CN101478068A - 基于偏振光干涉技术的微波信号移相方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微波光子技术领域的基于偏振光干涉技术的微波信号移相方法，将单边带调制产生的光子微波信号通过保偏光纤的传输，利用其高双折射特性和指定的熔接角度，以偏振干涉的方式生成相位锁定且垂直偏振的一组光载波。利用相位调制器调制效率的偏振相关性，使得输入的垂直偏振的光载波在相位调制器偏置电压下产生不同的相移，从而通过调节偏置电压来改变光载波之间的相位差。而后经过指定起偏角度的检偏器接收后生成平行偏振的一组移相光载波。光电检测器拍频接收、隔离直流分量后产生电域微波移相信号，移相幅度由相位调制器的偏置电压决定。本发明进一步降低了微波移相系统的复杂度，提高了移相精确度。

Description

基于偏振光干涉技术的微波信号移相方法

技术领域

本发明涉及的是一种微波技术领域的信号处理的方法，具体的说，是一种基于偏振光干涉技术的微波信号移相方法。

背景技术

微波移相器是相控阵雷达、卫星通信、移动通信设备中的核心组件，它的工作频带、插入损耗直接影响着这些设备的抗干扰能力和灵敏度，以及系统的重量、体积和成本，因此研究宽带、低插入损耗的移相器在军事上和民用卫星通信领域具有重要的意义。近年来，随着对光波导和调制技术的研究不断取得进展，不仅使得光纤作为通信信号和控制信号的传输介质在相控阵雷达、卫星通信、移动通信系统中得到了广泛使用，而且使得以此为基础的微波光子技术(即利用光子技术实现微波信号的生成、传输、接收、混频、滤波、延迟、移相、数字化等处理)成为当前极为活跃的一门学科。基于光子学的微波移相器，相比于电子学微波移相器进一步降低了相控阵系统的复杂度，更好的满足了相控阵天线中的微波移相器所应具有的以下要求：移相的数值精确、性能稳定、足够的频带和功率容量、便于快速控制、激励功率和插入损耗小、体积小重量轻等。因此，它是微波移相器发展的方向，近几年来吸引了广大研究人员的目光。目前，国外已有专门的研究机构和学术会议讨论该方面的研究工作，研制出了各种不同类型的移相器，并在光控相控阵系统中得到初步应用。我国也已有一些单位开始进行这个方面的探索，某些技术已取得一定成果。

光子微波移相器有基于OTTD(OpticalTrue-Time-Delay)、外差混频技术、矢量技术三种不同的类型。基于OTTD的光子微波移相器，通过改变延迟线的长度使调制信号经历不同的光程，从而实现不同的延迟。该类型的光子微波移相器一般用在宽频带波束控制中，可对微波信号实现粗调级的移相，但插入损耗较大。目前国外的相关技术已比较成熟，国内对此方面，尤其是对光开关和光纤光栅的研究也取得较大进展，但真正应用于实践还有一定差距。基于外差混频技术的光子微波移相器，利用MZI(Mach-Zehnder干涉仪)的结构，在其上、下臂光路中分别串入移频器和移相器，用于调制微波信号和移相光载波，拍频后接收得到可控相移的微波信号。

经过对现有技术文献的检索发现，O.Matsumot等人发表在学术刊物《IEEEJournal of Lightwave Technology》(《光波技术学报》)1991年第9卷第11期的文章“Microwave phase shifter using optical waveguide structure”(“基于光波导结构的微波移相器”)中，提出一种采用光波导结构实现的光子微波移相器。该类型的光子微波移相器适用于频带较小的场合，插入损耗有所降低，但是因为外差混频技术对光源的频谱纯度有较高要求，对系统相位噪声也非常敏感。目前国外对此研究正进一步深化，国内尚无正式报道。基于矢量技术的光子微波移相器，利用耦合器将调制在光载波上的微波信号分为两路，分别经过一种或多种光电设备(移相器、衰减器等)的处理，使得两路光信号产生合适的相移和强度变化，分别接收后得到两路电信号，再利用电学相加器进行矢量运算，进而得到可控相移的微波信号。L.Bui等人发表在学术刊物《Electronics Letters》(《电子快报》)2003年第39期的文章“Wideband RF photonic vector sum phaseshifter”(“宽带射频光子矢量相加移相器”)中，提出一种采用矢量技术实现的光子微波移相器。该类型的光子微波移相器可对波束进行较精确的连续控制，但同时对光子微波信号进行了幅度调制，引入不确定的附加相移，而且插入损耗有所上升，进一步提高了对器件和系统的性能要求，增大了成本。目前国内外对此研究正进一步深化，近几年发展比较迅速。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于偏振光干涉技术的微波信号移相方法，进一步降低了微波移相系统的复杂度，有效控制了系统成本，提高了移相的精确度、减少了插入损耗等。

本发明是通过以下技术方案实现的，将单边带调制产生的光子微波信号通过保偏光纤的传输，利用其高双折射特性和指定的熔接角度，以偏振干涉的方式生成相位锁定且垂直偏振的一组光载波。利用相位调制器调制效率的偏振相关性，使得输入的垂直偏振的光载波在相位调制器偏置电压下产生不同的相移，从而通过调节偏置电压来改变光载波之间的相位差。而后经过指定起偏角度的检偏器接收后生成平行偏振的一组移相光载波。光电检测器拍频接收、隔离直流分量后产生电域微波移相信号，移相幅度由相位调制器的偏置电压决定。

本发明包括如下步骤：

第一步，光子微波信号的产生。信号源输出频率为f_RF的微波信号，经驱动放大至峰-峰值为马赫-曾德调制器的半波电压V_π，通过90°混合耦合器分成两路相位差为90°的微波信号，分别送入双驱动马赫-曾德调制器的两个射频端口。马赫-曾德调制器偏置在V_π/2点，驱动电压为V_π，将微波信号调制在激光器输出的连续光载波上，生成光强度变化频率为微波信号频率f_RF的单边带调制的光子微波信号，从光谱上看就是两个间隔为微波信号频率f_RF的相位锁定的光载波，单边带调制的光子微波信号表示为E_in(t)：

其中A_c、A_s分别表示光谱中载波与旁瓣的光强度；f_c表示光谱中载波的频率，

表示载波与旁瓣光子微波信号的初始相位差。

第二步，光子微波信号的移相。选择保偏光纤，分别以45°熔接角度连接马赫-曾德调制器和相位调制器，使得单边带调制的光子微波信号发生偏振干涉，偏振干涉后的光子微波信号是一组相位锁定的，偏振态垂直的光载波，分别对准相位调制器的TE、TM模式输入相位调制器，通过调节相位调制器的偏置电压改变垂直偏振光子微波信号之间的相位差。

本步骤中，将产生的光子微波信号以45°角输入长度为L的保偏光纤，使得光子微波信号以相互垂直的偏振态分别在保偏光纤的快、慢轴上传播，高双折射特性使得光子微波信号在保偏光纤快、慢轴上传播产生群延时Δτ＝1/2f_RF。保偏光纤的长度L按下式取值：

$L=\frac{c\·\mathrm{\Δ\τ}}{\mathrm{\λ}}\·l_c=\frac{c}{2\mathrm{\λ}\·f_{\mathrm{RF}}}\·l_c---\left(2\right)$

其中c，表示介质中的光速，L表示保偏光纤的长度，λ表示光载波的波长，l_c表示保偏光纤的拍长。

将保偏光纤输出的光子微波信号再以45°角输入相位调制器，此时光子微波信号发生偏振干涉，使得光子微波信号中的主瓣与旁瓣光谱分量的偏振态发生偏转，形成相互垂直的偏振态，分别表示为TE模和TM模。表示如下：

其中

分别表示光谱中经过保偏光纤传输衰减以后的，载波与旁瓣的光强度，

表示经过保偏光纤传输以后引入的，主瓣与旁瓣分量的相位差。

偏振干涉后的光子微波信号以相互垂直的偏振态进入相位调制器，分别对准相位调制器的TE、TM模式，利用相位调制器在TE、TM模式下不同的调制效率，使得垂直偏振态的光子微波信号在偏置电压下产生不同的相移，从而通过调节相位调制器的偏置电压V可以改变垂直偏振光子微波信号之间的相位差

相位调制器输出的TE、TM模式的信号表达式如下：

其中

分别表示光谱中经过相位调制器进一步衰减后的，载波与旁瓣的光强度，

表示垂直偏振光子微波信号之间的累计相位差，

第三步，光子微波移相信号的接收。以45°角检偏接收相位调制器输出的垂直偏振的光子微波信号，采用光电检测器接收检偏器输出的光子微波信号，拍频接收、隔离直流分量后产生电域微波移相信号。

本步骤中，采用光电检测器拍频接收45°检偏输出的移相光子微波信号，隔离直流分量后产生频率为f_RF的电域微波移相信号I_out，AC，表达式如下：

其中：移相的幅度

由相位调制器的偏置电压V调节，R是光电检测器的响应度，

分别表示光谱中经过相位调制器进一步衰减后的，载波与旁瓣的光强度。上式表明，检测器输出的微波信号f_RF的相位

受控于相位调制器的偏置电压V，通过改变偏置电压V，即可改变微波信号的相位。

相比较基于OTTD的光子微波移相器，本发明减少了插入损耗，可对微波信号实现细调级的移相；相比较基于外差混频技术的光子微波移相器，本发明使用普通商用级器件，不需要特制光波导结构的调制器以及高频谱纯度的光源，进一步降低了微波移相系统的复杂度，有效控制了系统成本；相比较基于矢量技术的光子微波移相器，本发明没有对光子微波信号进行幅度调制，从而避免了引入不确定的附加相移，降低了对器件和系统的性能要求，提高了移相的精确度。

附图说明

图1为本发明实施例原理图。

图2为本发明实施例光子微波信号的光谱图；

其中：(a)为光子微波信号发生输出的单边带调制的光子微波信号的光谱；(b)为光子微波信号移相输出的TE模式的光子微波移相信号的光谱；(c)为光子微波信号移相输出的TM模式的光子微波移相信号的光谱。

图3为本发明实施例光子微波移相信号的示意图；

其中：(a)为微波信号源输出的参考微波信号；(b)为光子微波移相信号接收输出的90°移相的微波信号；(c)为光子微波移相信号接收输出的180°移相的微波信号。

图4为本发明实施例实施效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本发明实施例包含三个子系统：子系统一为光子微波信号发生；子系统二为光子微波信号移相；子系统三为光子微波移相信号接收。实施例采用的器件涉及激光器、微波信号源、马赫-曾德调制器、驱动器、保偏光纤、相位调制器、检偏器、光电检测器。

以10GHz微波信号源，波长1550nm激光器为例，具体实现步骤如下：

(1)光子微波信号的产生。信号源输出频率为f_RF的微波信号，经驱动放大至峰-峰值为马赫-曾德调制器的半波电压V_π，通过90°混合耦合器分成两路相位差为90°的微波信号，分别送入双驱动马赫-曾德调制器的两个射频端口。马赫-曾德调制器偏置在V_π/2点，将微波信号调制在激光器输出的连续光载波上，生成单边带调制的光子微波信号。其光谱如图2-(a)所示。

本实施例中，驱动器可采用JDS-Uniphase公司的VM10EMD实现。

本实施例中，90°混合耦合器可采用MITEQ公司的M-23-183-91WS实现。

本实施例中，马赫-曾德调制器可采用JDS-Uniphase公司的LNB-KR1CK实现。

本实施例中，激光器可采用AVANEX公司的1905LMI实现。

(2)光子微波信号的移相。将产生的单边带调制的光子微波信号以45°角输入合适长度的保偏光纤，使得光子微波信号以相互垂直的偏振态分别在保偏光纤的快、慢轴上传播。将保偏光纤输出的光子微波信号再以45°角输入相位调制器，此时光子微波信号发生偏振干涉，偏振干涉后的光子微波信号是一组相位锁定的，偏振态垂直的光载波，分别对准相位调制器的TE、TM模式，利用相位调制器在TE、TM模式下不同的调制效率，使得垂直偏振态的光子微波信号在相同的偏置电压下产生不同的相移。相位调制器输出的TE模式下光子微波信号的光谱如图2-(b)所示；相位调制器输出的TM模式下光子微波信号的光谱如图2-(c)所示。

本实施例中，保偏光纤连接马赫-曾德调制器和相位调制器的偏振角度由光纤熔接机设置在45°。

本实施例中，保偏光纤可采用Fujikura公司的Panda型高折射率光纤SM-15-PS-G20A实现，其拍长5毫米，根据公式(2)计算可得所需保偏光纤长度是32.258米。

本实施例中，相位调制器可采用SWT-OC公司的PMS1522-N实现。

(3)光子微波移相信号的接收。采用光电检测器接收45°检偏输出的移相光子微波信号，拍频接收、隔离直流分量后生成电域微波移相信号。输入的微波移相信号如图3-(a)所示；当偏置电压设置在1.8伏时，可以得到90°微波移相信号，如图3-(b)所示；当偏置电压设置在5.2伏时，可以得到180°微波移相信号，如图3-(c)所示。

本实施例中，检偏器可采用General Photonics公司的POL-001实现。

本实施例中，光电检测器采用PICOMETRIX公司的P-20A实现。

本实施例中，隔直器采用Picosecond公司的Model5500A实现。

相位调制器的偏置电压由外置电源控制，通过调节相位调制器的偏置电压，可以对输入的微波信号进行移相，相位调制器的偏置电压与微波信号相移的映射关系曲线如图4所示。在相位调制器偏置电压为0伏时，微波信号的初始相移大致是43°；在相位调制器偏置电压为1.8伏时，微波信号的初始相移大致是90°；在相位调制器偏置电压为5.2伏时，微波信号的初始相移大致是180°；随着相位调制器偏置电压的增加，微波信号的相移呈线性增加关系，大致满足关系式：P_RF＝43+26.5×V_Bias，其中P_RF表示微波信号相移，V_Bias表示相位调制器偏置电压。

Claims (3)

1.一种基于偏振光干涉技术的微波信号移相方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，光子微波信号的产生：信号源输出频率为f_RF的微波信号，经驱动放大至峰-峰值为马赫-曾德调制器的半波电压V_π，通过90°混合耦合器分成两路相位差为90°的微波信号，分别送入双驱动马赫-曾德调制器的两个射频端口，马赫-曾德调制器偏置在V_π/2点，驱动电压为V_π，将微波信号调制在激光器输出的连续光载波上，生成单边带调制的光子微波信号；

第二步，光子微波信号的移相：选择保偏光纤，分别以45°熔接角度连接马赫-曾德调制器和相位调制器，使得单边带调制的光子微波信号发生偏振干涉，偏振干涉后的光子微波信号是一组相位锁定的，偏振态垂直的光载波，分别对准相位调制器的TE、TM模式输入相位调制器，通过调节相位调制器的偏置电压改变垂直偏振光子微波信号之间的相位差；

第三步，光子微波移相信号的接收：以45°角检偏接收相位调制器输出的垂直偏振的光子微波信号，采用光电检测器接收检偏器输出的光子微波信号，拍频接收、隔离直流分量后产生电域微波移相信号。

2.如权利要求1所述的基于偏振光干涉技术的微波信号移相方法，其特征是，所述第二步中，将产生的光子微波信号以45°角输入保偏光纤，使得光子微波信号以相互垂直的偏振态分别在保偏光纤的快、慢轴上传播，高双折射特性使得光子微波信号在保偏光纤快、慢轴上传播产生群延时1/2f_RF；将垂直偏振态的光子微波信号再以45°角输入相位调制器，此时光子微波信号发生偏振干涉，偏振干涉后的光子微波信号是一组相位锁定的，偏振态垂直的光载波，分别对准相位调制器的TE、TM模式，利用相位调制器在TE、TM模式下不同的调制效率，使得垂直偏振态的光子微波信号在偏置电压下产生不同的相移，从而通过调节相位调制器的偏置电压改变垂直偏振光子微波信号之间的相位差。

3.如权利要求1所述的基于偏振光干涉技术的微波信号移相方法，其特征是，所述第三步中，采用光电检测器拍频接收45°检偏输出的移相光子微波信号，隔离直流分量后产生频率为f_RF的电域微波移相信号I_out，AC，表达式如下：

其中：移相的幅度相位调制器的偏置电压V调节，R是光电检测器的响应度，

分别表示光谱中经过相位调制器进一步衰减后的载波与旁瓣的光强度，上式表明，检测器输出的微波信号f_RF的相位

受控于相位调制器的偏置电压V，通过改变偏置电压V，即能改变微波信号的相位。

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