基于微波光子技术的一体化射频前端

周建伟，李建强，吕　强，张君毅，戴一堂，尹飞飞，徐　坤

(1.北京邮电大学 信息光子学与光通信国家重点实验室，北京100876；2.北京邮电大学 电子工程学院，北京100876；3.中国电子科技集团公司 航天信息应用技术重点实验室，河北 石家庄 050081；4.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)



基于微波光子技术的一体化射频前端

周建伟1，李建强1，吕强3,4，张君毅2，戴一堂1，尹飞飞1，徐坤1

(1.北京邮电大学 信息光子学与光通信国家重点实验室，北京100876；2.北京邮电大学 电子工程学院，北京100876；3.中国电子科技集团公司 航天信息应用技术重点实验室，河北 石家庄 050081；4.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

针对传统射频前端技术中电子器件在频率、带宽方面受限的问题，研究了基于微波光子技术的射频前端。介绍了微波光子技术在宽带、低损和灵活等方面的优势，分析了光学辅助本振产生、多频变换以及微波光子交叉连接等技术，提出了一种基于微波光子技术的一体化射频前端。这种新型的前端架构具有高频宽带、灵活可重构的特点，适应不同的射频体制，并且能够有效降低系统的体积、重量和功耗。

射频前端；一体化；微波光子学；变频；交叉连接

0　引言

在航空、军事领域，电子系统正在变得越来越综合化，诸如雷达、通信、控制等2种或以上的电子系统将会装备在一个独立平台上[1]。简单叠加会造成各个设备之间互干扰，而且系统分立使得天线、接收机和信号处理机无法共用，能量消耗和结构复杂度等大大增加，从而降低整个系统的性能。

因此，出现了借助软件无线电技术的综合射频系统，共用射频物理通道以及数字处理单元，通过软件编程在一套设备上实现系统功能的可重配置[2]。并且希望在增加功能的同时，降低设备的体积、重量和功耗，提高设备资源的利用率[3]。为了应对多种复杂功能，既要增加通信带宽，又要实现大动态、高镜频抑制的变频与射频交换，保证灵活、通用、可配置和可重构等性能，这就对射频前端的性能提出了很高的要求。本文综合国内外微波光子技术最新研究成果，借鉴软件定义和射频功能一体化的思想，提出了一种新颖的微波光子一体化射频前端的架构。

1　一体化射频前端与微波光子技术

1.1传统微波射频前端面临的挑战

传统的射频前端使用电子器件在处理高频、宽带信号方面的能力明显不足，对频率响应和电磁兼容等带来巨大挑战；也解决不了多通道、多频段、多功能的需求所带来的电子器件的数量增多，体积、重量、功耗均增加的问题。如何才能解决传统微波技术在高频、宽带等方面的问题，提供高性能的一体化射频前端，微波光子技术为解决这个问题提供了一个新的思路。

1.2微波光子技术

微波光子学是一门涉及微波与光子学的新兴交叉学科，主要研究微波与光波之间的相互作用机理[4]。微波光子技术充分利用光子学宽带、高速、低功耗、抗电磁干扰、频率响应平坦和并行处理能力强等优点来实现宽带微波信号的产生、传输、处理和控制[5]。

融合了光子技术和微波技术优势的微波光子技术已经成为了国内外的研究热点。光波作为信息载体，具有极高的时间—空间带宽积、高度的并行性和抗干扰性，在信息高速传送和处理时具有功率损耗低和干扰小等优点。利用微波光子技术可以同时产生多个低噪声的微波源，实现高频段、低损耗的频率变换，大容量、宽带信道交换等[6]。以此为基础的射频前端可以实现单纯微波技术和光子技术难以完成甚至无法完成的信息接收与处理，突破电域处理的“瓶颈效应”。

1.3微波光子技术实现本振产生

本振源是电子系统必不可少的模块，为系统中的各种发射机、接收机、参考源和微处理器提供频率参考。传统的本振源如晶体振荡器和介质谐振腔振荡器等只能提供低频本振，更高的频率需利用倍频手段，而倍频过程会使相位噪声翻倍、体积笨重，信号衰减也很大[7]。

微波光子技术一方面相对纯电子技术可以产生更低噪声的微波源。例如，OEwave公司的光电振荡器(OEO)可实现10 GHz载频-170 dBc/Hz @ 10 MHz的超低相位噪声[8]。另一方面，利用光频梳等技术可以以单一结构产生多个频率的射频本振，具有集中控制、高效率的优点[9]。因此可以利用一套设备产生多个通道、多个频率的光载本振，辅助实现多通道、多频段的微波光子变频，满足一体化设备的发展需要。

1.4微波光子技术实现多频变换

传统的微波混频器难以处理高频段射频信号的变频要求，在处理多频段射频时容易出现频段间串扰、镜频干扰和本振泄露等问题。为避免镜频干扰，通常使用多次变频，但多次变频会严重降低系统的动态范围和变频效率[10]，同时需要大量的本振源和混频器等射频器件，会大幅增加系统的成本、复杂性、体积、重量、功耗和电磁干扰等。

而微波光子技术利用电光调制器将微波信号与本振信号在光域内进行混频，只需一次变频即可获得中频信号。电光调制具有超过40 GHz的带宽，可支持L～Ka内7个频段的频率变换，且光域变频由于载频极高，无需多级变频来避免镜频干扰[11]。电光混频将射频与本振之间的连接用光路隔开，从而无本振泄露，提供极高的隔离度。另外，微波光子变频可与光波分复用(WDM)兼容，从而易实现多频段[12]、多信道同时并行变频[13]。

1.5微波光子技术实现交叉连接

传统的技术中机械开关体积庞大、笨重，并且切换速率慢；半导体开关在插损、直流功耗、隔离度、功率处理能力以及交叉调制方面表现不足[14]。而一体化设备需要同时处理多天线、多波束的信号，电子开关明显出现带宽不足的现象，另外，电子开关的电磁兼容问题也不可避免。

微波光子技术将射频调制到光波上构成光载射频信号，利用光学开关根据波长实现对光载射频信号的灵活路由和快速切换。光开关相比电子开关具有THz级的无可比拟的宽带优势和平坦的频率响应特点，可提供极高的交换容量。同时在光上实现射频的切换提供可达-70 dB的极低通道间串扰。与电交换矩阵相比，光学交换矩阵能够提供更高的射频隔离度，且体积小、功耗小、重量轻。

2　微波光子一体化射频前端的设计

2.1微波光子一体化射频前端的总体架构

基于微波光子本振产生、多频变换和交叉连接等相关技术，本文提出了一种新型的微波光子一体化射频前端架构。该前端能够实现本振、通道资源的共享，具有对任意波束、任意频段、任意带宽射频信号的变频与路由的能力，一套设备应对不同的功能需求，方便集成，适合星载、舰载等体积、重量、功耗受限的情景。

一体化射频前端总体结构如图1所示。微波光子一体化射频前端包括射频通道、多通道光载本振、微波光子变频模块、微波光子交换网络以及中频通道等部分。该前端同时支持多个通道的射频信号的变频与交换处理，输入为射频信号，输出为中频信号(下面以接收通路为例介绍射频前端)。射频通道连接天线单元，输入输出多路多频信号；多通道光载本振部分能够产生多通道的光载本振信号，每个通道均能覆盖多个频段的本振。射频信号经过光调制与光载本振在微波光子变频模块进行拍频实现低损伤下变频。微波光子网络利用光学交换矩阵对变频后的光载信号实现宽带、大容量、可重构的信号交换。中频通道利用光电转换成统一微波中频，连接交换网络与后端的数字处理单元。

图1　一体化射频前端总体结构

2.2关键技术分析及设计

2.2.1微波光子多通道本振的设计

阵列波导光栅(AWG)基于不同波长的光相互间线性干涉的基本光学原理，同一光纤携带多个通道不同波长的光信号，对信号具有透明性。既可以将多个通道的光复合入单一光纤中，也可以将不同的光重新分离出来。

一种采用cyclic AWG(循环移位阵列波导光栅)分配本振实现共享的设计方案如图2所示。

图2　微波光子多通道本振

M×N个激光源经过M个波分复用器形成M个光载复用信号(每一路光载信号均由N路光信号复用得到)。每一路复用信号使用电光调制器(EOM)调制一种射频本振，使得每一路复用信号均载有相同的本振。cyclic AWG具有循环移位的功能，即每个输出端口的信号来自不同的输入端口，也就实现了每个输入端口相同的光载本振分配至不同的输出端口。如此一来，每个输出光载本振信号是M个频段本振的复用，也就支持实现同一通道对M个不同频段的射频信号进行混频的需要，达到本振共享、通道共享的目的。

2.2.2微波光子变频模块的设计

利用微波光子宽带的特点，设计支持多通道、多频段的混频，能够克服传统的微波混频方式不同的频段间无法共用变频器件的问题，使得一套变频设备可以不支持多个频段的变频。一种多通道下变频的微波光子变频结构如图3所示，射频信号经过调制器调制到光载波上与多通道光载本振耦合，进行拍频，最终经过光电探测器(PD)输出中频电信号。输入的光载本振信号为多个通道多个频段，即可支持多个通道不同频段射频输入信号的变频。

图3　微波光子变频模块

电光调制器可以选用Mach-Zehnder调制器(MZM)和相位调制器(PM)等，使用不同的级联结构和光学器件，光学混频的各项性能指标诸如相位噪声、隔离度和稳定性等方面存在差异。具体设计中应综合考虑器件指标、环境影响与使用场景做出选择。

2.2.3微波光子交换网络的设计

构建一个大型的光开关阵列需要考虑的因素包括：需要子开关模块的数量(直接影响成本)、损耗一致性(指光从输入口经不同路径到达输出口其损耗相当)、光路交叉点数量以及阻塞特性。

一种方案是采用当前最为成熟的MEMS光开关设计具有可重构功能的光子射频交换模块，MEMS光开关具有快速(毫秒级)、工艺成熟和大规模矩阵等优势。采用光学MEMS开关和光分路器设计具有可扩展的多端口输入输出的交换矩阵，如图4所示，交换矩阵由1∶N分路器和N×1光学MEMS开关阵列连接组成，通过任一分路器与任一MEMS开关连接，可以实现任一输入端口与输出端口相连通。光开关在信号隔离度、带宽上具有极大的优势，等效RF隔离度将达到约100 dB，且在工作频率范围内的一致性非常好。

另外，Polatis的压电直连光切换技术(Piezoelectric Directlight Beam-Steering)[15]制作的矩阵光开关也有很大优势。由于采用压电陶瓷控制技术，比机械控制的光开关稳定度高，光直连切换使得输入输出损耗很小(约1 dB)，能够支持4×4～1 024×1 024的光交换。

图4　基于光学MEMS技术的微波光子交换网络

2.3微波光子一体化射频前端的优势

基于微波光子技术的一体化射频前端的具有如下优势：

① 宽带大容量。光信号具有超过50 THz的宽带，采用微波光子的变频和交换技术，核心交换单元在光上实现，能够充分发挥光学辅助手段的宽带优点，使得射频前端具备很大的信号带宽。

② 支持通道资源共享。微波光子技术引入波长这一自由度，基于波分复用技术产生共享本振，可以方便地实现多通道、多频段变频。本振共享、多频段同时变频，大大提高了资源的利用率，降低了一体化射频前端的体积和功耗等。

③ 动态可重构。微波光子频率变换技术具有多频段的变频能力，光学交换矩阵也能够根据指令实时配置波长路由选择开关的交换规则与信号带宽，再配合强大的后续数字处理便可实现功能的重构。满足多功能、多频段的前端信号处理需求，实现电子系统的一体化。

④ 兼容带通采样。一体化射频前端支持多通道、多频段的射频信号变频，不需要对每个通道均配置数字处理器，通过动态可重构的射频交换共用数字处理单元。如此便可兼容带通采样技术，以低性能的ADC处理宽带、高速的射频信号，使轻量的一体化设备也具备处理复杂信息的能力。

3　结束语

面对通信、电子战给射频前端带来的巨大压力，微波技术精细、灵活和光子技术宽带、低损的优势相结合，使得实现多波束、多频段(尤其是高频)、多端口的一体化射频前端成为可能。微波光子一体化射频前端能够解决射频前端在信号宽带和隔离度等方面的问题。基于波分复用技术共享射频通道，实现宽带大容量、多频段射频信号的低损伤变频与高隔离度、大宽带射频交换，并且大大降低尺寸和功耗。

但是另一方面，整个研究尚处于实验室阶段，无法直接产业化。光链路对时延和抖动敏感，需要严格的相位与非线性的补偿，普遍使用的商用光子、微波器件集成化还比较低，没有体积小、易集成的光频梳等器件。

展望未来，随着光子集成技术与微波光子学的不断发展，科研人员能够最终解决以上难题，构建出高性能的射频前端，支撑雷达、卫星和电子战等系统的一体化建设。

[1]孙绍国,盛景泰.舰载雷达与电子战一体化的现状及发展[J].电讯技术,2005(6):1-5.

[2]王晓海.软件无线电技术在卫星系统中的应用[J].现代电信科技,2006(10):25-32.

[3]袁兴鹏,陈正宁.基于软件无线电的雷达电子战系统设计研究[J].电子设计工程,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]杨心武.基于微波光子技术的综合射频系统及其应用研究[D].北京:北京邮电大学,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]蒋天炜.大动态范围微波光子下变频技术研究[D].北京：北京邮电大学,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.

周建伟男，(1991—)，硕士研究生，光学工程专业。主要研究方向：微波光子交换与微波光子射频前端技术。

李建强男，(1983—)，副教授，博士生导师。主要研究方向：微波光子学在光纤无线融合、天地一体化网络和物联网等。

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

国家自然科学基金资助项目(61431003，61302086，61401411)；中国电子科技集团公司创新基金资助项目；中国电子科技集团公司航天信息应用技术重点实验室开放课题资助项目。

TN856

A

1003-3106(2016)09-0006-04

引用格式：周建伟,李建强,吕强,等.基于微波光子技术的一体化射频前端[J].无线电工程,2016,46(9):6-9,14.