基于光子技术的超宽带高隔离度收发系统

高　晖，王　翌

(南京电子技术研究所,　南京 210039)



基于光子技术的超宽带高隔离度收发系统

高晖，王翌

(南京电子技术研究所,南京 210039)

针对现有电环形器带宽隔离度有限的技术瓶颈，基于微波光子技术，通过光路射频对消方法，得到了频率2GHz～8 GHz，隔离度>35 dB的射频收发系统。相比传统电环形器，在多倍频程范围内将收发隔离度提升了近15 dB。文中详细论述了方案原理及实验结果，该成果可为同频率共天线射频同时收发系统提供新的解决方案。在连续波雷达性能提升、通信频谱资源扩展等领域具备重要应用价值。

微波光子技术; 超宽带; 隔离度; 收发系统

0　引　言

自雷达问世至今，更多的是以脉冲体制的雷达为主，其中一个重要原因是在收发共用天线的单站雷达中，收发隔离一直是限制连续波雷达应用和发展的主要因素[1-2]。首先，发射的强泄漏易引起中放饱和，乃至混频器或前置低噪放饱和；其次，发射机噪声泄漏至接收机将导致接收灵敏度下降；再次，泄漏信号的存在也会导致虚假多普勒信号的产生[3]。

因此，收发隔离一直是人们需要攻克的技术难题。特别是当“侦、干、探、通”一体化电子系统的概念提出以后，更宽的频谱覆盖范围、更复杂的电磁环境对射频系统提出了诸如带宽、灵敏度、动态范围等更高的指标要求。收发隔离问题的解决变得更为迫切。回顾近几十年来国内外相关的研究工作，分别从空间、时间、频率和相位差别上提出了多种解决收发隔离的方案[4]，典型的如：利用环形器或基于相位补偿对消的方法。然而，目前环形器的收发隔离度一般仅为20 dB左右，且宽带有限。基于相位补偿对消的方法在改善收发隔离度方面有一定的提升，但实际上也会影响到接收机灵敏度及其动态范围与带宽性能[5]。

为了在更宽的频率范围内获得更高的收发隔离度，人们开始尝试利用新的技术实现突破。其中，20世纪90年代中期提出的微波光子技术引起了研究人员极大兴趣[6]。20年来，微波光子技术凭借其巨大的带宽及灵活性已在射频信号的产生、传输、分配及处理等多方面体现出传统电子技术不具备的优势[7-9]。在美国国防部先进研究项目局支持下，美国PSI公司研究人员利用该技术在0.1 GHz～8 GHz内的某些频段实现了隔离度近30 dB的射频收发系统[10-11]。

本文对PSI公司的成果验证发现，该方案未能有效地解决在负载端口处因阻抗失配所发生的上行信号泄露问题，也即系统的带宽和隔离度均有较大提升空间。为了去除反射信号带来的负面影响，本文首次设计并实现了基于射频光路对消的同频连续波收发系统，理论分析及实验表明：本文的方案在带宽及收发隔离度等性能方面均获得了显著提升，基于带有两个负载端的双平行马赫-曾德尔调制器(DPMZM)实现对射频光路对消系统优化的方案，为基于微波光子技术实现更小型化、更大带宽、更高隔离度射频收发系统提供了思路。

1　PSI方案验证

PSI方案原理，如图1所示。上行信号从电光强度调制器的射频A端口输入，再经射频B端口输出至天线并被发射出去。而下行信号则经射频端口B输入至调制器，并对光信号进行强度调制。被调制的光信号经过光电变换后转换为射频信号，实现下行信号接收。

图1　PSI方案原理示意图

该系统的收发隔离度取决于上行信号和下行信号对光的强度调制能力的区别。根据电光强度调制器的工作原理[12]，只有当光的传输方向和射频信号传输方向相同时，射频信号对光的强度调制才是有效的。如果两个信号的传输方向相反，电光强度调制的能力将显著下降。在图1中，下行信号与光传播方向相同，故调制效率高； 而上行信号方向与之相反，调制效率低。故经过光电探测转换得到的射频信号主要由下行信号贡献，由此实现了上下行信号的隔离。

定义β为上行信号调制效率ηT与下行信号调制效率ηR之比，通过对调制器特性的理论分析可知，β可通过式(1)定量描述

(1)

式中：α为由电光调制器特性决定的参数；ω为射频信号角频率。根据式(1)可得上下行信号的隔离度随频率变化趋势ISO满足

(2)

取α=0.8，由式(2)计算得到的上下行隔离度随频率变化的趋势，如图2所示。可以看出，上下行隔离度在低频时表现很差，高频时有高于20 dB的隔离度，且频率越高，隔离度越好。

图2　PSI方案隔离度变化仿真结果

我们选用EOSPACE公司带双射频端口的带宽为10 GHz的铌酸锂电光调制器(器件结构示意图如图3所示)，按图4搭建了测试系统并进行了隔离度测试。

图3　双射频端口MZM内部结构示意图

图4　PSI方案隔离度测试系统示意图

测试时，调制器A端口接天线负载，上行信号自B端口进入，由A端口输出；下行信号自A端口输入，经电光调制变为光载射频信号后由尾纤送入光电探测器，完成下行信号的接收。

试验测得的系统收发隔离度随频率变化曲线如图5所示。

图5　基于PSI方案的上下行信号隔离度测试结果

图5中，隔离度随输入射频频率变化趋势的测试结果与理论分析结果基本一致。曲线出现多个波谷，隔离度最大点超过40 dB，而最差点仅约12 dB。分析认为，由于上行信号在调制器的端口B处会发生因阻抗失配所导致的反射，而此反射信号与光传播方向同向，使得反射信号对光的调制效率与下行信号对光的调制效率相同，使得下行信号与之难以区分，无疑会恶化收发隔离度。图6给出的曲线验证了我们的分析，从图中可以看出，在负载调整后，收发隔离度明显恶化。为了消除上行信号在负载端反射带来的负面影响，必须对上述方案进行改进。

图6　PSI方案负载调整后信号隔离度测试结果

2　基于射频光路对消原理的双调制器方案

如图7所示，在原有系统上引入第二个调制器，通过对消上行信号在天线负载端的反射提高系统隔离度。图7中，调制器电极上的射频信号共有三种不同成分：上行信号T，被天线反射的上行信号γT(γ为反射系数)，以及下行信号R。设定调制器的偏置点为90°，记调制器1输出光功率为P1，调制器2输出光功率为P2，分别用公式表示为

(3)

(4)

式中：β与式(1)定义相同；2δa为天线和匹配负载对上行信号反射能力的差异；2δb为光电调制器1和2的半波电压的差异；2δc为激光器1和2输出光强的差异。(注：2δa及2δc为试验可调量)。

图7　基于光路对消原理的双调制器宽带收发隔离系统框图

在下行端口，通过将两个调制器偏置在相反的线性点上，使得输出的调制光信号符号相反，PD的输出电流为P1和P2对应电流的差。利用式(3)和式(4)可得

(5)

对于式(5)，当接收到的下行信号为0时，有

(6)

对于式(6)，在理想情况下，δa=δb=0，可以调节图7中两个激光器光强的差异，使得δc=0，此时有I=0，也即上行信号泄露为0；对于非理想情况，δa和δb很小但均不为0，可以证明此时仍可调节δc，使得I≈0，即上行信号的泄露约为0。

对于式(5)，当接收到的下行信号不为0时，可在第二条光收发链路中引入光路延迟，调节其延迟量，将式(5)改写为

(7)

调节ΔΦ，必然存在某一时刻满足

(8)

在此情况下，式(7)可简化为

(9)

因为下行信号一般很弱，利用小信号下的泰勒级数展开，有

(10)

由式(7)和式(10)可推导系统的收发隔离度ISO为

|(2δa+2δb-2δc)γ|]2

(11)

由式(11)可见，在改进的方案中存在两个用于提升隔离度的试验可调变量，分别为负载匹配差异2δa和激光器功率差异2δc。本系统中由于存在着两个可调节参数，收发隔离度的提升可得到有效的保证。

3　基于射频光路对消原理的双调制器方案实验验证

3.1隔离度测试

为实现上行反射信号在宽带范围内有效对消，首先将两个调制器偏置在最佳线性点；然后，将其中一个调制器的偏置增大一个半波电压；最终，实现两个链路输出的射频信号等大反相。其在2 GHz～8 GHz范围内的相位关系，分别如图8a)、图8b)所示。

图8　链路输出射频信号相位

以链路1的下行链路为基准对矢网校准，校准后按照图7连接好系统，此时矢网测得的插损即为上下行信号的隔离度(已扣除下行光链路插损)。通过微调激光器光功率，调制器偏置点和可调光延迟线，实现2 GHz～8 GHz范围内的宽带光收发隔离，隔离度测试结果如图9所示。图中5个Mark点对应的值分别为：-39.2dB@3GHz，-46.6dB@4GHz，-41.3dB@5 GHz，-36.9 dB@6 GHz和-41.9 dB@7 GHz。

图9　光宽带收发隔离系统隔离度测试结果

3.2系统其他指标测试

为了评估该方案对系统性能的影响，我们进一步测试了上行链路插损以及下行链路的噪声系数。其中，上行链路插损的测试系统连接框图，如图10所示，下行链路噪声系数测试系统连接框图，如图11所示。

图10　上行链路插损测试系统连接框图

图11　下行链路噪声系数测试系统连接框图

此部分的测试结果如表1所示。

表1　系统上下行链路指标测试结果

从表1可以看出，上行信号的插入损耗随着频率变高而增大，在2 GHz≤f≤8 GHz频率范围内，上行链路的损耗均不超过8 dB。需要说明的是，上行链路的损耗主要由两部分组成：一部分来自于功分器的损耗，约3 dB；另一部分由电光调制器的特性决定。改善电光调制器的性能，可以降低上行链路的损耗。在实验频段范围内，下行链路的噪声系数满足Nf≤34 dB。该结果相比PSI相关产品指标略有恶化，然而这是因为改进方案包含有功率合成部分，该部分引入损耗，相应地抬高了噪声系数。若忽略这部分的影响，下行链路噪声系数可看作ROF链路的噪声系数，未有明显恶化。

3.3实验结果分析

分析上述实验结果，我们得出如下结论：

(1)PSI实验方案中上下行信号隔离度主要由电光调制器的特性决定。隔离度随频率变化遵照sin2(αω)/(αω)2的变化趋势，一旦电光调制器选定，该曲线的波峰波谷位置也随之确定。

(2)通过引入第二个调制器来对消被反射的部分上行信号能量，已能实现2 GHz～8 GHz全带宽范围内35 dB以上的收发隔离度(已扣除下行链路插损)，试验中的带宽指标仅受限于电功分器性能。

(3)上行信号经调制器会损失一定功率，图7的实验方案由于引入了功分器，对上行链路损耗带来了一定程度的恶化，也相应抬高了下行链路的噪声系数(约3 dB)。然而，图7的方案对消了上行链路的反射信号，在更宽的频带范围内获得了更大的收发隔离度，同时理论分析和实验测试结果均表明：改进的实验方案并未显著恶化信噪比。

4　基于双平行马赫-曾德尔调制器的方案

需要强调的是，本文第2、3节实现的宽带隔离主要由两个调制器输出的射频信号对消实现。因此，两个调制器的一致性越高，能达到的隔离度越高。在本实验中，调制器本身生产时的器件不一致性以及测试时射频输入端口连接的匹配负载的不一致性限制了整个系统收发隔离度的进一步提升。为此，我们提出使用DPMZM替代原有的两个电光调制器来获得更高隔离度的方案，如图12所示。

图12　带两个负载端的DPMZM结构示意图

该DPMZM由三个马赫-曾德尔调制器(MZM)构成，其中，两个MZM相互平行，分别嵌入到第三个MZM的两个臂上。通过设置第三个偏置BDC3使上下两个强度调制器反相，就可以对消上行反射信号，实现宽带高隔离度的收发组件。与原来的两个分立调制器相比，该方案具有如下优点：

(1)由于两个调制器位于同一个基板上，隔离度曲线的一致性更高，理论上能实现更大的收发隔离度；

(2)使用单一调制器，降低了外界环境温度和振动对原有两个不同调制器引入的差异，系统更加稳定；

(3)新方案可在原有基础上减少一台激光器、一个偏振控制器、一个波分复用耦合器和两个光衰减器，极大地降低了系统复杂度和器件成本，同时易于实现整个系统的小型化。

5　结束语

本文首次提出基于光载射频链路信号对消原理实现超宽带高隔离度射频收发系统的方案。理论分析表明该方案在提升系统收发隔离度方面具有多个调试自由度。相关实验结果显示，在2 GHz～8 GHz频带范围内获得了不低于35 dB的收发隔离度，相比传统电环形器，在多倍频程范围内将收发隔离度提升近15 dB。同时，系统上行损耗及下行噪声系数无明显恶化。本文讨论了基于DPMZM的优化方案，可在提升收发隔离性能、降低系统成本及复杂度方面发挥明显优势。本文的研究成果为同频率共天线射频同时收发系统提供新的解决方案，在连续波雷达性能提升、通信频谱资源扩展等领域具备重要应用价值。

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高晖男，1984年生，博士，工程师。研究方向为雷达固态发射技术。

Ultra-wideband and High Isolation TR Module Based on Microwave Photonic Technology

GAO Hui，WANG Yi

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039, China)

Common circulator has narrow bandwidth and low isolation. For these bottlenecks, we made an ultra-wideband and high isolation TR module using microwave photonic technology. The results showed the isolation of this module was higher than 35 dB in the frequency range of 2 GHz～8 GHz. Furthermore, the isolation was 15 dB higher than conventional ferrite circulators in multiple octave bands. This paper reported the basic principle and the relative experiment in detail. This system could enable an RF system to simultaneously transmit and receive through a single antenna on the same frequency channel. These schemes and the results showed in this paper can be referenced in the researches on the enhancement of continuous wave radar, as well as communication channels.

microwave photonics; ultra-wideband; isolation; TR module

国家“863”计划基金资助项目(2015AA8098086B)

高晖Email：sss_gaohui@126.com

2016-03-14

2016-05-19

TN958.94

A

1004-7859(2016)07-0062-05

·收/发技术·

DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.07.016