CN103490822A - 一种光子型倍频微波信号幅度控制方法及控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光子型倍频微波信号幅度控制方法。本发明方法首先利用偏振调制器将待进行幅度控制的基频微波信号调制于连续光载波，所述连续光载波的偏振方向与所述偏振调制器的其中一个主轴成45度夹角；然后将调制后的光信号中的光载波滤除；将滤除光载波之后的光信号输入光检偏器，通过将光检偏器的检偏轴与所述偏振调制器的其中一个主轴的夹角在[0，π]范围内连续调整，即可得到工作于所输入基频微波信号的倍频状态的幅度可连续控制的微波信号，且幅度调节不影响信号的相位。本发明还公开了一种光子型倍频微波信号幅度控制装置，包括沿光路方向依次连接的光源、偏振调制器、光滤波器、光检偏器和光电探测器。本发明能够实现倍频微波信号的幅度连续控制，且信号的相位保持不变。

Description

一种光子型倍频微波信号幅度控制方法及控制装置

技术领域

本发明涉及一种微波信号幅度控制方法，尤其涉及一种光子型倍频微波信号幅度控制方法及控制装置。 

背景技术

微波毫米波宽带阵列的基本功能是利用空间分散排列的微波毫米波传感器获取信号的时域和空域等多维信息，达到检测和提取信息的目的，是当前信息感知系统（高精度雷达等）、宽带卫星通信、下一代宽带无线通信和航电系统中的研究重点之一。阵列波束形成是其中的关键技术，可以有效提高系统容量，增加频谱效率，改善信噪比，降低功耗，并有利于资源的可管可控。 

基于电子学技术的波束形成具有如下的弊端：电子学波束形成网络瞬时带宽较小，难以满足微波毫米波系统日益增长的宽带要求；电子学幅相控制技术，幅度和相位相互耦合，导致形成的波束产生明显畸变，降低微波毫米波系统的性能，且工作频率受限，对幅相控制算法要求过高；电子波束形成网络不仅各通道之间相互干扰，也容易受到外界信号的干扰；此外，电子波束形成还有着体积大、重量大、损耗大、阻抗匹配困难等缺点。较之传统的电子学波束形成网络，基于微波光子技术的波束形成网络具有明显的优势：光波频率极高而信号带宽相对载频极小，有效地提供了大的瞬时带宽；光电子器件体积小、重量轻，使整个系统紧凑、轻巧、节能；光子系统具有较低的电磁辐射，保密性能更好，抗电磁干扰，且可实现远程天线接入等优点。光子型波束形成技术是未来无线通信和军事领域的重要支撑技术，已成为各国研究计划的前沿课题。 

在这样的背景下，当前宽带微波毫米波阵列波束形成系统仍然面临着幅度相互耦合导致波束畸变等关键挑战；如何实现幅度相位不相互耦合的光子型宽带幅度控制和相位控制，成为宽带微波毫米波阵列波束形成系统的关键问题之一。 

基于矢量调制的波束形成技术(N.A.Riza,″Analog vector modulation-based widely tunable frequency photonic beamformer for phased-array antennas,″IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,vol.45,no.8,pp.1508-1512,1997.),其关键是基于I-Q调制实现对矢量和信号的幅度和相位控制，即对两路相移信号进行加权相加，通过 两路相加信号的相对权重来控制所得到的矢量和信号的幅度和相位；基于偏振控制和向列型液晶(NLC)-空间调制器(SLM)技术，可提供光学幅度控制网络。但是当工作的射频频率达到毫米波波段时，对信号路径长度要求苛刻，微小的光学或电子学路径差将会导致比较大的输出信号相位误差，导致形成的波束畸形；因此在高频段工作时，该种方法需要对信号路径进行精细设计和调整。 

基于偏振敏感性实现的波束形成技术（T.Mengual,B.Vidal,C.Stoltidou,S.Blanch,J.Marti,L.Jofre,I.McKenzie,and J.del Cura,″Optical phase-based beamformer using MZM SSB modulation combined with crystal polarization optics and a spatial light modulator,″Optics Communications,vol.281,no.2,pp.217-224,Jan.2008.），引入延时干涉仪或者差分群延时模块得到偏振态垂直的两束光，再通过偏振敏感的调制器分别对两束光进行不同调制深度的调制，经过光电转换实现微波信号的相移；通过可调光衰减器阵列来实现对每个天线单元的幅度控制。但是随着天线单元数的增加，光衰减器的数量成倍增加，使得系统非常复杂，且由于引入延时干涉仪或者差分群延时模块从而使得整个系统响应与频率相关。 

通过A-SLM（幅度空间光调制器）来实现波束形成中的幅度控制（H.Matsuzawa,T.Akiyama,H.Sumiyoshi,T.Iguchi,M.Nagase,Y.Shoji,Y.Fujino,A.Akaishi,and R.Suzuki,″Variable spot scanning antenna using optically controlled beam forming network,″2010 IEEE Topical Meeting on Microwave Photonics(MWP),pp.397-400,Oct.2010.），其装置由偏振分束器PBS,半波片以及一个空间光调制器SLM组成。通过调节入射光的偏振态，来调节偏振分束器PBS反射的光强度，从而实现幅度控制。这种幅度控制方法需要分别利用不同的空间调制器来实现信号的幅度控制和相位控制，增加系统的复杂性。 

基于二维硅基阵列液晶像素器件的波束形成技术（X.Yi,T.X.Huang,and R.A.Minasian,″Photonic beamforming based on programmable phase shifters with amplitude and phase control,″IEEE Photonics Technology Letters,vol.23,no.18,pp.1286-1288,Sep.2011），是在实现多路单边带调制的基础上，基于二维硅基阵列液晶像素器件分别对光载波和边带的幅度和相位进行单独控制，来实现波束形成。由于基于二维硅基液晶阵列来进行调节，幅度的控制会对信号的相位产生一定的影响，且存在调节速度较慢的问题。 

已有的幅度控制方法，幅度的控制对相位会产生一定的影响，高频工作时需要对信号路径进行精细设计和调整，调节速度较慢，从而导致系统复杂、成本昂贵等问题，从而影响波束形成等系统应用的性能。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种光子型倍频微波信号幅度控制方法及控制装置，能够实现对倍频微波信号的连续幅度控制，且信号的相位保持不变，提高幅度控制的工作频率范围，实现高性能的高频率的幅度控制。 

为解决上述技术问题，本发明具体采用以下技术方案： 

一种光子型倍频微波信号幅度控制方法，用于将待进行幅度控制的基频微波信号调制于连续光载波上，并输出幅度连续可调且相位不受幅度调整影响的倍频微波信号，首先利用偏振调制器将待进行幅度控制的基频微波信号调制于连续光载波，所述连续光载波的偏振方向与所述偏振调制器的其中一个主轴成45度夹角；然后将调制后的光信号中的光载波滤除；将滤除光载波之后的光信号输入光检偏器，然后输入光电探测器，通过将光检偏器的检偏轴与所述偏振调制器的其中一个主轴的夹角在[0,π]范围内连续调整，即可得到工作于所输入基频微波信号的倍频状态的幅度可连续控制的微波信号，且信号的相位不受幅度调节的影响。 

一种光子型倍频微波信号幅度控制装置，用于将待进行幅度控制的基频微波信号调制于连续光载波上，并输出幅度连续可调且相位不受幅度调整影响的倍频微波信号，该装置包括沿光路方向依次连接的光源、偏振调制器、光滤波器、光检偏器和光电探测器；所述连续光载波的偏振方向与所述偏振调制器的其中一个主轴成45度夹角；所述光滤波器将偏振调制器输出的光信号中的光载波滤除；所述检偏器的检偏轴与所述偏振调制器的其中一个主轴的夹角可在[0,π]范围内连续调整。 

采用上述技术方案，即可得到幅度连续可调且相位不受幅度调整影响的倍频光载微波信号。相比现有技术，本发明具有以下有益效果： 

1.本发明避免引入任何非线性器件，通过调整所述检偏器与偏振调制器任意一个主轴之间的夹角，来调节光电探测器输出的倍频微波信号的幅度，且不改变信号的相位；可实现连续、快速的微波信号幅度的调节。 

2.本发明克服了传统微波幅度控制元件工作频率受限的缺陷，本发明装置中同时实现了微波光子倍频操作，使得输出的工作信号频率为输入微波信号的两倍，实现了对高频微波信号的连续幅度控制，且对信号的相位不产生影响，大幅降低了装置的成本和复杂度。 

附图说明

图1为本发明的光子型倍频微波信号幅度控制装置的结构框图； 

图2为具体实施例中光陷波滤波器的传输响应，以及偏振调制器的射频端输入10GHz，功率7dBm的基频信号时，通过光陷波滤波器之前和之后的光谱图； 

图3为具体实施例中偏振调制器的射频端输入10GHz，功率为7dBm的基频信号时，光电探测器输出信号的频谱； 

图4（a）-图4（d）分别为基频信号频率设置为4GHz,6GHz,8GHz和10GHz时，具体实施例中本发明装置产生的倍频信号在不同的检偏器检偏轴方向设置时的波形； 

图5（a）-图5（e）分别为具体实施例中偏振调制器的射频口输入信号频率保持为10GHz，功率分别为4dBm、7dBm、10dBm、13dBm和16dBm时，本发明装置产生的倍频信号在不同的检偏器检偏轴方向设置时的波形图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明： 

本发明光子型倍频微波信号幅度控制装置的一个优选方案结构如图1所示，包括沿光路走向依次连接的激光器、偏振调制器、光陷波滤波器、光检偏器及光电探测器；偏振调制器的光输入端、光输出端分别与激光器的输出端、光陷波滤波器的输入端相连；光陷波滤波器的输出端与光检偏器的输入端相连，光检偏器和光电探测器相连。 

设所述光陷波滤波器的中心频率为ω₀，设置激光器的输出频率与光陷波滤波器的中心频率相同，输出频率为ω₀的光连续波，并将ω₀的输入光的偏振方向调整为与偏振调制器的某一个主轴成45度夹角；基频微波信号（其载频设为ω_m）输入偏振调制器的射频端口，从而加载到光载波上；通过光陷波滤波器滤除偏振控制器输出的光信号中的载波，输出±1阶边带；通过调整所述检偏器的检偏轴方向与偏振调制器其中一个主轴的夹角α，可实现连续调节光电探测器输出的倍频微波信号2ω_m的幅度，且对幅度的调节不改变信号的相位。 

本发明的理论说明具体如下： 

当设置线偏振光（频率为ω₀）的偏振态与偏振调制器的某一个主轴成45度夹角输入偏振调制器，基频微波信号（载频为ω_m）加载到偏振调制器的射频端口，沿着偏振调制器的两个主轴产生两个偏振正交的相位调制信号。在偏振调制器的输出端沿着两个主轴的归一化光场可以表示为： 

$\left[\begin{array}{c}{E}_x\\ E_y\end{array}\right]=\frac{\sqrt{2}}{2}\left[\begin{array}{c}{e}^{j({\mathrm{\ω}}_{0}t+\mathrm{\γ\φ}\left(t\right)+\mathrm{\ψ})}\\ e^{j({\mathrm{\ω}}_{0}t-\mathrm{\γ\φ}\left(t\right))}\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中ω₀是光载波的角频率，Ф(t)是调制信号，γ当是相位调制系数，ψ是E_x和E_y 之间的相位差，由偏振调制器的偏置电压决定。将调制信号设定为cosω_mt来分析系统的频率响应。(1)式可以展开为： 

$\left[\begin{array}{c}{E}_x\\ E_y\end{array}\right]\∝\left[\begin{array}{c}{e}^{\mathrm{j\ψ}}[J_0\left(\mathrm{\γ}\right)+j{J}_1\left(\mathrm{\γ}\right)e^{j{\mathrm{\ω}}_{m}t}-j{J}_{-1}\left(\mathrm{\γ}\right)e^{-j{\mathrm{\ω}}_{m}t}]\\ J_0\left(\mathrm{\γ}\right)-j{J}_1\left(\mathrm{\γ}\right)e^{j{\mathrm{\ω}}_{m}t}+j{J}_{-1}\left(\mathrm{\γ}\right)e^{-j{\mathrm{\ω}}_{m}t}\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中J_n为n阶第一类贝塞尔函数。基于小信号调制的前提，(2)式中的高阶边带（≥2）均被忽略了。正负一阶边带在幅度上相等，相位上相反。 

光载波频率与光陷波滤波器的中心频率相同（频率为ω₀），利用光陷波滤波器将偏振调制器输出信号的光载波滤除，留下±1阶边带，将双边带相位调制信号转换为载波抑制的双边带相位调制信号，其表达式如下： 

$\left[\begin{array}{c}{E}_x\\ E_y\end{array}\right]\∝\left[\begin{array}{c}{e}^{\mathrm{j\ψ}}[j{J}_1\left(\mathrm{\γ}\right)e^{j{\mathrm{\ω}}_{m}t}-j{J}_{-1}\left(\mathrm{\γ}\right)e^{-j{\mathrm{\ω}}_{m}t}]\\ j{J}_1\left(\mathrm{\γ}\right)e^{j{\mathrm{\ω}}_{m}t}+j{J}_{-1}\left(\mathrm{\γ}\right)e^{-j{\mathrm{\ω}}_{m}t}\end{array}\right]---\left(3\right)$

调节检偏器的检偏轴方向，使得其与偏振调制器的其中一个主轴成α角，通过检偏器将(3)式中的两个偏振正交的载波抑制双边带调制信号结合在一起，得到如下所示的光场输出： 

E_out(t)=cosα·E_x+sinα·E_y    (4) 

将(4)式中的光信号送入到光电探测器进行平方律检波，输出光电流如下： 

$I\left(t\right)\∝E_{\mathrm{out}}\left(t\right)E_{\mathrm{out}}^{*}\left(t\right)$

$=[J_1^2\left(\mathrm{\γ}\right)+J_{-1}^2\left(\mathrm{\γ}\right)]\·(1-\sin 2\mathrm{\α}\·\cos \mathrm{\ψ})---\left(5\right)$

$+2J_1\left(\mathrm{\γ}\right)J_{-1}\left(\mathrm{\γ}\right)\·(\sin 2\mathrm{\α}\·\cos \mathrm{\ψ}-1)\·\cos \left(2{\mathrm{\ω}}_{m}t\right)$

忽略直流成分，式(5)可以简化为： 

I(t)∝2J₁(γ)J_-1(γ)·(sin2α·cosψ-1)·cos(2ω_mt)    (6) 

从(6)式可以看出，输出为2ω_m的倍频信号；调节检偏器的检偏轴方向，α在[0,π]范围内变化，输出的倍频信号的幅度2J₁(γ) J_-1(γ)(sin2α·cosψ)会发生连续变化，且该倍频信号的相位不发生改变。 

图2给出了光陷波滤波器的传输响应，以及偏振调制器的射频端输入功率为7dBm的10GHz信号时，进入光陷波滤波器之前和经过光陷波滤波器之后的光谱。通过将激光器的输出波长设定在光陷波滤波器的中心频率处，光载波被有效滤除；沿着偏振调制 器两个主轴的两个偏振正交的信号具有相同的载波抑制比。经过光陷波滤波器后，±1阶边带比载波高15.05dB，实现了载波抑制的双边带偏振调制。图3给出了光电探测器输出信号的频谱；产生了20GHz的倍频信号，倍频信号的频谱分量比其余各阶谐波分量高37.23dB。 

图4（a）-图4（d）给出了本发明光子型倍频微波信号幅度控制装置产生的倍频信号在不同的检偏器检偏轴设置时的波形，其中图4(a)、图4(b)、图4(c)、图4(d)分别对应将加载到偏振调制器射频端的7dBm信号频率设置为4GHz、6GHz、8GHz和10GHz时的波形图；对于每种频率，通过调节检偏器的检偏轴方向，改变检偏器的检偏轴和偏振调制器的其中一个主轴之间的夹角，产生的倍频信号的幅度可连续调节，而幅度调节不影响其相位。表明该幅度控制器具有大的工作带宽。 

图5（a）-图5（e）给出了当偏振调制器的射频端口输入信号频率保持为10GHz,功率从4dBm调节到16dBm时，本发明的光子型倍频微波信号幅度控制装置输出信号的波形图。其中图5(a)-图5(e)分别对应将加载到偏振调制器射频端的10GHz信号的功率设置为4dBm、7dBm、10dBm、13dBm和16dBm时的波形图。从图中可以看到：输入射频信号的功率在4-16dBm范围内变动时，改变检偏器的检偏轴的方向，均可以有效控制所产生的倍频信号的幅度，且幅度控制不影响信号的相位，表明该幅度控制装置及方法对输入射频信号的功率在较大程度上不敏感。 

综上，本发明实现了对输入微波信号的倍频信号的产生，以及有效的连续幅度控制，且幅度控制不影响信号相位。本发明的幅度控制装置具有大的工作带宽，对输入射频信号的功率在较大程度上不敏感，克服了传统幅度控制装置工作频率受限，以及幅度控制和相位控制耦合的缺陷，实现了对高频微波信号的相位无关的高质量的幅度控制，是一种工作带宽大、结构紧凑、可实现快速调节、无电磁干扰、无相位耦合问题的幅度控制装置。这使得本发明可广泛用于雷达、通信、航空航天和电子对抗等领域。 

Claims (3)

1.一种光子型倍频微波信号幅度控制方法，用于将待进行幅度控制的基频微波信号调制于连续光载波上，并输出幅度连续可调且相位不受幅度调整影响的倍频微波信号，其特征在于，首先利用偏振调制器将待进行幅度控制的基频微波信号调制于连续光载波，所述连续光载波的偏振方向与所述偏振调制器的其中一个主轴成45度夹角；然后将调制后的光信号中的光载波滤除；将滤除光载波之后的光信号输入光检偏器，然后输入光电探测器，通过将光检偏器的检偏轴与所述偏振调制器的其中一个主轴的夹角在[0,π]范围内连续调整，即可得到工作于所输入基频微波信号的倍频状态的幅度可连续控制的微波信号，且信号的相位不受幅度调节的影响。

2.一种光子型倍频微波信号幅度控制装置，用于将待进行幅度控制的基频微波信号调制于连续光载波上，并输出幅度连续可调且相位不受幅度调整影响的倍频微波信号，其特征在于，该装置包括沿光路方向依次连接的光源、偏振调制器、光滤波器、光检偏器和光电探测器；所述连续光载波的偏振方向与所述偏振调制器的其中一个主轴成45度夹角；所述光滤波器将偏振调制器输出的光信号中的光载波滤除；所述检偏器的检偏轴与所述偏振调制器的其中一个主轴的夹角可在[0,π]范围内连续调整。

3.如权利要求2所述光子型倍频微波信号幅度控制装置，其特征在于，所述光滤波器为光陷波滤波器，其中心频率与所述连续光载波的频率相同。

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