宽带灵活的新型微波光子卫星转发理论与方法研究

Because of various kinds of upgrading limitations and challenges of current satellites transmit systems, novel satellite repeater system concept based on microwave photonic technology is brought forward to solve future broadband communication satellites' electrical bottleneck problem and traditional microwave technology's volume, power weight and EMC problems. The novel satellite repeater system method includes the research of centralized multiple local oscillator generation and distribution, multi-channel broadband mass frequencies conversion, multi-channel optical microwave signals flexible cross connection and switching. The relevant satellite repeater solution will be given, which covers satellites' C, Ku, Ka band and has the function of multiple radio signals broadband frequency conversion and flexible switching. The project is emphasized on the common theory and methods of utilizing microwave photonic technology in the satellite broadband signal processing. Three scientific issues will be mainly addressed, including the method and optimizing theory of generating various kinds of optical local oscillator frequencies employing new modulators schemes with a small quantity of microwave local oscillators to cover multiple satellites telecommunication bands, optical microwave signals conversion combined with WDM(wavelength division multiplexing) to complete multiplex radio frequencies conversion and inter-channel interference analysis, the theory of satellites optical microwave signals switching and insertion loss compensation influence analysis. The research is expected to provide important theoretical evidence and technical basis for the nation's novel broadband telecommunication satellite repeater system's development.

课题主要针对当前卫星转发系统升级所面临的多种限制和挑战，基于新型微波光子卫星转发概念,进行卫星转发系统中的多个本振集中产生与分布,多通道宽带批量的频率变换,多通道射频灵活的交叉连接与切换的理论与方法的研究,探索解决未来大容量通信卫星面临的微波宽带电子瓶颈和传统射频技术日益严重的体积、功耗、重量和EMC的问题。本课题将重点研究微波光子技术应用于卫星的普遍性的理论和方法，着力解决覆盖多个卫星通信频段的基于新型调制器和调制结构的多本振光学产生方法和优化理论，结合WDM技术的光域多路射频频率变换方法及串扰分析，星上多频段射频信号的光域交换方法研究及插损补偿影响分析三类科学问题，最终为我国新一代宽带通信卫星转发系统的发展提供重要的理论基础和技术支撑。

项目的背景.随着卫星通信带宽需求的快速增加，通信卫星逐渐扩展通信频率到 Ka 波段甚至以上。传统微波转发技术面临着频谱窄、重量/体积/功耗偏大及电磁干扰等问题。微波光子技术具有带宽宽，损耗小、干扰低等显著优点，是解决未来星上转发器电子瓶颈的有效手段。.主要研究内容.研究利用微波光子技术实现转发系统中的多个本振集中产生，以利于组建星上本振分布网络。研究多通道宽带批量的频率变换，从而易实现多频段、多信道同时变频，提供更灵活的卫星变频率规划。.重要结果.课题组共发表文章9篇（3篇SCI，4篇EI），申请国家发明专利1项，完成了项目预期研究成果（要求发表论文 8～10 篇（SCI/EI 5篇以上），申请发明专利1～2项）。具体如下：.课题组国际首次报道了一种基于光频梳的的多频段频率变换方法并实验验证。该方法将两个相关光频梳进行混频，实现了跨频段多频段射频光信号变频，在同一个结构中实现了带内和带外的多本振产生，发表SCI论文一篇。.课题组国际首次报道了提出并实验验证了一种宽带宽范围反馈可调的光电振荡器方案和自振荡三角波脉冲本振源，发表SCI论文两篇。.课题组国际首次报道了提出了多种灵活频率转换与多本振集中产生方法，发表EI论文三篇。针对该转发结构中可实现变频和交换的重要核心方法申请专利一项。基于光纤激光器的本振产生方法发表EI论文一篇。. 关键数据及其科学意义.课题组在试验中产生了2GHz~26GHz四种多本振信号，将一个6.1GHz（C波段）信号转换到了4.1GHz（C波段）、3.9GHz（C波段）和11.9GHz（X波段）。每个输出信道仅有9.3%的EVM性能恶化，为多光梳变频和多本振产生技术的发展打下理论和试验基础。.课题组通过仿真研究的灵活频率转换与多本振产生方法，可将输入射频载波从6GHz变频为4GHz~22GHz四个输出频率，或将输入射频载波从16GHz变频为4GHz~52GHz的八个不同的输出频率，为微波光信号批量变频与交换打下基础。.课题组实现的锁相光电振荡器在1000s内的阿伦方差≤10-10数量级，优于自由运行的光电振荡器4个数量级以上。产生了4GHz和5.7GHz的本振信号，10kHz的相位噪声可达−114dBc/Hz和−122 dBc/Hz，与理想信号的均方根误差可低至5.9777e-4 和 6.0002e-4。为高稳定光载时钟信号产生的研究打下基础。