基于微波光子的灵活有效载荷系统研究

吕　强，孙亨利，张安旭，黄宁博，李建强，徐　坤

(1.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；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；3.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)



基于微波光子的灵活有效载荷系统研究

吕强1,2，孙亨利1,2，张安旭1,2，黄宁博1,2，李建强3，徐坤3

(1.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；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；3.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)

目前卫星载荷的设计寿命一般在15年左右，期间通信技术已发生了日新月异的变化。现有多频段、多波束卫星在入轨以后，其单端口的技术状态基本固定，一旦投入使用，针对不同波束业务需求，难以灵活地对卫星工作频率和带宽等资源进行重新分配。针对传统微波技术在多频段通用、可重构的技术瓶颈，探讨宽可调谐本振及分发技术、全光变频技术、光控波束形成技术和射频光交换技术等关键技术在一体化、通用化和在轨可重构卫星转发器方面的潜在应用价值。

灵活有效载荷；一体化；微波光子

0　引言

卫星有效载荷是各种军事和民用信息处理的中继，在未来需要承载各种军事和民用信息的处理和传递，包括：电子侦察、预警、定位、导航、气象和各种多媒体业务通信等[1]。此外，由于不同国家和地区采用的通信体制不同，现有通信载荷中大量组件都需要单独设计，通用性很差。如果继续采用传统的单一波段、单一功能、单一体制的射频技术和系统，上述多功能集成将是多种电子装备简单叠加而成的多功能的系统或体系，带来大体积、超重量和高功耗等一系列问题，造成电子信息平台无法在卫星有效载荷这一特殊环境中实现。

欧空局为了提高其在国际市场的竞争力，萌发了“灵活有效载荷”的概念：① 波束覆盖的灵活性；② 频率规划的灵活性；③ 发射功率的灵活性；④ 路由颗粒度的灵活性；⑤ 可利用软件再定义电子设备功能。然而，随着未来军用及民用侦察、干扰、探测、通信等使用的频率覆盖范围的扩大，信号参数多变，信号形式也日益复杂，各种信号的传输、交换、处理和调度变得尤为复杂。未来新型卫星载荷需要更苛刻的多频段、多功能综合处理能力和资源管理功能，而传统的电域处理已经遇到信号处理频段、带宽和灵活性等问题。

微波光子技术的发展使人们意识到：依赖其宽带、低损优势，微波光子技术将成为新的模拟信号处理平台[2]。光巨大的带宽以及光波导(尤其是光纤)超低损耗的传输，是其实现通道一体化的物理保证。光纤的损耗只有0.2 dB/km；光载波的频率在1 550 nm处接近200 THz，因而几十GHz的带宽在射频波段看来是超宽带，在承载到光载波之后成为窄带信号。微波光子技术在针对超宽带射频信号的传输和处理等关键技术方面，已经表现出优异的、超越传统射频信号处理技术的性能。

本文针对传统微波技术通用、可重构的技术瓶颈，论证基于微波光子的一体化、可重构卫星转发系统架构，探索宽可调谐本振及分发技术、全光变频技术、光控波束形成技术和射频光交换技术等微波光子技术的潜在应用价值。

1　卫星有效载荷发展趋势

1.1波束数量、工作频段不断增多

当前宽带卫星系统大都采用多点波束，相对传统的宽波束而言，点波束可以使波束能量更加集中，并且通过波束间频率复用可使系统容量大大增加。此外，为了适应卫星移动通信、话音、广播电视和宽带等不同的业务需求以及可灵活地分配星上资源，需要未来GEO等骨干载荷具有多频段处理能力。在民用上，不仅可方便地利用卫星的多种频率资源，获得更大的业务灵活性，而且在不同雨衰条件下，多频段备用手段可保证系统工作的可靠性。在军事上可按需求为作战单元提供频率可变的、基于任务的军用和商用连通能力，支持数据、图像、视频和话音通信。

1.2不断向高频化、宽带化发展

近年来随着网络技术的飞速发展，宽带已经在很大程度上融入我们的日常生活。而宽带业务和应用的爆发式发展，尤其是“物联网+”概念的提出，反过来促进了宽带卫星技术的发展。目前传统的波段频率资源已近枯竭，且可用带宽仅有500～600 MHz，还远不能满足大容量传输的需求，而更高的Ka频段频率资源丰富，可用带宽高达3.5 GHz，是理想的宽带卫星通信波段。

1.3可根据地面需求实时在轨重构

现有多频段、多波束卫星在入轨以后，其单端口的技术状态基本固定。一旦投入使用，针对不同波束业务需求，难以灵活地对卫星工作频率、带宽等资源进行重新分配。然而在卫星使用期间，业务的不断改变，甚至轨道位置或归属权的改变，都需要卫星的工作频率、处理带宽做出相应调整。目前卫星载荷的设计寿命一般在15年左右，而此期间通信技术已发生了日新月异的变化，传统卫星通信载荷难以适应通信技术的发展速度。

1.4透明转发与处理转发的混合柔性转发

转发器分为透明转发器与处理转发器。透明转发器便于适应不同的用户体制和组网要求，具有简单和灵活的特性。处理转发器具有星上接收信号再生、动态调整并有效地利用系统容量、建立星际通信链路实现卫星星际联网等优点。计划中的大部分系统将采用星上处理和交换，以提高频谱和卫星资源的使用效率。但处理转发器复杂程度高于透明转发器数个量级，同时在极高频率下，星上处理在目前技术水平下实现也较为困难，从经济和技术的角度推测，在今后一段时期内将呈现透明转发器和处理转发器构成混合载荷的发展趋势。

2　微波光子技术国外发展现状

2.1美国

美国DARPA从2000年开始有计划、成体系地开展了基于微波光子的综合、一体化射频前端技术研究，覆盖了微波信号产生、传输、处理和控制等方面，形成了从基础机理到系统应用的完整发展规划[3]。系统性地开展了一系列课题研究：模拟光信号处理(AOSP)、超宽带多功能光子收发组件(ULTRA-T/R)、可重构的微波光子信号处理器(PHASER)、大带宽光子带宽压缩技术(PHOBIAC)、高线性光子射频前端技术(PHOR-FRONT)、适于射频收发的光子技术(TROPHY)、适于射频收发的光子技术(TROPHY)、光子型射频收发(P-STAR)和光任意波形产生(OAWG)。

2012年美国Harris公司提出了一种宽带通用软件无线电平台，可以对执行的任务在轨重配置，大大增加了载荷应用的灵活性。值得注意的是，Harris公司在提出的架构中采用了微波光子变频器来提高射频前端的宽频带适应性和模拟信号处理性能[3]，并完成了PCI板卡式的小型化集成封装，如图1所示。

图1　PCI板卡式的微波光子混频器

研制的微波光子变频器具有4 GHz的瞬时带宽，射频覆盖至45 GHz以上，变频损耗小于15 dB，杂散抑制出色，能够同时满足地面站和空间应用。Harris公司已经在地面站的应用演示中证明了传输一定距离后的高频模拟信号经过微波光子变频器，能够直接下变换后使用数字接收机成功接收。

2.2欧洲

多频段、多波束的通信卫星载荷(包括多频段转发器和多波束天线)也属于一体化射频系统的范畴。欧空局(ESA)在基于微波光子技术的新型卫星载荷方面进行了大量的研究。针对提升星上数据交换能力，ESA开展了以光子技术为基础的Optical Technologies for Ultra-fast Signal Processing on Silicon Platforms(OTUS)计划，目的在于实现一种能支持Tb/s级容量的交换技术，以支持星上包交换和突发交换应用。该交换载荷计划可承载100个子波束，具有ns级交换延时。

针对多波束的大容量通信卫星信号处理能力，ESA进行了微波和数字信号的光学处理(Optical Handling of Microwave and Digital Signals)项目研究，主要利用微波光子技术完成卫星转发的功能，如图2所示。该结构已经实现了Ka波段到C波段的下变频、26 GHz范围内可调的本振产生、4×4无阻塞光射频交换矩阵的射频转发。目前欧空局已经完成了系统级的地面演示验证试验，并即将进行在轨实验。在这些应用中，涉及到光生微波技术、光子射频变频技术和光子射频交换技术等典型的微波光子技术。

图2　欧空局基于微波光子的卫星透明转发器地面演示系统

3　面向灵活有效载荷的微波光子关键技术

3.1宽可调谐光生本振及分发技术

本振是卫星通信转发系统中必不可少的射频器件，为各波束接收通道、发射通道提供本振频率源。由于卫星通信向多制式、多频段方向发展，往往需要多个、不同频率本振源。基于传统微波技术的本振源仅能前置于射频端，因此造成整个系统的体积重量功耗大大增加。

基于光学方法产生本振源不仅可以实现宽带可调谐，并可利用光纤低损、轻柔的特点实现光生本振的中心化、集中共享和大范围分发。大量关于光生微波技术的方法、方案被论证和报道。各种光生微波方法和方案基于原理的区别可大致分为光倍频技术、光电振荡环技术和光学差频技术等。

最简单的光倍频法[5]是通过马赫曾德调制器的非线性原理，将调制到光波上的微波信号产生多个边带，再利用这些边带的差拍产生倍频信号。由于光边带具有完全项目的随机相位，因而相位差异导致的差拍噪声影响被抵消，进而产生高纯谱的微波、毫米波信号。

使用光外差的方法产生射频本振信号[6,7]，在原理上比较简单，即使用2个激光器，输出光波之间的频率差为所需射频本振信号的频率。2个光波同时被1个光电探测器接收，在光电探测器上差频，输出的电信号就是所需要的本振信号。光外差法产生的信号频率只受到光电探测器响应带宽的限制。而且2个光波的功率都能转化为射频信号的功率，所以光外差系统产生的射频信号有着较好的信噪比。光外差法产生射频信号实现的关键与难点在于如何获得2个稳定的光波。如果使用2个独立的激光器作为光源，要产生稳定的射频信号是比较困难的。光学相位锁定技术光注入锁定技术被广泛地使用。

光电振荡器(OEO)[8]通过微波和光器件组合成光电混合结构的振荡环路实现自注入锁定，光纤环路产生时间延迟，用来获得产生低噪声高质量的信号所需的品质因素。不过这种早期的OEO存在光纤长度过短则相位噪声较高，光纤长度太长则起振模式间隔太密的矛盾，为了解决这一问题，人们又提出了同时使用长光纤和短光纤形成双环路OEO的结构来降低相位噪声的方法[9]。在这种双环结构的OEO中，起振的模式间隔由短光纤环路决定，相位噪声则由长光纤环路决定，双环振荡器可以得到模式间隔大且相位噪声低的振荡信号。基于锁模激光器与OEO的耦合的锁模振荡器(COEO)[10]，以锁模环路作为选模谐振腔，这种结构的OEO具有锁模激光器光源和OEO的双重功能，微波信号具有极低的相位噪声。

3.2全光变频技术

频率变换模块是通信卫星载荷中重要组成部分。卫星要实现与地面的双向通信，需将上行频率变换至下行频率，以避免信号间的干扰。随着通信容量的增加，卫星通信频段覆盖L、S、C、Ku和Ka等多个频段，尤其是随着现代卫星通信的频段提高至Ka波段以上，微波混频器变频带宽难以覆盖所有频段，且各个射频端口之间隔离度差，混频易出现杂散频率分量；采用先下变频处理后再上变频的多级变频处理方式会造成系统动态范围降低。

基于光学混频的频率变换技术[11]具有宽带和端口间隔离度高等优点，且能够直接单级变频，避免多级变频导致的动态范围降低。目前已有微波光子混频方案主要采用外调制方式，根据调制器的位置结构分为调制器串联型和调制器并联型。调制器串联时会产生很多杂波分量，这就要求系统采用高性能高带外抑制比窄带滤波器来滤除杂波分量，而现实中的滤波器并不理想，很多杂波分量都会残留，导致PD输出的拍频结果出现大量干扰，给接收机对信号的识别和解调带来困难，并对其他频点的信号造成干扰。而调制器的并联结构在不增加调制器的基础上，明显减少了杂波。同时通过在上下两光路引入光滤波器可进一步减少无用光谱分量，降低变频系统杂散。同时结合波分复用技术，提供了多通道并行变频和完全分离的功能。该方案可通过几个承载不同本振频率的光载波通过WDM系统并入同一根光纤，使用一个电光调制器实现并行下变频，大大简化了系统结构。

3.3光控波束形成技术

目前许多应用卫星设计寿命可以达10年以上。而用户数量及业务需求却以日新月异的速度在变化。因此，对卫星载荷及天线系统提出了可在轨动态重构的技术要求。另外一些特殊的应用场景，也要求相控阵天线实现在轨重构，重新修改卫星波束覆盖参数。然而，传统相控阵天线采用电相移器来实现波束的扫描，存在体积大、质量大、传输损耗高和易受干扰等不足，尤为重要的是由于受孔径效应与渡越时间的限制，无法实现大宽带波束控制，阻碍了其在星上实现高频段多波束扫描的应用。光控波束形成技术[12,13]采用光纤或集成光波导结构的光延时网络，可使光载微波信号获得真时延。

较为成熟的光控波束形成主要有基于光纤物理长度延时和色散机制延时两种。

① 基于光纤物理长度机制的光纤延时技术己经逐步进入了工程应用阶段。然而随着雷达工作频率的增加，所需的延时分辨率也越来越高，基于光纤物理长度的延时技术需要进一步减小最短光纤长度，同时对光纤的切割精度提出了更为苛刻的要求。

② 色散光纤延时(尤其是以高色散系数光子晶体光纤为传输介质)和光纤光栅延时(布拉格光纤光栅、惆啾光纤光栅等)均是基于色散机制的延时技术，这些延时线的延时分辨率和系统性能相对于物理长度延时方案有了进一步的提高。然而，基于色散机制的延时技术为了实现高的延时分辨率，通常需要大范围、快速、连续可调激光光源或需要附加温度、应力等调谐控制装置，而这将大大增加微波光子波束形成系统的复杂程度和成本。

基于集成波导微环谐振腔延时特性的光真时延技术[14]是目前国际较为前沿的微波光子波束形成发展方向。波导微环谐振腔利用其对光波的谐振效应，可使光波在微环谐振腔内往返多次传输从而对光波产生一定的延时，通过合理设计微环谐振腔结构和级联数目可以达到对延时量的良好控制。该方案采用先进的光刻技术，其延时分辨率可以达到ps量级，这一精度有望满足越来越高的雷达工作频率要求，同时利用光子集成技术可将调制器、光延时线和光电探测器等集成到同一芯片上，可进一步减小光延时系统的体积，降低功耗，提高系统性能。其优势有望在微波光子波束形成技术领域发挥重大作用。

3.4射频光交换技术

通信卫星使用波束天线形成多个点波束实现对整个服务区的覆盖，点波束能够有效地提高卫星天线增益，在各波束之间通过频率的再利用，实现任一点波束区域的用户信息与其他波束区域的用户信息进行交换。在今后一段时期内，卫星通信载荷将呈现透明转发器和处理转发器共存的发展趋势。微波矩阵由于体积、重量过大，隔离度实现困难，很难适用于星上环境。基于微波光子技术的卫星转发器概念最早由欧空局在SAT’NLIGHT 计划中提出。由微波光子技术实现的低噪声射频前端将天线接收的射频信号调制到光载波上，通过光下变频后进入光交换模块，完成交换后再进行光电转换，通过射频发射模块传输。由于光信号在光纤传输过程中几乎不会产生串扰，因此隔离度明显优于传统射频开关系统。

微波光子技术采用光学开关矩阵实现射频信号在转发系统输入和输出端口间的交叉连接和切换[15]。采用光学开关矩阵完成射频交换的方式，任意功能组的信号可以上变频到任意频率，且可以被路由到任意一条链路输出去或同时发送到所有链路，实现多种频率和功能重构组合，具有极大的带宽和频率平坦性，且射频信号间具有极高的隔离度，不会给射频信号造成非线性和相位噪声的恶化。此外，采用光子射频交换，利用光的宽带、低串扰特性，其高频、带宽不受限，可实现射频的大容量交换。

4　结束语

本文面向空天地一体化重大战略需求，结合未来通信卫星载荷向多频段、多波束、灵活可重构的通用卫星转发器发展趋势，针对传统微波前端技术遇到的通道一体化、处理一体化、转发粒度可配置等问题，探讨了宽可调谐本振及分技术、全光变频技术、光控波束形成技术、射频光交换技术等关键技术在通用、可重构一体化射频通道的潜在应用价值。

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吕强男，(1982—)，博士，高级工程师。主要研究方向：微波光子技术和无线光通信技术。

孙亨利男，(1986—)，硕士，工程师。主要研究方向：微波光子技术和无线光通信技术。

Microwave Photonic Technologies for Flexible Satellite Payloads

LV Qiang1,2，SUN Heng-li1,2,ZHANG An-xu1,2,HUANG Ning-bo1,2,LI Jian-qiang3,XU Kun3

(1.The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China;2.KeyLaboratoryofAerospaceInformationApplications,CETC,ShijiazhuangHebei050081,China;3.StateKeyLaboratoryofInformationPhotonicsandOpticalCommunications,BUPT,Beijing100876,China)

Normally a communication satellite payload has a lifetime of 15 years,and over such a long period of time the communication technologies have evolved rapidly.Commonly,after the multi-beam,multi-band communication satellite payloads flying into orbit,the technical configuration of the RF port is fixed,and the radio system cannot dynamically adapt to different operational needs.Based on the bottleneck of traditional microwave technology for multi-band,reconfigurable signal processing in electronic domain,this article presents an overview of the microwave photonic techniques such as optically generated local frequency and distribution,all optical frequency conversion,photonic true-time delay beamforming as well as microwave photonic switching,and discusses their potential applications in development of multi-band,reconfigurable satellite payloads.

flexible satellite payload;integrated;microwave photonic

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.09.03

2016-05-28

国家自然科学基金青年基金资助项目(61401411)。

TN29

A

1003-3106(2016)09-0010-05

引用格式：吕强,孙亨利,张安旭,等.基于微波光子的灵活有效载荷系统研究[J].无线电工程,2016,46(9):10-14.