导读：微波光子信道化接收机通过光学方法实现信道分离。由于光器件所具有的极大带宽，基于光子技术的信道化接收机可以从根本上突破传统电子器件的带宽极限，极大地扩展频率检测范围，同时有效压缩侦查设备的体积、重量和功耗。
光子信道化接收机的主要思路与传统的信道化接收机一样，都是将宽带的频谱分割为多个窄带的子频段，再对每个子频带分别进行外差接收处理。不同的是，光子信道化接收机是在光域上将射信号频谱分割为不同频段并分别分配到不同的空间位置，即通过光学方法实现信道分离。其本质是用光学器件实现传统的电子技术中模拟或数字滤波器的功能。由于光器件所具有的极大带宽，基于光子技术的信道化接收机可以从根本上突破传统电子器件的带宽极限，极大地扩展频率检测范围，同时有效压缩侦查设备的体积、重量和功耗（Size，Weight and Power，SWaP）。
实现在光频将宽带射频谱信号分解为适合电子A/D处理的多个子频段的光滤波器称为信道化器（Channelizer）。它是实现光谱分离的关键器件，关系到整个系统的性能。从光谱分离实现的角度划分，基于光子技术的信道化接收机可以分为直接信道化和取样式光谱分离两种。
直接信道化是指将微波信号调制到某一个光载波上，利用某种光解复用器将光信号频谱分割成多个窄带光信号并从不同的端口输出。目前，实现光谱分离的器件主要包括：其一，基于衍射光栅；其二，基于阵列波导光栅（AWG）；其三，基于窄带通滤波器组。
基于衍射光栅的光谱分离是利用光栅的衍射效应，将光谱中不同频率成分的光衍射到不同的角度，再经过聚焦透镜汇聚到不同的空间位置。根据衍射方程的理论，衍射光栅分离的波长间隔与其所使用的透镜焦距具有相反的关系。如果需要实现超密集光谱的分离，需要使用焦距极大的聚焦透镜。因此，采用衍射光栅作为超密集光谱分离的器件的主要问题是光路长、体积大、结构复杂。
基于阵列波导光栅（AWG）的光谱分离技术，在光纤通信领域应用很广。其基本原理是多光束干涉。受限于波导的制作工艺，目前商用AWG的最窄波长分离能力为12.5GHz。不能达到信道化接收中超密集光谱分离的要求。
基于光带通滤波器组的光谱分离技术也是光纤通信领域广泛使用的光解复用技术。这种技术方案需要使用与通带数相同的光窄带滤波器。要求每个滤波器都具有准确的中心波长和稳定的通带特性。光带通滤波器技术主要包括多层膜干涉滤波器和法布里-珀罗干涉滤波器。多层薄膜干涉滤波器是目前被广泛采用的光滤波器技术，但是目前可商用的通带带宽限于100GHz，无法满足这里的应用要求。如下图所示，基于法布里-珀罗干涉的光滤波器可以实现很窄的带宽，但其通带滚降因子小，通道之间串扰较大。
1984年，美国海军研究实验室的E.M.Alexander等人报道了一个基于法布里-珀罗（FP）标准具的射频信道器。射频信号首先被上转换到光频，然后通过一个标准具解复用。这里标准具相当于一个滤波器，在分立的入射角处，调制光透射过去。该信道器可将100-1000MHz的频带分成70M的通道。
1999年，澳大利亚国防部电子与侦察实验室的S．T.Winnall等人提出了一种基于集成光布拉格光栅、FP和集成混合菲涅尔棱镜系统的微波信道化装置。但目前的集成光学工艺水平限制了其测频精度。
2001年，美国新聚点公司W．Wang等人报道了一个相干光射频信道器，它是基于自由空间衍射光栅，利用相干光外差检测法将所有的频率通道转换到一个常用的中频。其信道间隔为1GHz，标称5GHz的中频，可提供大于100GHz的即时带宽。但是，上述这两种方法存在插入损耗，频带失真等问题。
2005年，澳大利亚国防部的D.B.Hunter等人报道了一种用于微波频谱分析的全光RF信道化接收机。它采用相移啁啾光栅形成一组并行的传递峰渐增的滤波器，从而实现来信号的信道化接收，并成功进行了实验演示。但是若要提高其分辨率，就需要大量的窄带滤波器，这使得系统集成面临很大的现实问题。
2009年，澳大利亚皇家墨尔本大学微电子与材料技术中心研制了基于FP滤波器阵列的微波光子信道化接收机。首先将RF信号调制到光载波上，然后通过功分器后，对利用FP滤波器的窄线宽滤波特性每一路信号光载波上的RF边带滤波，最后用低速光电探测器（PD）检测。每个FP滤波器的谐振波长峰略有不同。若要提高信道的数量，就需要大量的FP滤波器。
综上所述，目前超密集光谱解复用器技术还存在着难以克服的技术瓶颈，使得直接信道化接收机很难达到令人满意的性能。基于多光束干涉原理的光滤波器（如F-P或G-T腔无源滤波器）的出现使得具有超窄通带和低信道串扰的光梳滤波器成为可能。为此，研究人员提出基于宽带可调谐的平坦光频梳和窄带光梳滤波器的频谱分离技术。基于光频梳的方法有效提高了频谱分辨率。
浙江大学的李泽等人提出了一种结合光频梳（Optical Frequency Comb，OFC）和光梳滤波器的信道化接收机方案，如下图所示。在该方法中，使用两个级联的Mach-Zehnder调制器产生具有11条梳状线的扁平光梳。通过将光梳与具有周期传递函数的光学标准具，波分复用器（WDM）和光电检测器阵列一起使用来实现具有多频分量的微波信号的频率分析。
其中，激光器信号由一个激光二极管（LaserDiode，LD）输出，通过级联的调制器产生梳齿间隔为1的光频梳，使用强度调制器将未知信号加载到光频梳上。值得注意的是，此时光频梳中的所有光载波上被调制有相同的微波信号。接着，用一个光梳滤波器（Etalon）过滤通过它的信号光，从而获得位于各不同波长光载波某边带上的某些特定光频处所加载的微波信号。可以用自由频谱范围（Free Spectral Range，FSR）和精度（Finesse）来表征光梳滤波器的特性。注意光频梳的谱线间隔1需要与标准具的FSR略有不同。
上图可以说明光梳滤波器的周期性传函与光频梳等间隔载波之间的关系：假定某一光载波0的频率与光梳滤波器的透射峰0对齐，这样从光载波1到最后一个的光载波频率和对应的光梳滤波器透射峰之间会产生某个固定且递增的偏置频率。也就是说，每一个透射峰就对应了一个原始微波信号的子频率段。待测微波信号中相应的频率分量可以通过测量每个透射峰的透射光功率大小来确定。每个透射峰对应的频率通道空间用一个通道间隔与光频梳的谱线间隔相同的光解复用器分开，并通过光电检测器阵列来测量每个通道的功率，就得到了一个微波光子信道化接收机。该方法实现了多频信号的频率测量，测量范围为0.5-11.5，精度为±0.5GHz。
可以看出，此方案将未知微波信号加载到光频梳的各个载波上并用窄带光梳滤波器滤出各个光载波上不同部分的微波信号，间接地实现了信道化的功能。方案大大降低了解复用器的设计难度，提高了各个子信道的抗串扰性。
北京邮电大学谢小军等人也作了与上述类似研究，提出一种基于光频梳（OFC）的宽带射频（RF）信号的新型光子信道化方案，同时提出并演示了一种梳状滤波器和光学多路复用器。在所提出的信道化器中，输入宽带RF信号由OFC多播，通过法布里-珀罗滤波器（FPF）进行光谱切片，然后由常规光学解复用器进行信道化。与先前的提议相比，OFC可以提供均匀和低噪声的信道化并简化与FPF的频谱对准。
美国加州大学Camille-Sophie Brès等人提出一种新的光子信道化接收技术，其原理如图所示。它利用四波混频（FWM）原理进行参量组播，将最初的射频信号复制到一系列均匀间隔开的光载波上，随后通过一个周期性的滤波器滤波。之后使用一组PD对每个滤出的子带进行检测，由此实现对到来的未知信号的频谱分析。这种方法可通过改变泵浦光源与种子光源的波长实现系统的重构，而且此系统工作在有源模式，消除了插入损耗，也无需对信号进行后续放大。
电子科技大学董启萌等人研究了一种参量多播光子信道化射频接收机。由天线接收到的射频信号调制到光载波上，与两路泵浦光耦合之后进入高非线性光纤，利用光纤四波混频效应实现信号光的组播。当光源参数满足第二泵浦光源与第一泵浦光源的频率之差为种子光源与第一泵浦光源的频率之差的4倍，且HNLF的参数满足近似相位匹配条件时，能在HNLF上产生多个频率间隔相同的拷贝光。该发明系统复杂度低，且消除了无源器件的插入损耗，具有很好的实际应用价值。
小结：近年来，基于光滤波技术的微波光子信道化接收机获得了广泛的关注。国内外在微波光子信道化方面都开展了研究，目前来说国外报道较多，国内报道较少。微波光子雷达领域仍然需要加大科研力量的投入。
参考资料：
[1] Li Z , Zhang X , Chi H , et al. A Reconfigurable MicrowavePhotonic Channelized Receiver Based on Dense Wavelength Division MultiplexingUsing an Optical Comb[J]. Optics Communications, 2012, 285(9):2311-2315.
[2] Wang W , Davis R L , Jung T J , et al. Characterization of acoherent optical RF channelizer based on a diffraction grating[J]. IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques, 2001, 49(10):1996-2001.
[3] Hunter D B , Edvell L G , Englund M A . Wideband MicrowavePhotonic Channelised Receiver[C]// International Topical Meeting on MicrowavePhotonics. IEEE, 2006.
[4] BreS C S , Zlatanovic S , Wiberg A O J , et al. ParametricPhotonic Channelized RF Receiver[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2011,23(6):344-346.
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/ZU_1F8SgVfihlNaagMntXA
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