惠金鑫，趙瑩，鄧向科，鄭飛騰，孫樹(shù)風(fēng)

中國(guó)空間技術(shù)研究院 西安分院，西安 710100

近年來(lái)，歐美國(guó)家重要航天航空機(jī)構(gòu)積極探索微波光子技術(shù)在高通量衛(wèi)星通信載荷方面的應(yīng)用，同時(shí)各大科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合開(kāi)展項(xiàng)目研究和試驗(yàn)演示驗(yàn)證等工作[1]。歐美各高科技團(tuán)體對(duì)微波光子技術(shù)的研究和應(yīng)用，已經(jīng)成為全球衛(wèi)星通信載荷在解決傳統(tǒng)微波技術(shù)應(yīng)用瓶頸問(wèn)題的技術(shù)風(fēng)向標(biāo)。2009年歐空局成功發(fā)射土壤濕度和海水鹽度衛(wèi)星(SMOS)，該星利用微波光子技術(shù)進(jìn)行時(shí)鐘和本振分束，顯著減少了衛(wèi)星電纜長(zhǎng)度，同時(shí)避免了電磁干擾；AirBus計(jì)劃在2016～2030年間實(shí)施微波光子演示驗(yàn)證系統(tǒng)(OPTIMA)和微波光子載荷的集成化(BEACON)計(jì)劃，其中OPTIMA針對(duì)Ka波段、多波束、頻率復(fù)用以及信號(hào)實(shí)時(shí)路由交換，目前該項(xiàng)目已接近尾聲；Thales從2004年開(kāi)始研究微波光子技術(shù)，針對(duì)Ka/K頻段下變頻于2016年完成微波光子變頻原理樣機(jī)，除噪聲系數(shù)外其他性能指標(biāo)均良好，在此基礎(chǔ)上Thales開(kāi)展了微波光子轉(zhuǎn)發(fā)器原理樣機(jī)的研發(fā)；2019年DAS設(shè)計(jì)的第一臺(tái)V/Q波段的微波光子載荷正式上天，該產(chǎn)品通過(guò)了預(yù)期15年設(shè)計(jì)壽命的全套可靠性測(cè)試，幅頻良好、實(shí)現(xiàn)了寬帶特性，且噪聲系數(shù)優(yōu)于40 dB，具有較強(qiáng)實(shí)用性；2017年歐空局發(fā)射的Amazonas-5通信衛(wèi)星，即搭載了DAS公司的Ka波段微波光子交換轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)驗(yàn)載荷，實(shí)現(xiàn)了微波光子變頻、本振饋送和轉(zhuǎn)發(fā)等功能。

目前中國(guó)的科研機(jī)構(gòu)及高校均積極開(kāi)展微波光子技術(shù)的研究工作，已設(shè)計(jì)出不同應(yīng)用功能的原理樣機(jī)。但星載應(yīng)用仍處于理論研究以及地面演示階段。

微波光子技術(shù)以分立器件在調(diào)制混頻單鏈路的應(yīng)用上，基于商用的器件技術(shù)和工藝水平，與傳統(tǒng)微波技術(shù)相比，優(yōu)勢(shì)不夠明顯。而目前針對(duì)星上微波光子技術(shù)的應(yīng)用構(gòu)想，主要以諧波及雜散抑制[2-3]、抗干擾[4-5]、大帶寬[6-8]、高通量以及重量輕等優(yōu)點(diǎn)為主。在星載通信載荷設(shè)計(jì)中，采用微波光子器件組成通信轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)，具有顯著優(yōu)勢(shì)。目前各科研機(jī)構(gòu)的工作，一方面集中在微波光子芯片化的研究上，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成化做儲(chǔ)備工作，可集成的微波光子元器件將更好地發(fā)揮微波光子技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，未來(lái)微波光子技術(shù)在衛(wèi)星通信載荷的應(yīng)用上將是革命性的[9]；另一方面，為了盡快將微波光子技術(shù)應(yīng)用于高通量衛(wèi)星，采用分立器件實(shí)現(xiàn)微波光子技術(shù)在通信載荷上的應(yīng)用也是目前比較普遍的選擇。

本文主要以DDMZM為核心器件實(shí)現(xiàn)變頻鏈路并展開(kāi)分析研究，通過(guò)簡(jiǎn)單的鏈路結(jié)構(gòu)來(lái)探索未來(lái)星上轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)中微波光子混頻模塊的可行性。

1 微波光子混頻技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及構(gòu)成

微波光子混頻技術(shù)作為微波光子技術(shù)的重要部分，繼承了微波光子技術(shù)的優(yōu)勢(shì)(如表1所示)。典型的微波光子混頻鏈路主要由光源、電光調(diào)制器和光電探測(cè)器三部分構(gòu)成。不同研究者針對(duì)不同的應(yīng)用需求，比如高變頻效率[10-12]、大動(dòng)態(tài)范圍[6,11,12]、高載噪比[13]、鏡頻抑制[14]以及雜散抑制[15]等性能指標(biāo)，往往也需要增加其他功能單元來(lái)完成。面向高通量、多頻段和抗干擾的星上應(yīng)用，微波光子混頻技術(shù)具有顯著優(yōu)勢(shì)[16]。

微波光子混頻鏈路基本構(gòu)成如圖1所示，3個(gè)部分的性能指標(biāo)對(duì)鏈路的性能均起決定性作用。激光器的功率會(huì)直接影響鏈路的增益，激光器的相對(duì)強(qiáng)度噪聲會(huì)抬高鏈路的噪底；光電調(diào)制器的半波電壓、消光比以及插損會(huì)影響調(diào)制性能及鏈路增益；而光電探測(cè)器的響應(yīng)度大小決定了輸出的目標(biāo)頻率對(duì)應(yīng)的功率大小。

微波光子混頻鏈路的優(yōu)劣，一般有3個(gè)衡量指標(biāo)：增益、噪聲系數(shù)、無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)。實(shí)質(zhì)上增益的提高會(huì)降低噪聲系數(shù)、提高SFDR。

NF=lg(Nout)-G+174

式中：NF為噪聲系數(shù)；Nout為輸出單位帶寬噪聲功率；G為鏈路增益；IIPn為輸入n階輸入交調(diào)點(diǎn)。

2 DDMZM工作原理

圖2為典型的馬赫增德?tīng)栒{(diào)制器原理圖，馬赫增德?tīng)柛缮鎯x的兩臂均有射頻輸入端口，所以稱作雙驅(qū)動(dòng)馬赫增德?tīng)栒{(diào)制器(DDMZM)。從結(jié)構(gòu)上看，DDMZM由2個(gè)相位調(diào)制器并聯(lián)構(gòu)成，兩條臂分別可看成獨(dú)立的相位調(diào)制器。電信號(hào)通過(guò)電介質(zhì)對(duì)光介質(zhì)產(chǎn)生影響，由于光功率相對(duì)足夠小(不足以和介質(zhì)中原子的內(nèi)部庫(kù)倫場(chǎng)相比擬)，整個(gè)影響過(guò)程可近似為線性變化，即光介質(zhì)的折射率的改變僅對(duì)光速產(chǎn)生影響，不改變光載波的頻率，故而僅影響光波長(zhǎng)變化，從時(shí)域上看即光相位產(chǎn)生變化。其中射頻端口加載射頻信號(hào)，電磁波電場(chǎng)矢量的周期性變化影響光波導(dǎo)的折射率，從而使光波的電矢量場(chǎng)部分在相位上產(chǎn)生周期性變化，對(duì)應(yīng)的光學(xué)現(xiàn)象即光波長(zhǎng)的正弦規(guī)律拉伸變化，射頻信息因此被調(diào)制到光載波上；而直流端口加載直流偏置電壓后，會(huì)使兩臂分別產(chǎn)生固定的相位延遲變化，對(duì)應(yīng)的外部現(xiàn)象即兩臂出現(xiàn)固定的相位差，合路后引起光的干涉現(xiàn)象，即已調(diào)光載波產(chǎn)生周期性的強(qiáng)度變化。如果僅分析上臂或者下臂，經(jīng)過(guò)相位調(diào)制的光載波是疏密變化的等幅信號(hào)，由于光電探測(cè)器對(duì)相位信息不敏感[17]，所以進(jìn)入光電探測(cè)器拍頻后僅能得到直流成分。

設(shè)從激光器輸出進(jìn)入DDMZM的光信號(hào)[18]為：

Ein(t)=E0exp (jωct)

式中：E0為光載波幅度；ωc為光載波角頻率。通過(guò)DDMZM后：

(1)

式中：Vπ為DDMZM的半波電壓。

V1,2(t)=VDC1,2+VRF1,2sin(ωRF1,2t+φRF1,2)

式中：V1,2(t)為MZM兩臂外加電壓；VDC和VRF分別為直流偏置電壓和射頻信號(hào)幅度；ωRF1,2為上下臂所加射頻信號(hào)角速度；φRF為RF信號(hào)的相位。

進(jìn)入PD的光功率可表示為：

(2)

經(jīng)PD探測(cè)后輸出為：

i=ηP

式中：η為光電探測(cè)器的響應(yīng)度，單位為A/W。

推導(dǎo)式(1)和式(2)可知，在直流偏置電壓產(chǎn)生的兩臂相位差為π/2時(shí)，DDMZM的輸出中不包含對(duì)應(yīng)頻率為nωRF±nωLO的功率成分。

3 鏈路仿真

鏈路仿真頻段主要采用常用衛(wèi)星通信變頻頻段Ka/K及 K/Ku。首先在VPI中基于DDMZM建模仿真來(lái)模擬Ka/K頻段實(shí)際鏈路可能達(dá)到的最優(yōu)性能。鏈路結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中激光器輸出波長(zhǎng)為1 550 nm，功率設(shè)為20 dBm。該調(diào)制器半波電壓設(shè)為5 V，插入損耗3 dB，消光比35 dB。RF和LO信號(hào)分別從DDMZM的兩個(gè)射頻端口輸入，RF信號(hào)幅度0.224 V，雙音信號(hào)頻率為39 GHz和39.1 GHz；LO信號(hào)幅度2.24 V，頻率20 GHz。本次仿真直流偏置設(shè)在最小工作點(diǎn)，具有光載波抑制功能。

圖3 基于DDMZM的微波光子混頻鏈路圖Fig.3 DDMZM-based microwave photonic frequency conversion link diagram

在該鏈路中，激光器RIN值設(shè)為-160 dB/Hz，探測(cè)器響應(yīng)度設(shè)為0.65 A/W。整個(gè)鏈路參數(shù)設(shè)置較理想。RIN值對(duì)鏈路性能具有一定影響，會(huì)抬高鏈路噪聲系數(shù)、減小無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍。

仿真發(fā)現(xiàn)DDMZM偏置點(diǎn)設(shè)置在最小點(diǎn)處，鏈路獲得最佳性能。

仿真結(jié)果如圖4～圖6所示。由圖4中可見(jiàn)RF和LO調(diào)制到光載波上的頻譜，包含基波和諧波。光載波左側(cè)或者右側(cè)相鄰的一次RF和一次LO，在PD上拍頻即可獲得所需目標(biāo)頻率。從圖5～圖6可知，在Ka/K頻段，基于DDMZM的微波光子混頻鏈路的SFDR在理論上可達(dá)到105.2 dBHz2/3，鏈路噪底約為-161 dBm/Hz，變頻增益約為-37 dB，計(jì)算可得噪聲系數(shù)為50 dB，三階抑制約為52.2 dBc。

在K/Ku頻段，通過(guò)VPI對(duì)16 GHz下變頻12.4 GHz進(jìn)行仿真測(cè)試。RIN值設(shè)為-160 dB/Hz，激光功率20 dBm，調(diào)制器插損3 dB，消光比35，PD響應(yīng)度0.65 A/W。仿真結(jié)果如圖7～圖9所示。

圖4 Ka/K頻段仿真下DDMZM輸出光譜Fig.4 DDMZM output spectrum in Ka/K frequency band

圖5 Ka/K頻段仿真下中頻和三階頻譜Fig.5 IF and third-order spectrum in Ka/K frequency band

圖6 Ka/K頻段仿真下鏈路SFDR圖Fig.6 Link SFDR diagram in Ka/K frequency band

圖7 K/Ku頻段仿真下DDMZM輸出光譜Fig.7 DDMZM output spectrum in K/Ku frequency band

圖8 K/Ku頻段仿真下中頻及三階頻譜Fig.8 IF and the third-order spectrum in K/Ku frequency band

圖9 K/Ku頻段仿真下鏈路SFDRFig.9 Link SFDR diagram in K/Ku frequency band

如圖8所示，仿真結(jié)果中輸出的中頻功率約為-31.2 dBm，變頻增益約為-34.2 dB。三階交調(diào)抑制約為53 dBc。從圖9的仿真結(jié)果中可以得出，鏈路噪底約為-158 dBm/Hz，SFDR約為105.5 dBHz2/3。計(jì)算可得噪聲系數(shù)約為50.2 dB。

4 試驗(yàn)

試驗(yàn)原理圖同仿真(圖3)所示。DDMZM的兩個(gè)射頻輸入端口分別加載RF和LO信號(hào)，通過(guò)偏置點(diǎn)設(shè)置進(jìn)行光載波大小的控制。RF信號(hào)均輸入0 dBm。根據(jù)仿真結(jié)果可以得出DDMZM在輸出最小點(diǎn)時(shí)性能最好，即半波電壓為5 V時(shí)，直流偏置在2.5 V。而且當(dāng)直流偏置設(shè)為2.5 V時(shí)，光載波會(huì)得到一定程度的抑制，參照仿真所用頻率及器件響應(yīng)曲線，其他更低頻段會(huì)獲得更好的鏈路性能。

對(duì)4個(gè)25 GHz以內(nèi)頻段進(jìn)行變頻試驗(yàn)。為同時(shí)保證調(diào)制器和光電探測(cè)器的最佳性能，試驗(yàn)頻段均為微波低頻段測(cè)試，包含2～5.6 GHz上變頻，6.8～3.2 GHz下變頻，7.6～4 GHz下變頻，16～12.4 GHz下變頻。

其中在16～12.4 GHz下變頻試驗(yàn)中，輸入本振信號(hào)功率+12 dBm，輸出本振、二倍和四倍本振信號(hào)功率均大于-30 dBm，沒(méi)有得到有效抑制，但是距離中頻信號(hào)較遠(yuǎn)可通過(guò)濾波器濾掉，其他靠近中頻信號(hào)的雜散和諧波，功率小于-80 dBm可忽略。變頻增益-35 dB。P-1為15 dBm。雙音信號(hào)輸入在每路-6 dBm時(shí)，三階交調(diào)抑制比為-50 dBc，所以可計(jì)算出三階截?cái)帱c(diǎn)IIP3=22 dBm，鏈路噪聲系數(shù)為49 dB，那么SFDR=98 dBHz2/3。試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。

其他3個(gè)頻段測(cè)試如表2所示。

表2 各頻段測(cè)試數(shù)據(jù)

從表2可以看出，該鏈路模型在2～16 GHz基本穩(wěn)定，無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍幾乎保持一致，且該鏈路性能優(yōu)于串聯(lián)鏈路模型[19]。測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)RF和LO信號(hào)隔離度大于70 dB。

5 仿真及試驗(yàn)分析

對(duì)比相同條件下微波變頻結(jié)構(gòu)，本文所設(shè)計(jì)微波光子混頻結(jié)構(gòu)，在仿真過(guò)程中發(fā)現(xiàn)4 GHz帶寬內(nèi)雜散抑制70 dBc以上，遠(yuǎn)高于星載微波結(jié)構(gòu)要求的帶內(nèi)40 dBc以上；而三階交調(diào)抑制高于50 dBc，也遠(yuǎn)高于星載微波結(jié)構(gòu)要求的35 dBc以上。因此，微波光子混頻結(jié)構(gòu)具有優(yōu)越的雜散和交調(diào)抑制能力。

對(duì)不同頻段進(jìn)行仿真及試驗(yàn)，結(jié)果顯示該混頻結(jié)構(gòu)對(duì)不同頻段變頻性能幾乎保持一致，說(shuō)明微波光子混頻器對(duì)不同頻段沒(méi)有選擇性。如果采用波分復(fù)用的方式，該結(jié)構(gòu)可同時(shí)對(duì)不同頻段進(jìn)行變頻。因此可滿足星載通信系統(tǒng)多頻段大帶寬多功能一體化的需求。

對(duì)于串聯(lián)混頻鏈路，經(jīng)過(guò)二級(jí)MZM調(diào)制后的輸出，由于非線性造成的雜散分量變多，目標(biāo)頻率成分對(duì)應(yīng)的功率分量則相對(duì)減小。而并聯(lián)鏈路或者單個(gè)DDMZM作為調(diào)制單元時(shí)，調(diào)制產(chǎn)生的雜散明顯少于串聯(lián)方案，因此目標(biāo)頻率對(duì)應(yīng)的功率分量會(huì)大很多。對(duì)比串聯(lián)鏈路的正交點(diǎn)偏置獲得最大增益的情況，單個(gè)DDMZM構(gòu)成的混頻單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，利用最小點(diǎn)的載波抑制功能不僅獲得足夠大的增益，而且進(jìn)一步增大了無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍。

微波光子鏈路的器件選用從根本上決定了該變頻單元的性能優(yōu)劣。DDMZM的調(diào)制速率、半波電壓、消光比和插入損耗均會(huì)不同程度影響鏈路性能。其他嚴(yán)重影響鏈路性能的是激光器的相對(duì)強(qiáng)度噪聲RIN值和光電探測(cè)器的響應(yīng)度。這些器件本身固有的屬性，一方面決定了光子鏈路的功率、損耗和噪聲問(wèn)題，另一方面決定了微波頻率輸入的范圍。

因此，為獲得性能足夠好的微波光子混頻鏈路，需要采用性能優(yōu)越的器件，且需通過(guò)參數(shù)調(diào)節(jié)或輔助器件避免鏈路中可能出現(xiàn)的非線性增加的過(guò)程。

6 結(jié)束語(yǔ)

基于DDMZM的微波光子混頻結(jié)構(gòu)具有星載優(yōu)勢(shì)。首先，其鏈路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，避免了復(fù)雜鏈路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不穩(wěn)定因素，實(shí)際測(cè)試結(jié)果同理論仿真結(jié)果的差異主要由器件性能決定，因此鏈路同比受環(huán)境影響較??；其次，該結(jié)構(gòu)具備優(yōu)越的雜散抑制和交調(diào)抑制能力，采用分立器件的微波光子混頻技術(shù)構(gòu)成多頻段、大帶寬星載通信轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)時(shí)具有巨大優(yōu)勢(shì)，不僅可避免傳統(tǒng)微波結(jié)構(gòu)二次混頻及濾波等手段造成的系統(tǒng)臃腫，且能夠有效降低載荷質(zhì)量，同時(shí)單元之間無(wú)電磁干擾；最后，鏈路增益、幅頻特性、無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍以及隔離度等指標(biāo)相對(duì)較好，預(yù)期在射頻輸入端使用低噪放的情況下能滿足星載通信系統(tǒng)中混頻單元的性能要求。

后期將繼續(xù)對(duì)基于DDMZM的微波光子混頻鏈路進(jìn)行研究，以期獲得足夠精確的仿真及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)低噪放對(duì)微波光子混頻鏈路性能的影響進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)估，為星載應(yīng)用提供有效的數(shù)據(jù)支撐。