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星载宽带跨频段微波光子射频通道实现技术研究
蒋炜, 王迪, 李小军, 秦伟泽, 龚静文, 肖永川, 谭庆贵
电子学报 ›› 2022, Vol. 50 ›› Issue (11) : 2593-2601.
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星载宽带跨频段微波光子射频通道实现技术研究
Research on Realization Technology of Satellite Broadband Cross-Band Microwave Photonic Radio Frequency Channel
目前基于微波技术的射频通道带宽与频率受限、多频率变频能力受限、通用性差，严重制约了高通量卫星的频谱覆盖范围和大带宽多路变频能力.针对这一问题，本文在对微波光子射频通道研究现状对比分析的基础上，提出基于并联型架构的宽带跨频段微波光子射频通道实现方法，开展了相应的仿真分析及实验验证.测试结果表明：该射频通道下变频输入频率可覆盖27GHz~52GHz，输出频率可覆盖17GHz~24GHz；上变频输入频率可覆盖25GHz~27GHz，输出频率可覆盖37GHz~43GHz，且该射频通道工作带宽优于2GHz，带内平坦度优于3dB，变频增益优于-10dB，无杂散动态范围优于100dB·Hz2/3.
At present, the RF(Radio Frequency) channel based on microwave technology features limited bandwidth, limited working frequency, limited multi-frequency conversion capability and poor versatility, which seriously prevent the high-throughput satellites from the large spectrum coverage and the multi-channel conversion capability of large bandwidth. To solve this problem, based on the comparative analysis of the research status of microwave photonic RF channel, this paper proposes a broadband cross-band microwave photonic RF channel implementation method based on parallel architecture, and the corresponding simulation analysis and experimental verification are carried out. The test results show that the down conversion input frequency of the RF channel can cover 27GHz~52GHz, and the output frequency can cover 17GHz~24GHz; the up conversion input frequency can cover 25GHz~27GHz, and the output frequency can cover 37GHz~43GHz. The bandwidth is larger than 2GHz, the in-band flatness is lower than 3dB, the conversion gain is lower than -10dB, and the spurious free dynamic range (SFDR) is higher than 100dB·Hz2/3.
微波光子 / 射频通道 / 卫星 / 无杂散动态范围 / 宽带 / 跨频段 {{custom_keyword}} /
microwave photonic / radio frequency channel / satellite / spurious free dynamic range / broadband / cross-band {{custom_keyword}} /
表1 基于串联型架构和并联型架构的双路宽带微波光子射频通道仿真结果对比 |
| 串联型架构 | 并联型架构 | |
|---|---|---|
| 变频输出信号频/GHz | 18 | 18 |
| 变频输出信号功/dBm | ‒61 | ‒42 |
| 本振泄露信号功率/dBm | ‒31 | / |
| 射频信号泄露信号频率/GHz | 50 | / |
| 射频信号泄露信号功率/dBm | ‒70 | / |
| 本振二次谐波信号频率/GHz | 56 | 56 |
| 本振二次谐波信号功率/dBm | ‒76 | ‒46 |
| SFDR/dB·Hz2/3 | 94 | 103 |
表2 实验系统关键器件与主要参数指标 |
| 序号 | 关键器件 | 参数指标 | ||
|---|---|---|---|---|
| 1 | 双波长光源 | 工作波长 | C31：1552.50nm C32：1551.56nm | |
| 输出光功率 | C31：16.3dBm C32：16.08dBm | |||
| 2 | 光耦合模块 | 工作波长 | 1550nm波段 | |
| 插入损耗 | <7dB | |||
| 3 | 电光调制 组件 | 射频调制 模块 | 工作波长 | 1550nm波段 |
| 3dB带宽 | >50GHz | |||
| 本振调制 模块 | 工作波长 | 1550nm波段 | ||
| 3dB带宽 | >35GHz | |||
| 4 | 光处理 组件 | 光合 路器 | 工作波长 | 1550nm波段 |
| 插入损耗 | <7dB | |||
| 光纤放大器 | 输入光功率 | ‒27dBm~‒15dBm | ||
| 光梳状滤波器 | 通道带宽 | 50GHz | ||
| 通道间隔 | 100GHz | |||
| 波分 解复用器 | 工作波长 | C31波段 C32波段 | ||
| 5 | 光电探测组件 | 响应度 | 0.6A/W | |
| 3dB带宽 | 50GHz | |||
表3 下变频频率覆盖范围及功率测试 |
| 本振信号频率 /GHz | 本振信号功率 /dBm | 输入射频频率 /GHz | 输入射频功率 /dBm | 输出射频频率 /GHz | 输出射频功率 /dBm | 线缆损耗 /dB | 变频增益 /dB |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 10 | 10 | 27 | ‒30 | 17 | ‒48.8 | 10.5 | ‒8.3 |
| 19 | 10 | 41 | ‒30 | 22 | ‒47.8 | 10.5 | ‒7.3 |
| 28 | 10 | 52 | ‒30 | 24 | ‒47.1 | 10.5 | ‒6.6 |
表4 上变频频率覆盖范围及功率测试 |
| 本振信号频率 /GHz | 本振信号功率 /dBm | 输入射频频率 /GHz | 输入射频功率 /dBm | 输出射频频率 /GHz | 输出射频功率 /dBm | 线缆损耗 /dB | 变频增益 /dB |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 12 | 12 | 25 | ‒30 | 37 | ‒49.5 | 17.7 | ‒1.8 |
| 14 | 12 | 26 | ‒30 | 40 | ‒51.5 | 17.7 | ‒3.8 |
| 16 | 12 | 27 | ‒30 | 43 | ‒55 | 17.7 | ‒7.3 |
表5 下变频工作带宽及带内平坦度性能测试 |
| 输入射频频率/GHz | 输入射频带宽/GHz | 输入本振频率/GHz | 输出射频频率/GHz | 输出射频带宽/GHz | 带内平坦度/dB |
|---|---|---|---|---|---|
| 27~29 | 2 | 10 | 17~19 | 2 | 1.7 |
| 32~34 | 2 | 13 | 19~21 | 2 | 2.02 |
| 40~42 | 2 | 19 | 21~23 | 2 | 2.46 |
| 50~52 | 2 | 28 | 22~24 | 2 | 2.76 |
表6 上变频工作带宽及带内平坦度性能测试 |
| 输入射频频率/GHz | 输入射频带宽/GHz | 输入本振频率/GHz | 输出射频频率/GHz | 输出射频带宽/GHz | 带内平坦度/dB |
|---|---|---|---|---|---|
| 25~27 | 2 | 12 | 37~39 | 2 | 2.11 |
| 25~27 | 2 | 14 | 39~41 | 2 | 2.06 |
| 25~27 | 2 | 16 | 41~43 | 2 | 2.43 |
表7 不同输入频率下射频通道SFDR性能测试 |
| 输入射频频率 /GHz | 输入本振频率/GHz | SFDR /（dB·Hz2/3） |
|---|---|---|
| 39&39.1 | 28 | 100 |
| 39&39.1 | 17 | 100.2 |
| 39.9&40 | 17 | 100.5 |
| 27&27.1 | 10 | 100.02 |
| 1 |
刘悦. 国外高通量卫星系统与技术发展[J]. 国际太空, 2017, (11): 42‑47.
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|
| 2 |
王丽君. 高通量卫星通信系统设计因素分析[J]. 卫星应用, 2016, (5): 412‑417.
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|
| 3 |
沈永言. 全球高通量卫星发展概况及应用前景[J]. 国际太空, 2015, (4): 19‑23.
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|
| 4 |
李博. 国外通信卫星系统灵活性发展研究[J]. 国际太空, 2018, (5): 23‑32.
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|
| 5 |
张航. 国外高吞吐量卫星最新进展[J]. 卫星应用, 2017, (6): 53‑57.
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|
| 6 |
韩慧鹏. 国外高通量卫星发展概述[J]. 卫星与网络, 2018, 2018(8): 34‑38.
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|
| 7 |
原晋谦. 国外Q/V 频段通信卫星发展态势分析[J]. 国际太空, 2020, (7): 42‑46.
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|
| 8 |
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|
| 9 |
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| 10 |
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| 11 |
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| 12 |
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| 13 |
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|
| 14 |
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| 15 |
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|
| 16 |
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| 17 |
崇毓华,杨春,李向华,朱德沼,周正华. 一种中频相同的微波光子信道化接收机[J]. 光电子·激光, 2014, 25(12): 2294‑2299.
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|
| 18 |
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| 19 |
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图1 基于串联型架构的宽带微波光子射频通道原理示意图图2 基于串联架构的双路下变频输出频谱仿真结果图3 SFDR仿真结果图4 基于并联型架构的宽带跨频段微波光子射频通道原理示意图图5 基于并联型架构的双路下变频输出频谱仿真结果图6 SFDR仿真结果
表1 基于串联型架构和并联型架构的双路宽带微波光子射频通道仿真结果对比图7 基于并联型架构的宽带跨频段微波光子射频通道实验框图表2 实验系统关键器件与主要参数指标表3 下变频频率覆盖范围及功率测试表4 上变频频率覆盖范围及功率测试表5 下变频工作带宽及带内平坦度性能测试表6 上变频工作带宽及带内平坦度性能测试图8 输入动态范围测试图9 下变频通道的SFDR测试结果表7 不同输入频率下射频通道SFDR性能测试图10 50MSps符号速率下的射频通道输出信号性能测试
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