第36卷 第2期 激光与红外 Vo1.36,No.2 2006年2月 I SER & INFRARED February,2006 文章编号:1001-5078(2006)02-0081-4}4 微波光子学发展动态 周 波,张汉一,郑小平,陈锐 (清华大学电子工程系,北京100084) 摘要:重点从微波光子学的RoF系统和光控相控阵这两个重要应用领域的现状来探讨微波 光子学研究意义和前景。并对其他应用领域的发展动态进行简单介绍。 关键词:微波光子学;RoF;光馈宽带无线接入;无线局域网;光控相控阵雷达;真延时;光控波 束形成网络;智能天线THz系统 中图分类号:TN925;TN929.11 文献标识码:A Developing Status of Microwave Photonics ZHOU Bo,ZHANG Han-yi,ZHENG Xiao-ping,CHEN Rui (Department of Electronic Engineering,Tsinghua Univesity,Beijing 100084,China) Abstract:The development of microwave photonic technologies in the two main applications:RoF systems and optical phased array antenna is described,and the future development of microwave photonics is discussed.Moreover,other applications Kre introduced. Key words:microwave photonics;radio over fiber;optically fed broadband wireless access;wireless local 8.t ̄a net- works(WLANs);optical phased array natenna;true time delay;optical ebamforming networks;smart natenna;THz sys- tems 1微波光子学的发展背景 相互干扰的带通传输,与传统的微波传输系统比,具 信息技术的发展促进了微波通信和光纤通信的 有体积小、重量轻、成本低,损耗小,抗电磁干扰,大 迅速发展。微波通信能够在任意方向上发射、易于 带宽,低色散、高容量等特点。微波信号的光处理技 构建和重构,而且能实现与移动和手提设备的互联; 术能提供更高的微波频率,克服电信号处理电路中 它传输成本低(通过大气传输),采用蜂窝式系统具 有限的信号取样和控制速度。可实现高速信号处 备高效的频率利用率。微波通信面临的主要问题在 理、宽带取样及并行操作,且相对成本低。 于微波传输介质对于高频微波进行长距离传输时具 2微波光子学研究方向 有很大的损耗,从而导致使用频率的高频扩展受限。 作为研究微波或毫米波波段的高速光子器件及 此外,电磁辐射对人体安全的影响也越来越得到人 其在微波/光波系统中的应用的一门新兴学科,微波 们的关注。光纤通信的特点是体积小、重量轻;超宽 光予学在器件和系统方面都有众多的研究方 带(>40THz)低损;可以实现几十Gbit/s的信号传 向 .2 J。其器件和子系统类的方向包括: 输,在波长、频率、空间上可多路合成;易于多路合成 ◆高速宽带光子器件:包括激光器、调制器、放大 和分解及灵活的网络结构;抗电磁干扰,无有害辐 器、探测器、信号处理器(例如延时、谱分析、频率转 射,光纤通信的主要问题是移动性不够。 换、信号综合、滤波、信道选择、数据转换等等); 随着高容量信息技术需求的高速发展和微波学 ◆光致电信号合成和控制:从微波到THz波; 与光学两门学科的优势结合,形成了一门新学科 ◆模拟和数字光纤链路; ——微波光予学,实现了微波和光波之间的转换。 微波可以提供低成本可移动无线连接方式,而光纤 基金项目:自然科学重点基金(No.60432020)。 提供低损宽带连接和抗电磁干扰特性。在光纤中可 作者简介:周波(1978一),女,博士生,主要从事微波光子学 领域的研究。 以实现射频波或更高频段信号的无衰减、无信道间 收稿日期:2005-10-14 维普资讯 http://www.cqvip.com
82 激光与红外 第36卷 ◆超快速光探测和测量; ◆光频计量和控制; ◆光子器件与电路的芯片集成; ◆其他相关微波光子器件 微波光子学在系统和其他的应用包 括: 60GHz频段的RoF的无线局域网成为研究的热点 之一[ 。 表1 无线局域网的规格 频带 (GHz) 频带宽 (GHz) 调制方式 直接序列扩频 (DSSS)。跳频 扩频(FHSS) 传输速率 适用环境 (Mbit/s) 标准 2.47l-2.497 2.1一l1 —室内/室外 RCR STD-33(日本) ◆光馈信号无线和蜂窝式无线系 4 DSSS FHSS lll ARIB STD—T66(日本) 网络; 2.400—2.4835 正交频分多路 6室内/室外 IEEE802.11,11b,11g 54 ◆副载波复用和CATV系统; 复用(OFDM) (美国) ARIB STD—TT0,T71 ◆基于不同调制格式的光纤通信; 4.9—5.O OFDM 6554 室内/室外 (日本) 03—5.09l IEEE802◆光控相控阵天线系统; 1lj(美国) ARIB STD—TT0,T7l, ◆卫星光通信系统; 5 5.15—5.25 OFDM 6—54 室内 T72(日本) ◆T赫兹波系统; 5.15—5.35 OFDM 6—54 室内 IEEE802.1la(美国) ◆微波光子系统的设计和建模; 5.47—5.725 OFDM 6—54 室内/审外 HiperLAN2(欧盟) ◆微波光子系统的现场实验。 9 l9正交相移键控 下面我们具体从微波光子学的 1485-19.565 (QPSK) 25 室内/室外 RCR STD-34(日本) RoF系统和光控相控阵这两个主要 25 24.75_25.25 OFDM 6_54 室内/室外 ARIB STD27T83(日本) o0I27.48 应用领域的现状来探讨微波光子学 60 59-66 高斯最小频移 l55键控(GMSK) 52 室内/室外 ARIB STD—T74(日本) 研究意义和前景,对其它应用领域 也进行简单的介绍。 RoF无线个人通信网络也是RoF系统重要应用 3微波一光纤传输(RoF)链路系统 RoF系统的主要优点是实现了微波和光线之间 之一。随着移动用户量的急速增加,系统不但要满 eal time)、无缝隙(seamless)和不问断 的转换,结合了微波和光纤通信的优势。RoF系统 足实时(rontinuous)通信,同时也要有承载宽带和多业务的 使射频微波在光纤中实现无衰减,无信道问的相互 (c干扰的射频波带通传输。其主要应用包括:RoF无 能力。RoF系统的诞生无疑为智能通信系统的实现 利用光纤传输高频 线局域网,天线遥感,宽带视频分配网络,RoF无线 提供了一个实现模型(如图2),宽带RF模拟信号实现中心站与基站的连接。这种 个人通信网络等 。 RoF无线局域网(例如在机场或商场)是通过 RoF无线通信系统能有效的降低基站(Bs)的安装 降低Bs覆盖区域,从而降低手 光纤把信号反馈到无线接人点(AP),然后AP能够 复杂性,便于扩容;提供宽带、广带网络通信和实时 在几十至上百米的范围内(微蜂窝)或室内(微微蜂 持终端的功率损耗;窝)连接多个无线用户,实现多业务信号传输和交 移动画面传输等,使得用户拥有更大的可用带宽。 换,如图1所示。 ——...—..图2 RoF无线通信网络示意图 图1 RoF无线局域网小意图 一 JRoF智能交通系统也是当前研究的热点之 随着现代社会经济的高度发展,交通安全问 。RoF无线局域网与传统无线局域网相比的优势 在于:在满足信号覆盖整个局域范围内实现只有一 个接入点,能降低接人点的复杂度、降低系统成本, 并且高频信号的扩展可以提供宽带、多业务服务。 据ABI Research 的市场预测,到2009年,世界上 超过一半以上的使用无线局域网的办公楼将使用 RoF。表1所列出的是目前无线局域网发展的主要 规格。基于RoF技术,可以适用于不同频段的无线 局域网,随着宽带和多业务信息需求的增加,基于 题也成为世界各国亟待解决的主要问题之一。图3 所示的是日本YOKOSUKA无线通信研究中心在 1998年末研究构建的一个未来RoF智能交通(ITS) 系统图 J。沿着公路建立本地基站,利用RoF系统 实现中心站与基站之间大信息量控制信息传输,提 供道路监控、交通信息服务与管理、自动计费等,有 的还包括公交信息系统、商业车辆管理系统、电子泊 车系统等智能交通管理信息;再由基站天线向快速 运行的交通车提供信息传输。这个RoF的智能交 维普资讯 http://www.cqvip.com
激光与红外No.2 2006 周 波 张汉一郑小平等微波光子学发展动态 83 通系统的工作频段在36~37GHz之间。而车与车 之间采用60GHz波段的毫米波防撞雷达系统实现 实时监测车辆的前方,避免追尾相撞。基于RoF的 ITS系统的优点在于:信息运载能力强,系统成本 所示。RF调制的光信号分配到各阵元幅度相位控 制单元(移相器或延时模块),在输出端由于干涉作 用,RF信号会在某一指向形成零级干涉,从而实现 对该方向的波束指向。波束指向的方向0由移相器 低,抗干扰能力强。2001年以日本YOKOSUKA研 究园(YRP)为主的多个相关研究机构合作建立了 RF工作频率为5.8GHz的多种基带信号传输的 R0F—rI’s现场实验系统 J。并于2002年3月在 YRP园区成功举办了面向公众的IST开放体验 日 1 。目前的研究重点在向更高频段毫米波36— 37GHz的路一车间RoF智能交通通信系统发展¨ , 可以预见,在不久的将来RoF智能交通系统将走向 实用化。 l墨I 3 RoF智能交通系统 意图 RoF系统的主要研究方向包括,高性能的半导 体激光器(高线性度(低失真)、低噪声、低成本封 装);高带宽外调制器(>40GHz);高速高功率光电 转换器;链路性能分析研究(伪自由动态范围 SFDR、噪声等);光纤毫米波(26—110GHz)系统(能 提供宽带多媒体业务、固定和移动无线接人),其包 括:毫米波的产生、微波信号的光处理、控制;基于 RoF的无线移动(800M一2.2GHz)一分布式天线系 统研究,主要包括:系统的噪声和信号失真分析、高 性能激光器、多业务系统网络管理等方面。 4光控相控阵天线(PAA) 相控阵天线具有可靠性高、探测能力强、扫描速 度快、抗干扰能力强,多波束、实时切换、无惯性跟踪 等功能及特点,因此广泛应用于雷达、通信等领域。 在军事领域,为了提高抗干扰能力、为了提高雷达的 分辨率、识别能力和解决多目标成像问题,对抗反辐 射导弹的威胁相控阵雷达必须具有大的瞬时带宽 (>10%),需要使用光真延时技术——光控PAA, 将在后面详细解释。在移动通信系统领域,移动用 户量的剧增、多业务服务导致系统带宽急剧增长,从 而需要基于光控波束形成网络的智能天线。 光控宽带相控阵雷达优点不但能消除波束倾斜 效应,获得最佳的波束扫描,还具有扫描速度快,分 辨率高,抗干扰能力强,大幅度的减轻体积、重量,十 分适用于机载雷达系统。其关键问题是光控微波束 形成网络——延时精度、幅度和相位一致性,如图4 或延时模块.r 决定: 0=sin-1(一云・ )=sin-1(云・ ) 方向 光电转换 图4光控微波束形成网络的原理图 对于宽带信号(带宽为Mr),由于移相器引入的相 位 为常数,则由(1)式中第一等式可得: A0=一tgO(af/fr) (2) 即频带宽度aft引起了波束偏斜△ 。而采用真延 时模块.r 则实现了波束指向不随RF频率偏移。所 以,具有精确延时精度的光控微波束形成网络是确 保宽带信号波束精确定点指向的关键部分(例如: 对于10GHz的微波信号,波束指向精度在1。内要求 延时精度在亚ps量级)。同时,对于线性相控阵系 统,其幅度和相位的一致性是确保波束形成信号质 量的关键指标。光真延时技术实现方案有多种:使 用不同延迟线的开关控制型,自由空间实时延迟,路 径色散实时延迟,集成光波导技术,压电效应实时延 迟技术,多波长实时延迟线等 。光控宽带相控阵 雷达发展趋势从L波段、x波段、K波段到MMW波 段、THz波段,不断向高频发展 。 光控相控阵天线在通信中的应用是光控智能天 线。智能天线是一种多天线技术,采用天线阵列形 成可控的波束,指向并随时跟踪用户。它具有增加 通信容量和速率、减少电磁干扰、减少手机和基站发 射功率,并具有定位功能的优点;能减少多径衰落影 响,获得更多的用户数或更高数据率。其关键部分 之一:光控波束形成网络,可实现大容量的微波信号 在光控微波波束形成网络的控制下可以形成理想的 波束。图5所示的是光控智能天线的基本结构图。 它不但能在光域内对每个阵列信号的波束方向控 制,还能实现空间分集技术克服无线传输中的多径 衰落现象¨ 。目前主要研究方向是集成小型化光 控智能天线的波束形成器研究和大于40GHz的光 控智能天线研究¨ 。2004年Alameh、K.E等人设 计了一个集成微光宽带智能天线的波束形成器,6 个阵元结构,尺寸仅有24×24×20ram 。 维普资讯 http://www.cqvip.com
激光与红外 第36卷 图5光控智能天线不恿图 5微波光子学的其他应用 微波信号的光处理也是微波光子学的重要应用 方向。它能提供更高的微波频率,克服电信号处理 电路中有限精度的信号取样(传统电信号处理方式 能提供的取样频率最大仅为几GHz,而采用光处理 技术能实现大于100GHz的取样频率)和控制速度, 实现宽带取样和并行操作,相对成本低。其主要研 究方向有:光控的A/D转换器(脉冲激光器结合光 电导体获得取样微波信号)和可调谐的光微波滤波 器。目前实现光控A/D转换的方法很多 ,仍处 在研究阶段,未实用化。利用光延时实现微波滤波 是实现高频信号处理的有效技术,也成为很多研究 机构研究热点之一【l7 J。 此外,THz系统也是微波光子学中一个重要的 研究方向。THz是介于微波和红外之间的波段(频 率从0.1到几十THz(3mm—lOI.tm)),rI'Hz技术是 近20年来发展起来的一种新型技术。由于物质的 THz光谱(包括发射、反射和透射)包含有丰富的物 理和化学信息,使其在诸如成像检测、环境监测、医疗 诊断、卫星通信、宽带移动通讯、军事雷达等方面具有 重大的应用前景和科学价值。随着飞秒(10 S)激 光技术的发展和逐渐成熟,使得THz波的研究获得 了有效激励源。THz波的广阔应用前景引起世界很 多研究组浓厚的研究兴趣¨引。主要研究方向包括 THz的光发射器(有效、高精度的固态微芯片激光器 和THz信号发生源)(目前效率仅2%),O/THz转 换模块(接收模块),THz辐射与物质的相互作用研 究以及THz波在成像检测、医疗诊断、THz相控阵雷 达¨ 、生物医学、,I’Hz波通信等领域的应用研究。 可以预见,随着THz波研究的深入,其应用价值将 得到巨大的展现。 6总结 随着信息领域的发展,尤其是宽带信号的需求, 使得微波光子学学科领域的研究越来越受到关注, 并得到长速的发展。目前的研究热点重点在于: RoF系统、光控相控阵天线以及微波信号的光控制 和处理技术中涉及到的一系列实现、系统性能和解 决等研究。 参考文献: [1]Alwyn J SeedB.Microwave photonics[J].IEEE Trans.on Micorwave Theo.and Tech.,2002,50(3):877—887. [2] Anne Vilcot,Btrice Cabon,Jean Chazelas.Micorwave pho- tonics:from components to applications nad systems[M]. Kluwer Academic Publishem.20o3. [3]D Wake,M Webster,G Wimpenny。et a1.Radio Over Fi- ber for Mobile Communication[J].IEEE MWP’04, 20o4.157—16o. [4] AB1 Research Reports,AB1 Research.In-building wire- less Systems[DB/OL].http://www.abiresearch.corn/ preducts/market tesearch/In-Building Wireless Networks, 20o4. [5]Osamu Kagami,Ichihiko Toyoda,Masahior Umehira. Technologies for Next-generation Wierless LANaiJ].M【1r Technical Review,2005,3,(1):31—36. [6] V Brankovic,et 1a.60GHz wierless access system concept [A].31st European Microwave Conference[C].London, 20o1.457—459. [7]Hong Bong Kim,Marc Emmelmann,Berthold Rathke,et a1.A Radio over Fiber Network Architecture for Road Ve- hicle Communication Systems[A].In Prco.of IEEE Ve. hiculra Technology Conference(VTC 2005 Spring)[c]。 Stockholm,Sweden,20o5. [8] Katsuyoshi SATO。Hiorshi HARADA。Fumihide KOJIMA。 et a1.Technologies of millimeter-wave road-vehicle com- munications『J 1.Journal of the Communications Research Laboratory。2001。48(4):l11—123. [9]Hidekai KANNO,Kiyeshi NAGAI,Toshihisa SHIMIZU,et 1a.Optical・Wireless Blended Communication Systems for rrs[j].OKI Technical Review,2001,68,(187):3—5. [10]YRP P&D Promotion Committee.TAO Yokosuka ITS Re. search Center makes open[N].YRP NEWS,2002,23. [11]Istvan Frigyes。A J Seeds.Optically generated true-itme delay in phased.array antennas[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,1995。43,9. [12]Peter Herczfeld.Optically Controlled Phased Array Anten- na from X.band to Terahertz[J].IEEE MWP’40。2004。8 一l1. [13]左群声,金林,等译.无线通信天线手册[M].北京:国 防工业出版社。2004. [14]B KuMow,G Przyrembel,H Ehlers,et a1.Optical Beam Forming of MM-Wave Array Antennas in a 60 GHz Radio Over Fiber System[A].Optical Fiebr CommunicatiOIlS Cofnerence[C].2003(OFC2003),2003,732—734. [15]Alamch K E,Eshraghina K,Ahderom S,et a1.Integrated MicroPhotonic Broadband Smart Antenna Beanfformer [A].In proceeding,2nd IEEE International Workshop on Electornic Design,Test and applications(Delta2004) [C].Perth,2004,208—212. [16]Pierre-Yves Fonjlalaz,Ola Gunnarsson,Mikhail Popov,et 1a.Advanced components for microwave photonics[A]. SPIE,2oo3,4943,152—167. [17]姚建铨,路洋.张百钢,等.THz辐射的研究和应用新进 展[J].光电子・激光,2005,16,(4):503—509.
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