CN103512607A - 检波器频率响应测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种检波器频率响应测量系统，该系统利用低频方波信号调制可调谐DBR激光器，输出波长周期性变化的光信号。该光信号分别经过未延时和四分之一周期延时的光路后合波并在光电探测器中拍频，输出经过低频方波信号调制后的微波信号。该微波信号经过待测检波器响应后输入到锁相放大器中，利用锁相放大器检测低频方波信号幅值随微波信号频率变化的规律，就可以得到待测检波器的频率响应特性。

Description

检波器频率响应测量系统

技术领域

本发明涉及光电仪器测量技术领域，尤其涉及一种检波器频率响应测量系统。

背景技术

检波器是检出波动信号中某种有用信息的装置，用于识别波、振荡或信号存在或变化的器件。检波器广泛用于设计和生产测试，也可作为测试系统信号接口单元的内部元件，在许多测试和测量应用中都可以用到，例如电源监视、视频检波、扫描传输和反射测量等。因此，通过测量检波器相关参数，对于提高系统性能、优化系统结构大有裨益。

频率响应是检波器非常重要的参数指标，表征检波器处理不同频率信号的能力。目前，测量检波器频率响应的方法主要是网络分析仪扫频法，该方法原理简单、快速直观，但是整台测试设备价格不菲，而且测试带宽越高，其价格越贵。我国还不能自行生产测试带宽较高的矢量网络分析仪(50GHz)，由于其可用于检验、测试的器件可用于军事、卫星成像等领域，因此此类设备普遍被西方发达国家禁运。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种检波器频率响应测量系统，以在不使用网络分析仪的情况下表征检波器频率响应特性。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种检波器频率响应测量系统。该检波器频率响应测量系统包括：波形发生器，用于产生频率分别为f和2f的两路周期性方波信号，该周期性方波信号的低电平为V_L，高电平为V_H；可调谐DBR激光器，其相区电流输入端与所述波形发生器的输出端电性连接，用于利用所述频率为f的周期性方波信号改变自身相区电流实现对输出光波长的调谐，产生波长λ周期性变化的激光；第一50/50光耦合器，用于将所述可调谐DBR激光器输出的波长周期性变化的激光分为两束；光纤延时线，用于对两激光束中的一束进行1/4周期延时；第二50/50光耦合器，用于将未经延时的激光束与经过1/4周期延时的激光束进行合束并耦合；光电探测器，用于将合束并耦合的光信号拍频后转化为电信号；微波功率分束器，用于将所述光电探测器的输出电信号分为两部分，其中一部分送入频谱仪，另一部分进入待测检波器；频谱仪，用于检测输入信号的频率υ_b；锁相放大器，其待测信号输入端与待测检波器的输出端相连接，其参考信号输入端与所述波形发生器的另一输出端电性连接，用于利用波形发生器产生的频率为2f的周期性方波信号，从待测检波器的输出信号中读出频率为2f的信号幅值V₁；控制器，用于控制所述波形发生器输出周期性方波信号的低电平V_L或高电平V_H其中之一变化，根据以下关系式获取待测检波器的频率响应特性F₂(υ_b)：logF₂(υ_b)＝logV₁-C₂-logF₁(υ_b)，其中，F₁(υ_b)为光电探测器的频率响应，C₂为一常数。

(三)有益效果

本发明检波器频率响应测量系统不需要价格昂贵的矢量网络分析仪，通过拍频法可以产生高带宽的测试信号，具有成本低，测量精度高、测量带宽大的优点。

附图说明

图1为根据本发明实施例测量检波器频率响应系统的结构示意图；

图2为图1所示系统中光耦合器输出两光路中(a)未延时和(b)1/4周期延时的光波长随时间变化图；

图3为图1所示系统中光电探测器输出波形示意图；

图4为图1所示系统中待测检波器输出波形示意图；

图5为图1所示系统中待测检波器频率响应曲线图。

【本发明主要元件符号说明】

1-波形发生器； 2-可调谐DBR激光器；

3-驱动源；     4-第一50/50光耦合器；

5-光纤延时线； 6-第二50/50光耦合器；

7-光电探测器； 8-微波功率分束器；

9-待测检波器； 10-锁相放大器；

11-频谱仪； 12-控制器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

本发明提供了一种检波器频率响应测量系统，该系统利用低频方波信号调制可调谐DBR激光器，输出波长周期性变化的光信号。该光信号分别经过未延时和四分之一周期延时的光路后合波并在光电探测器中拍频，输出经过低频方波信号调制后的微波信号。该微波信号经过待测检波器响应后输入到锁相放大器中，利用锁相放大器检测低频方波信号幅值随微波信号频率变化的规律，就可以得到待测检波器的频率响应特性。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种检波器频率响应测量系统。图1为根据本发明实施例测量检波器频率响应系统的结构示意图。如1所示，本实施例检波器频率响应测量系统包括：

波形发生器1、可调谐DBR激光器2、第一50/50光耦合器4、光纤延时线5、第二50/50光耦合器6、光电探测器7、微波功率分束器8、锁相放大器10、频谱仪11和控制器12。

以下分别对本实施例测量检波器频率响应系统的各个组成部分进行详细说明。

波形发生器1产生频率分别为f和2f，占空比为50％的两低频周期性方波信号，该周期性方波信号的低电平为V_L，高电平为V_H。

其中，波形发生器1输出波形应当十分稳定，即输出波形的频率和电平值应当稳定。其中，周期性方波信号的频率与光纤延时线的长度有关，当光纤延时线的长度很短时，该频率必须很大，而该光纤延时线的长度较长时，该频率就可以适当缩小。

本实施例中，光纤延时线10km，频率f取5kHz。但本发明并不以此为限。一般情况下，该频率f的范围应当介于1kHz-1MHz之间。此外，该周期性方波信号的低电平V_L的幅值介于900～1000mV之间，高电平V_H的幅值介于1000～2000mV之间。

可调谐DBR激光器2的相区电流输入端通过导线与波形发生器1的输出端电性连接，其通过利用上述频率为f的低频周期性方波信号改变相区电流实现对输出光波长的调谐，产生波长周期性变化的激光。其中，λ₁为低电平控制下，可调谐DBR激光器2输出激光的波长，λ₂为高电平控制下，可调谐DBR激光器2输出激光的波长。

本实施例中，可调谐激光器2的输出光功率和波长应当十分稳定，波长在小范围内应精密连续可调，且线宽应尽可能窄。一般情况下，该可调谐激光器2产生激光的波长λ介于1563.3～1563.6nm之间。

驱动源3的输出端通过导线与可调谐DBR激光器2相连接，用于为可调谐DBR激光器2提供工作电流。

第一50/50光耦合器4和第二50/50光耦合器6，分别用于对光信号进行分束和合束；光纤延时线5，连接于50/50光耦合器4和5之间，用于对一路光信号进行延时。

其中，第一50/50光耦合器4通过光纤与可调谐激光器2相连接，用于将可调谐DBR激光器2输出的激光分为两束。

第二50/50光耦合器6的两输入端中，第一输入端与第一50/50光耦合器4的第一输出端直接通过光纤连接，第二输入端与第一50/50光耦合器4的第二输出端通过光纤延时线5相连接。未经延时的第一束激光与经过四分之一周期延时的激光在第二50/50光耦合器中合束并耦合。

本实施例中，光纤延时线5为标准单模光纤，其长度为cT/(4n)，其中c为光速，

n为光纤延时线5和光纤的折射率。由第一50/50光耦合器4的第二输出端输出的激光通过光纤延时线5进行四分之一周期

延时。未经延时的第一束激光与经过四分之一周期延时的激光的光波长随时间变化如图2所示，每隔T/2波长在λ₁和λ₂之间周期性变换。

光电探测器7的输入端与第二50/50光耦合器6的输出端通过光纤相连接，用于将合束并耦合的光信号拍频后转化为电信号。

其中，该光电探测器7频率响应F₁(υ_b)为已知且尽可能平坦，其输出的微波电信号可表示为：

$i_c=\frac{\mathrm{e\η}}{\mathrm{h\υ}}[\frac{E^2}{4}\·F_1\left({\mathrm{\υ}}_b\right)\·\cos \left(2\mathrm{\π}{\mathrm{\υ}}_{b}t\right)]\·u(2f,t)---\left(1\right)$

公式1忽略了光电探测器7的直流分量，其中e为电子电荷，η为量子效率，hυ为光子的能量，E为电场强度，υ_b为拍频频率(

c为真空中光速，n为光纤和光纤延时线折射率)，F₁(υ_b)为光电探测器7的频率响应函数，u(2f,t)为占空比为50％，频率为2f单位幅度方波，光电探测器7输出波形如图3所示。

微波功率分束器8，其通过标准射频连接线与光电探测器7输出端相连接，用于将光电探测器7的输出信号分为两部分，其中一部分送入频谱仪11以检测信号频率υ_b，另一部分进入待测检波器9；

输出信号可表示为：

V₀＝C₀·F₁(υ_b)·F₂(υ_b)·u(2f,t)  (2)

其中C₀为一常数，F₂(υ_b)待测检波器9的频率响应函数，其波形如图4所示。

锁相放大器10，其待测信号输入端通过射频连接线与待测检波器输出端相连接，其参考信号输入端通过射频连接线与波形发生器的第二输出端相连接，用于利用波形发生器产生的频率为2f的周期性方波信号，从待测检波器的输出信号中读出频率为2f的信号幅值V₁。

待测检波器9输出信号进入锁相放大器10作为待测信号，锁相放大器10参考信号输入端通过波形发生器1输入频率为2f的低频方波，因而只对频率为2f的待测信号有响应，其测得电压值为：

V₁＝C₁·F₁(υ_b)·F₂(υ_b)  (3)

其中，C₁为一常数，由上式两边取对数，可得到待测检波器9的频率响应为：

logF₂(υ_b)＝logV₁-C₂-logF₁(υ_b)  (4)

其中，C₂＝logc₁，其同样为一常数。

频谱仪11，其输入端通过射频连接线与微波功率分束器另一输出端相连接，用于检测输入电信号的频率，即拍频频率υ_b。

控制器12，其控制信号输出端与波形发生器控制信号输入端相连接，用于控制波形发生器1输出波形。保持低频方波信号低电平V_L不变，逐次增加高电平V_H，使得拍频频率υ_b由小逐次增加，通过频谱仪11测得拍频频率υ_b，锁相放大器10测得电压值V₁，根据关系式(4)即可得到待测检波器9的频率响应特性曲线如图5所示。

需要说明的是，虽然本实施例中控制器12通过逐次增加高电平V_H来逐渐改变拍频频率υ_b，但本发明并不以此为限。在本发明的其他实施例中，还可以采用逐次降低高电平V_H，来使拍频频率υ_b逐次减小来获得待测检波器9的频率响应特性曲线，其实现方式与本实施例相同，此处不再重述。

至此，已经结合附图对本发明检波器频率响应测量系统进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明检波器频率响应测量系统有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换。

综上所述，本发明检波器频率响应测量系统不需要价格昂贵的矢量网络分析仪，通过拍频法可以产生高带宽的测试信号来对检测器的频率响应进行测量，具有成本低，测量精度高、测量带宽大的优点。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种检波器频率响应测量系统，其特征在于，包括：

波形发生器，用于产生频率分别为f和2f的两路周期性方波信号，该周期性方波信号的低电平为V_L，高电平为V_H；

可调谐DBR激光器，其相区电流输入端与所述波形发生器的输出端电性连接，用于利用所述频率为f的周期性方波信号改变自身相区电流实现对输出光波长的调谐，产生波长λ周期性变化的激光；

第一50/50光耦合器，用于将所述可调谐DBR激光器输出的波长周期性变化的激光分为两束；

光纤延时线，用于对两激光束中的一束进行1/4周期延时；

第二50/50光耦合器，用于将未经延时的激光束与经过1/4周期延时的激光束进行合束并耦合；

光电探测器，用于将合束并耦合的光信号拍频后转化为电信号；

微波功率分束器，用于将所述光电探测器的输出电信号分为两部分，其中一部分送入频谱仪，另一部分进入待测检波器；

频谱仪，用于检测输入信号的频率υ_b；

锁相放大器，其待测信号输入端与待测检波器的输出端相连接，其参考信号输入端与所述波形发生器的另一输出端电性连接，用于利用波形发生器产生的频率为2f的周期性方波信号，从待测检波器的输出信号中读出频率为2f的信号幅值V₁；

控制器，用于控制所述波形发生器输出周期性方波信号的低电平V_L或高电平V_H其中之一变化，根据以下关系式获取待测检波器的频率响应特性F₂(υ_b)：

logF₂(υ_b)＝logV₁-C₂-logF₁(υ_b)

其中，F₁(υ_b)为光电探测器的频率响应，C₂为一常数。

2.根据权利要求1所述的检波器频率响应测量系统，其特征在于，所述波形发生器产生周期性方波信号的占空比为50％，频率f介于1kHz～1MHz之间。

3.根据权利要求1所述的检波器频率响应测量系统，其特征在于，所述波形发生器产生周期性方波信号的低电平V_L的幅值介于900～1000mV之间，高电平V_H的幅值介于1000～2000mV之间。

4.根据权利要求1所述的检波器频率响应测量系统，其特征在于，所述可调谐DBR激光器产生激光的波长λ介于1563.3～1563.6nm之间。

5.根据权利要求1所述的检波器频率响应测量系统，其特征在于，所述光纤延时线的长度为10km～50km。

6.根据权利要求1所述的检波器频率响应测量系统，其特征在于，所述频谱仪检测到的信号频率υ_b满足：

${\mathrm{\υ}}_b=\frac{c}{{\mathrm{n\λ}}_1}-\frac{c}{{\mathrm{n\λ}}_2}$

其中，c为真空中光速，n为光纤和光纤延时线折射率，λ₁为低电平控制下，所述可调谐DBR激光器输出激光的波长，λ₂为高电平控制下，所述可调谐DBR激光器输出激光的波长。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的检波器频率响应测量系统，其特征在于，

所述波形产生器、可调谐DBR激光器之间通过导线连接；

所述可调谐DBR激光器、第一50/50光耦合器、第二50/50光耦合器、光纤延时线、光电探测器之间通过光纤连接。

所述光电探测器、微波功率分束器、频谱仪、待测检波器、锁相放大器、波形发生器、控制器之间通过射频连接线连接。

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