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基于光子学的微波移频方法研究高永胜*谭佳俊王瑞琼(西北工业大学电子信息学院西安710129)摘要：微波移频技术(MFS)广泛应用于电子对抗、卫星通信、频控阵雷达等系统。基于光子学的微波移频方法具有带宽大、频谱纯净等优点。为了探索基于光子学的微波移频性能，该文对比研究了基于声光移频(AOFS)、锯齿波相位调制(SPM)和I/Q调制3种微波光子移频方法，阐释了3种方法的原理，搭建了对应的原理验证系统，对不同的移频方法进行了实验与分析。结果表明，3种移频方法都可以实现精准的微波信号移频，实现大于30dB的杂散抑制比。但3种移频方法也存在各自的局限性：AOFS的工作频率、带宽和移频方向较为固定，可调谐性低；SPM移频与I/Q调制对输入驱动信号要求严格，系统稳定性较差。关键词：微波信号移频；光子学；声光移频；锯齿波相位调制；I/Q调制中图分类号：TN29文献标识码：A文章编号：1009-5896(2023)06-2123-11DOI:10.11999/JEIT220503Research on Microwave Frequency Shift Method Based on PhotonicsGAOYongshengTANJiajunWANGRuiqiong(School of Electronics and Information,Northwestern Polytechnical University,Xian 710129,China)Abstract:MicrowaveFrequencyShift(MFS)technologyiswidelyusedinelectroniccountermeasures,satellitecommunicationsandfrequencydiversearrayradar.TheMFSmethodbasedonphotonicshastheadvantagesoflargebandwidthandpurespectrum.Inordertoexploretheperformance,threeMFSmethodsbasedonAcousto-OpticFrequencyShifter(AOFS),SawtoothPhaseModulation(SPM)andI/Qmodulationarecomparedinthispaper.Theprinciplesofthethreemethodsareillustratedandthecorrespondingverificationsystemsarebuiltforexperimentsandanalysis.TheresultsshowthatthethreemethodscanachieveaccurateMFSwhosespurioussuppressionratiosaregreaterthan30dB.However,thethreemethodssimultaneouslyhavedifferentlimitations:theoperatingfrequency,bandwidth,andfrequencyshiftdirectionofAOFSarerelativelyfixedwhichmeansthetunabilityislow;methodsbasedonSPMandI/Qmodulationhavestrictrequirementsontheinputdrivingsignalwhichleadstopoorstability.Key words:MicrowaveFrequencyShift(MFS);Photonics;Acousto-OpticFrequencyShifter(AOFS);SawtoothPhaseModulation(SPM);I/Qmodulation1 引言微波移频器或变频器作为一种能够改变输入微波信号频率的器件，广泛应用于电子对抗1、多普勒测速2、雷达设备测试3、通信信道化接收4以及频率分集阵列信号产生5等系统中。传统的微波信号移频方法主要利用微波I/Q混频器实现单边带调制。但受电子I/Q混频器的影响，普遍存在工作带宽窄、I/Q幅相失衡等问题，逐渐难以满足雷达、电子对抗等系统对大瞬时带宽、宽频段覆盖、低杂散失真能力的迫切需要。微波光子学是结合了微波技术和光子技术的新型技术，它可以利用光子技术大带宽、低频率相关损耗、抗电磁干扰的固有优势，实现微波信号高质量产生、传输和处理68。基于微波光子的微波信号移频技术，预期可以克服模拟电子系统所面临的电子瓶颈问题，为超宽带微波信号移频提供一种更为有效的解决方案。目前报道的基于微波光子的微波信号频移方法包括：声光移频(Acousto-Optic收稿日期：2022-04-24；改回日期：2022-09-06；网络出版：2022-09-27*通信作者：高永胜基金项目：国家自然科学基金(61701412)，全国博士后创新人才支持计划(BX201700197)，中国博士后科学基金(2017M623238)，陕西省重点研发计划(2021GY-096)FoundationItems:TheNationalNaturalScienceFoundationofChina(61701412),ThePostdoctoralInnovationTalentsSupportProgram(BX201700197),ChinaPostdoctoralScienceFounda-tion(2017M623238),TheKeyResearchandDevelopmentPro-gramofShaanxiProvince(2021GY-096)第45卷第6期电子与信息学报Vol.45No.62023年6月JournalofElectronics&InformationTechnologyJun.2023FrequencyShifter,AOFS)911、微波光子I/Q调制1221、锯齿波相位调制(SawtoothPhaseModu-lation,SPM)2224等。自1986年全光纤AOFS结构被报道9，国内外对声光器件进行了大量的研究。在基于AOFS的微波移频方面，2019年底中科院上海光机所和中电51所研究团队10提出基于双路声光移频的多普勒频移架构。2020年，中电38所11利用声光频移技术产生多普勒雷达干扰信号，工作频段为220GHz，移频范围1MHz，最小移频量为10Hz。借鉴传统基于微波I/Q混频的移频方法，可构造微波光子I/Q混频器，将微波信号与频偏分量单边带上变频，从而实现对微波信号的频移控制。微波光子I/Q混频结合了光子双通道混频和移相技术，根据I/Q通道正交相位的实现方法可分为电移相12、色散移相13、光子移相3类1421。20152019年涌现出多种光子I/Q下变频方法，包括光正交混合方法1415、双波长复用方法16、相位偏振级联调制方法17、偏振复用调制方法18等。与传统微波I/Q混频器不同，微波光子技术光电转换的不可逆特性导致以上方法无法实现微波光子I/Q上变频。2016年，南京航空航天大学潘时龙等人19利用偏振复用调制器和宽带正交耦合器，实现了等效单边带矢量调制。2017年本课题组20利用双通道上变频的方法同时实现单边带上变频和矢量信号调制。2020年又提出一种基于微波光子学的宽带雷达目标多普勒频移模拟方法21，通过构建微波光子I/Q上变频系统，直接对微波信号进行I/Q调制，进而改变微波信号的频率。1988年林肯实验室22提出基于SPM的光移频方法，相比其他光频移方法具有结构简单、转换效率高、易于光子集成和稳定控制等优势。2005年，Poberezhskiy等人23报道了一种基于锯齿波的SPM光移频方法，使用分散光脉冲的光谱调制产生超宽带高功率的点锯齿波技术实现了1.28GHz的光移频。上述的这种基于SPM的光频谱搬移技术为基于微波光子的微波信号移频提供了基础条件。2020年，澳大利亚达尔文大学团队在此基础上提出了一种基于锯齿波光移频的微波光子移频方法24，在218GHz带宽下，实现了1MHz的移频，杂散抑制比为3441dB。综上，AOFS,SPM以及I/Q调制是实现微波光子移频的3种有效方法，得到广泛的关注。然而目前很少有文献对这些微波光子移频方法进行系统的对比研究。本文系统阐述了3种微波光子移频方法的原理，并开展验证实验，从工作频率范围、瞬时带宽、移频范围、杂散抑制比、稳定性、可调谐性等多个方面对比3种微波光子移频方法的性能及差异，并分析每种移频方法所适合的应用场景。2 原理2.1 基于AOFS的微波光子移频2.1.1 AOFS原理AOFS结构和工作模式如图1(a)、图1(b)所示，其由信号驱动器、匹配网络、电声换能器(超声发生器)、声光互作用介质、吸声(或反射)装置组成，图1(c)为美国Brimrose公司的相关产品实物图。fd(+)fifsfd(+)在图1(a)、图1(b)所示的AOFS中，信号通过驱动器、匹配网络加载到电声换能器上，产生超声波，超声波在声光介质内传播时，由于弹光效应，介质的折射率发生改变，此时AOFS中的声光介质可以看作一个移动的超声光栅，外部入射的激光通过超声光栅时就会被衍射，这一现象称为声光衍射效应26。入射激光通过声光介质被超声光栅衍射时，其传播方向和频率都将发生变化，衍射光的频率在原入射激光频率上叠加了一个超声频率，从而达到移频的目的，光频的改变量等于外加驱动信号的频率。输出光取正一级衍射光时，输出光的频率为原激光频率 与驱动信号频率之和；输出光取负一级衍射光时，输出光的频率为原激光图1AOFS结构图、工作模式及实物图252124电子与信息学报第45卷fifs频率 与驱动信号频率 之差。输出的衍射光频率可以表示为fd(+)=fi+fs(正一级衍射光)fd()=fi fs(负一级衍射光)(1)2.1.2 基于AOFS的微波光子移频方案基于AOFS和平行链路的微波光子移频方案原理图如图2所示，由激光器、光耦合器、马赫-曾德尔调制器(Mach-ZehnderModulator,MZM)、AOFS、光学带通滤波器(OpticalBand-PassFilter,OBPF)、掺铒光纤放大器(Erbium-DopedFiberAmplifier,EDFA)、光电探测器(PhotoDetector,PD)组成。fcfRFfc fRFfc+fsfRF+fs激光器输出频率为的连续光载波，光谱如图2(a)所示，经过50:50的光耦合器分为上下两路，分别注入MZM和AOFS中。在上路中，光载波在MZM中被待移频的微波信号(频率为)所调制，产生抑制载波双边带调制光信号，光谱如图2(b)所示。经过OBPF后滤出其中一个边带，图2(c)以下边带为例，频率，然后进入EDFA进行光功率补偿。在下路中，光载波进入正一级工作模式的AOFS后，产生频率为的光信号，如图2(d)所示。上下两路光信号经过光耦合后，最终进入PD光电探测输出频率为的微波信号，如图2(e)所示，进而实现微波信号的上移频。同理，fRF fs若要实现微波信号下移频，使PD输出频率为的微波信号，则可以调节OBPF通带波长滤出上边带，或者使用工作在负一阶级模式的AOFS。fs通过改变AOFS的中心频率，可以改变微波信号频移的数值大小。但在实际应用中，AOFS一旦制作好后中心频率便固定，3dB带宽大小为中心频率的10%。2.2 基于SPM的微波光子移频2.2.1 SPM原理E0ejctV sin(st)相位调制工作原理如图3(a)所示，设注入相位调制器的光载波表示为，加载到相位调制器的信号表示为，则调制后输出PM的光信号可以表示为Eout=E0ejct ejV sin(st)V(2)E0cVsV其中，和分别为输入连续光强度和频率，和分别为调制信号幅度和频率，为PM的半波电压。由式(2)可得，调制后光场的相位可以表示为(t)=ct+V sin(st)V=ct+msin(st)(3