微波超低相噪光電振蕩器的實驗研究?

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

強雜波下檢測低空慢速、小型、隱身目標是現代先進雷達必須面對的挑戰。隨著大型數字陣列雷達的信號合成效應、大動態接收機、高分辨A/D技術發展,雷達系統頻率源相位噪聲逐漸成為檢測強雜波下慢、小、隱目標的性能瓶頸。對于大型數字陣列雷達,相位噪聲甚至影響超遠程探測距離。因此,進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,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源的工作頻率相對較低,合成到微波頻段會大幅惡化,目前發展的高頻晶體振蕩器也是以犧牲相位噪聲為代價。隨著微波和光學技術的迅速發展,形成了一門新交叉技術領域——微波光子學(Microwave Photonics),作為微波光子學的典范應用,微波光電振蕩器(Opto-Electronic Oscillator,OEO)將是一種新穎的、有發展前途的高質量微波信號源,將是振蕩器領域的革命性突破,對未來雷達技術的發展產生深遠的影響。

1 工作原理

光電振蕩器的基本原理是構建基于光電混合的時間鑒相反饋環路(即光與微波的復合諧振腔),當環路滿足反饋幅度增益和相位起振條件時,將形成自激振蕩[1-2]。與傳統電子合成器相比,高性能光電振蕩器相位噪聲指標將提升兩個數量級以上,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于-140 dBc/Hz@10 k Hz,同時,光電振蕩器還具有如下優點:低相噪性能與振蕩頻率無關,振蕩頻率高(頻率范圍可覆蓋1～100 GHz),調諧范圍寬、速度快,振動敏感性低(10-12/g)。因而,光電振蕩器是一種不同于傳統振蕩器的新型振蕩器,有學者稱之為“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式[3]為

式中,f m為相對于振蕩器振蕩頻率的頻偏,τ為環路延遲時間,為振蕩器的噪聲信號功率比,ρN為從放大器輸入端進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,簡化式(1)可得

由式(1)和式(2)可知:系統相噪與光纖延時的二次方成近似反比關系,光纖延時與光纖長度成正比;因此,增加長光纖長度,可以有效降低系統相噪。

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為光反饋回路時延。為獲得高頻譜純度,實現對其他周期頻率的抑制,采用雙回路法對其他頻率進行抑制,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

從分析結果來看,環路中各部件的低噪聲(特別是光電調制器噪聲)、環路高增益和環路等效長時延是實現光電振蕩器低相位噪聲的有效技術路徑。由于長時延將帶來更小間隔的頻率模糊度,因此環路中微波濾波器的選擇特性是技術難點之一。

2 實驗研究

國外對于微波光電子技術在軍事上應用研究已開展近30年,相關概念和理論體系已基本建立。美國加州理工學院和NASA共管的噴氣推進實驗室(JPL)對高穩定寬帶光電振蕩器進行了深入研究,取得了一系列的成果,已獲得50多項微波光電方面專利,研發的X波段光電振蕩器頻偏10 k Hz處的相位噪聲可達-145 d Bc/Hz,價格極其昂貴,核心技術保密,加拿大、法國的研究機構也對光電振蕩器開展了研究工作但尚未見實用化產品的報道。

國內在微波光電技術領域的研究起步相對較晚,十年不到,但成績斐然,特別是低相噪頻率源超遠程傳輸和微波光電接收機,已實現工程化應用,而微波光電振蕩器尚處于實驗室研究階段,近年我們加快了研究開發工作[5],期望為下一代高性能雷達提供高性能微波源,實驗平臺如圖3所示。

圖3 微波光電振蕩器實驗樣機

主要技術創新點有:采用雙長光纖延時回路和低噪聲光電調制技術,實現低雜波和低相位噪聲,并采用微波移相實現振蕩頻率控制,環路中內插光電放大器實現環路高信噪比,環路濾波器采用高選擇性諧振腔帶通濾波器,帶寬為20 MHz。振蕩頻率設計在10 GHz,雜波抑制優于70 dBc,相位噪聲優于-120 dBc/Hz@1 k Hz,-128 dBc/Hz@10 k Hz,如圖4所示。

圖4 微波光電振蕩器實驗研究結果

結果對比如表1所示。

表1 微波光電振蕩器實驗結果對比

對比情況來看,光電振蕩器噪聲基底,即遠載頻相位噪聲較傳統高性能電子頻綜器有極大的性能優勢,而近載頻相位噪聲較傳統高性能電子頻綜器的性能有待進一步提高,主要原因是光電器件的溫度特性漂移較大。實驗樣機與美國OE-wave公司光電振蕩器近載頻相位噪聲性能近似,而遠載頻相位噪聲差距較大,說明兩種振蕩器在存儲時間尺度上近似的,只是美國OEwave公司采用了光學微腔,可能光學微腔的損耗較光纖更小,從而環路等效噪聲更低。

3 值得研究的若干問題

從實驗研究結果來看,雙回路微波光電振蕩器具有優良的相位噪聲特性和雜波性能,工作狀態穩定,但樣機尺寸較大,同時寬溫存在慢速漂移現象,主要是長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,微波光電振蕩器的頻率控制也是未來技術難點[6]。

(1)光學微腔

微波光電振蕩器采用頻率-時間鑒相原理,長光纖延時容易受溫度的影響,穩定性差,同時體積較大,難以集成。使激光束在可控、約束的光學微腔內(即光學回音壁模微腔)反復折射實現可控延時將是實現高性能微波光電振蕩器的有效方法,目前,中國科技大學等單位已開展類似的工作。

(2)鎖相頻率控制

微波光電振蕩器采用時間鑒相原理,應用于雷達系統,原理上存在頻率精準控制、慢速漂移和相位同步問題,因此在光電振蕩回路中可附加鎖相反饋相位控制,與基準源實現鎖相同步,可充分發揮微波光電振蕩器遠載頻超低噪聲特性和雷達基準源的頻率精準度和寬溫穩定性,應是微波光電振蕩器應用于雷達的主要方案。

(3)光電器件寬溫穩定性

光電器件,特別是激光發生器和光放大器,寬溫穩定性是微波光電技術目前普遍問題,限制了微波光電技術應用與發展,是微波光電的基礎技術,隨著新材料、新工藝、新技術在激光發生器和溫度控制方面的應用。

(4)超低相位噪聲的測試

相位噪聲測試儀器均存在相位噪聲基底,即存在殘留噪聲,同時測量精度與測量積累時間相關聯,目前,先進的相位噪聲測試系統(如安捷侖E5052A+5052B)測試對象是傳統頻率合成器,而微波光電振蕩器相位噪聲較傳統高性能頻率合成器提升兩個數量級以上,因此常規的測試方法和測試儀表已無法滿足光電振蕩器的測試,如何對超低相位噪聲微波光電振蕩器進行有效測量是一個值得研究的課題。

4 結束語

微波光電振蕩器是頻率源領域一次重要技術革命,其高頻率、低相位噪聲特性具有極大技術優勢,目前我們已完成基于雙回路原理樣機的研制,雜波抑制達70 d B,但穩定性有待進一步提高,其中光學微腔是未來關鍵技術。每一次新材料新技術的誕生必將給相關應用領域帶來新的技術革命,現代雷達的多項技術性能,如測速精度、測距精度、動目標改善因子、雜波能見度等,與頻率合成器相位噪聲直接相關,因此,基于微波光子學的超低相位噪聲微波光電振蕩器必將為未來高性能雷達、電子戰系統提供一種全新的技術路徑。光電振蕩器屬于國際前沿技術,又是一門交叉學科,其中很多關鍵技術尚待突破。作者從2007年介入微波光電技術研究,其中高性能微波光電接收機和低相位噪聲微波源超遠程光電傳輸已進入工程化應用,微波光電振蕩器還處于實驗研究階段,期望實驗研究及成果得到相關領域科技及管理人員的重視,推動我國微波光電技術的進一步發展。

[1]YAO Jianping.Microwave Photonics[J].Journal of Lightwave Technology,2009,27(3):314-335.

[2]SEEDS A J,WILLIAMS K J.Microwave Photonics[J].Journal of Lightwave Technology,2006,24(12):4628-4641.

[3]YAO X S,MALEKI L.Optoelectronic Oscillator for Photonic Systems[J].Journal of Quantum Electronics,1996,32(7):1141-1149.

[4]陳吉欣,惠洋,鄢勃,等.長光纖環高性能光電振蕩器研究[J].光學學報,2013,33(1):95-99.

[5]方立軍,柳勇,張焱,等.射頻光電傳輸的實驗研究[C]∥第十二界全國雷達學術年會論文集,武漢:中國電子學會無線電定位技術分會,2012:439-442.

[6]方立軍,李佩,馬駿,等.基于微波光電技術的未來數字陣列構想[J].雷達科學與技術,2013,11(6):583-586.FANG Li-jun,LI Pei,MA Jun,et al.An Idea for Future Digital Array Radar Based on Microwave Optoelectronics[J].Radar Science and Technology,2013,11(6):583-586.(in Chinese)