CN103684611B - 一种相位稳定的毫米波生成系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相位稳定的毫米波生成系统，包括微波‑光信号转换模块、光上变频及相位补偿模块、相位检测模块以及宽带光接收机模块，其中，微波‑光信号转换模块用于生成频率间隔为微波信号频率的光频率梳，所述光频率梳通过光上变频及相位补偿模块滤出两光频率分量，所述两光频率分量经相位检测模块检测出所受到的光纤链路扰动，并反馈控制光上变频及相位补偿模块，所述的两光频率了分量经相位补偿后通过所述宽带光接收机模块，将两光信号拍频得到相位稳定的毫米波信号。本发明的光载毫米波相位检测方法与待检测信号频率无关，此系统可实现25GHz‑300GHz范围的高相位稳定度的信号生成。

Description

一种相位稳定的毫米波生成系统

技术领域

本发明涉及一种微波光子学领域在光域测量光载毫米波信号相位技术，尤其涉及一种通过光干涉来实现相位稳定的毫米波生成系统及方法。

背景技术

无论是在光载无线通信(ROF)系统、深空探测系统还是在光相控阵雷达系统中，高稳定度的毫米波源是这些系统的关键器件之一。毫米波生成方法主要有三种：强度调制-直接解调法、频率上变换法、光外差拍频法。光外差拍频法是目前公认最可靠的毫米波生成方法，其利用两频率不同的光波在光电探测器拍频生成毫米波信号。然而，由于受环境温度变化，压力和弯曲应力等的影响，使得光信号在光纤中传输时，引入了相位漂移，造成拍频信号也就是毫米波信号相位不稳定。尤其是当要进行拍频的两光波信号经过不同的光纤链路时，这种相位噪声的影响更加严重。这种随机的相位变化对于光相控阵雷达系统和高精度系统是无法容忍的，需要对生成的毫米波信号进行实时的相位检测和校正，以确保已生成毫米波信号的相位稳定性。

目前，传统的毫米波相位检测及稳定方法是基于这一思路：将生成的毫米波信号下变频与基准信号进行相位比较，产生的相位误差信号反馈控制微波延时线或光纤延时线来实现毫米波信号的相位补偿。然而，这种光纤链路相位扰动获取方法是在光载毫米波进行光电转换之后，这不仅增加了系统的复杂度和不确定性，而且，当信号频率较高达到百GHz频率时，就对系统的带宽提出了更高的要求，这对目前的微波器件是巨大的挑战，现有的微波延时线带宽很难满足这样的要求，系统的稳定精度也不够高。另外，当信号频率较高时，光纤链路累计的相位扰动较大，不论是微波延时线还是光纤延时线，其相位补偿范围都难以达到要求。

发明内容

鉴于上述现有技术上的缺陷，本发明提供一种相位稳定的毫米波生成系统及方法，能在光域直接对毫米波信号进行鉴相并具有不受限制的相位补偿范围，在不增加系统复杂度的情况下，获得光波长量级的相位检测精度，进而实现高相位稳定度的毫米波源。本发明的鉴相方法与待鉴相毫米波频率无关。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种相位稳定的毫米波生成系统，包括微波-光信号转换模块、光上变频及相位补偿模块、相位检测模块以及宽带光接收机模块，其中，微波-光信号转换模块用于生成频率间隔为微波信号频率的光频率梳，所述光频率梳通过光上变频及相位补偿模块滤出两光频率分量，所述两光频率分量经相位检测模块测出所受到的光纤链路扰动，并反馈控制光上变频及相位补偿模块，所述的两光频率分量经相位补偿后通过所述宽带光接收机模块，将两光信号拍频得到相位稳定的毫米波信号。

所述微波-光信号转换模块主要由一个激光器，一个光频梳发生器，一个驱动器和一个25GHz基准微波源组成，激光器的输出与光频梳发生器的光输入端口相连，25GHz基准微波源输出经驱动器放大后与光频梳发生器的微波输入端口相连，调节光频梳发生器的直流偏置电压，使其输出光谱达到最宽，光频梳的各频率分量之差等于25GHz基准微波信号的频率。

所述光上变频及相位补偿模块主要由一个保偏光纤耦合器，一个10MHz铷钟源，一个35MHz信号源，两个声光频率偏移器，一个40MHz压控振荡器，两个可调光带通滤波器，两个光纤耦合器组成，光频梳发生器的输出经保偏光纤耦合器分为两部分，一部分作为基准光，另一部分经第一声光频率偏移器上变频35MHz,此35MHz信号由锁相环生成并与10MHz铷钟源同步，两个可调光带通滤波器分别滤出光梳的两个频率分量，其中较高的一个频率分量再经第二声光频率偏移器上变频40MHz后与另一频率分量经第一光纤耦合器耦合，耦合起来的两光波信号经第二光纤耦合器后分为两部分，一部分光信号与基准光信号干涉，在相位检测器模块中测出相位扰动信号，另一部分经宽带光接收机转化为毫米波信号，40MHz压控振荡器的输出控制第二声光频率偏移器的输出光频率。

所述相位检测模块主要由一个窄带光接收机，一个功分器，三个中心频率分别为35MHz、75MHz和40MHz的带通滤波器，一个混频器，一个低频鉴相器，一个环路滤波器组成，与基准光信号干涉的一部分光信号，经窄带光接收机得到35MHz与 75MHz的两低频频率分量，窄带光接收机的输出与功分器相连，35MHz和75MHz带通滤波器分别与功分器相连滤出这两个频率分量，这两个频率分量经混频器混频，混频器的输出与40MHz带通滤波器相连滤出40MHz频率分量，该40MHz频率分量信号和10MHz铷钟源信号与低频鉴相器相连，低频鉴相器输出的相位误差信号经环路滤波器积分后输出控制40MHz压控振荡器，40MHz压控振荡器控制声光频率偏移器的输出光相位。

所述宽带光接收机模块由一个宽带的光电检测器组成。

所述鉴相器为数字鉴频鉴相器，所述40MHz频率分量信号分频至10MHz后再和10MHz铷钟源信号与低频鉴相器相连进行相位比较，获得光纤链路的相位扰动情况。

所述35MHz信号源和25GHz基准微波源与10MHz铷钟源同步，所述10MHz铷钟源为高稳定度低相位噪声源，所述相位稳定的毫米波生成系统的工作波段为1550nm。

所述两可调光带通滤波器任意选择光频梳的两频率分量，从而实现不同频率毫米波信号的生成。

一种相位稳定的毫米波生成方法，采用上述相位稳定的毫米波生成系统来实现。

本发明的鉴相是通过光干涉的方法实现的，由于光波频率较高(工作在1550nm波段，193THz左右)，因此可以获得光波长量级的鉴相精度。另外，本发明方案通过对光信号的处理达到毫米波信号相位补偿目的且光信号的相位由压控振荡器控制，压控振荡器的相位补偿范围不受限，因而克服了微波延时线和光纤延时线的相位补偿范围有限的限制。

附图说明

通过阅读参照以下附图的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明所提供的相位稳定的毫米波生成系统的结构框图；

图2为本发明系统的电气连接图；

图3为本发明一实施例的毫米波光谱图。

具体实施方式：

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步的说明，以充分了解本发明的目的、特征和效果。

图1所示，本发明所提供的相位稳定的毫米波生成系统的结构框图，分为四个模块：微波-光信号转换模块、光子上变频及相位补偿模块、相位检测模块、宽带光接收机模块。

图2所示为本发明系统一实施例的电气连接图，包括：激光器1、光频梳发生器2、25GHz基准微波源3、驱动器4、保偏光纤耦合器(PMC)5、10MHz铷钟源6、锁相环(PLL)7、第一、第二声光频率偏移器(AOFS1、AOFS2)8、13、光纤耦合器9、14、15、17、光可调带通滤波器(OBPF1、OBPF2)11、12、宽带光接收机(PD1)16、窄带光接收机(PD2)18、功分器19、75MHz窄带滤波器20、35MHz窄带滤波器21、混频器22、40MHz窄带滤波器23、鉴相器24、环路滤波器25、40MHz压控振荡器26。

激光器1的输出与光频梳发生器2的光输入端口相连，25GHz基准微波源3与驱动器4相连，驱动器4的输出端连接到光频梳发生器2的微波输入端口，调节光频梳发生器2的直流偏置电压使光频梳发生器2的输出谱最宽，其各频率分量之间的频率差为25GHz。光频梳经保偏光纤耦合器5分为两部分，一部分作为基准光，另一部分经第一声光频率偏移器8上变频35MHz，此35MHz信号由锁相环7生成并与10MHz铷钟源6同步。经上变频35MHz的光频梳经光纤耦合器9分为两部分，分别与两光可调带通滤波器11、12相连，由两光可调带通滤波器11、12选出光频梳中的任意两个频率分量，其中一个频率较高的一个分量再经第二声光频率偏移器13偏移40MHz后与另一频率分量经光纤耦合器14耦合在一起，此第二声光频率偏移器13作为相位补偿器件。耦合起来的两光波信号再经一光纤耦合器15分为两部分，一部分由宽带光接收机16转化为毫米波信号，由于被光滤波器滤出的两光波信号分别经过了两不同的光纤路径(路径1、路径2)，因此其所受的相位扰动不同造成生成的毫米波信号相位不稳定。另一部分与基准光经光纤耦合器17干涉，经窄带光接收机18得到35MHz和75MHz的两低频频率分量。窄带光接收机18的输出与功分器19相连，35MHz窄带滤波器21和75MHz窄带滤波器20与功分器19相连分别滤出这两个频率分量，同时，该两个窄带滤波器21、20与混频器22相连，混频器22的输出与40MHz窄带滤波器23相连滤出35MHz与75MHz的差频分量。这个40MHz信号的相位扰动与所生成的毫米波信号的相位扰动相同。40MHz窄带滤波器23输出和10MHz铷钟源6与鉴相器24相连进行相位比较。鉴相器24输出的相位误差信号经环路滤波器25积分后输出控制40MHz压控振荡器26，40MHz压控振荡器26的输出控制第二声光 频率偏移器13的输出光频率，进而改变光相位补偿由于光纤链路引入的相位扰动达到稳定毫米波信号相位的目的。

本发明中，光频梳被保偏光纤耦合器分为两部分，一部分作为基准光，另一部分被可调光滤波器滤出两频率成分，且这两频率成分经声光频率偏移器上变频不同的频率后与基准光耦合器在一起，经低频光电检测器获得两个不同频率的低频信号，两低频信号经混频后由滤波器滤出二者的差频信号；将该差频信号与10MHz铷钟基准信号进行相位比较获得光纤链路相位扰动情况，将获得的相位误差信号经过处理后，作为相位控制信号补偿链路扰动带来的相位变化。该毫米波生成系统可实现25GHz-300GHz频率范围的信号生成，与相位未补偿的情况相比，相位补偿的情况下，在偏置频率0.01Hz、0.1Hz、1Hz处，相位噪声性能约可分别提高70dB、60dB、40dB。

图3所示为本发明实施例的从光频梳中滤出的两光波信号的光谱图。可以看出旁模抑制比大于35dB，这保证了生成毫米波信号的频谱纯度。

Claims (8)

1.一种相位稳定的毫米波生成系统，其特征在于，包括微波-光信号转换模块、光上变频及相位补偿模块、相位检测模块以及宽带光接收机模块，其中，所述微波-光信号转换模块用于生成频率间隔为微波信号频率的光频率梳，所述光频率梳通过光上变频及相位补偿模块滤出两光频率分量，所述两光频率分量经相位检测模块检测出所受到的光纤链路扰动，并反馈控制光上变频及相位补偿模块，所述的两光频率分量经相位补偿后通过所述宽带光接收机模块，将两光信号拍频得到相位稳定的毫米波信号。

2.根据权利要求1所述的相位稳定的毫米波生成系统，其特征在于，所述微波-光信号转换模块主要由一个激光器，一个光频梳发生器，一个驱动器和一个25GHz基准微波源组成，激光器的输出与光频梳发生器的光输入端口相连，25GHz基准微波源输出经驱动器放大后与光频梳发生器的微波输入端口相连，调节光频梳发生器的直流偏置电压，使光频梳发生器的输出光谱宽度达到其所能输出的最大值，光频梳的各频率分量之差等于25GHz基准微波信号的频率。

3.根据权利要求2所述的相位稳定的毫米波生成系统，其特征在于，所述光上变频及相位补偿模块主要由一个保偏光纤耦合器，一个10MHz铷钟源，一个35MHz信号源，两个声光频率偏移器，一个40MHz压控振荡器，两个可调光带通滤波器，两个光纤耦合器组成，光频梳发生器的输出经保偏光纤耦合器分为两部分，一部分作为基准光，另一部分经第一声光频率偏移器上变频35MHz,此35MHz信号由锁相环生成并与10MHz铷钟源同步，两个可调光带通滤波器分别滤出光频梳的两个频率分量，其中频率较高的一个频率分量再经第二声光频率偏移器上变频40MHz后与另一频率分量经一光纤耦合器耦合，耦合起来的两光波信号经另一光纤耦合器后分为两部分，一部分光信号与基准光信号干涉，在相位检测器模块中测出相位扰动信号，另一部分经宽带光接收机转化为毫米波信号，40MHz压控振荡器的输出控制第二声光频率偏移器的输出光频率。

4.根据权利要求3所述的相位稳定的毫米波生成系统，其特征在于，所述相位检测模块主要由一个窄带光接收机，一个功分器，三个中心频率分别为35MHz、75MHz和40MHz的带通滤波器，一个混频器，一个低频鉴相器，一个环路滤波器组成，与基准光信号干涉的一部分光信号经窄带光接收机得到35MHz与75MHz的两低频频率分量，窄带光接收机的输出与功分器相连，35MHz和75MHz带通滤波器分别与功分器相连滤出这两个频率分量，这两个频率分量经混频器混频，混频器的输出与40MHz带通滤波器相连滤出40MHz频率分量，该40MHz频率分量信号和10MHz铷钟源信号与低频鉴相器相连，低频鉴相器输出的相位误差信号经环路滤波器积分后输出控制40MHz压控振荡器，40MHz压控振荡器控制声光频率偏移器的输出光相位。

5.根据权利要求4所述的相位稳定的毫米波生成系统，其特征在于，所述宽带光接收机模块由一个宽带的光电检测器组成。

6.根据权利要求4所述的相位稳定的毫米波生成系统，其特征在于，所述鉴相器为数字鉴频鉴相器，所述40MHz频率分量信号分频至10MHz后再和10MHz铷钟源信号与低频鉴相器相连进行相位比较，获得光纤链路的相位扰动情况。

7.根据权利要求4所述的相位稳定的毫米波生成系统，其特征在于，所述35MHz信号源和25GHz基准微波源与10MHz铷钟源同步，所述10MHz铷钟源为高稳定度低相位噪声源，所述相位稳定的毫米波生成系统的工作波段为1550nm。

8.根据权利要求3所述的相位稳定的毫米波生成系统，其特征在于，所述两可调光带通滤波器任意选择光频梳的两频率分量，从而实现不同频率毫米波信号的生成。