(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

強(qiáng)雜波下檢測(cè)低空慢速、小型、隱身目標(biāo)是現(xiàn)代先進(jìn)雷達(dá)必須面對(duì)的挑戰(zhàn)。隨著大型數(shù)字陣列雷達(dá)的信號(hào)合成效應(yīng)、大動(dòng)態(tài)接收機(jī)、高分辨A/D技術(shù)發(fā)展,雷達(dá)系統(tǒng)頻率源相位噪聲逐漸成為檢測(cè)強(qiáng)雜波下慢、小、隱目標(biāo)的性能瓶頸。對(duì)于大型數(shù)字陣列雷達(dá),相位噪聲甚至影響超遠(yuǎn)程探測(cè)距離。因此,進(jìn)一步提升頻率源的相位噪聲性能顯得非常重要和迫切。近年來(lái),高性能晶體振蕩器和原子鐘的相位噪聲性能得到一定提升,遺憾的是這些高性能基準(zhǔn)源的工作頻率相對(duì)較低,合成到微波頻段會(huì)大幅惡化,目前發(fā)展的高頻晶體振蕩器也是以犧牲相位噪聲為代價(jià)。隨著微波和光學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,形成了一門(mén)新交叉技術(shù)領(lǐng)域——微波光子學(xué)(Microwave Photonics),作為微波光子學(xué)的典范應(yīng)用,微波光電振蕩器(Opto-Electronic Oscillator,OEO)將是一種新穎的、有發(fā)展前途的高質(zhì)量微波信號(hào)源,將是振蕩器領(lǐng)域的革命性突破,對(duì)未來(lái)雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

1 工作原理

光電振蕩器的基本原理是構(gòu)建基于光電混合的時(shí)間鑒相反饋環(huán)路(即光與微波的復(fù)合諧振腔),當(dāng)環(huán)路滿(mǎn)足反饋幅度增益和相位起振條件時(shí),將形成自激振蕩[1-2]。與傳統(tǒng)電子合成器相比,高性能光電振蕩器相位噪聲指標(biāo)將提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上,目前高性能X波段電子合成器相位噪聲約為-120 dBc/Hz@10 k Hz,而X波段光電振蕩器的相位噪聲將優(yōu)于-140 dBc/Hz@10 k Hz,同時(shí),光電振蕩器還具有如下優(yōu)點(diǎn):低相噪性能與振蕩頻率無(wú)關(guān),振蕩頻率高(頻率范圍可覆蓋1～100 GHz),調(diào)諧范圍寬、速度快,振動(dòng)敏感性低(10-12/g)。因而,光電振蕩器是一種不同于傳統(tǒng)振蕩器的新型振蕩器,有學(xué)者稱(chēng)之為“終極振蕩器”。光電振蕩器原理框圖如圖1所示。

圖1 微波光電振蕩器原理框圖

光電振蕩器的相噪表達(dá)式[3]為

式中,f m為相對(duì)于振蕩器振蕩頻率的頻偏,τ為環(huán)路延遲時(shí)間,為振蕩器的噪聲信號(hào)功率比,ρN為從放大器輸入端進(jìn)入振蕩器的噪聲密度為放大器之前的振蕩功率,POSC為振蕩器的輸出功率,GAmp為電放大器的總增益。

通常,2πf mτ≤1,簡(jiǎn)化式(1)可得

由式(1)和式(2)可知:系統(tǒng)相噪與光纖延時(shí)的二次方成近似反比關(guān)系,光纖延時(shí)與光纖長(zhǎng)度成正比;因此,增加長(zhǎng)光纖長(zhǎng)度,可以有效降低系統(tǒng)相噪。

由于存在360°周期性,因此單回路微波光電振蕩存在頻率模糊性,其頻率周期為

式中,t為光反饋回路時(shí)延。為獲得高頻譜純度,實(shí)現(xiàn)對(duì)其他周期頻率的抑制,采用雙回路法對(duì)其他頻率進(jìn)行抑制,雙回路頻率選擇性如圖2所示[4]。

圖2 雙回路光電振蕩器頻率選擇特性

從分析結(jié)果來(lái)看,環(huán)路中各部件的低噪聲(特別是光電調(diào)制器噪聲)、環(huán)路高增益和環(huán)路等效長(zhǎng)時(shí)延是實(shí)現(xiàn)光電振蕩器低相位噪聲的有效技術(shù)路徑。由于長(zhǎng)時(shí)延將帶來(lái)更小間隔的頻率模糊度,因此環(huán)路中微波濾波器的選擇特性是技術(shù)難點(diǎn)之一。

2 實(shí)驗(yàn)研究

國(guó)外對(duì)于微波光電子技術(shù)在軍事上應(yīng)用研究已開(kāi)展近30年,相關(guān)概念和理論體系已基本建立。美國(guó)加州理工學(xué)院和NASA共管的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)對(duì)高穩(wěn)定寬帶光電振蕩器進(jìn)行了深入研究,取得了一系列的成果,已獲得50多項(xiàng)微波光電方面專(zhuān)利,研發(fā)的X波段光電振蕩器頻偏10 k Hz處的相位噪聲可達(dá)-145 d Bc/Hz,價(jià)格極其昂貴,核心技術(shù)保密,加拿大、法國(guó)的研究機(jī)構(gòu)也對(duì)光電振蕩器開(kāi)展了研究工作但尚未見(jiàn)實(shí)用化產(chǎn)品的報(bào)道。

國(guó)內(nèi)在微波光電技術(shù)領(lǐng)域的研究起步相對(duì)較晚,十年不到,但成績(jī)斐然,特別是低相噪頻率源超遠(yuǎn)程傳輸和微波光電接收機(jī),已實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用,而微波光電振蕩器尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,近年我們加快了研究開(kāi)發(fā)工作[5],期望為下一代高性能雷達(dá)提供高性能微波源,實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖3所示。

圖3 微波光電振蕩器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)有:采用雙長(zhǎng)光纖延時(shí)回路和低噪聲光電調(diào)制技術(shù),實(shí)現(xiàn)低雜波和低相位噪聲,并采用微波移相實(shí)現(xiàn)振蕩頻率控制,環(huán)路中內(nèi)插光電放大器實(shí)現(xiàn)環(huán)路高信噪比,環(huán)路濾波器采用高選擇性諧振腔帶通濾波器,帶寬為20 MHz。振蕩頻率設(shè)計(jì)在10 GHz,雜波抑制優(yōu)于70 dBc,相位噪聲優(yōu)于-120 dBc/Hz@1 k Hz,-128 dBc/Hz@10 k Hz,如圖4所示。

圖4 微波光電振蕩器實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果

結(jié)果對(duì)比如表1所示。

表1 微波光電振蕩器實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

對(duì)比情況來(lái)看,光電振蕩器噪聲基底,即遠(yuǎn)載頻相位噪聲較傳統(tǒng)高性能電子頻綜器有極大的性能優(yōu)勢(shì),而近載頻相位噪聲較傳統(tǒng)高性能電子頻綜器的性能有待進(jìn)一步提高,主要原因是光電器件的溫度特性漂移較大。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)與美國(guó)OE-wave公司光電振蕩器近載頻相位噪聲性能近似,而遠(yuǎn)載頻相位噪聲差距較大,說(shuō)明兩種振蕩器在存儲(chǔ)時(shí)間尺度上近似的,只是美國(guó)OEwave公司采用了光學(xué)微腔,可能光學(xué)微腔的損耗較光纖更小,從而環(huán)路等效噪聲更低。

3 值得研究的若干問(wèn)題

從實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果來(lái)看,雙回路微波光電振蕩器具有優(yōu)良的相位噪聲特性和雜波性能,工作狀態(tài)穩(wěn)定,但樣機(jī)尺寸較大,同時(shí)寬溫存在慢速漂移現(xiàn)象,主要是長(zhǎng)光路寬溫下存在的物理變形。雙回路微波光電振蕩器存在多模糊工作頻點(diǎn),微波光電振蕩器的頻率控制也是未來(lái)技術(shù)難點(diǎn)[6]。

(1)光學(xué)微腔

微波光電振蕩器采用頻率-時(shí)間鑒相原理,長(zhǎng)光纖延時(shí)容易受溫度的影響,穩(wěn)定性差,同時(shí)體積較大,難以集成。使激光束在可控、約束的光學(xué)微腔內(nèi)(即光學(xué)回音壁模微腔)反復(fù)折射實(shí)現(xiàn)可控延時(shí)將是實(shí)現(xiàn)高性能微波光電振蕩器的有效方法,目前,中國(guó)科技大學(xué)等單位已開(kāi)展類(lèi)似的工作。

(2)鎖相頻率控制

微波光電振蕩器采用時(shí)間鑒相原理,應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng),原理上存在頻率精準(zhǔn)控制、慢速漂移和相位同步問(wèn)題,因此在光電振蕩回路中可附加鎖相反饋相位控制,與基準(zhǔn)源實(shí)現(xiàn)鎖相同步,可充分發(fā)揮微波光電振蕩器遠(yuǎn)載頻超低噪聲特性和雷達(dá)基準(zhǔn)源的頻率精準(zhǔn)度和寬溫穩(wěn)定性,應(yīng)是微波光電振蕩器應(yīng)用于雷達(dá)的主要方案。

(3)光電器件寬溫穩(wěn)定性

光電器件,特別是激光發(fā)生器和光放大器,寬溫穩(wěn)定性是微波光電技術(shù)目前普遍問(wèn)題,限制了微波光電技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展,是微波光電的基礎(chǔ)技術(shù),隨著新材料、新工藝、新技術(shù)在激光發(fā)生器和溫度控制方面的應(yīng)用。

(4)超低相位噪聲的測(cè)試

相位噪聲測(cè)試儀器均存在相位噪聲基底,即存在殘留噪聲,同時(shí)測(cè)量精度與測(cè)量積累時(shí)間相關(guān)聯(lián),目前,先進(jìn)的相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)(如安捷侖E5052A+5052B)測(cè)試對(duì)象是傳統(tǒng)頻率合成器,而微波光電振蕩器相位噪聲較傳統(tǒng)高性能頻率合成器提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上,因此常規(guī)的測(cè)試方法和測(cè)試儀表已無(wú)法滿(mǎn)足光電振蕩器的測(cè)試,如何對(duì)超低相位噪聲微波光電振蕩器進(jìn)行有效測(cè)量是一個(gè)值得研究的課題。

4 結(jié)束語(yǔ)

微波光電振蕩器是頻率源領(lǐng)域一次重要技術(shù)革命,其高頻率、低相位噪聲特性具有極大技術(shù)優(yōu)勢(shì),目前我們已完成基于雙回路原理樣機(jī)的研制,雜波抑制達(dá)70 d B,但穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高,其中光學(xué)微腔是未來(lái)關(guān)鍵技術(shù)。每一次新材料新技術(shù)的誕生必將給相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域帶來(lái)新的技術(shù)革命,現(xiàn)代雷達(dá)的多項(xiàng)技術(shù)性能,如測(cè)速精度、測(cè)距精度、動(dòng)目標(biāo)改善因子、雜波能見(jiàn)度等,與頻率合成器相位噪聲直接相關(guān),因此,基于微波光子學(xué)的超低相位噪聲微波光電振蕩器必將為未來(lái)高性能雷達(dá)、電子戰(zhàn)系統(tǒng)提供一種全新的技術(shù)路徑。光電振蕩器屬于國(guó)際前沿技術(shù),又是一門(mén)交叉學(xué)科,其中很多關(guān)鍵技術(shù)尚待突破。作者從2007年介入微波光電技術(shù)研究,其中高性能微波光電接收機(jī)和低相位噪聲微波源超遠(yuǎn)程光電傳輸已進(jìn)入工程化應(yīng)用,微波光電振蕩器還處于實(shí)驗(yàn)研究階段,期望實(shí)驗(yàn)研究及成果得到相關(guān)領(lǐng)域科技及管理人員的重視,推動(dòng)我國(guó)微波光電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

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