CN115642961B - 一种基于微波光子的卫星通信载荷 - Google Patents

一种基于微波光子的卫星通信载荷 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于微波光子的卫星通信载荷，包括收发天线单元和光域信号处理交换单元。收发天线单元包括多频段微波天线和光学天线阵列，光学天线阵列实现激光信号的接收发送。光域信号处理交换单元包括宽带电光阵列、高通道数密集微波光子信道化模块、多尺度微波光子柔性交换模块、多频宽带光电阵列和电耦合器阵列，宽带电光阵列完成多路不同频段微波信号一体化的低杂散、高线性的电光调制；信道化模块实现可变带宽的光域子信道划分，柔性交换模块完成多路光信号的可变粒度交换。本发明具有工作频带宽、瞬时带宽大、无电磁干扰、接入灵活、体积小重量轻的优点，可实现多频段一体化、低损耗大带宽、多尺度柔性交换的卫星通信微波光子载荷。

Description

一种基于微波光子的卫星通信载荷
技术领域
本发明涉及卫星通信系统和微波光子技术领域，尤其涉及一种基于微波光子的卫星通信载荷。
背景技术
卫星通信作为通信系统的重要组成部分，具有覆盖范围广、通信频带宽和不受地理条件限制等优势，可以实现大地域通信组网和灵活的全球覆盖，是通信领域不可或缺的重要组成部分。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大带宽、多粒度传输和高速率空间组网的方向发展，对星上传输能力以及组网交换能力提出了更高的要求。传统的卫星通信系统通常采用微波技术进行信号的星上处理和转发，受到微波器件性能的限制，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。因此，需要开展卫星通信载荷新技术研究，提高载荷星上处理能力和星间通信性能，同时满足现有卫星平台的承载能力要求。
微波光子学融合了微波和光子两大技术，具有工作频带宽、瞬时带宽大、无电磁干扰、接入灵活、体积小重量轻等特点，基于微波光子的卫星通信载荷能够利用光学手段克服传统微波技术在处理速度和传输带宽等方面的电子瓶颈，大幅度提高卫星通信系统的高频段、大带宽通信信号的传输与处理性能，为卫星通信载荷的设计提供了新的思路。当前，微波光子技术在空间信息通信领域的应用已成为研究热点和重要发展方向，亟需开展基于微波光子的卫星通信载荷相关技术研究。
中国专利CN110365401A中，公开了一种基于微波光子学的通信卫星转发装置及其转发方法，利用微波光子技术实现了低损耗、大带宽的星上弯管式转发，但是该方法只能实现微波波束间大颗粒度的交换，不能满足波束内和波束间子信道的交换转发需求。中国专利CN110601769B中，公开了一种基于微波光子的星载阵列微波变频交换系统及实现方法，通过光域、电域二级交换的方式，实现细颗粒度的星上交换，但是在电域进行数字处理仍然受到电子瓶颈的限制，不能充分发挥微波光子技术的优势。
发明内容
面向未来卫星通信多频大带宽传输和空间高速组网的发展方向，针对基于传统微波技术的卫星通信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的问题，本发明公开了一种基于微波光子的卫星通信载荷，包括收发天线单元和光域信号处理交换单元；
所述收发天线单元用于实现对多频段微波信号和激光信号的接收和发送；所述收发天线单元包括多频段微波天线和光学天线阵列；所述多频段微波天线用于实现Q/V频段、Ka频段和Ku频段微波信号的接收和发送；
所述光域信号处理交换单元，用于对收发天线单元所接收的多频段微波信号和激光信号进行交换处理；所述光域信号处理交换单元，包括宽带电光阵列、高通道数密集微波光子信道化模块、多尺度微波光子柔性交换模块、多频宽带光电阵列和电耦合器阵列；
所述宽带电光阵列与所述高通道数密集微波光子信道化模块相连接，所述高通道数密集微波光子信道化模块和所述多尺度微波光子柔性交换模块相连接，所述多尺度微波光子柔性交换模块和所述多频宽带光电阵列相连接，所述电耦合器阵列和所述多频宽带光电阵列相连接；所述多尺度微波光子柔性交换模块和所述光学天线阵列相连接。
所述光学天线阵列用于实现多路激光信号的接收、功率放大、去噪和发送；
所述光学天线阵列，包括接收光学天线、光放大器、光滤波器和发送光学天线；
所述光学天线与所述光放大器连接，所述光放大器和光滤波器连接；所述光滤波器和发送光学天线均与多尺度微波光子柔性交换转发模块相连接；所述光滤波器设置于多尺度微波光子柔性交换转发模块的输入端；所述发送光学天线设置于多尺度微波光子柔性交换转发模块的输出端。
所述光学天线阵列用于实现多路激光信号的接收、功率放大、去噪和发送，包括：
所述光学天线阵列，利用接收光学天线对自由空间的多路激光信号进行接收，得到多路激光接收信号；
利用所述光放大器对所述多路激光接收信号进行功率放大，得到功率放大接收信号；
利用所述光滤波器对功率放大接收信号进行去噪处理，得到去噪激光信号，将去噪激光信号发送至多尺度微波光子柔性交换转发模块；
利用发送光学天线，将所述多尺度微波光子柔性交换转发模块的路由转发的光信号发送至自由空间。
多尺度微波光子柔性交换转发模块的部分输出端口连接多频宽带光电阵列，其余端口连接光学天线阵列的发送光学天线。
所述宽带电光阵列用于利用光频梳，对多频段微波天线所接收的Q/V频段、Ka频段和Ku频段微波信号进行调制，得到偏振复用光信号，完成多路不同频段微波信号一体化的低杂散、高线性的电光调制；所述光频梳，是宽带电光阵列产生的基准光载波信号。
所述宽带电光阵列包括N个激光器、两个马赫-增德尔外调制器、一个90°偏振旋转器PR和一个偏振合束器PBC；
所述N个激光器与两个马赫-增德尔外调制器均进行连接，两个马赫-增德尔外调制器分别记为X-MZM和Y-MZM；Y-MZM与90°偏振旋转器PR相连接，X-MZM和90°偏振旋转器PR均与偏振合束器PBC相连接。
根据X-MZM的输入功率和输出功率比值最小的准则，确定X-MZM的偏置点取值；利用所述的X-MZM的偏置点取值，对X-MZM的偏置点进行设置；
根据Y-MZM的输入功率和输出功率比值最大的准则，确定Y-MZM的偏置点取值，利用所述的Y-MZM的偏置点取值，对Y-MZM的偏置点进行设置。
所述宽带电光阵列用于利用光频梳，对多频段微波天线所接收的Q/V频段、Ka频段和Ku频段微波信号进行调制，得到偏振复用光信号，包括：
所述宽带电光阵列，利用所述宽带电光阵列的X-MZM和Y-MZM的光路驱动端口，接收N个激光器所输出的频域等间隔的N个载波光梳；
利用所述X-MZM的射频驱动端口，接收多频段微波天线所接收的Q/V频段、Ka频段和Ku频段微波信号；将所述微波信号调制到载波光梳上，得到双边带调制光信号，将双边带调制光信号输出至偏振合束器PBC；
利用Y-MZM对所述N个载波光梳进行信号增强处理，得到增强的N个载波光梳，将所述增强的N个载波光梳作为Y-MZM的输出信号；
利用90°偏振旋转器PR对Y-MZM的输出信号进行偏振旋转，得到Y-MZM输出偏转信号；利用偏振合束器PBC，对Y-MZM输出偏转信号和X-MZM输出信号进行偏振复用处理，得到偏振复用光信号。将偏振复用光信号作为宽带电光阵列的输出光信号进行输出，完成射频信号向光信号的转换；
所述的双边带调制光信号的场强Eu(t)的表达式为：
Figure BDA0003922938430000041
其中，Ein(t)为激光器产生的本振信号的场强，mRF和mLO分别为多频段微波天线接收的射频信号和载波光梳的调制指数，ωRF和ωLO分别为所述射频信号和载波光梳的角频率，J1()表示一阶贝塞尔函数，J0()表示零阶贝塞尔函数；
所述高通道数密集微波光子信道化模块，用于对宽带电光阵列的输出光信号进行信道划分和高Q值滤波，得到高通道数密集微波光子信道化模块的输出信号；高通道数密集微波光子信道化模块包括光分束器OC、解波分复用器和光滤波器组，所述光分束器OC与所述解波分复用器相连接，所述解波分复用器和所述光滤波器相连接。
所述高通道数密集微波光子信道化模块，用于对宽带电光阵列的输出光信号进行信道划分和高Q值滤波，得到高通道数密集微波光子信道化模块的输出信号，包括：
所述高通道数密集微波光子信道化模块，利用光分束器OC，对宽带电光阵列的输出光信号进行复制，得到M路相同的光信号，所述M路相同的光信号构成第一级复用信号；将M路相同的光信号分别输入M个解波分复用器WDM中；每个解波分复用器WDM对输入的单路光信号进行频域均匀划分处理，得到N个子信道光信号，所述N个子信道光信号构成该解波分复用器WDM的输出信号；每一个子信道的光信号只包含一个调制了射频信号的单载波光梳；所有M个解波分复用器WDM的输出信号是N×M个子信道的光信号，所述N×M个子信道的光信号构成第二级复用信号；光滤波器组包括N×M个光滤波器，利用所述N×M个光滤波器分别接收M个解波分复用器WDM所输出的N×M个子信道的光信号，利用每个光滤波器接收一个子信道的光信号；对所述接收的子信道的光信号进行高Q值滤波处理，得到滤波光信号；所有N×M个光滤波器的滤波光信号，构成频域上互不混叠的N×M个密集微波光子信道的光信号；N×M个密集微波光子信道的光信号构成高通道数密集微波光子信道化模块的输出信号，从而完成光信号的信道化过程。
所述多尺度微波光子柔性交换转发模块，用于完成多路不同带宽光信号的多尺度宽带交换，得到路由转发的光信号，将路由转发的光信号发送至多频宽带光电阵列或光学天线阵列；所述的多路不同带宽光信号，包括光学天线阵列的去噪激光信号和高通道数密集微波光子信道化模块的输出信号；多尺度微波光子柔性交换转发模块包括多个多尺度光域交换转发单元。
所述多尺度微波光子柔性交换转发模块，用于完成多路不同带宽光信号的多尺度宽带交换，得到路由转发的光信号，包括：
所述多尺度微波光子柔性交换转发模块，对多路不同带宽光信号进行光通道路由处理和波长交换处理，得到路由转发的光信号。所述多尺度微波光子柔性交换转发模块，采用光通道路由和波长变换相结合的双层光交换矩阵技术来实现多路微波光子信号的星上大容量多尺度交换转发。
所述多尺度微波光子柔性交换转发模块，对多路不同带宽光信号进行光通道路由处理，得到路由转发的光信号，包括：
所述多尺度微波光子柔性交换转发模块，对多路不同带宽光信号进行光通道路由处理，将所述多路不同带宽光信号配置到多尺度微波光子柔性交换转发模块的任意一个、任意多个或所有的输出端口，得到路由转发的光信号；
所述多尺度微波光子柔性交换转发模块，对多路不同带宽光信号进行波长交换处理，得到路由转发的光信号，包括：
所述多尺度微波光子柔性交换转发模块，将所述多路不同带宽光信号按照波长进行划分，得到若干个不同波长的光信号；对若干个不同波长的光信号进行波长交换处理，将不同波长的光信号传输至多尺度微波光子柔性交换转发模块的相应输出端口，得到路由转发的光信号。
所述多频宽带光电阵列用于对路由转发的光信号进行光电转换和频率变换处理，得到多频段射频信号。
所述多频宽带光电阵列包括本振激光器LO、光相位调制器PM、光电探测器和滤波器；所述本振激光器LO和光相位调制器PM相连接，所述光相位调制器PM和光电探测器相连接，所述光电探测器和滤波器相连接。
所述多频宽带光电阵列用于对路由转发的光信号进行光电转换和频率变换处理，得到多频段射频信号，包括：所述多频宽带光电阵列，利用本振激光器LO产生本振光信号；利用光相位调制器PM将本振光信号调制到路由转发的光信号上，得到调制光信号；利用光电探测器对调制光信号进行下变频处理，得到下变频后的射频信号；利用滤波器对下变频后的射频信号进行镜像抑制滤波处理，得到多频段射频信号；
所述利用光电探测器对调制光信号进行下变频处理，得到下变频后的射频信号，包括：
下变频后的射频信号的电流I(t)的表达式为：
Figure BDA0003922938430000061
其中，η为光电探测器转换效率，E0为经过相位调制后的光信号的光载波幅度，t为时间。
所述电耦合器阵列用于对多频宽带光电阵列得到的多频段射频信号进行合路输出；所述电耦合器阵列包括Q/V频段电耦合器、Ka频段电耦合器和Ku频段电耦合器。
所述电耦合器阵列用于对多频宽带光电阵列得到的多频段射频信号进行合路输出，包括：
利用Q/V频段电耦合器对多频宽带光电阵列得到的多频段射频信号中的Q/V频段射频信号进行合路输出；
利用Ka频段电耦合器对多频宽带光电阵列得到的多频段射频信号中的Ka频段射频信号进行合路输出；
利用Ku频段电耦合器对多频宽带光电阵列得到的多频段射频信号中的Ku频段射频信号进行合路输出。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明采用微波光子技术实现卫星通信载荷，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；
(2)本发明采用双偏振低杂散灵活调谐一次变频、多波长两级复用全光交换信道化、“光通道路由+波长变换”双层光交换矩阵等方案，可实现多频段一体化、低损耗大带宽、多尺度柔性交换、多通道密集信道化的卫星通信微波光子载荷。
附图说明
图1为本发明中基于微波光子的卫星通信载荷架构示意图；
图2为本发明中的基于微波光子的卫星通信载荷架构的各模块连接关系示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明公开了一种基于微波光子的卫星通信载荷，其包括收发天线单元和光域信号处理交换单元。图2为本发明中的基于微波光子的卫星通信载荷架构的各模块连接关系示意图。
实施例一：
本实施例公开了一种基于微波光子的卫星通信载荷，包括收发天线单元和光域信号处理交换单元；
所述收发天线单元用于实现对多频段微波信号和激光信号的接收和发送；所述收发天线单元包括多频段微波天线和光学天线阵列；所述多频段微波天线用于实现Q/V频段、Ka频段和Ku频段微波信号的接收和发送；
所述光域信号处理交换单元，用于对收发天线单元所接收的多频段微波信号和激光信号进行交换处理；所述光域信号处理交换单元，包括宽带电光阵列、高通道数密集微波光子信道化模块、多尺度微波光子柔性交换模块、多频宽带光电阵列和电耦合器阵列；
所述宽带电光阵列与所述高通道数密集微波光子信道化模块相连接，所述高通道数密集微波光子信道化模块和所述多尺度微波光子柔性交换模块相连接，所述多尺度微波光子柔性交换模块和所述多频宽带光电阵列相连接，所述电耦合器阵列和所述多频宽带光电阵列相连接；所述多尺度微波光子柔性交换模块和所述光学天线阵列相连接。
所述光学天线阵列用于实现多路激光信号的接收、功率放大、去噪和发送；
所述光学天线阵列，包括接收光学天线、光放大器、光滤波器和发送光学天线；
所述光学天线与所述光放大器连接，所述光放大器和光滤波器连接；所述光滤波器和发送光学天线均与多尺度微波光子柔性交换转发模块相连接；所述光滤波器设置于多尺度微波光子柔性交换转发模块的输入端；所述发送光学天线设置于多尺度微波光子柔性交换转发模块的输出端。
所述光学天线阵列用于实现多路激光信号的接收、功率放大、去噪和发送，包括：
所述光学天线阵列，利用接收光学天线对自由空间的多路激光信号进行接收，得到多路激光接收信号；
利用所述光放大器对所述多路激光接收信号进行功率放大，得到功率放大接收信号；
利用所述光滤波器对功率放大接收信号进行去噪处理，得到去噪激光信号，将去噪激光信号发送至多尺度微波光子柔性交换转发模块；
利用发送光学天线，将所述多尺度微波光子柔性交换转发模块的路由转发的光信号发送至自由空间。
多尺度微波光子柔性交换转发模块的部分输出端口连接多频宽带光电阵列，其余端口连接光学天线阵列的发送光学天线。
所述宽带电光阵列用于利用光频梳，对多频段微波天线所接收的Q/V频段、Ka频段和Ku频段微波信号进行调制，得到偏振复用光信号，完成多路不同频段微波信号一体化的低杂散、高线性的电光调制；所述光频梳，是宽带电光阵列产生的基准光载波信号。
所述宽带电光阵列包括N个激光器、两个马赫-增德尔外调制器、一个90°偏振旋转器PR和一个偏振合束器PBC；
所述N个激光器与两个马赫-增德尔外调制器均进行连接，两个马赫-增德尔外调制器分别记为X-MZM和Y-MZM；Y-MZM与90°偏振旋转器PR相连接，X-MZM和90°偏振旋转器PR均与偏振合束器PBC相连接。
根据X-MZM的输入功率和输出功率比值最小的准则，确定X-MZM的偏置点取值；利用所述的X-MZM的偏置点取值，对X-MZM的偏置点进行设置；
根据Y-MZM的输入功率和输出功率比值最大的准则，确定Y-MZM的偏置点取值，利用所述的Y-MZM的偏置点取值，对Y-MZM的偏置点进行设置。
所述宽带电光阵列用于利用光频梳，对多频段微波天线所接收的Q/V频段、Ka频段和Ku频段微波信号进行调制，得到偏振复用光信号，包括：
所述宽带电光阵列，利用所述宽带电光阵列的X-MZM和Y-MZM的光路驱动端口，接收N个激光器所输出的频域等间隔的N个载波光梳；
利用所述X-MZM的射频驱动端口，接收多频段微波天线所接收的Q/V频段、Ka频段和Ku频段微波信号；将所述微波信号调制到载波光梳上，得到双边带调制光信号，将双边带调制光信号输出至偏振合束器PBC；
利用Y-MZM对所述N个载波光梳进行信号增强处理，得到增强的N个载波光梳，将所述增强的N个载波光梳作为Y-MZM的输出信号；
利用90°偏振旋转器PR对Y-MZM的输出信号进行偏振旋转，得到Y-MZM输出偏转信号；利用偏振合束器PBC，对Y-MZM输出偏转信号和X-MZM输出信号进行偏振复用处理，得到偏振复用光信号。将偏振复用光信号作为宽带电光阵列的输出光信号进行输出，完成射频信号向光信号的转换；
所述的双边带调制光信号的场强Eu(t)的表达式为：
Figure BDA0003922938430000091
其中，Ein(t)为激光器产生的本振信号的场强，mRF和mLO分别为多频段微波天线接收的射频信号和载波光梳的调制指数，ωRF和ωLO分别为所述射频信号和载波光梳的角频率，J1()表示一阶贝塞尔函数，J0()表示零阶贝塞尔函数；
所述高通道数密集微波光子信道化模块，用于对宽带电光阵列的输出光信号进行信道划分和高Q值滤波，得到高通道数密集微波光子信道化模块的输出信号；高通道数密集微波光子信道化模块包括光分束器OC、解波分复用器和光滤波器组，所述光分束器OC与所述解波分复用器相连接，所述解波分复用器和所述光滤波器相连接。
所述高通道数密集微波光子信道化模块，用于对宽带电光阵列的输出光信号进行信道划分和高Q值滤波，得到高通道数密集微波光子信道化模块的输出信号，包括：
所述高通道数密集微波光子信道化模块，采用多波长两级复用全光交换信道化技术，利用光分束器OC，对宽带电光阵列的输出光信号进行复制，得到M路相同的光信号，所述M路相同的光信号构成第一级复用信号；将M路相同的光信号分别输入M个解波分复用器WDM中；每个解波分复用器WDM对输入的单路光信号进行频域均匀划分处理，得到N个子信道光信号，所述N个子信道光信号构成该解波分复用器WDM的输出信号；每一个子信道的光信号只包含一个调制了射频信号的单载波光梳；所有M个解波分复用器WDM的输出信号是N×M个子信道的光信号，所述N×M个子信道的光信号构成第二级复用信号；光滤波器组包括N×M个光滤波器，利用所述N×M个光滤波器分别接收M个解波分复用器WDM所输出的N×M个子信道的光信号，利用每个光滤波器接收一个子信道的光信号；对所述接收的子信道的光信号进行高Q值滤波处理，得到滤波光信号；所有N×M个光滤波器的滤波光信号，构成频域上互不混叠的N×M个密集微波光子信道的光信号；N×M个密集微波光子信道的光信号构成高通道数密集微波光子信道化模块的输出信号，从而完成光信号的信道化过程。
所述多尺度微波光子柔性交换转发模块，用于完成多路不同带宽光信号的多尺度宽带交换，得到路由转发的光信号，将路由转发的光信号发送至多频宽带光电阵列或光学天线阵列；所述的多路不同带宽光信号，包括光学天线阵列的去噪激光信号和高通道数密集微波光子信道化模块的输出信号；多尺度微波光子柔性交换转发模块包括多个多尺度光域交换转发单元。
所述多尺度微波光子柔性交换转发模块，用于完成多路不同带宽光信号的多尺度宽带交换，得到路由转发的光信号，包括：
所述多尺度微波光子柔性交换转发模块，对多路不同带宽光信号进行光通道路由处理和波长交换处理，得到路由转发的光信号。所述多尺度微波光子柔性交换转发模块，采用光通道路由和波长变换相结合的双层光交换矩阵技术来实现多路微波光子信号的星上大容量多尺度交换转发。
所述多尺度微波光子柔性交换转发模块，对多路不同带宽光信号进行光通道路由处理，得到路由转发的光信号，包括：
所述多尺度微波光子柔性交换转发模块，对多路不同带宽光信号进行光通道路由处理，将所述多路不同带宽光信号配置到多尺度微波光子柔性交换转发模块的任意一个、任意多个或所有的输出端口，得到路由转发的光信号，从而实现多频段、多带宽、多格式的多路微波射频信号基于光路的自由交换；
所述多尺度微波光子柔性交换转发模块，对多路不同带宽光信号进行波长交换处理，得到路由转发的光信号，包括：
所述多尺度微波光子柔性交换转发模块，将所述多路不同带宽光信号按照波长进行划分，得到若干个不同波长的光信号；对若干个不同波长的光信号进行波长交换处理，将不同波长的光信号传输至多尺度微波光子柔性交换转发模块的相应输出端口，得到路由转发的光信号，从而实现多频段、多带宽、多格式的多路微波射频信号基于光路的自由交换，通过设置光通道路由表、波长交换策略实现的多尺度柔性可控的微波光子交换。
所述多频宽带光电阵列用于对路由转发的光信号进行光电转换和频率变换处理，得到多频段射频信号。
所述多频宽带光电阵列包括本振激光器LO、光相位调制器PM、光电探测器和滤波器；所述本振激光器LO和光相位调制器PM相连接，所述光相位调制器PM和光电探测器相连接，所述光电探测器和滤波器相连接。
所述多频宽带光电阵列用于对路由转发的光信号进行光电转换和频率变换处理，得到多频段射频信号，包括：所述多频宽带光电阵列，利用本振激光器LO产生本振光信号；利用光相位调制器PM将本振光信号调制到路由转发的光信号上，得到调制光信号；利用光电探测器对调制光信号进行下变频处理，得到下变频后的射频信号；利用滤波器对下变频后的射频信号进行镜像抑制滤波处理，得到多频段射频信号；
所述利用光电探测器对调制光信号进行下变频处理，得到下变频后的射频信号，包括：
下变频后的射频信号的电流I(t)的表达式为：
Figure BDA0003922938430000111
其中，η为光电探测器转换效率，E0为经过相位调制后的光信号的光载波幅度，t为时间。
所述电耦合器阵列用于对多频宽带光电阵列得到的多频段射频信号进行合路输出；所述电耦合器阵列包括Q/V频段电耦合器、Ka频段电耦合器和Ku频段电耦合器。
所述电耦合器阵列用于对多频宽带光电阵列得到的多频段射频信号进行合路输出，包括：
利用Q/V频段电耦合器对多频宽带光电阵列得到的多频段射频信号中的Q/V频段射频信号进行合路输出；
利用Ka频段电耦合器对多频宽带光电阵列得到的多频段射频信号中的Ka频段射频信号进行合路输出；
利用Ku频段电耦合器对多频宽带光电阵列得到的多频段射频信号中的Ku频段射频信号进行合路输出。
多频宽带光电阵列用于对多尺度微波光子柔性交换转发模块进行光交换后得到的多路光信号，向多路不同频段微波射频信号进行镜像抑制下变频；多频宽带光电阵列采用双偏振低杂散灵活调谐一次变频技术实现加载了多频段、大带宽射频信号的光信号的多通道全光变频。
多频宽带光电阵列用于对多尺度微波光子柔性交换转发模块进行光交换后得到的多路光信号，向多路不同频段微波射频信号进行镜像抑制下变频；多频宽带光电阵列包括本振激光器LO、光相位调制器PM、光电探测器和滤波器，本振激光器LO和光相位调制器PM相连接，光相位调制器PM和光电探测器相连接，光电探测器和滤波器相连接，多频宽带光电阵列采用双偏振低杂散灵活调谐一次变频技术实现加载了多频段、大带宽射频信号的光信号的多通道全光变频，其具体包括：在多频宽带光电阵列中，光相位调制器PM将本振激光器LO产生的本振光信号调制到路由转发的光信号上，得到调制光信号，光电探测器通过对调制光信号进行光电探测来实现对该光信号的下变频，从而得到射频信号，由于光电探测器为强度检测器件，不会通过拍频得到本振信号，因此本振信号的隔离度较大、杂散较小；光电探测器进行光电探测后得到的射频信号的电流I(t)为：
Figure BDA0003922938430000121
其中，η为光电探测器转换效率，E0为经过相位调制后的光信号的光载波幅度，t为时间。可以看出，拍频所得到的信号只有所需的上变频或者下变频的信号，此外，由于上下行链路频率之间存在间隔，能够一定程度上避免镜像干扰的产生。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种基于微波光子的卫星通信载荷，其特征在于，包括收发天线单元和光域信号处理交换单元；
所述收发天线单元用于实现对多频段微波信号和激光信号的接收和发送；所述收发天线单元包括多频段微波天线和光学天线阵列；所述多频段微波天线用于实现Q/V频段、Ka频段和Ku频段微波信号的接收和发送；
所述光域信号处理交换单元，用于对收发天线单元所接收的多频段微波信号和激光信号进行交换处理；所述光域信号处理交换单元，包括宽带电光阵列、高通道数密集微波光子信道化模块、多尺度微波光子柔性交换转发模块、多频宽带光电阵列和电耦合器阵列；
所述宽带电光阵列与所述高通道数密集微波光子信道化模块相连接，所述高通道数密集微波光子信道化模块和所述多尺度微波光子柔性交换转发模块相连接，所述多尺度微波光子柔性交换转发模块和所述多频宽带光电阵列相连接，所述电耦合器阵列和所述多频宽带光电阵列相连接；所述多尺度微波光子柔性交换转发模块和所述光学天线阵列相连接；
所述宽带电光阵列用于利用光频梳，对多频段微波天线所接收的Q/V频段、Ka频段和Ku频段微波信号进行调制，得到偏振复用光信号，将偏振复用光信号进行输出；
所述宽带电光阵列包括N个激光器、两个马赫-增德尔外调制器、一个90°偏振旋转器PR和一个偏振合束器PBC；所述N个激光器与两个马赫-增德尔外调制器均进行连接，两个马赫-增德尔外调制器分别记为X-MZM和Y-MZM；Y-MZM与90°偏振旋转器PR相连接，X-MZM和90°偏振旋转器PR均与偏振合束器PBC相连接；
所述高通道数密集微波光子信道化模块，用于对宽带电光阵列的输出光信号进行信道划分和高Q值滤波，得到高通道数密集微波光子信道化模块的输出信号；
所述高通道数密集微波光子信道化模块包括光分束器OC、解波分复用器WDM和光滤波器组，所述光分束器OC与所述解波分复用器WDM相连接，所述解波分复用器WDM和所述光滤波器相连接；
所述多尺度微波光子柔性交换转发模块，用于完成多路不同带宽光信号的多尺度宽带交换，得到路由转发的光信号，将路由转发的光信号发送至多频宽带光电阵列和光学天线阵列；
所述的多路不同带宽光信号，包括光学天线阵列的去噪激光信号和高通道数密集微波光子信道化模块的输出信号；
所述多尺度微波光子柔性交换转发模块包括多个多尺度光域交换转发单元；
所述多频宽带光电阵列用于对路由转发的光信号进行光电转换和频率变换处理，得到多频段射频信号；
所述多频宽带光电阵列包括本振激光器LO、光相位调制器PM、光电探测器和滤波器；
所述本振激光器LO和光相位调制器PM相连接，所述光相位调制器PM和光电探测器相连接，所述光电探测器和滤波器相连接；
所述多频宽带光电阵列，利用本振激光器LO产生本振光信号；利用光相位调制器PM将本振光信号调制到路由转发的光信号上，得到调制光信号；利用光电探测器对调制光信号进行下变频处理，得到下变频后的射频信号；利用滤波器对下变频后的射频信号进行镜像抑制滤波处理，得到多频段射频信号；
所述电耦合器阵列用于对多频宽带光电阵列得到的多频段射频信号进行合路输出；所述电耦合器阵列包括Q/V频段电耦合器、Ka频段电耦合器和Ku频段电耦合器。
2.如权利要求1所述的基于微波光子的卫星通信载荷，其特征在于，
所述光学天线阵列用于实现多路激光信号的接收、功率放大、去噪和发送；
所述光学天线阵列，包括接收光学天线、光放大器、光滤波器和发送光学天线；
所述接收光学天线与所述光放大器连接，所述光放大器和光滤波器连接；所述光滤波器和发送光学天线均与多尺度微波光子柔性交换转发模块相连接；所述光滤波器设置于多尺度微波光子柔性交换转发模块的输入端；所述发送光学天线设置于多尺度微波光子柔性交换转发模块的输出端。
3.如权利要求2所述的基于微波光子的卫星通信载荷，其特征在于，
所述光学天线阵列用于实现多路激光信号的接收、功率放大、去噪和发送，包括：
所述光学天线阵列，利用接收光学天线对自由空间的多路激光信号进行接收，得到多路激光接收信号；
利用所述光放大器对所述多路激光接收信号进行功率放大，得到功率放大接收信号；
利用所述光滤波器对功率放大接收信号进行去噪处理，得到去噪激光信号，将去噪激光信号发送至多尺度微波光子柔性交换转发模块；
利用发送光学天线，将所述多尺度微波光子柔性交换转发模块的路由转发的光信号发送至自由空间。
4.如权利要求1所述的基于微波光子的卫星通信载荷，其特征在于，所述宽带电光阵列用于利用光频梳，对多频段微波天线所接收的Q/V频段、Ka频段和Ku频段微波信号进行调制，得到偏振复用光信号，包括：
所述宽带电光阵列，利用所述宽带电光阵列的X-MZM和Y-MZM的光路驱动端口，接收N个激光器所输出的频域等间隔的N个载波光梳；
利用所述X-MZM的射频驱动端口，接收多频段微波天线所接收的Q/V频段、Ka频段和Ku频段微波信号；将所述微波信号调制到载波光梳上，得到双边带调制光信号，将双边带调制光信号输出至偏振合束器PBC；
利用Y-MZM对所述N个载波光梳进行信号增强处理，得到增强的N个载波光梳，将所述增强的N个载波光梳作为Y-MZM的输出信号；
利用90°偏振旋转器PR对Y-MZM的输出信号进行偏振旋转，得到Y-MZM输出偏转信号；利用偏振合束器PBC，对Y-MZM输出偏转信号和X-MZM输出信号进行偏振复用处理，得到偏振复用光信号。
5.如权利要求1所述的基于微波光子的卫星通信载荷，其特征在于，所述高通道数密集微波光子信道化模块，用于对宽带电光阵列的输出光信号进行信道划分和高Q值滤波，得到高通道数密集微波光子信道化模块的输出信号，包括：
所述高通道数密集微波光子信道化模块，利用光分束器OC，对宽带电光阵列的输出光信号进行复制，得到M路相同的光信号，所述M路相同的光信号构成第一级复用信号；将M路相同的光信号分别输入M个解波分复用器WDM中；每个解波分复用器WDM对输入的单路光信号进行频域均匀划分处理，得到N个子信道光信号，所述N个子信道光信号构成该解波分复用器WDM的输出信号；所有M个解波分复用器WDM的输出信号是N×M个子信道的光信号，所述N×M个子信道的光信号构成第二级复用信号；光滤波器组包括N×M个光滤波器，利用所述N×M个光滤波器分别接收M个解波分复用器WDM所输出的N×M个子信道的光信号；对所述接收的子信道的光信号进行高Q值滤波处理，得到滤波光信号；所有N×M个光滤波器的滤波光信号，构成频域上互不混叠的N×M个密集微波光子信道的光信号；N×M个密集微波光子信道的光信号构成高通道数密集微波光子信道化模块的输出信号。
6.如权利要求1所述的基于微波光子的卫星通信载荷，其特征在于，所述多尺度微波光子柔性交换转发模块，用于完成多路不同带宽光信号的多尺度宽带交换，得到路由转发的光信号，包括：
所述多尺度微波光子柔性交换转发模块，对多路不同带宽光信号进行光通道路由处理和波长交换处理，得到路由转发的光信号。
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