CN103837749A

CN103837749A - 基于阵列波导光栅处理的毫米波频谱分析仪

Info

Publication number: CN103837749A
Application number: CN201210478710.6A
Authority: CN
Inventors: 何云涛; 付新宇; 黄海平; 江月松
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2012-11-22
Filing date: 2012-11-22
Publication date: 2014-06-04

Abstract

本发明提出了一种基于阵列波导光栅处理的毫米波频谱分析仪。本发明通过将被测毫米波信号频谱搬移到光波上，通过对该光波的频谱分析来实现被测毫米波信号的频谱分析。在本发明中：待测的毫米波信号通过高速电光调制被调制到窄线宽光波上；被调制后的光波通过光纤带通滤波器，使得仅有第一级边带的信号光可以通过，其它部分被滤除；经过光纤滤波器的光信号进入阵列波导光栅，通过阵列波导光栅实现光信号在空间的色散；空间色散的光信号再通过物镜分别聚焦到探测器阵列上，探测器的输出结果再进入信号处理模块中进行校正和处理，最终可以输出被测毫米波信号的频谱分布。

Description

基于阵列波导光栅处理的毫米波频谱分析仪

技术领域

本发明主要涉及基于阵列波导光栅处理的毫米波频谱分析仪，通过将被测毫米波信号频谱搬移到光波上，利用阵列波导光栅模块实现光谱在空间上的分离和探测，以获得被测毫米波频谱分布。

背景技术

阵列波导光栅是一种角色散型光无源器件，它基于平面光波回路技术，在1988年由荷兰Delf大学的M.K.Smit提出，之后日本的NTT公司正式将它命名为阵列波导光栅。阵列波导光栅由输入波导、输出波导、阵列波导和两个平板波导(自由传播区域)组成，并集成在同一衬底上。阵列波导光栅由于自身的多功能性能、低的制作成本、与半导体光器件的集成等优点，使之成为光纤通信和未来光子网络中的重要元件。

阵列波导光栅的工作原理是：当多波长/宽频带的光信号被耦合到阵列波导光栅的输入波导时，在罗兰圆上，多波长/宽频带的光信号将聚焦在平板波导内并产生衍射的高斯束，衍射的高斯束投射到阵列波导的输入口。在阵列波导内，由于任何相邻阵列波导都有相等的长度差ΔL，这种结构将使阵列波导中传输的多波长/宽频带光信号产生与波长相关的不同相位差(相位延迟)，相应于ΔL的相位偏移将强加在每个波导中传输的光信号上，使每个给定波长的信号以不同的波前倾斜聚焦在输出平板波导的焦线上。如果通过设计正好把输出波导的端口定位在输出平板波导焦线上，则不同波前倾斜的光信号便耦合到输出波导的不同信道中，从而实现了对不同波长/频谱分量在空间上分离的功能。

毫米波频谱分析仪是毫米波测量仪器中最为基础、最常用的仪器之一，广泛应用于电子对抗、航空航天、移动通信、广播电视、科研生产等各种领域，是军用和民用电子测试不可或缺的设备。随着这些应用越来越向更高频率发展，为解决频率资源不足的问题，它的测量范围已从RF频段扩展到毫米波频段。从原理上讲，毫米波频谱分析仪一般分为两种类型。一种是快速傅里叶变换分析仪，它是一种动态信号分析仪，在一个特定时间周期内对信号进行快速傅里叶变换以获得频率、幅度和相位信息的，能够分析周期和非周期信号，但是其工作频谱范围受到系统对毫米波信号的采样率的限制，而无法实现对较高的毫米波信号进行频谱的分析功能。另一种是毫米波扫频调谐式分析仪，它是一种超外差接收机或是可调预选接收机，能对信号或由信号变换来的中频信号进行实时分析，测量范围一般可达50GHz以上。近年来,随着对毫米波测量频率范围、灵敏度等指标不断提高，超外差式频谱分析仪以其较高的频率分辨率、较快的测量速度、相对较低的成本而得到广泛应用。

频谱仪在测量仪器中属于高产值产品，开发投入较高，市场上的中高档产品一直都为国外大公司所有。多数国产频谱分析仪性能较低，适用频段范围窄，只能占有部分低端市场。本发明中，采用基于阵列波导光栅处理，通过将被测毫米波信号调制到光波，利用阵列波导光栅实现调制光信号在空间分离和探测，最终获得被测毫米波信号的频谱分布图。

发明内容

本发明提出了一种基于阵列波导光栅处理的毫米波频谱分析仪：具有高达数十GHz的工作带宽，但却可以用很低带宽的光子探测器来提取所需的被测毫米波信号的频谱分布；通过将毫米波调制到光波上，利用阵列波导光栅进行光信息的不同频谱分量在空间上的分离和探测，可极大降低毫米波频谱分析仪对毫米波硬件处理的要求。

在本发明中：待测的毫米波信号通过高速电光调制被调制到窄线宽光波上；被调制后的光波通过光纤带通滤波器，使得仅有第一级边带的信号光可以通过，其它部分被滤除；经过光纤滤波器的光信号此时进入阵列波导光栅，通过阵列波导光栅实现光信号在空间的色散；空间色散的光信号再通过物镜分别聚焦到探测器阵列上，每个探测器的输出对应一个波长/频率的光强；探测器的输出结果再进入信号处理模块中进行校正和处理，最终可以输出被测毫米波信号的频谱分布。

本发明主要采阵列波导光栅实现对被测毫米波信号的频谱分析功能，具体采用如下技术方案：

发明提出如图1所示的基于阵列波导光栅处理的毫米波频谱分析仪，由窄线宽激光器，电光调制器，光纤滤波器，阵列波导光栅模块，物镜，光电探测器阵列，信号处理器组成。

在本发明中，系统各个部分说明如下：

（1）所述的窄线宽激光器产生频率恒定的光载波信号，被测毫米波信号通过电光调制器对所述的光载波信号进行调制，使得电光调制器输出的调制光信号中含有被测毫米波信号频谱分布信息；

（2）所述的电光调制器，其调制方式为相位调制，其工作频率范围必须包括被测毫米波信号的频率范围，且经过电光调制器的调制光信号包括了调制载波光信号，第一级边带光信号，第二级及以上边带光信号；

（3）所述的光纤滤波器，是一个带通滤波器，其通带范围为第一级边带光信号所包含的频率范围，其作用是只允许第一级边带光信号可以通过，而调制载波光信号和第二级及以上边带光信号无法通过；

（4）所述的阵列波导光栅模块，主要实现对第一级边带光信号所包含的各频率分量在空间上分离，使得各频率分量分别聚焦到阵列波导光栅模块的输出端面的不同位置；

（5）所述的光电探测器阵列，用于探测阵列波导光栅模块输的出经过物镜重新聚焦的各频率分量；

（6）所述的信号处理器，获得光电探测器阵列输出信号，进行分析和处理即可获得被测毫米波信号的频谱分布图。

（7）所述的第一级边带光信号与被测毫米波信号在频谱分布上是一一对应的，测量第一级边带光信号的频谱分布即可获得被测毫米波信号的频谱分布。

（8）所述的基于阵列波导光栅处理的毫米波频谱分析仪，其频谱分辨率为所述的阵列波导光栅模块的信道间隔，其测量频谱范围受到所述的阵列波导光栅模块的自由光谱范围的约束。

本发明的主要特色：运用阵列波导光栅处理技术，实现对被测毫米波调制光信号频谱的在空间上的分离和探测，最终实现毫米波信号频谱测量与分析目的。

本发明的效益与应用前景：可应用于遥感、精密测量、安全监测，宽带无线接入网络、传感网络、雷达、卫星通信、仪表仪器测量和国防军事等领域实现毫米波信号频谱分析的目的。

附图说明

图1为本发明基于阵列波导光栅处理的毫米波频谱分析仪组成图

具体实施方式

如图1所示，窄线宽激光器1可采用Koheras公司的Adjustik E15连续波窄线宽光纤激光器，所产生的光束进入高速相位型的电光调制器2，并被测毫米波信号3所调制，被测毫米波信号3的最大频率不超过电光调制器2的调制带宽。电光调制器2输出的调制后的光束经一个带通型的光纤滤波器4。光纤滤波器4的输出光谱只包含有调制后的光束的第一级边带光信号，该光信号被输入到一个阵列波导光栅模块5中。阵列波导光栅模块5是一个单端输入型的器件，其作用是使得输入光信号的各个频谱分离在空间上分离和探测，以实现对输入光谱的分析，进而实现对被测毫米波信号3的频谱的分析。阵列波导光栅模块5的通道间隔决定了本发明光谱仪的频谱分辨率，其自有光谱范围决定了本发明光谱仪的测量范围。经过阵列波导光栅模块5处理后输出的光信号经过物镜6后最终进入光电探测器阵列7，被探测输出到信号处理器8中。在信号处理器8中，通过结合各器件参数，最终计算获得被测毫米波信号3的频谱分布图。

选择窄线宽激光器1的中心波长为1536.6100nm，被测毫米波信号3的频谱范围为30GHz~150GHz，则电光调制器2的调制带宽应该选择大于150GHz的器件，光纤滤波器4的通带范围选择为1535.4303nm~1536.3739nm。若根据输入波长设计的阵列波导光栅模块5的通带间隔为0.5GHz，自由光谱范围为160GHz，则最的频谱分辨率为0.5GHz。

Claims

1.一种基于阵列波导光栅处理的毫米波频谱分析仪，包括：

窄线宽激光器（1），电光调制器（2），光纤滤波器（4），阵列波导光栅模块（5），物镜（6），光电探测器阵列（7），信号处理器（8）；

所述的基于阵列波导光栅处理的毫米波频谱分析仪，其特征在于：

（a）所述的窄线宽激光器产生频率恒定的光载波信号，被测毫米波信号通过电光调制器对所述的光载波信号进行调制，使得电光调制器输出的调制光信号中含有被测毫米波信号频谱分布信息；

（b）所述的电光调制器，其调制方式为相位调制，其调制带宽不小于被测毫米波信号的最高频率，且经过电光调制器的调制光信号包括了调制载波光信号，第一级边带光信号，第二级及以上边带光信号；

（c）所述的光纤滤波器，是一个带通滤波器，其通带范围为第一级边带光信号所包含的频率范围，其作用是只允许第一级边带光信号可以通过，而调制载波光信号和第二级及以上边带光信号无法通过；

（d）所述的阵列波导光栅模块，主要实现对第一级边带光信号所包含的各频率分量在空间上分离，使得各频率分量分别聚焦到阵列波导光栅模块的输出端面的不同位置；

（e）所述的光电探测器阵列，用于探测阵列波导光栅模块输的出经过物镜重新聚焦的各频率分量；

（f）所述的信号处理器，获得光电探测器阵列输出信号，进行分析和处理即可获得被测毫米波信号的频谱分布图。

2.根据权利要求1所述的基于阵列波导光栅处理的毫米波频谱分析仪，所述的第一级边带光信号与被测毫米波信号在频谱分布上是一一对应的，测量第一级边带光信号的频谱分布即可获得被测毫米波信号的频谱分布。

3.根据权利要求1所述的基于阵列波导光栅处理的毫米波频谱分析仪，其频谱分辨率为所述的阵列波导光栅模块的信道间隔，其测量频谱范围受到所述的阵列波导光栅模块的自由光谱范围的约束。