通过灵活的微波光子技术提升卫星通信水平

逍遥设计自动化

引言
在当今快速发展的通信领域中，卫星通信行业在管理有限带宽的同时需要满足不断增长的数据需求，面临着重大挑战。LioniX International与欧洲航天局（ESA）合作，通过集成微波光电子技术（iMWP）开发了创新解决方案，专门用于灵活的卫星通信[1]。

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现代卫星通信面临的挑战
/ G8 Z7 n* s0 h8 [$ a) Y传统卫星系统采用预编程的信号处理能力，一旦卫星进入轨道就无法修改。随着通信服务提供商准备迎接6G网络及更高级的通信技术，这种缺乏灵活性的特点带来了显著的挑战。传统方法需要发射多颗具有不同处理能力的卫星，导致太空垃圾增加并干扰天文观测。
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图1：展示卫星通信处理的一般模式图，说明信号接收、处理和重新传输的基本组件和信号流程。

3 O) }& J% h0 Q$ p4 Q2 c目前的卫星通信过程包括接收来自地面站的低功率宽带信号，将信号分割成不同的通道（解复用），进行频率转换和滤波，放大信号，最后在传回地球之前重新组合（复用）。这种固定的处理系统缺乏现代通信所需的适应性。

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革新性解决方案：ThoRmux模块
! d1 S/ C4 W' C6 nLioniX International在ThoRmux项目下开发的可重构iMWP射频解复用系统突破了传统电子技术的限制，同时提供了更优越的性能特征。

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图2：4通道(DE)MUX滤波器模块的示意图，展示了可调分路器、CROW滤波器和格栅滤波器在综合信号处理系统中的集成。
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4 t5 M) v0 x# X0 H系统的核心组件是一个基于光电子集成芯片的(DE)MUX滤波器模块，能够在宽带信号内实现灵活的频率分配。该模块基于LioniX的超低损耗氮化硅平台TriPleX构建，可以处理三个微波频段（Ka、Q和V）的信号，频率范围从300 MHz到300 GHz。

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图3：ThoRmux模块的物理实现细节视图，突出显示中央1:4分路器、CROW滤波器和周围的aMZI格栅配置。
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技术架构与性能
/ J( c2 ^2 Z. i1 ~ThoRmux DEMUX模块采用了多级复杂的滤波系统。主要组件包括可调1:4光分路器、用于无限冲激响应的耦合环谐振器光波导（CROW）和用于有限冲激响应的非对称马赫-曾德尔干涉仪（aMZI）。
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图4：4通道DEMUX滤波器的模拟光谱响应可视化，展示系统的滤波能力和频率响应特性。

0 N8 H4 m+ F% k8 PCROW滤波器作为主要的带通滤波器，选择每个通道的中心频率并控制带宽。这些滤波器在1550 nm波长下工作，自由光谱范围约为2.5 GHz，质量因数高达300,000，实现了精确的带宽控制和陡峭的滚降特性。
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图5：在不同频率下CROW滤波器功率响应的演示，显示系统在频率选择和滤波性能方面的灵活性。
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aMZI格栅滤波器通过将自由光谱范围扩展到约10 GHz并抑制寄生通带来完善系统。这种组合实现了通道选择和带宽分配的高度灵活性。整个系统保持极低的功耗，采用钛酸铅锆（PZT）应力光学执行器，在准静态运行期间每个执行器仅消耗约1 μW。
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实际实现与未来发展
+ k& S) r- Q- H. y7 W& I% D( UThoRmux模块的物理实现展示了卓越的工程成就。完整的Assembly尺寸为129 mm × 135 mm × 5 mm，包含318个基于PZT的调谐元件，总功耗保持在320 μW以下。这种出色的效率，结合系统的灵活性和性能，代表了卫星通信技术的重大进展。

3 |6 n8 [9 R1 d7 t! y+ J早期模拟结果显示出令人印象深刻的性能，包括可灵活调节的带宽范围（从125 MHz到1 GHz），以及高达2 GHz的通道间隔调节能力。这些特性使系统能够高度适应各种通信需求，可能会改变我们对卫星通信的传统认知。
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参考文献
[1]S. Al-Obaidi, C. Mitsolidou, and I. Mateciuc, "Boosting satellite networks with flexible microwave photonics," PIC Magazine, Nov. 20, 2024. [Online]. Available:https://picmagazine.net/article/120629/Boosting satellite_networks_with_flexible microwave_photonics. [Accessed: Jan. 13, 2025].
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