)鍵技術(shù)開展了理論論述和仿真，利用試驗驗證系統(tǒng)對光載微波信號緩存的工作原理和主要指標進行了驗證，達到了預期結(jié)果。該系統(tǒng)還可以在插入噪聲優(yōu)化、取樣深度的動態(tài)調(diào)整和多波長光載微波信號緩存等方面開展深入研究，推動光緩存技術(shù)的實用化，大幅提升我國電子戰(zhàn)裝備的作戰(zhàn)效能。