一种宇航用Ka波段光传输组件的制作方法

本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种宇航用Ka波段光传输组件。

背景技术：

Ka波段是电磁频谱的微波波段的一部分，Ka波段的频率范围为26.5-40GHz。Ka 代表着K的正上方(K-above)，换句话说，该波段直接高于K波段。Ka波段也被称作 30/20GHz波段，大致上的频率范围是30/20GHz，通常用于卫星通信。Ka波段最重要的一个特点就是频带较宽，C频段的一般可用带宽为500MHz～800MHz；Ku频段的可用带宽为500MHz～1000MHz；而Ka频段的可用带宽可达到3500MHz。Ka频段具有可用带宽宽、干扰较少、设备体积小的特点。因此，Ka频段卫星通信系统可为高速卫星通信、千兆比特级宽带数字传输、高清晰度电视(HDTV)、卫星新闻采集(SNG)、VSAT 业务、直接到户(DTH)业务及个人卫星通信等新业务提供一种崭新的手段。

技术试验卫星是用于卫星工程技术和空间应用技术的原理性或工程性试验的人造地球卫星，对卫星技术的发展具有很大的推动作用。人们曾较为全面地开展了针对Ka 波段卫星的试验，著名的有美国的ACTS(先进通信技术卫星)和日本的WINDS卫星 (宽带互联网工程试验和演示卫星)。意大利也较早地开发利用Ka波段卫星ITALSAT (意大利卫星)，该星为意大利第一颗国内通信卫星，于1991年发射，载有三类有效载荷，其中两类用于Ka波段点对点通信，包括多波束系统和全球波束系统，多波束系统有6台Ka波段转发器，具有0.9Gbit/s的数据传输能力。

但是利用Ka波段传输也存在问题。首先，射频传输系统受环境影响大。Ka频段的缺点是雨衰较大，对器件和工艺的要求较高，在Ka频段下，Ka用户终端的天线尺寸主要不是受制于天线增益，而是受制于抑制来自其他系统干扰的能力。其次，传统的光传输组件的数据传输容量比较小，射频频段一般低于20GHz，射频带宽也只有几个GHz，往往不同通信系统的频段很接近，这样容易造成干扰，而且光调制器的噪声系数比较大。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术的不足，本发明提出一种宇航用Ka波段光传输组件，将射频带宽扩展为18GHz～40GHz，并且具有良好的抗干扰能力。

技术方案：本发明所述的一种宇航用Ka波段光传输组件，包括光信号调制电路和接收电路两个部分，其中，光信号调制电路部分包括射频电路、光调制器电路、光放大电路和第一电源控制电路，射频电路连接光调制器电路，光调制器电路连接光放大电路，第一电源控制电路与其他各电路相连，为其他各电路提供电源。在信号调制链路，射频信号进入射频电路，经限幅、放大、衰减匹配后进入光调制器电路，叠加到光调制器电路中的光源产生的光载波信号上完成调制，调制后的信号再经过光放大电路放大后输出，由光缆进行传输。接收电路部分包括信号解调电路和为其提供电源的第二电源控制电路，在信号接收链路，光调制信号进入信号解调电路后经过分离、放大、衰减匹配后，以射频信号输出。光信号调制电路和接收电路采用铝合金封闭腔体结构，接头采用射频绝缘子。

具体地，光调制器电路包括光调制器、光源模块、功率控制电路、温度控制电路、直流偏置控制电路，其中，功率控制电路和温度控制电路均与光源模块连接，分别用于控制光源模块的偏置电压和温度，光源模块连接至光调制器，光源模块发出的激光送入光调制器进行调制，直流偏置控制电路也连接至光调制器，用于对光调制器的偏置电压进行调整从而实现信号调制。

信号解调电路包括依次连接的PIN光电电路、LNA放大电路、衰减网络和驱动电路，并且驱动电路连接至检波电路，检波电路连接至AGC控制电路，AGC控制电路连接至衰减网络。

有益效果：和现有的技术相比，本发明具有数据传输容量大、抗干扰能力强的特点。本发明将射频带宽扩展为18GHz～40GHz，且具有良好的电磁屏蔽效果，环境适应性温度范围为-55℃～+150℃，能够满足宇航级产品环境温度要求。对于加紧Ka频段卫星研制及相关应用研究，对于跟踪国际先进卫星通信技术、更好地利用航天技术服务民众生活，其意义十分重大。

附图说明

图1为光信号调制电路结构图；

图2为接收电路结构图；

图3为光调制器结构原理图；

图4为APC和TMP控制电路结构图；

图5为直流偏置控制电路结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

参照图1和图2，本发明所述的一种宇航用Ka波段光传输组件主要包括光信号调制电路和接收电路两个部分，其中，光信号调制电路部分包括射频电路、光调制器电路、光放大电路和第一电源控制电路，射频电路连接至光调制器电路，光调制器电路连接至光放大电路，第一电源控制电路与其他各电路相连，为其他各电路提供电源。在信号调制链路，射频信号进入射频电路，经限幅、放大、衰减匹配后进入光调制器电路，叠加到光源产生的光载波信号上完成调制，调制后的信号再经过光放大电路放大后输出，由光缆进行传输。接收电路部分包括信号解调电路和为其提供电源的第二电源控制电路，在信号接收链路，光调制信号进入信号解调电路后经过分离、放大、衰减匹配后，以射频信号输出。本发明将射频带宽扩展为18GHz～40GHz，能够携带更多的数据信息。采用1550nm光波进行光缆传输，和电磁波空间传输相比，解决了许多外界的电磁干扰问题。

光信号调制电路中，关键器件是光调制器。在时分复用(TDM)和波分复用(WDM) 系统的发射机中，从连续波(CW)激光器发出的光载波信号进入光调制器，高速数据流以驱动电压的方式迭加到光载波信号上从而完成调制。在网络容量呈指数增长和全球一体化的驱动下，光通信系统正朝着大容量高速率长距离传输的方向快速发展，而调制器的性能和效率首要的决定着光通信系统能否实现这个目标。本发明的光调制器采用基于铌酸锂(LiNbO3)的高速铌酸锂相位调制器，可以提供10G到40G的速率，并且具有宽的工作带宽，3dB带宽达40GHZ，超低的驱动电压，同时提供多种工作波长型号。图1中表示为光调制电路，这是一种波导型电解质光调制器件，具有低损耗、高光效率等特性，其结构示意图3所示。参照图3，输入的光信号在Y分支器上被分成振幅和相位完全相同的两束光，并且随着光波导在上下两支路上进行传输。如果两平行臂完全对称，在不加调制电压时，两支路光束在输出Y分支器内重新合并成与原输入光信号相同的光束，由单模波导输出。如果在调制区上加调制电压，则由于等离子体色散效应，光波导折射率发生改变，从而使得两平行臂中两束光的相位发生改变。通过对调制电压进行调节，利用相长干涉和相消干涉可以产生不同的信号，从而实现对信号的编码。简而言之，这种调制器通过控制其偏置电压，可以实现不同边带的调制，该结构具有啁啾可调、驱动电压低以及带宽大等优点。

继续参照图1，光调制器电路还包括光源模块、功率控制电路(即APC电路)、温度控制电路(即TMP电路)、直流偏置控制电路，其中，APC电路和TMP电路与光源模块连接，光源模块连接至光调制器，直流偏置控制电路也连接至光调制器。当18GHz～ 40GHz的射频信号进行放大后，送入光调制器。光源模块采用DFB(Distributed Feedback Laser)激光器，产生1550nm的CW光信号。CW光信号要求稳定可靠，因此用APC 和TMP电路进行控制。TMP电路主要控制光源模块的温度，一旦温度过高就控制温度冷却系统工作。APC电路即自动功率控制电路，其作用主要是通过检测激光器调制器输出的功率，然后输出一直流电压控制激光器的偏置电压，即用于增加和减小激光器偏置电压。这样射频信号和CW光信号在光调制器进行调制，调制信号经过光放大器和光隔离器输出到光缆里进行传输。

图4示出了APC电路和TMP电路的结构，APC电路主要是由集成元器件LM358 构成的，它直接安装在激光器组件的扁平电缆上。参照图4，热敏传感器RTH等元器件构成TMP电路，它也是直接安装在激光器组件的扁平电缆上，LM358通过电缆与热敏传感器RTH相连。电路工作时，通过热敏传感器RTH检测扁平电缆上的温度，当温度高于参考电压下的温度时，集成元器件LM358输出一直流电压，这个直流电压控制激光器的发射功率，起到反馈的作用，使激光器输出恒定的发射功率，最终达到传输组件的设计要求。具体地，当RTH传感器检测到温度过高(门坎电压)，这时输出一组信号电压，电压送入LM358的2脚反相端进行比较输出信号电压，这个信号电压进行后级放大，放大后的直流电压控制激光器的偏置电压，从而减小发射功率。这样达到一个反馈平衡作用，保证了电路的稳定可靠性。与传统的以分离器件构成的控制器件相比，本发明的电路结构输出更加稳定，且抗干扰能力强。

直流偏置控制电路作为光调制器偏置电压控制装置，通过对电光调制器的偏置电压的控制，使电光调制器稳定工作在合适的工作点上。直流偏置控制电路包括依次连接的光电转换信号放大电路、模数转换模块、驱动电路和控制器电路，其与外部电路的连接关系如图5所示，控制器电路连接至光调制器电路，通过光放大电路再连接至光电转换信号放大电路。光电转换信号放大电路包含了光电探测器与跨阻放大电路两部分，光电探测器将光信号转换成电流信号，跨阻放大电路主要由一个运放组成。模数转换模块主要就是将光电转换信号放大电路产生的模拟电压信号转换为数字信号。控制器电路可采用可编程逻辑器件，其接收模数转换模块生成的数字信号，对此数字量进行运算处理，得到电光调制器当前的工作状态，根据电光调制器的工作状态，调整输出驱动电路的输出。输出驱动电路包括D/A转换器及放大器，放大器主要是增大输出驱动电路的负载驱动能力以及电光调制器直流偏置端输入电压的范围。其中，光电转换信号放大电路的核心部件PIN具有超宽的频率响应(18-40GHz)，响应输出很宽范围的直流电压，从而精确控制光调制器，达到毫伏级。另外光电探测器部分不需要高速的器件，光电探测器的带宽几十KHz即可满足要求；该光电探测器的暗电流应该尽量小，驱动电压为5V时，暗电流应小于1nA，响应度在0.5A/W以上。

在光信号调制电路部分，射频电路的主要功能是携带信号，基带信号加载到射频信号上，进入射频电路处理后再加载到光调制器上。射频电路对信号进行放大，它的前端进行限幅，也防止功率过高烧毁后级低噪声放大器。这是保证整个系统安全运行的有效措施之一。之后选用中功率放大器(大于10dbm小于1W的放大器)加以放大，为了提高信噪比，采用低噪声放大器HMC-AUH256，噪声系数是3.5，增益21dB，1dB压缩点为20dBm。再进入衰减网络调节增益和前后级匹配。为了方便调整增益和功率大小，在这里加单片数控衰减器，衰减器的精度为1dB。驱动电路主要推动后面的功放电路，驻波检测电路主要检测输出功放的驻波，如果驻波过大，大于3.5以上，表示驻波超出指标，也表示功放连接部件或功放出现问题，这时要求切断功放电压，让功放停止工作，这里的功放指的是光放大器电路。这些器件都具备超宽带的频率响应能力，并且通过检查和修复功能，能够保证电路的可靠性。整个链路的增益在35dB，噪声系数在3.5以下，平坦度±3dB以下，输入抗烧毁功率大于30dBm，1dB压缩点为大于24dBm，供电电压 +12V，电流小于800mA。此外，整个系统结构采用铝合金封闭腔体，并且气密性封闭，接头采用射频绝缘子，与传统的非密闭结构铁盒相比具有优越的抗干扰性能。

此外，为了保证能够驱动光调制器，本发明中射频电路中的驱动电路采用HMC635，它的输出功率可以达到23dBm，一般光调制器需要的驱动功率一般为25dBm左右。另外其他指标也比较好，比如平坦度指标也满足所需指标。输入输出的驻波也小于1.8。它可以直接和DFB激光器连接，不需要外匹配，且采用半钢性电缆连接。

信号解调电路包括依次连接的PIN光电电路、LNA放大电路、衰减网络和驱动电路，同时驱动电路连接至检波电路，检波电路连接至AGC控制电路，AGC控制电路再连接至衰减网络。光调制信号进入PIN光电电路，通过PIN型光电二极管进行光电转换，完成光信号和射频信号的分离。射频信号分离出来进入射频发射通道，首先经过LNA 放大，然后进入衰减网络。检波电路需要选择超宽的检波器件，本发明选择微波检波二极管HMC813信号检波芯片，然后通过运算放大器放大，输出直流电压，从而压控衰减器芯片，达到功率或增益控制，控制范围可达30dB。射频信号最后传入后续处理装置，例如通过天线发射到空间。

为了满足宇航级产品环境温度使用要求，本发明的工作温度达到-55℃～+150℃，在散热上采用先进的热沉技术和物理散热和风冷三重方法同时进行。半导体制冷又称电子制冷，或者温差电制冷，它利用特种半导体材料构成的P-N结，形成热电偶对，产生珀尔帖效应，即通过直流电制冷的一种新型制冷方法。热沉技术是先进的半导体散热技术，如航天工程上指用液氮壁板内表面涂黑漆来模拟宇宙冷黑环境的装置。物理散热主要通过铜腔体(带散热薄片)结构，铜是很好的散热材料，从而进行有效散热。风冷散热是通过微型静音电机进行散热，主要对激光器、激光调制器等核心部件散热。从而保证了散热性能，尽一步提高工作稳定性。

此外，本发明实际实施时采用成熟技术和冗余设计两种方法，在满足产品性能指标的基础上，尽量简化电路，减少元器件来提高产品的可靠性。上述描述中各项最佳的技术指标是通过ADS软件，把所选器件的S参数模型进行了器件和系统联合仿真而得出的，特别是利用噪声系数和端口的匹配情况，能够进一步提高系统抗干扰能力。