CN104168063B - 一种基于波长再利用的微波信号光纤稳相传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波长再利用的微波信号光纤稳相传输装置，该装置包括：通过光纤通信的基站和中心站，基站包括：第一窄线宽激光器、强度调制器、微波源、波分复用器、第二光耦合器、第一偏振控制器、第一起偏器、第二光电探测器、第二偏振控制器、第二起偏器、电吸收调制器；中心站包括：第一光电探测器、第一电功分器、微波除频器、第一电滤波器、第二电功分器、偏振调制器、第二窄线宽激光器、光隔离器、第一光耦合器、第三光电探测器、第二电滤波器、第一电混频器、第三电滤波器、第二电混频器、第四电滤波器。本发明基于波长再利用实现微波信号的稳相传输，克服了传统方法在带宽、重量、体积、电磁干扰、高频微波信号稳相传输方面的劣势。

Description

一种基于波长再利用的微波信号光纤稳相传输装置

技术领域

本发明属于微波光子学技术领域，更具体的说是一种基于波长再利用技术实现微波信号光纤稳相传输的装置。

背景技术

近几年，基于光子技术利用单模光纤稳相传输微波信号吸引了研究人员广泛的关注，其中包括现代多基站雷达，长基线干涉法深空探测系统、各种干涉测量体制、射电天文的长基线天线布阵等射频通信系统、以及电子对抗系统等领域，微波技术与光子技术相互融合成为科技进步的必然趋势。基于光子技术稳相传输微波信号一方面克服了电子技术稳相传输微波信号存在的电子瓶颈以及电缆传输线损耗大、体积大、成本高，很难实现远距离传输的问题，另一方面充分利用了光子技术的先天优势如损耗低、重量轻、带宽大、速度快、抗电磁干扰和频率响应平坦等诸多优点，此外光子技术稳相传输微波信号可以与全光网络以及光载射频系统天然兼容，实现微波信号光纤稳相分布传输，有效的克服了高频微波信号的电缆传输损耗大的问题。

归纳起来，利用光子技术稳相传输微波信号可以分为两大类，一是主动相位校正系统，二是被动相位校正系统。然而，利用主动相位校正的相位控制范围小并且稳相的速度较慢。为了克服主动相位控制的缺点，本发明提出了一种新型的被动消除射频信号相位误差的技术方案。

基于光子技术稳相传输微波信号的频率高达几百G甚至可以达到太赫兹频段，并且可以实现微波信号的分布式稳相传输，大大降低了电子技术实现微波信号稳相传输的成本、体积和重量，可以说，光子技术微波信号稳相传输实现了微波技术不可能实现的任务。因此，基于光子技术实现微波信号稳相传输具有重要的战略意义以及迫切的应用需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于波长再利用的微波信号光纤稳相传输装置，以克服传统电子学方法在带宽、重量、体积、电磁干扰等方面的劣势，突破电子技术实现高频微波信号稳相传输的瓶颈。

为达到上述目的，本发明提供的微波信号光纤稳相传输装置包括中心站和基站，所述中心站和基站通过光纤传输信号，其中：

所述基站包括：第一窄线宽激光器、强度调制器、微波源、波分复用器、第二光耦合器、第一偏振控制器、第一起偏器、第二光电探测器、第二偏振控制器、第二起偏器、电吸收调制器，其中：

所述第一窄线宽激光器用于产生连续光信号，并将其提供给所述强度调制器；

所述微波源用于产生需要稳相传输的微波信号，并将其提供给所述强度调制器；

所述强度调制器用于对于需要稳相传输的微波信号进行强度调制；

所述波分复用器用于将调制光信号传输至光纤，所述波分复用器的两个通道分别连接第一光电探测器的光输入端口以及光隔离器的输出端口；

所述光纤用于将调制光信号从基站传输到中心站以及将中心站回传的信号传输到基站；

所述第二光耦合器用于对于从中心站传输到基站的调制光信号进行分束，一束送至第一偏振控制器，另一束送至第二偏振控制器；

所述第一偏振控制器用于调节所述调制光信号的偏振态；

所述第一起偏器用于将偏振调制后的光信号转化为强度调制的光信号；

所述第二光电探测器用于将强度调制的光信号进行光电转换，转换为电信号后提供给电吸收调制器作为调制电信号；

所述第二偏振控制器用于调节所述调制光信号的偏振态，将偏振调制的光信号向相位调制的光信号转化；

所述第二起偏器用于将偏振调制的光信号的其中一个偏振轴对准第二起偏器的偏振方向；

所述电吸收调制器用于进行光载波再利用，即基于所述第二起偏器输出的光信号，对于第二光电探测器输出的电信号进行强度调制，所述电吸收调制器的输出传至所述第二光耦合器的输入端，以将调制的光信号从基站传输到中心站；

所述中心站包括：第一光电探测器、第一电功分器、微波除频器、第一电滤波器、第二电功分器、偏振调制器、第二窄线宽激光器、光隔离器、第一光耦合器、第三光电探测器、第二电滤波器、第一电混频器、第三电滤波器、第二电混频器、第四电滤波器，其中：

所述第一光电探测器用于将基站发出的调制光信号进行光电转换，并提供给第一电功分器；

所述第一电功分器用于接收的信号分为两路，一路输入到微波除频器，另一路输入到第一电混频器；

所述波除频器用于对接收到的信号进行除频处理；

所述第一电滤波用于对于除频后的信号进行滤波，以滤除其中的基频信号以及其产生的杂散信号；

所述第二电功分器用于将滤波后的微波信号分为两路，一路输入到偏振调制器，一路输入到第一电混频器；

所述第二窄线宽激光器用于向偏振调制器提供连续光信号；

所述偏振调制器用于基于所述连续光信号对于滤波后的微波信号进行偏振调制；

所述光隔离器用于隔离逆向而来的光信号，防止反向而来的调制信号入射到偏振调制器中；

所述第一光耦合器用于将接收到的光信号进行分束，一束回传至基站，另一束发送至第三光电探测器；

所述第三光电探测器用于将接收到的光信号进行光电转换，转换为电信号后提供给第二电滤波器；

所述第二电滤波器用于对于接收到的信号进行滤波，以滤除其中的杂散信号，滤波后的信号送至第二电混频器；

所述第一电混频器的本征端口连接所述第一电功分器，射频端口连接第二电功分器，用于将接收到的微波信号和第一光电探测器转换得到的电信号进行混频，并将混频后的信号提供给第三电滤波器；

所述第三电滤波器用于对于接收到的信号进行滤波，以滤除其中的杂散信号以及基频和除频信号；

所述第二电混频器的本征端口与第三电滤波器的输出端口连接，中频端口与第二电滤波器连接，用于将滤波后的微波信号以及第三光电探测器转换得到的电信号进行混频，并将混频后的信号提供给第四电滤波器；

所述第四电滤波器用于对于接收到的信号进行滤波，以滤除其中的杂散信号，得到稳相输出的微波信号。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的基于波长再利用的微波信号光纤稳相传输装置，由于采用光子技术的方案所以克服了传统电子学方法在带宽、重量、体积、电磁干扰等方面的劣势，并突破了电子技术实现高频微波信号稳相传输的瓶颈。

2、本发明提供的基于波长再利用的微波信号光纤稳相传输装置，由于利用波长再利用技术实现微波信号的稳相传输，所以结构简单，成本低，易于集成化，响应速度快，功率损耗小。

3、由于采用被动相位校正实现微波信号光纤稳相传输，故克服了主动方式实现微波信号稳相传输的相位控制范围小并且稳相的速度较慢的弊端；本发明技术方案的相关器件均为市场上可以购买的器件，故该方案可以实现实用化，结构稳定，成本低廉。

附图说明

图1是本发明微波信号光纤稳相传输装置的结构示意图；

图2(a)是本发明微波信号光纤稳相传输装置未进行相位补偿时的实验结果示意图；图2(b)是本发明微波信号光纤稳相传输装置进行相位补偿后的实验结果示意图。

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。

图1是本发明微波信号光纤稳相传输装置的结构示意图，如图1所示，所述装置包括基站和中心站，所述基站和中心站通过光纤5传输信号，其中：

所述基站包括：第一窄线宽激光器1、强度调制器2、微波源3、波分复用器4、第二光耦合器15、第一偏振控制器16、第一起偏器17、第二光电探测器18、第二偏振控制器19、第二起偏器20、电吸收调制器21，其中：

所述第一窄线宽激光器1用于产生连续光信号，并将其提供给所述强度调制器2；

所述微波源3用于产生需要稳相传输的微波信号，并将其提供给所述强度调制器2；

在本发明一实施例中，所述微波源3为宽带微波源。

所述强度调制器2用于对于需要稳相传输的微波信号进行强度调制；

所述波分复用器4用于将调制光信号传输至光纤5，所述波分复用器4的两个通道分别连接第一光电探测器6的光输入端口以及光隔离器13的输出端口；

所述光纤5用于将调制光信号从基站传输到中心站以及将中心站回传的信号传输到基站，从而实现相位较正；

在本发明一实施例中，所述光纤5为单模光纤。

所述第二光耦合器15用于对于所述波分复用器4输出的、从中心站传输到基站的调制光信号进行分束，一束送至第一偏振控制器16，另一束送至第二偏振控制器19；

所述第一偏振控制器16用于调节所述调制光信号的偏振态；

所述第一起偏器17用于将偏振调制后的光信号转化为强度调制的光信号；

所述第二光电探测器18用于将强度调制的光信号进行光电转换，转换为电信号后提供给电吸收调制器21作为调制电信号；

所述第二偏振控制器19用于调节所述调制光信号的偏振态，将偏振调制的光信号向相位调制的光信号转化；

所述第二起偏器20用于将偏振调制的光信号的其中一个偏振轴对准第二起偏器20的偏振方向；

所述电吸收调制器21用于进行光载波再利用，即基于所述第二起偏器20输出的光信号，对于第二光电探测器18输出的电信号进行强度调制，所述电吸收调制器21的输出传至所述第二光耦合器15的输入端，以将调制的光信号从基站传输到中心站；

所述中心站包括：第一光电探测器6、第一电功分器7、微波除频器8、第一电滤波器9、第二电功分器10、偏振调制器11、第二窄线宽激光器12、光隔离器13、第一光耦合器14、第三光电探测器22、第二电滤波器23、第一电混频器24、第三电滤波器25、第二电混频器26、第四电滤波器27，其中：

所述第一光电探测器6用于将基站发出的调制光信号进行光电转换，并提供给第一电功分器7；

所述第一电功分器7用于将接收的信号分为两路，一路输入到微波除频器8，另一路输入到第一电混频器24；

所述微波除频器8用于对接收到的信号进行除频处理；

所述第一电滤波器9用于对于除频后的信号进行滤波，以滤除其中的基频信号以及其产生的杂散信号，这是由于微波除频器有限的本征隔离度引起的；

所述第二电功分器10用于将滤波后的微波信号分为两路，一路输入到偏振调制器11，另一路输入到第一电混频器24；

所述第二窄线宽激光器12用于向偏振调制器11提供连续光信号；

其中，所述第二窄线宽激光器12的波长与所述第一窄线宽激光器1的波长不同，因此，可以使用波分复用器4的不同信道来传输。

所述偏振调制器11用于基于所述连续光信号对于滤波后的微波信号进行偏振调制，以及在基站实现波长再利用；

所述光隔离器13用于隔离逆向而来的光信号，防止反向而来的调制信号入射到偏振调制器11中；

所述第一光耦合器14用于将接收到的光信号进行分束，一束回传至基站，另一束发送至第三光电探测器22；

所述第三光电探测器22用于将接收到的光信号进行光电转换，转换为电信号后提供给第二电滤波器23；

所述第二电滤波器23用于对于接收到的信号进行滤波，以滤除其中的杂散信号，滤波后的信号送至第二电混频器26；

所述第一电混频器24的本征端口连接所述第一电功分器7，射频端口连接第二电功分器10，用于将接收到的微波信号和第一光电探测器6转换得到的电信号进行混频，并将混频后的信号提供给第三电滤波器25；

所述第三电滤波器25用于对于接收到的信号进行滤波，以滤除其中的杂散信号以及基频和除频信号；

所述第二电混频器26的本征端口与第三电滤波器25的输出端口连接，中频端口与第二电滤波器23连接，用于将滤波后的微波信号以及第三光电探测器22转换得到的电信号进行混频，并将混频后的信号提供给第四电滤波器27；

所述第四电滤波器27用于对于接收到的信号进行滤波，以滤除其中的杂散信号，得到稳相输出的微波信号。

其中，所述混频包括上混频和/或下混频。

所述窄线宽激光器1、12是半导体激光器，调制带宽越宽越好，啁啾效应越小越好；所述波分复用器4是光纤结构的；所述电滤波器9、23、25、27可以为任何结构，但是滤波器的带外抑制比应尽量高，滤波器的寄生通带应该尽量远离需要的基频信号以及2次谐波频率处；所述微波源3是矢量网络分析仪或微波信号源；所述光电探测器6、18、22是光电二极管或光电倍增管，采用磷化铟材料或硅基材料。

本发明提供的基于波长再利用技术实现的微波信号光纤稳相传输装置，利用窄线宽激光器1产生光信号，然后通过强度调制器2进行强度调制，调制后的光信号首先从基站传输到中心站，经过光电转换之后输入到电功分器7，此处中心站的光电转换之后的微波信号经过微波除频器8进行除频，除频之后的微波信号入射到电滤波器9中，滤除杂散信号以及泄露的基频光，然后通过电功分器10将除频之后的微波信号分为两路，其中一路微波信号入射到偏振调制器11的射频输入端口，通过偏振调制器11调制之后从中心站传输到基站然后从基站再传输到中心站，从中心站传输到基站时，将光电信号通过光耦合器15分为两路，每一路都要连接一个偏振控制器和起偏器，分别实现偏振向强度转换和波长再利用以及偏振调制向相位调制转换，再调制之后的调制光信号通过波分复用器4回传到基站，通过光电探测器转换为电信号，通过电滤波器滤除杂散信号以及谐波信号，电滤波器输出的微波信号传输到电混频器混频产生稳相传输的微波信号。

为了验证本发明稳相传输系统的有效性，假设基站需要传输的微波信号为其中ω为角频率，为初始相位，首先通过电光转换从基站传输到中心站，通过光电探测器6进行光电转换，转换之后的微波信号为其中，ωτ为光电传输微波信号引入的相位漂移，此微波信号首先通过除频得到微波信号为除频之后的微波信号与光电探测器输出的微波信号进行上混频，上混频之后的微波信号为另一路除频之后的微波信号输出到通过偏振调制器进行偏振调制，调制之后的微波信号从中心站传输到基站以及从基站传输到中心站，其中在基站进行了光波长再利用，从基站回传回来的光电信号首先通过光电探测器22进行光电转换，转换之后的微波信号为该微波信号与混频之后的微波信号进行下混频，得到需要传输的微波信号为然后将其入射到采样示波器中观测相位的长期稳定性。

图2示出了本发明微波信号光纤稳相传输的实验结果示意图，该图为类似结果图，其中，图2(a)和图2(b)为通过采样示波器采集的微波信号的时域波形，图2(a)为没有进行稳相传输的实验结果图，图2(b)为稳相之后的实验结果图，由图2可知，稳相传输之前的微波信号相位随着时间漂移，稳相之后微波信号的相位随时间变化基本不漂移。

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 (9)

1.一种微波信号光纤稳相传输装置，其特征在于，该装置包括：基站和中心站，所述基站和中心站通过光纤传输信号，其中：

所述基站包括：第一窄线宽激光器、强度调制器、微波源、波分复用器、第二光耦合器、第一偏振控制器、第一起偏器、第二光电探测器、第二偏振控制器、第二起偏器、电吸收调制器，其中：

所述第一窄线宽激光器用于产生连续光信号，并将其提供给所述强度调制器；

所述微波源用于产生需要稳相传输的微波信号，并将其提供给所述强度调制器；

所述强度调制器用于对于需要稳相传输的微波信号进行强度调制；

所述波分复用器用于将调制光信号传输至光纤，所述波分复用器的两个通道分别连接第一光电探测器的光输入端口以及光隔离器的输出端口；

所述光纤用于将调制光信号从基站传输到中心站以及将中心站回传的信号传输到基站；

所述第二光耦合器用于对于从中心站传输到基站的调制光信号进行分束，一束送至第一偏振控制器，另一束送至第二偏振控制器；

所述第一偏振控制器用于调节所述调制光信号的偏振态；

所述第一起偏器用于将偏振调制后的光信号转化为强度调制的光信号；

所述第二光电探测器用于将强度调制的光信号进行光电转换，转换为电信号后提供给电吸收调制器作为调制电信号；

所述第二偏振控制器用于调节所述调制光信号的偏振态，将偏振调制的光信号向相位调制的光信号转化；

所述第二起偏器用于将偏振调制的光信号的其中一个偏振轴对准第二起偏器的偏振方向；

所述电吸收调制器用于进行光载波再利用，即基于所述第二起偏器输出的光信号，对于第二光电探测器输出的电信号进行强度调制，所述电吸收调制器的输出传至所述第二光耦合器的输入端，以将调制的光信号从基 站传输到中心站；

所述中心站包括：第一光电探测器、第一电功分器、微波除频器、第一电滤波器、第二电功分器、偏振调制器、第二窄线宽激光器、光隔离器、第一光耦合器、第三光电探测器、第二电滤波器、第一电混频器、第三电滤波器、第二电混频器、第四电滤波器，其中：

所述第一光电探测器用于将基站发出的调制光信号进行光电转换，并提供给第一电功分器；

所述第一电功分器用于接收的信号分为两路，一路输入到微波除频器，另一路输入到第一电混频器；

所述微波除频器用于对接收到的信号进行除频处理；

所述第一电滤波器用于对于除频后的信号进行滤波，以滤除其中的基频信号以及其产生的杂散信号；

所述第二电功分器用于将滤波后的微波信号分为两路，一路输入到偏振调制器，另一路输入到第一电混频器；

所述第二窄线宽激光器用于向偏振调制器提供连续光信号；

所述偏振调制器用于基于所述连续光信号对于滤波后的微波信号进行偏振调制；

所述光隔离器用于隔离逆向而来的光信号，防止逆向而来的调制信号入射到偏振调制器中；

所述第一光耦合器用于将接收到的光信号进行分束，一束回传至基站，另一束发送至第三光电探测器；

所述第三光电探测器用于将接收到的光信号进行光电转换，转换为电信号后提供给第二电滤波器；

所述第二电滤波器用于对于接收到的信号进行滤波，以滤除其中的杂散信号，滤波后的信号送至第二电混频器；

所述第一电混频器的本征端口连接所述第一电功分器，射频端口连接第二电功分器，用于将接收到的微波信号和第一光电探测器转换得到的电信号进行混频，并将混频后的信号提供给第三电滤波器；

所述第三电滤波器用于对于接收到的信号进行滤波，以滤除其中的杂散信号以及基频和除频信号；

所述第二电混频器的本征端口与第三电滤波器的输出端口连接，中频端口与第二电滤波器连接，用于将滤波后的微波信号以及第三光电探测器转换得到的电信号进行混频，并将混频后的信号提供给第四电滤波器；

所述第四电滤波器用于对于接收到的信号进行滤波，以滤除其中的杂散信号，得到稳相输出的微波信号。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微波源为宽带微波源。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光纤为单模光纤。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述混频包括上混频和/或下混频。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二窄线宽激光器的波长与所述第一窄线宽激光器的波长不同。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述窄线宽激光器为半导体激光器。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述波分复用器为光纤结构。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微波源为矢量网络分析仪或微波信号源。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光电探测器为光电二极管或光电倍增管，采用磷化铟材料或硅基材料。