CN104168064B - 一种基于往返相位校正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往返相位校正的微波信号光纤稳相传输装置，该装置包括：通过光纤传输信号的中心站和基站，所述中心站包括：第一直调激光器、第一波分复用器、第一微波源、第一电功分器、微波倍频器、第一电滤波器、第一电混频器、第二光电探测器、第三电滤波器、第四电滤波器；所述基站包括：第二波分复用器、第一光电探测器、第二电滤波器、第二微波源、第二电功分器、第二直调激光器、第二电混频器、第五电滤波器、微波除频器、第六电滤波器和采样示波器。本发明基于往返相位校正技术实现了微波信号的光纤稳相传输，从而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，突破了电子技术实现高频微波信号稳相传输的瓶颈。

Description

一种基于往返相位校正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往返相位校正技术的微波信号光纤稳相传输装置，以利用光子技术稳相传输微波信号形。

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往返相位校正技术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：

所述中心站包括：第一直调激光器、第一波分复用器、第一微波源、第一电功分器、微波倍频器、第一电滤波器、第一电混频器、第二光电探测器、第三电滤波器、第四电滤波器，其中：

所述第一直调激光器用于产生连续光信号，并对其进行直接调制后提供给所述第一波分复用器；

所述第一波分复用器用于将调制光信号传输至光纤；

所述第一微波源用于产生需要稳相传输的微波信号，并对其进行相位校正后提供给第一电功分器；

所述第一电功分器用于将所述微波信号分为两路，一路输入到微波倍频器，另一路输入到采样示波器进行显示；

所述微波倍频器用于将接收到的微波信号进行倍频处理；

所述第一电滤波器，用于滤除所述微波倍频器输出的基频信号以及其产生的杂散信号；

所述第一电混频器的本征端口连接所述第一电滤波器，射频端口连接所述第三电滤波器，用于对接收到的信号进行混频；

所述第二光电探测器的光输入端口与第一波分复用器的输出端口连接，用于将基站产生的调制光信号进行光电转换，转换为电信号；

所述第三电滤波器用于将光电转换之后的电信号进行滤波，将产生的交调信号以及谐波信号滤除，并将滤波后的电信号输出至所述第一电混频器的射频端口；

所述第四电滤波器用于对于混频之后的电信号进行滤波，以将其中的杂散信号以及本征信号滤除，并将滤波后的信号输出至所述第一直调激光器作为微波调制信号；

所述基站包括：第二波分复用器、第一光电探测器、第二电滤波器、第二微波源、第二电功分器、第二直调激光器、第二电混频器、第五电滤波器、微波除频器、第六电滤波器和采样示波器，其中：

所述第二波分复用器用于将中心站发出的调制光信号传输到基站以及将基站反射的调制光信号回传到中心站，所述第二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和第二直调激光器的输出端口；

所述第一光电探测器用于将中心站发出的调制光信号进行光电转换，并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，并将滤波后的信号输出至第二电混频器；

所述第二微波源用于输出与中心站同一频率的微波信号，并对其进行相位校正后提供给第二电功分器；

所述第二电功分器用于将所述第二微波源输出的微波信号分为两束，其中一束入射到第二直调激光器的射频输入端口，另一束入射到第二电混频器的本征端口；

所述第二直调激光器用于对于接收到的信号进行直接调制，并将调制后的信号传输至第二波分复用器；

所述第二电混频器的本征端口连接所述第二电功分器，射频端口连接所述第二电滤波器，用于对接收到的信号进行混频和相位校正；

所述第五电滤波器用于对于混频之后的电信号进行滤波，以滤除杂散信号以及不想要的谐波信号；

所述微波除频器用于对于滤波后的信号进行除频处理；

所述第六电滤波器用于将除频后的信号进行滤波处理，仅仅留下需要的微波信号；

所述采样示波器与所述第六电滤波器连接，用于显示接收到的信号的时域波形。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的基于往返相位校正技术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、本发明提供的基于往返相位校正技术的微波信号光纤稳相传输装置，由于利用直调激光器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3传输信号，其中：

所述中心站包括：第一直调激光器1、第一波分复用器2、第一微波源5、第一电功分器6、微波倍频器7、第一电滤波器8、第一电混频器9、第二光电探测器15、第三电滤波器16、第四电滤波器17，其中：

所述第一直调激光器1用于产生连续光信号，并对其进行直接调制后提供给所述第一波分复用器2；

所述第一波分复用器2用于将调制光信号传输至光纤3；

所述光纤3用于将调制光信号从中心站传输到基站以及将基站回传的信号传输到中心站，从而实现相位较正；

在本发明一实施例中，所述光纤3为单模光纤。

所述第一微波源5用于产生需要稳相传输的微波信号，并对其进行相位校正后提供给第一电功分器6；

在本发明一实施例中，所述第一电功分器6的功分比为1:9。

所述第一电功分器6用于将所述微波信号分为两路，一路输入到微波倍频器7，另一路输入到采样示波器22进行显示(该路信号图中未示出)；

所述微波倍频器7用于将接收到的微波信号进行倍频处理；

所述第一电滤波器8，用于滤除所述微波倍频器7输出的基频信号以及其产生的杂散信号，这是由于电倍频器有限的本征隔离度引起的；

所述第一电混频器9的本征端口连接所述第一电滤波器8，射频端口连接所述第三电滤波器16，用于对接收到的信号进行混频；

其中，所述混频包括上混频和下混频。

所述第二光电探测器15的光输入端口与第一波分复用器2的输出端口连接，用于将基站产生的调制光信号进行光电转换，转换为电信号；

所述第三电滤波器16用于将光电转换之后的电信号进行滤波，将产生的交调信号以及谐波信号滤除，并将滤波后的电信号输出至所述第一电混频器9的射频端口；

所述第四电滤波器17用于对于混频之后的电信号进行滤波，以将其中的杂散信号以及本征信号滤除，并将滤波后的信号输出至所述第一直调激光器1作为微波调制信号。

所述基站包括：第二波分复用器4、第一光电探测器10、第二电滤波器11、第二微波源12、第二电功分器13、第二直调激光器14、第二电混频器18、第五电滤波器19、微波除频器20、第六电滤波器21和采样示波器22，其中：

所述第二波分复用器4用于将中心站发出的调制光信号传输到基站以及将基站反射的调制光信号回传到中心站，所述第二波分复用器4的两个通道分别连接第一光电探测器10的光输入端口和第二直调激光器14的输出端口；

所述第一光电探测器10用于将中心站发出的调制光信号进行光电转换，并提供给第二电滤波器11；

所述第二电滤波器11用于对于接收到的信号进行滤波，并将滤波后的信号输出至第二电混频器18；

所述第二微波源12用于输出与中心站同一频率的微波信号，并对其进行相位校正后提供给第二电功分器13；

所述第二电功分器13用于将所述第二微波源12输出的微波信号分为两束，其中一束入射到第二直调激光器14的射频输入端口，另一束入射到第二电混频器18的本征端口；

在本发明一实施例中，所述第二电功分器13的功分比为1:1。

所述第二直调激光器14用于对于接收到的信号进行直接调制，并将调制后的信号传输至第二波分复用器4；

其中，所述第二直调激光器14的波长与所述第一直调激光器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；

所述第二电混频器18的本征端口连接所述第二电功分器13，射频端口连接所述第二电滤波器11，用于对接收到的信号进行混频和相位校正；

所述第五电滤波器19用于对于混频之后的电信号进行滤波，以滤除杂散信号以及不想要的谐波信号；

所述微波除频器20用于对于滤波后的信号进行除频处理；

所述第六电滤波器21用于将除频后的信号进行滤波处理，以仅仅留下需要的微波信号；

所述采样示波器22与所述第六电滤波器21连接，用于显示接收到的信号的时域波形，所述信号包括稳相之后的微波信号和未稳相传输的微波信号，从而来测试系统的稳定性、验证原理的正确性以及验证系统的有效性。

其中，所述直调激光器1、14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2、4是光纤结构的；所述电滤波器8、11、16、17、19、21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5、12是矢量网络分析仪或微波信号源；所述光电探测器10、15是光电二极管或光电倍增管，采用磷化铟材料或硅基材料；所述采样示波器22是泰克的采样示波器也可以是安捷伦的采样示波器，如果产生微波信号的相位很稳定时也可以应用实时示波器采集。

所述微波信号光纤稳相传输装置工作时，利用第二直调激光器14产生强度调制光信号，该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第三电滤波器16，此处中心站的第一微波源5发出和基站同样频率的微波信号，第一微波源5发出的微波信号首先经过微波倍频器7倍频之后输入到第一电混频器9，与第三电滤波器16输出的电信号进行下混频，下混频之后的微波信号输入至第一直调激光器1，第一直调激光器1输出的光载波波长与第二直调激光器14输出的光载波波长不同，故可以通过第二波分复用器4的另一个通道入射到光纤3，此处的下行链路和上行链路是同一段光纤。然后将中心站直接调制的光信号从中心站传输到基站，通过第一光电探测器10进行光电转换，光电转换后的电信号与第二微波源12发出去的微波信号进行电混频，实现上混频，上混频之后的微波信号通过微波除频器20产生需要传输的微波信号，此微波信号的频率和相位和基站需要传输的微波信号是一致的。

接下来验证微波信号光纤稳相传输装置的有效性，假设中心站需要传输的微波信号为其中，ω为角频率，为初始相位，首先第一电功分器6将微波信号分为两束，功分比为1:9，90％的功率入射到微波倍频器7，将微波信号倍频为然后入射到第一电混频器9的本征输入端口，进行下混频。第二微波源12输出同样频率的微波信号入射到第二电功分器13，将微波信号分为两束，并且二者的功率相等，其中一束入射到第二直调激光器14的射频输入端口进行强度调制，第二直调激光器14输出的光信号从基站发送到中心站，通过第二光电探测器15进行光电转换，光电转换后的微波信号为其中，为基站输出的微波信号的初始相位，τ为调制光信号从基站发送到中心站所需要的时间，该微波信号入射到第一电混频器9的射频输入端口，与本征输入信号进行下混频，下混频之后的微波信号为然后该微波信号入射到第一直调激光器1的射频输入端口进行直接调制，直接调制之后的光信号通过第一波分复用器2和第二波分复用器4以及单模光纤3从中心站传输到基站，然后入射到第一光电探测器10的光输入端口进行光电转换，得到的微波信号为此微波信号与第二微波源12输出的微波信号进行上混频，上混频之后的微波信号为此微波信号经过除频之后为然后将其入射到采样示波器22中观测波形。

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，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，其中，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 (10)

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：中心站和基站，所述中心站和基站通过光纤传输信号，其中：

所述中心站包括：第一直调激光器、第一波分复用器、第一微波源、第一电功分器、微波倍频器、第一电滤波器、第一电混频器、第二光电探测器、第三电滤波器、第四电滤波器，其中：

所述第一直调激光器用于产生连续光信号，并对其进行直接调制后提供给所述第一波分复用器；

所述第一波分复用器用于将调制光信号传输至光纤；

所述第一微波源用于产生需要稳相传输的微波信号，并对其进行相位校正后提供给第一电功分器；

所述第一电功分器用于将所述微波信号分为两路，一路输入到微波倍频器，另一路输入到采样示波器进行显示；

所述微波倍频器用于将接收到的微波信号进行倍频处理；

所述第一电滤波器，用于滤除所述微波倍频器输出的基频信号以及其产生的杂散信号；

所述第一电混频器的本征端口连接所述第一电滤波器，射频端口连接所述第三电滤波器，用于对接收到的信号进行混频和相位校正；

所述第二光电探测器的光输入端口与第一波分复用器的输出端口连接，用于将基站产生的调制光信号进行光电转换，转换为电信号；

所述第三电滤波器用于将光电转换之后的电信号进行滤波，将产生的交调信号以及谐波信号滤除，并将滤波后的电信号输出至所述第一电混频器的射频端口；

所述第四电滤波器用于对于混频之后的电信号进行滤波，以将其中的杂散信号以及本征信号滤除，并将滤波后的信号输出至所述第一直调激光器作为微波调制信号；

所述基站包括：第二波分复用器、第一光电探测器、第二电滤波器、第二微波源、第二电功分器、第二直调激光器、第二电混频器、第五电滤波器、微波除频器、第六电滤波器和采样示波器，其中：

所述第二波分复用器用于将中心站发出的调制光信号传输到基站以及将基站反射的调制光信号回传到中心站，所述第二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和第二直调激光器的输出端口；

所述第一光电探测器用于将中心站发出的调制光信号进行光电转换，并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，并将滤波后的信号输出至第二电混频器；

所述第二微波源用于输出与中心站同一频率的微波信号，并对其进行相位校正后提供给第二电功分器；

所述第二电功分器用于将所述第二微波源输出的微波信号分为两束，其中一束入射到第二直调激光器的射频输入端口，另一束入射到第二电混频器的本征端口；

所述第二直调激光器用于对于接收到的信号进行直接调制，并将调制后的信号传输至第二波分复用器；

所述第二电混频器的本征端口连接所述第二电功分器，射频端口连接所述第二电滤波器，用于对接收到的信号进行混频；

所述第五电滤波器用于对于混频之后的电信号进行滤波，以滤除杂散信号以及不想要的谐波信号；

所述微波除频器用于对于滤波后的信号进行除频处理；

所述第六电滤波器用于将除频后的信号进行滤波处理，仅仅留下需要的微波信号；

所述采样示波器与所述第六电滤波器连接，用于显示接收到的信号的时域波形。

2.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。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一电功分器的功分比为1∶9。

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，所述第二电功分器的功分比为1∶1。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二直调激光器的波长与所述第一直调激光器的波长不同。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一直调激光器和第二直调激光器是半导体激光器。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一波分复用器和第二波分复用器为光纤结构。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一微波源和第二微波源为矢量网络分析仪或微波信号源。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一光电探测器和第二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。