0 引言
现代战争中，随着各种类型的雷达设备、电子战设备、通信设备、技术侦察设备和导航设备等的大量使用，战场电磁环境变得异常的复杂，新体制雷达、脉冲压缩雷达、频率捷变雷达和连续波雷达等的同时、大量使用，特别是美军F35隐形战机(瞬时带宽达到6 GHz)大范围投入实战[1-2]。然而，传统的电子战装备受制于数字储频(DRFM)瞬时工作带宽(难以突破2 GHz)、响应速度、瞬时工作动态等的限制，使得电子对抗的难度进一步增加，因此需要研制一种能满足“适应复杂电磁环境、瞬时全频段对抗、干扰反应速度快、信号相关性好”的电子对抗技术适应现代战争的需要。
利用微波光子技术具有的瞬时工作带宽宽、响应速度快、传输损耗低、灵敏度高、重量轻、功耗小和体积省等优点[3-5]，可以解决现有电子对抗技术在拓展瞬时工作带宽、加快干扰反应速度、长距离射频信号传输和提升信号处理能力时遇到的“电子瓶颈”；增强电子对抗装备在极端复杂电磁环境下的适应能力，提升对抗新体制雷达的作战效能。光域微波信号缓存技术是在光域内实现微波信号的缓存、变换和处理等的新型技术，该技术具有瞬时对抗带宽宽(10 GHz以上)、目标信号丢失少(全频段实时响应)、响应速度快(亚微秒量级)、信号取样长度长(亚毫秒量级)、信号相关性强(模拟信号存储失真小)、工作动态大(60 dBc以上)、同时对抗目标多(40个目标以上)等优势。
1 光域微波信号缓存总体技术
光域微波信号缓存技术主要有利用慢光材料进行光信号传输缓存、利用普通的光纤环路进行光信号传输缓存和光域辅助的电域微波信号缓存等方式[6]。电子战装备特别是雷达对抗装备需要瞬时工作带宽宽、信号缓存时间长、同时对抗目标数量多和环境适应能力强等特点，因此本文设计的光域微波信号缓存技术主要是利用光纤传输损耗低(0.2 dB/km)、光域微波信号处理灵活的优势，将光载微波信号(RoF)封存在一段光纤环路中实现光载微波信号的缓存。光域微波信号缓存的工作原理框图如图1所示。
图1 光域微波信号缓存的工作原理框图
光域微波信号缓存系统的工作原理是：接收空间微波信号经低噪声放大器放大后，形成微波脉冲信号，如图1(a)所示；在中央控制单元的控制下，可调谐光源(TLS)产生相应波长的光信号，并将微波脉冲信号调制到光载波上，形成光载微波脉冲信号，如图1(b)所示；1×2超高速光开关在中央控制单元的控制下，选取光载微波脉冲信号中待缓存的光载微波脉冲信号，形成光载目标微波脉冲信号，并在光缓存环路中进行光信号的周期性传输缓存，形成光载目标微波脉冲缓存信号，如图1(c)所示；光信号缓存的同时，经光纤环中的光耦合器(OC)同步输出光缓存信号，该信号经光信号分路、微延时、合路和干扰信号加载等处理后，形成光载目标设备对抗信号，如图1(d)所示；光载目标设备对抗信号经光电转换、功率放大等转换后，形成最终的目标设备对抗信号，如图1(e)所示。光域微波信号缓存的信号变换流图如图2所示。
图2 光域微波信号缓存的信号变换流图
电光调制技术、超高速光开关技术、超低噪声光功率补偿技术、快速光功率自动校准技术和光波长快速切换技术等是光域微波信号缓存的关键技术。根据对抗目标的需求和产生信号质量的要求，本文选取了电光调制技术和超高速光开关技术开展了深入的研究。
2 光缓存的电光调制技术
光载微波信号(RoF)在长时间传输缓存过程中，受光纤色散的影响(不同波长的光信号传输速度不相同)，不同时到达的微波信号光载波分量经过光电转换后会出现微波信号的功率起伏(即光载微波信号功率的“周期性衰落”)，通过电光调制方式可以较好地解决该问题[7-8]。
2.1 信号缓存中的微波信号功率周期性衰落
本文利用MATLAB针对“周期性衰落”现象进行了仿真。仿真选取了常用的G652光纤(色散为17 ps/nm·km)，传输距离总长度为100 km(时间0.5 ms)，传输信号分别为8 GHz和18 GHz，RoF传输信号功率随传输距离的变化情况如图3(a)所示。图中红色为8 GHz微波信号的功率起伏情况，蓝色为18 GHz微波信号的功率起伏情况。根据仿真可知，在100 km的光纤传输链路中8 GHz的RoF信号出现了2次“周期性衰落”，18 GHz的RoF信号出现了9次“周期性衰落”。
解决“周期性衰落”的主要电光调制方式有电光强度调制(ODSB)、电光单边带调制(OSSB)、电光残留边带调制(OVSB)等。本文利用Matlab对其中的电光残留边带调制OVSB(OSSB优于OVSB的效果)进行了对比仿真。OVSB与ODSB调制的衰减对比情况如图3(b)所示。
图3(b)中，红色为OVSB信号，蓝色为ODSB信号，微波频率为18 GHz，OSSB的边带抑制为15 dB。从仿真结果可知，微波信号边带抑制达到15 dB，光传输的“周期性衰落”问题基本得到解决。
(a) 8 GHz和18 GHz传输信号功率随传输距离的变化情况
(b) OSSB与ODSB调制的衰减对比情况
图3 不同电光调制方式的微波信号光传输仿真图
本文利用G652单模光纤搭建了一条长度为102.5 km的微波信号光传输系统，通过改变被传输微波信号频率，验证ODSB与OSSB电光调制对光纤“周期性衰落”现象的影响，电光调制对比实验测试结果如图4所示，微波信号光传输系统的主要测试数据如表1所示。
(a) ODSB调制的测试结果
(b) OSSB调制的测试结果
图4 电光调制对比实验测试结果
表1 微波信号光传输系统的主要测试数据
测试参数参数值工作频率/GHz7.9～18.1传输距离/km102.5光链路增益/dB12.5ODSB调制功率起伏/dB≥27.9OSSB调制功率起伏/dB≤±2.26
采用OSSB电光调制后再经长距离光纤传输可以极大地改善光纤色散引入的微波信号功率“周期性衰落”问题。但是由于本实验中没有加入微波信号功率均衡器，对功分器、移相器和放大器等微波器件造成的增益不平衡进行功率均衡，因此功率起伏的测试结果仅为±2.26 dB。
2.2 适应光缓存的电光调制技术
为了获得更好的干扰信号效果，本文采用电光单边带调制(OSSB)将无用光边带压缩到最小，更好地消除光纤色散对缓存微波信号功率的扰动。该调制方式以双臂电光调制器(DD-MZM)为核心实现无用边带抑制功能。基于双臂电光调制器的OSSB原理如图5所示。
图5 基于双臂电光调制器的OSSB原理图
该调制方式需要将调制器的Bias1与Bias2偏置电压设置为相位相差π/2，同时将射频信号的一条支路微波信号进行希尔伯特变换(相移π/2)后与原信号分别加载到调制器的两个射频口RF1和RF2。假设接收的射频信号fRF和输入的光信号fOL如下：
fRF=ARFcos (ωRFt+φRF)
(1)
fOL=AOLcos (ωOLt+φOL)
(2)
式中，A为信息的幅度，ω为信号的角频率，φ为信号的初始相位。
因为光功率和微波功率的插入损耗仅影响输出信号的幅度，不影响调制信号的形式，为了简化计算，假设光分路器/合路器的光功率插入损耗为0，微波信号的功分器和希尔伯特变换的插入损耗均为0，根据图5中的工作原理、式(1)和式(2)，可以推导出OSSB输出信号fOSSB的数学表达式如下：
(3)
式中，m为微波信号的调制率。
设置光载波频率为193.4 THz(1 550 nm)，调制系数为0.8，利用Matlab对上述数学模式进行仿真。OSSB调制的仿真结果如图6所示。
(a) 光下边带调制
(b) 光上边带调制
图6 OSSB调制的仿真结果
通过调制双臂电光调制器的Bias1与Bias2之间的电压差可实现不同的OSSB调制，当Bias1对应的光相位超前Bias2对应的光相位π/2时，就实现了光下边带调制，如图6(a)所示；当Bias1对应的光相位滞后Bias2对应的光相位π/2时，实现了光上边带调制，如图6(b)所示。
3 光缓存的光路切换技术
火控雷达、精确制导雷达等快反雷达的脉冲宽度越来越窄，已经达到纳秒量级，因此需要光取样开关的开启/关断时间优于纳秒量级，同时减小缓存过程中光信号的抖动、目标信号扰动和缓存信号功率起伏，也需要光取样开关达到纳秒级。
3.1 高速光开关
目前市面上较成熟的高速光开关主要有MEMS光开关、LiNbO3光开关、声光开关和SOA光开关等。本文对这些光开关的开关时间、插入损耗和优缺点进行了比较。典型光开关的主要参数比较如表2所示。
表2 典型光开关的主要参数比较
开关类型开关时间插入损耗优点缺点MEMS2 ～10ms1dB交换容量大交换速度慢、插损较大、长时稳定差LiNbO3光开关<1ns<3.5dB高速、偏振不敏感控制难、承受功率小SOA光开关<1ns增益10dB高速、偏振不敏感噪音系数大(≥8dB)、扩展性差
光脉冲加载单元的光开关要求：开关时间小于1 ns，开关模式1×2，噪声系数和插入损耗小，技术成熟、可靠。综合考虑以上要求，仅能选用LiNbO3光开关。但是该类型的光开关仅有1×1类型(n×n的速度较慢)。因此需要利用1×1光开关进行适当的组合成1×2光开关。
3.2 1×2超高速光开关
利用2个1×1的LiNbO3高速光开关，并且严格控制好2个光开关的开启和关断时序，就能组合成高速的1×2光开关。1×2高速光开关原理如图7所示。
图7 1×2高速光开关原理图
如图1所示，由于该光开关需要完成光纤存储环信号加载，同时开启/关断光纤环的缓存通路，即加载信号时光纤存储环必须关断，缓存信号时不能加载信号。因此光开关的切换(由一支路开启到另一支路关闭)必须保证完全的同步，否则会造成缓存光信号的叠加或连接不到位，从而产生缓存信号的扰乱，甚至影响光缓存信号的平衡，如图8所示就是由于光开关开启时速度较慢造成的微波信号功率起伏。
图8 缓存微波信号的功率起伏
3.3 高速光开关控制
1×1的LiNbO3高速光开关主要由光功率分配器、光功率合成器、Bias电极和RF电极等部分组成，如图9(a)所示。光开关的关断和开启就是通过控制Bias电压，使其工作于关断工作点或开启工作点实现，如图9(b)所示。
(a) LiNbO3光开关结构示意图
(b) LiNbO3光开关转换响应示意图
图9 LiNbO3高速光开关工作原理图
根据a臂光信号经过RF信号和Bias控制信号调制后在末端的光功率合成器处与b臂光信号进行光功率的合成的工作原理，如图9(a)所示，可推导出其输出光功率Pout(t)表达式为
(4)
式中，αMZM为电光调制器的插损，Pin(t)为光信号，Vπ为半波电压，VDC为静态工作点电压值，VRF为微波信号的幅度值，ωRF为射频信号角频率。
由于LiNbO3调制器作为光开关时，RF信号输入为0，即VRF=0。因此，LiNbO3高速光开关的输出光功率Pout(t)表达式为
(5)
当VDC=Vπ时，
光开关关断。
当VDC=0时，
光开关开启。
控制LiNbO3高速光开关需要首先将RF输入口通过电容接地，保证RF口输入信号为0，然后根据Bias的开启/关断电压进行实时调整，实现光开关的控制。
4 光缓存系统的试验验证
光缓存试验验证系统采用1 550 nm波长光信号，8～18 GHz的RF信号，4 km长的光纤(20 μs)作为缓存光纤，实现80 μs时间的光信号缓存。光缓存试验验证系统组成如图10所示。试验验证系统相关图如图11所示。
该实验验证系统由于使用的高速示波器的信号存储容量有限和RF信号频率较高(8～18 GHz)，本实验仅测试了80 μs的时间长度(实际系统可以缓存更长时间)；并且采用了欠采样模式，因此缓存后的微波信号幅度显示有起伏，如图10(c)所示，实际缓存后的微波信号幅度是相对平稳的。试验验证系统主要测试指标如表3所示。
图10 光缓存试验验证系统组成图
(a) 光缓存试验验证系统实物图
(b) 光缓存前的取样信号图
(c) 光缓存后的全信号图
图11 试验验证系统相关图
表3 试验验证系统的主要测试数据
测试参数参数值工作频率/GHz8～18瞬时工作带宽/GHz10反应时间/ns216.51光波长/nm1550.2光本振功率/dBm12.86光缓存时间 / μs82.4缓存目标数量1
5 结束语
本文对光缓存的总体技术、电光调制技术和光路切换技术等开展了研究，对关键技术开展了理论论述和仿真，利用试验验证系统对光载微波信号缓存的工作原理和主要指标进行了验证，达到了预期结果。该系统还可以在插入噪声优化、取样深度的动态调整和多波长光载微波信号缓存等方面开展深入研究，推动光缓存技术的实用化，大幅提升我国电子战装备的作战效能。
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