光域微波信號緩存的關鍵技術研究

代豐羽， 龍云澤

(1. 中國電子科技集團公司第三十四研究所， 廣西桂林 541004；2. 桂林航天工業學院汽車與交通工程學院， 廣西桂林 541004)

0 引言

現代戰爭中，隨著各種類型的雷達設備、電子戰設備、通信設備、技術偵察設備和導航設備等的大量使用，戰場電磁環境變得異常的復雜，新體制雷達、脈沖壓縮雷達、頻率捷變雷達和連續波雷達等的同時、大量使用，特別是美軍F35隱形戰機(瞬時帶寬達到6 GHz)大范圍投入實戰[1-2]。然而，傳統的電子戰裝備受制于數字儲頻(DRFM)瞬時工作帶寬(難以突破2 GHz)、響應速度、瞬時工作動態等的限制，使得電子對抗的難度進一步增加，因此需要研制一種能滿足“適應復雜電磁環境、瞬時全頻段對抗、干擾反應速度快、信號相關性好”的電子對抗技術適應現代戰爭的需要。

利用微波光子技術具有的瞬時工作帶寬寬、響應速度快、傳輸損耗低、靈敏度高、重量輕、功耗小和體積省等優點[3-5]，可以解決現有電子對抗技術在拓展瞬時工作帶寬、加快干擾反應速度、長距離射頻信號傳輸和提升信號處理能力時遇到的“電子瓶頸”；增強電子對抗裝備在極端復雜電磁環境下的適應能力，提升對抗新體制雷達的作戰效能。光域微波信號緩存技術是在光域內實現微波信號的緩存、變換和處理等的新型技術，該技術具有瞬時對抗帶寬寬(10 GHz以上)、目標信號丟失少(全頻段實時響應)、響應速度快(亞微秒量級)、信號取樣長度長(亞毫秒量級)、信號相關性強(模擬信號存儲失真小)、工作動態大(60 dBc以上)、同時對抗目標多(40個目標以上)等優勢。

1 光域微波信號緩存總體技術

光域微波信號緩存技術主要有利用慢光材料進行光信號傳輸緩存、利用普通的光纖環路進行光信號傳輸緩存和光域輔助的電域微波信號緩存等方式[6]。電子戰裝備特別是雷達對抗裝備需要瞬時工作帶寬寬、信號緩存時間長、同時對抗目標數量多和環境適應能力強等特點，因此本文設計的光域微波信號緩存技術主要是利用光纖傳輸損耗低(0.2 dB/km)、光域微波信號處理靈活的優勢，將光載微波信號(RoF)封存在一段光纖環路中實現光載微波信號的緩存。光域微波信號緩存的工作原理框圖如圖1所示。

圖1 光域微波信號緩存的工作原理框圖

光域微波信號緩存系統的工作原理是：接收空間微波信號經低噪聲放大器放大后，形成微波脈沖信號，如圖1(a)所示；在中央控制單元的控制下，可調諧光源(TLS)產生相應波長的光信號，并將微波脈沖信號調制到光載波上，形成光載微波脈沖信號，如圖1(b)所示；1×2超高速光開關在中央控制單元的控制下，選取光載微波脈沖信號中待緩存的光載微波脈沖信號，形成光載目標微波脈沖信號，并在光緩存環路中進行光信號的周期性傳輸緩存，形成光載目標微波脈沖緩存信號，如圖1(c)所示；光信號緩存的同時，經光纖環中的光耦合器(OC)同步輸出光緩存信號，該信號經光信號分路、微延時、合路和干擾信號加載等處理后，形成光載目標設備對抗信號，如圖1(d)所示；光載目標設備對抗信號經光電轉換、功率放大等轉換后，形成最終的目標設備對抗信號，如圖1(e)所示。光域微波信號緩存的信號變換流圖如圖2所示。

電光調制技術、超高速光開關技術、超低噪聲光功率補償技術、快速光功率自動校準技術和光波長快速切換技術等是光域微波信號緩存的關鍵技術。根據對抗目標的需求和產生信號質量的要求，本文選取了電光調制技術和超高速光開關技術開展了深入的研究。

2 光緩存的電光調制技術

光載微波信號(RoF)在長時間傳輸緩存過程中，受光纖色散的影響(不同波長的光信號傳輸速度不相同)，不同時到達的微波信號光載波分量經過光電轉換后會出現微波信號的功率起伏(即光載微波信號功率的“周期性衰落”)，通過電光調制方式可以較好地解決該問題[7-8]。

2.1 信號緩存中的微波信號功率周期性衰落

本文利用MATLAB針對“周期性衰落”現象進行了仿真。仿真選取了常用的G652光纖(色散為17 ps/nm·km)，傳輸距離總長度為100 km(時間0.5 ms)，傳輸信號分別為8 GHz和18 GHz，RoF傳輸信號功率隨傳輸距離的變化情況如圖3(a)所示。圖中紅色為8 GHz微波信號的功率起伏情況，藍色為18 GHz微波信號的功率起伏情況。根據仿真可知，在100 km的光纖傳輸鏈路中8 GHz的RoF信號出現了2次“周期性衰落”，18 GHz的RoF信號出現了9次“周期性衰落”。

解決“周期性衰落”的主要電光調制方式有電光強度調制(ODSB)、電光單邊帶調制(OSSB)、電光殘留邊帶調制(OVSB)等。本文利用Matlab對其中的電光殘留邊帶調制OVSB(OSSB優于OVSB的效果)進行了對比仿真。OVSB與ODSB調制的衰減對比情況如圖3(b)所示。

圖3(b)中，紅色為OVSB信號，藍色為ODSB信號，微波頻率為18 GHz，OSSB的邊帶抑制為15 dB。從仿真結果可知，微波信號邊帶抑制達到15 dB，光傳輸的“周期性衰落”問題基本得到解決。

(a) 8 GHz和18 GHz傳輸信號功率隨傳輸距離的變化情況

(b) OSSB與ODSB調制的衰減對比情況圖3 不同電光調制方式的微波信號光傳輸仿真圖

本文利用G652單模光纖搭建了一條長度為102.5 km的微波信號光傳輸系統，通過改變被傳輸微波信號頻率，驗證ODSB與OSSB電光調制對光纖“周期性衰落”現象的影響，電光調制對比實驗測試結果如圖4所示，微波信號光傳輸系統的主要測試數據如表1所示。

(a) ODSB調制的測試結果

(b) OSSB調制的測試結果圖4 電光調制對比實驗測試結果

表1 微波信號光傳輸系統的主要測試數據

采用OSSB電光調制后再經長距離光纖傳輸可以極大地改善光纖色散引入的微波信號功率“周期性衰落”問題。但是由于本實驗中沒有加入微波信號功率均衡器，對功分器、移相器和放大器等微波器件造成的增益不平衡進行功率均衡，因此功率起伏的測試結果僅為±2.26 dB。

2.2 適應光緩存的電光調制技術

為了獲得更好的干擾信號效果，本文采用電光單邊帶調制(OSSB)將無用光邊帶壓縮到最小，更好地消除光纖色散對緩存微波信號功率的擾動。該調制方式以雙臂電光調制器(DD-MZM)為核心實現無用邊帶抑制功能。基于雙臂電光調制器的OSSB原理如圖5所示。

圖5 基于雙臂電光調制器的OSSB原理圖

該調制方式需要將調制器的Bias1與Bias2偏置電壓設置為相位相差π/2，同時將射頻信號的一條支路微波信號進行希爾伯特變換(相移π/2)后與原信號分別加載到調制器的兩個射頻口RF1和RF2。假設接收的射頻信號fRF和輸入的光信號fOL如下：

fRF=ARFcos (ωRFt+φRF)

(1)

fOL=AOLcos (ωOLt+φOL)

(2)

式中，A為信息的幅度，ω為信號的角頻率，φ為信號的初始相位。

因為光功率和微波功率的插入損耗僅影響輸出信號的幅度，不影響調制信號的形式，為了簡化計算，假設光分路器/合路器的光功率插入損耗為0，微波信號的功分器和希爾伯特變換的插入損耗均為0，根據圖5中的工作原理、式(1)和式(2)，可以推導出OSSB輸出信號fOSSB的數學表達式如下：

(3)

式中，m為微波信號的調制率。

設置光載波頻率為193.4 THz(1 550 nm)，調制系數為0.8，利用Matlab對上述數學模式進行仿真。OSSB調制的仿真結果如圖6所示。

(a) 光下邊帶調制

(b) 光上邊帶調制圖6 OSSB調制的仿真結果

通過調制雙臂電光調制器的Bias1與Bias2之間的電壓差可實現不同的OSSB調制，當Bias1對應的光相位超前Bias2對應的光相位π/2時，就實現了光下邊帶調制，如圖6(a)所示；當Bias1對應的光相位滯后Bias2對應的光相位π/2時，實現了光上邊帶調制，如圖6(b)所示。

3 光緩存的光路切換技術

火控雷達、精確制導雷達等快反雷達的脈沖寬度越來越窄，已經達到納秒量級，因此需要光取樣開關的開啟/關斷時間優于納秒量級，同時減小緩存過程中光信號的抖動、目標信號擾動和緩存信號功率起伏，也需要光取樣開關達到納秒級。

3.1 高速光開關

目前市面上較成熟的高速光開關主要有MEMS光開關、LiNbO3光開關、聲光開關和SOA光開關等。本文對這些光開關的開關時間、插入損耗和優缺點進行了比較。典型光開關的主要參數比較如表2所示。

表2 典型光開關的主要參數比較

光脈沖加載單元的光開關要求：開關時間小于1 ns，開關模式1×2，噪聲系數和插入損耗小，技術成熟、可靠。綜合考慮以上要求，僅能選用LiNbO3光開關。但是該類型的光開關僅有1×1類型(n×n的速度較慢)。因此需要利用1×1光開關進行適當的組合成1×2光開關。

3.2 1×2超高速光開關

利用2個1×1的LiNbO3高速光開關，并且嚴格控制好2個光開關的開啟和關斷時序，就能組合成高速的1×2光開關。1×2高速光開關原理如圖7所示。

圖7 1×2高速光開關原理圖

如圖1所示，由于該光開關需要完成光纖存儲環信號加載，同時開啟/關斷光纖環的緩存通路，即加載信號時光纖存儲環必須關斷，緩存信號時不能加載信號。因此光開關的切換(由一支路開啟到另一支路關閉)必須保證完全的同步，否則會造成緩存光信號的疊加或連接不到位，從而產生緩存信號的擾亂，甚至影響光緩存信號的平衡，如圖8所示就是由于光開關開啟時速度較慢造成的微波信號功率起伏。

圖8 緩存微波信號的功率起伏

3.3 高速光開關控制

1×1的LiNbO3高速光開關主要由光功率分配器、光功率合成器、Bias電極和RF電極等部分組成，如圖9(a)所示。光開關的關斷和開啟就是通過控制Bias電壓，使其工作于關斷工作點或開啟工作點實現，如圖9(b)所示。

(a) LiNbO3光開關結構示意圖

(b) LiNbO3光開關轉換響應示意圖圖9 LiNbO3高速光開關工作原理圖

根據a臂光信號經過RF信號和Bias控制信號調制后在末端的光功率合成器處與b臂光信號進行光功率的合成的工作原理，如圖9(a)所示，可推導出其輸出光功率Pout(t)表達式為

(4)

式中，αMZM為電光調制器的插損，Pin(t)為光信號，Vπ為半波電壓，VDC為靜態工作點電壓值，VRF為微波信號的幅度值，ωRF為射頻信號角頻率。

由于LiNbO3調制器作為光開關時，RF信號輸入為0，即VRF=0。因此，LiNbO3高速光開關的輸出光功率Pout(t)表達式為

(5)

控制LiNbO3高速光開關需要首先將RF輸入口通過電容接地，保證RF口輸入信號為0，然后根據Bias的開啟/關斷電壓進行實時調整，實現光開關的控制。

4 光緩存系統的試驗驗證

光緩存試驗驗證系統采用1 550 nm波長光信號，8～18 GHz的RF信號，4 km長的光纖(20 μs)作為緩存光纖，實現80 μs時間的光信號緩存。光緩存試驗驗證系統組成如圖10所示。試驗驗證系統相關圖如圖11所示。

該實驗驗證系統由于使用的高速示波器的信號存儲容量有限和RF信號頻率較高(8～18 GHz)，本實驗僅測試了80 μs的時間長度(實際系統可以緩存更長時間)；并且采用了欠采樣模式，因此緩存后的微波信號幅度顯示有起伏，如圖10(c)所示，實際緩存后的微波信號幅度是相對平穩的。試驗驗證系統主要測試指標如表3所示。

圖10 光緩存試驗驗證系統組成圖

(a) 光緩存試驗驗證系統實物圖

(b) 光緩存前的取樣信號圖

(c) 光緩存后的全信號圖圖11 試驗驗證系統相關圖

表3 試驗驗證系統的主要測試數據

5 結束語

本文對光緩存的總體技術、電光調制技術和光路切換技術等開展了研究，對關鍵技術開展了理論論述和仿真，利用試驗驗證系統對光載微波信號緩存的工作原理和主要指標進行了驗證，達到了預期結果。該系統還可以在插入噪聲優化、取樣深度的動態調整和多波長光載微波信號緩存等方面開展深入研究，推動光緩存技術的實用化，大幅提升我國電子戰裝備的作戰效能。