军事科学院首席专家何元智研究员团队对卫星通信微波光子载荷架构及关键技术进行了深入研究，探索利用光学手段克服微波技术的电子瓶颈，相关成果以“基于微波光子的卫星通信载荷架构及关键技术”（ Technology and Application of Satellite Communication Payload Based on Microwave Photons ）为题，发表在《电子学报》60周年专刊。
内容简介
一、研究背景
随着信息技术和航天技术的快速发展，未来卫星通信正不断向宽带高速传输、多粒度柔*交性**换转发、灵活空间组网方向发展，对星上传输、组网、交换能力提出了更高要求。采用微波技术进行星上处理转发的传统卫星通信载荷，受微波器件性能限制，难以在兼顾载荷重量、体积和功耗的前提下，实现多频段、大带宽、多粒度、多通道的数据传输和高速率、大容量星间数据交互。微波光子学融合了微波和光子的特点，具有工作频带宽、瞬时带宽大、无电磁干扰、接入灵活、体积小、重量轻等优点。基于微波光子的卫星通信载荷能够利用光学手段克服微波技术的电子瓶颈，为卫星通信载荷设计提供了新思路。
本文提出了微波光子卫星通信载荷架构及关键组成，研究了宽带低杂散微波光子阵列变频、微波光子密集信道化、柔性光交换转发和微波光子芯片化/集成化的解决方案和关键性能，探讨了微波光子卫星通信载荷的应用场景，为未来多频段一体化的先进卫星通信载荷设计和应用提供了支撑。
二、研究亮点
1. 提出多频段接入、大宽带转发、多尺度柔*交性**换的微波光子卫星通信载荷架构
本文针对基于传统微波技术的卫星通信所存在的局限性，探索提出具有多频段接入、大宽带转发、多尺度柔*交性**换特点的未来新型微波光子卫星通信载荷架构，如图1所示。主要由收发天线单元和光域信号处理交换单元两部分构成。收发天线单元包括多频段微波天线和光学天线阵列，支持Q/V、Ka和Ku等频段微波信号，以及多路激光信号的接收和发送。光域信号处理交换单元由宽带光电/电光阵列、大瞬时带宽微波光子信道化模块、多尺度微波光子柔*交性**换模块、合路器等组成，实现多路不同频段微波信号和激光信号的高速、多尺度、柔*交性**换转发。
图1 卫星通信微波光子载荷架构示意图
2. 提出双偏振低杂散可灵活调谐的微波光子变频解决方案
针对宽带光电/电光转换过程中的杂散抑制和镜像抑制问题，本文采用双偏振低杂散可灵活调谐一次变频方案，利用PDM-MZM输出偏振复用光信号，在下变频时通过偏振控制器和偏振分束器将射频和本振信号分开为两个偏振态，分别输入平衡探测器进行光电平衡探测消除二阶交调，然后在数字域进行镜像抑制及IQ幅度和相位不平衡的补偿，有效提高了镜像抑制比，如图2所示。
图2 双偏振低杂散可灵活调谐的微波光子变频方案示意图
3. 提出多波长两级复用的微波光子密集信道化解决方案
基于周期光滤波的信道化接收方法通道间隔离度差，采用双光梳方案时工作频段调谐性差、大间隔多梳线光梳生成困难。本文提出一种采用多波长两级复用的微波光子密集信道化处理方案，利用多波长提升载波质量，通过两级复用增加通道数，采用独立本振提高系统调谐性能，如图3所示。
图3 多波长两级复用微波光子密集信道化方案示意图
4. 提出微波光子卫星通信载荷应用设想
基于微波光子载荷的卫星通信载荷以其支持带宽大、处理转发能力强、体积小、重量轻等优势，能够在未来卫星通信和空间信息网络中发挥重要作用。图4所示为一种基于微波光子载荷的卫星通信应用设想示意。位于GEO轨道的骨干通信卫星和分布式星群卫星搭载微波光子卫星通信载荷，上下行提供Q/V、Ka、Ku等多频段、变带宽微波通信链路，支持包括固定站、便携站、机载站、车载站、中低轨卫星星座、地球空间站、气象遥感卫星等用户各类业务的多频段、多通道微波信号接收及发送，星间及分布式星群内部采用星间激光链路实现高速率、大容量、远距离的星间数据交互。基于微波光子载荷的卫星通信应用场景按照业务信息走向划分，主要包括本地数据处理转发、远距离数据传输转发、分布式星群群内协作处理三种数据传输模式。
图4 卫星通信微波光子载荷应用设想示意图
三、研究成果
1. 宽带低杂散微波光子变频性能
对变频增益、杂散抑制能力、无杂散动态范围（Spurious Free Dynamic Range，SFDR）和镜像抑制率进行仿真测试。系统关键参数如下：激光器的输出功率为15.5dBm，调制器的插损为6dB，调制器的消光比为30dB,光放大器的噪声系数为4.5，其工作在自动功率控制（APC）模式，输出光功率为5dBm，光电探测器的响应度为0.8A/W。设置射频信号频率为30GHz，输出功率为-30dBm，本振信号频率为29GHz，输出功率为8dBm。通过仿真得到变频系统的增益为-7.79dB，三阶交调抑制比为52.32dB，1Hz噪底下的系统SFDR为104.75 dB·Hz2/3，镜像抑制比达到了51dB。
图5 变频镜像抑制性能仿真图
2. 微波光子密集信道化性能
为了验证系统的密集信道化能力，对信道间增益起伏和隔离度指标进行仿真测试。利用基于多波长两级复用微波光子密集信道化技术，将5GHz-6GHz内1GHz的信号划分为14个72MHz的子信道，得到14个子信道上变频后的频率及其对应的功率值，如表1所示。
表1 信道间增益起伏测量结果
可以得到，各信道间的最大幅度不平坦度为-46.68-(-46.81)=0.13dB。
3. 研究结论与启示
近二十年来，从理论到实验，从单一技术到系统融合，在基础理论的推动以及需求的牵引下，基于微波光子技术的卫星通信载荷解决方案逐渐明朗。随着光电子集成技术的发展，基于Si、Si3N4和InP的微波光子集成系统成为可能，未来基于微波光子的卫星通信载荷能够进一步降低系统尺寸、功耗、重量，并提高系统稳定性，从而为其星上搭载应用铺平道路。在新一代卫星通信系统中，微波光子技术将广泛应用于多频段、大带宽星上数据处理与宽带传输，支持星间激光通信由点到点传输向空间激光组网方向不断发展，在未来的卫星载荷系统中发挥越来越重要的作用。
作者简介
尹 浩 （指导专家），中国科学院院士，博士生导师，通信网络领域专家，中国电子学会常务理事，工业和信息化部通信科学技术委员会常委等。主要从事通信网络技术研究，在复杂环境通信网络理论方法研究、体系结构设计和技术应用等方面取得了多项创新性成果，主持完成20多项国家和国防重大科研项目，获国家科技进步奖、省部级科技进步奖多项。
何元智（第一作者），军事科学院首席专家，博士生导师，中国通信学会太赫兹通信委员会副主任委员，中国通信学会卫星通信委员会委员。长期从事卫星通信系统理论方法、关键技术研究、总体设计和装备研发工作，取得多项创新成果，获国家科技进步一等奖1项、二等奖1项，省部级技术发明特等奖1项、科技进步一等奖8项；获钱学森杰出贡献奖、何梁何利科技创新奖、中国青年科技奖特别奖、中国青年女科学家奖；入选国家百千万人才工程。
谭庆贵 ，中国空间技术研究院西安分院空间微波技术重点实验室研究员。长期从事卫星相干光通信技术、微波光子通信卫星有效载荷技术及光学相控阵天线技术研究工作。完成相干激光通信、微波光子信号传输、微波光子交换转发等技术攻关和成果转化。共获省部级科技奖励5项，出版专著3部，发表论文68篇，获授权国家发明专利25项。
文爱军 ，西安电子科技大学教授，博士生导师，IEEE高级会员，1998年获得西安电子科技大学通信与信息系统工学博士学位，长期从事微波光子通信电子技术研究工作，主持完成系列样机研制，在《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》、《IEEE Journal of Lightwave Technology》等主流期刊发表系列研究成果。
引文格式
何元智, 尹浩, 谭庆贵, 等. 基于微波光子的卫星通信载荷架构及关键技术[J]. 电子学报, 2022, 50(12): 2945-2956.
Yuan-zhi HE, Hao YIN, Qing-gui TAN, et al. Architecture and Key Technologies of Satellite Communication Payload Based on Microwave Photonics[J]. Acta Electronica Sinica, 2022, 50(12): 2945-2956.