CN104333422B - 一种微波光子混频方法及多功能微波光子混频器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波光子混频方法，属于微波光子学技术领域。本发明混频方法对待混频的射频信号和本振信号，分别进行电光调制并提取调制信号中的一个一阶边带信号，得到射频一阶边带信号和本振一阶边带信号，两者进行电光调制所使用的光载波的频率相同；以所述射频一阶边带信号、本振一阶边带信号分别作为90°光混频器的射频信号输入、本振信号输入，对所述90°光混频器的输出信号进行光电检测，得到混频信号。本发明还公开了一种多功能微波光子混频器。本发明可同时实现多种不同的混频功能，且具有杂散小、线性度高、转换效率高的优点，适用于大倍频程的微波信号混频。

Description

一种微波光子混频方法及多功能微波光子混频器

技术领域

本发明涉及一种混频方法，尤其涉及一种微波光子混频方法及多功能微波光子混频器，属于微波光子学技术领域。

背景技术

微波混频器是微波系统中最常用的器件之一。传统的微波混频器多基于电子技术，往往具有转换效率低、本振和射频端口隔离度低、工作频率低、工作带宽窄和信号失真大等缺点。由于低频段频谱资源日渐紧张以及高频段工作的优异性能，微波系统逐渐向毫米波、亚毫米波甚至是THz波段推进。在此背景下，为满足系统应用需求，混频器也就需要具有高频、宽带、高线性等特点。光子技术就是有效解决该难题的手段之一。相比较传统的电混频器，其主要优点在于利用了光纤系统的大带宽、高工作频率和对电磁干扰不敏感等显著优势。一种常见的微波混频方法为级联调制器法(参见G.K.Gopalakrishnan,W.K.Burns,and C.H.Bulmer,"Microwave-optical mixing inLiNbO₃modulators,"IEEE Trans.Microwave Theory Tech.,vol.41,no.12,pp.2383-2391,Dec.1993.)。该方法主要是通过级联两个电光调制器，并在两个调制器上分别加载射频和本振信号，通过光电探测得到对应的混频信号。因为射频信号和本振信号通过不同的调制器加载在系统中，因此该方法射频和本振端口之间具有很好的隔离度，并且工作频率和带宽都很高。然而，通常的微波光子混频器只能实现单一的混频功能，相当于电域内最普通的单端口混频器。其他具有优异性能的混频器，例如平衡混频器、正交混频器和镜频抑制混频器(参见S.J.Strutz and K.J.Williams,"A 0.8-8.8-GHz image rejectionmicrowave photonic downconverter,"IEEE Photon.Technol.Lett.,vol.12,no.10,pp.1376-1378,Oct.2000.)有少量的文献报道。然而，现有各种不同功能的微波光子混频器之间结构都是完全不同的，无法实现通用。迄今为止，尚未见到一种微波光子混频器能够同时实现多种不同的混频功能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有微波光子混频技术的不足，提供一种微波光子混频方法以及一种多功能微波光子混频器，可同时实现多种不同的混频功能，且具有杂散小、线性度高、转换效率高的优点，适用于大倍频程的微波信号混频。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种微波光子混频方法，对待混频的射频信号和本振信号，分别进行电光调制并提取调制信号中的一个一阶边带信号，得到射频一阶边带信号和本振一阶边带信号，两者进行电光调制所使用的光载波的频率相同；以所述射频一阶边带信号、本振一阶边带信号分别作为90°光混频器的射频信号输入、本振信号输入，对所述90°光混频器的输出信号进行光电检测，得到混频信号。

一种多功能微波光子混频器，包括光源、光分束器、90°光混频器、光电探测单元，以及两个电光调制和边带选择器，所述光电调制和边带选择器可对输入的射频信号进行电光调制并从调制信号提取一个一阶边带信号输出；所述光分束器的输入端与光源连接，光分束器的两个输出端分别连接两个电光调制和边带选择器的光载波输入端，两个电光调制和边带选择器的输出端分别与90°光混频器的射频信号输入端、本振信号输入端连接，90°光混频器的输出端与光电探测单元连接。

90°光混频器具有四个输出端口，分别对应于两个同相输出端口和两个正交输出端口。四个端口的任意一个端口接普通的光电探测器探测，即实现了普通单端混频器功能；两个同相输出端口或两个正交输出端口接平衡探测器探测，即实现了平衡混频器功能；一个同相输出端口和一个正交输出端口分别接普通的光电探测器探测，即实现了正交混频器功能；一个同相输出端口和一个正交输出端口分别接普通的光电探测器探测并使用90°微波电桥将两路输出合在一起，即实现了镜频抑制混频器功能。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)使用同一个结构，仅改变光电探测的方法，即可实现包括普通单端混频器、平衡混频器、正交混频器和镜频抑制混频器的功能。

(2)输入光电探测器的信号中只包含射频信号和本振信号的一个一阶边带。因为信号中不包含光载波，所以提高了光电探测器的处理能力，通过外加光放大可以提高转换效率；

(3)传统电混频器具有很强的无用杂散信号，及时利用传统的微波光子技术也很难实现杂散信号的消除。在本发明中，因为只将有用的一阶边带滤波送入光电探测器探测，不包含其他无效的光谱分量，所以该混频器的线性度很高而且杂散频率被有效抑制。

附图说明

图1为本发明多功能光子微波混频器的结构原理示意图；

图2为本发明多功能光子微波混频器的一个实施例的结构示意图；

图3(a)为上路的射频边带信号；

图3(b)为上路的本振边带信号；

图4为使用图2所示结构实现下变频的平衡混频器功能时两个同相输出端口光电探测得到的波形；

图5为使用图2所示结构实现下变频的正交混频器功能时一个同相输出端口和一个正交输出端口光电探测得到的波形；

图6(a)为使用图2所示结构实现镜频抑制混频器功能时有用射频信号混频得到的中频信号频谱；

图6(b)为使用图2所示结构实现镜频抑制混频器功能时无用镜频信号混频得到的中频信号频谱；

图7为使用图2所示结构实现上变频的平衡混频器功能时两个同相输出端口光电探测得到的波形；

图8为使用图2所示结构实现下变频的正交混频器功能时一个同相输出端口和一个正交输出端口光电探测得到的波形；

图9为本发明多功能光子微波混频器的另一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的多功能微波光子混频的结构原理如图1所示。如图，激光器输出的光载波信号通过光分束器分成两路。上路通过第一电光调制和边带选择器，调制射频信号并且选出其中的某一个一阶边带。假设光载波频率为ω_c，调制的射频信号频率为ω_R，那么通过第一光电调制和边带选择器得到的一阶下边带信号可以表示为E_S＝A_-1exp(ω_c-ω_R)t,其中A_-1为该边带信号的幅度。同理，下路通过第二电光调制和边带选择器，调制本振信号并且选出其中某一个一阶边带。假设本振信号的频率为ω_L，为实现上、下变频，调节光滤波器对准一阶上边带或者下边带，因此滤出的边带信号可以表示为E_L＝A^* _-1exp(ω_c±ω_L)t,其中A^* _-1为该边带信号的幅度。上路得到的边带信号送入一个90°光混频器的射频信号输入端口，下路得到的边带信号送入同一个90°光混频器的本振信号输入端口。根据90°光混频器的工作原理，在它四个输出端得到的光信号可以表示为

$\begin{array}{c}{I}_1=A_{-1}\exp ({\mathrm{\ω}}_c-{\mathrm{\ω}}_R)t+A_{-1}^{*}\exp ({\mathrm{\ω}}_c\±{\mathrm{\ω}}_L)t\\ I_2=A_{-1}\exp ({\mathrm{\ω}}_c-{\mathrm{\ω}}_R)t-A_{-1}^{*}\exp ({\mathrm{\ω}}_c\±{\mathrm{\ω}}_L)t\\ Q_1=A_{-1}\exp ({\mathrm{\ω}}_c-{\mathrm{\ω}}_R)t+{\mathrm{jA}}_{-1}^{*}\exp ({\mathrm{\ω}}_c\±{\mathrm{\ω}}_L)t\\ Q_2=A_{-1}\exp ({\mathrm{\ω}}_c-{\mathrm{\ω}}_R)t-{\mathrm{jA}}_{-1}^{*}\exp ({\mathrm{\ω}}_c\±{\mathrm{\ω}}_L)t\end{array}---\left(1\right)$

其中I₁和I₂分别表示90°光混频器的同相输出1和同相输出2，Q₁和Q₂分别表示90°光混频器的正交输出1和正交输出2。加入在90°光混频器的四路输出端分别接一个光电探测器探测，那么，四路输出转换得到的电信号可以表示为

$\begin{array}{c}{i}_{I_1}\∝+A_{-1}{A}_{-1}^{*}\cos ({\mathrm{\ω}}_R\±{\mathrm{\ω}}_L)t\\ i_{I_2}\∝-A_{-1}{A}_{-1}^{*}\cos ({\mathrm{\ω}}_R\±{\mathrm{\ω}}_L)t\\ i_{Q_1}\∝-A_{-1}{A}_{-1}^{*}\sin ({\mathrm{\ω}}_R+{\mathrm{\ω}}_L)t\\ i_{Q_2}\∝+A_{-1}{A}_{-1}^{*}\sin ({\mathrm{\ω}}_R\±{\mathrm{\ω}}_L)t\end{array}---\left(2\right)$

从公式(2)可以看出，输入的射频信号通过该微波光子混频器的作用转换为上混频信号ω_R+ω_L或者下混频信号ω_R-ω_L。

其中，任意一路的输出可以看做是最简单的传统微波光子混频器，也对应于电域的单端混频器；因为同相输出1和同相输出2(或者正交输出1和正交输出2)经光电探测得到的信号幅度相同，相位相差π，所以对这两路进行平衡探测即实现了电域的平衡混频器功能；因为任意一路的同相输出信号和任意一路的正交输出信号经光电探测后得到的信号符号相同且相互正交，故任意一路同相输出和任意一路正交输出分别接普通光电探测器探测，即实现了正交混频器。在正交混频器的基础上，如果使用一个90°微波电桥将两路输出合在一起，即可实现镜频抑制混频器。为了更清楚的说明这一点，下面对此进行简单的理论说明。

镜频抑制混频器通常使用在下变频场合，因此以下只考虑下变频的情况。此时输入的不再是纯净的有用射频信号，而是包含有镜频干扰和有用射频信号的混合信号。镜频干扰信号的频率与有用射频信号的频率相差2倍的中频频率，即ω_J＝ω_R-2ω_I＝ω_L-ω_I。此情况下，上路得到的边带信号为E’_S＝A_-1exp(ω_c-ω_R)t+A_-1exp(ω_c-ω_J)t。将此边带信号送入90°光混频器的信号输入端口，同相输出1和正交输出1可以表示为

$\left\{\begin{array}{c}{I}_1^{\′}=A_{-1}\exp ({\mathrm{\ω}}_c-{\mathrm{\ω}}_j)t+A_{-1}\exp ({\mathrm{\ω}}_c-{\mathrm{\ω}}_R)t+A_{-1}^{*}\exp ({\mathrm{\ω}}_c-{\mathrm{\ω}}_L)t\\ Q_1^{\′}=A_{-1}\exp ({\mathrm{\ω}}_c-{\mathrm{\ω}}_j)t+A_{-1}\exp ({\mathrm{\ω}}_c-{\mathrm{\ω}}_R)t+{\mathrm{jA}}_{-1}^{*}\exp ({\mathrm{\ω}}_c-{\mathrm{\ω}}_L)t\end{array}\right.---\left(3\right)$

这两路输出经光电转换得到的信号为

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{I_1}^{\′}\∝A_{-1}{A}_{-1}^{*}\cos ({\mathrm{\ω}}_L-{\mathrm{\ω}}_j)t+A_{-1}{A}_{-1}^{*}\cos ({\mathrm{\ω}}_R-{\mathrm{\ω}}_L)t\\ i_{Q_1}^{\′}\∝A_{-1}{A}_{-1}^{*}\sin ({\mathrm{\ω}}_L-{\mathrm{\ω}}_j)t-A_{-1}{A}_{-1}^{*}\sin ({\mathrm{\ω}}_R-{\mathrm{\ω}}_L)t\end{array}\right.---\left(4\right)$

将两路输出通过90°微波电桥合在一起即可得到

$\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{IF}}\∝A_{-1}{A}_{-1}^{*}\cos ({\mathrm{\ω}}_L-{\mathrm{\ω}}_j)t+A_{-1}{A}_{-1}^{*}\cos ({\mathrm{\ω}}_R-{\mathrm{\ω}}_L)t\\ +A_{-1}{A}_{-1}^{*}\sin ({\mathrm{\ω}}_L-{\mathrm{\ω}}_j-\frac{\mathrm{\π}}{2})t-A_{-1}{A}_{-1}^{*}\sin ({\mathrm{\ω}}_R-{\mathrm{\ω}}_L-\frac{\mathrm{\π}}{2})\\ ={2A}_{-1}{A}_{-1}^{*}\cos ({\mathrm{\ω}}_R-{\mathrm{\ω}}_L)t\end{array},t---\left(5\right)$

从公式(5)可以看出，最后得到的信号中不包含镜频干扰下转换得到的中频分量，故实现了镜频抑制功能。

需要说明的是，输入第一、第二电光调制和边带选择器的两路光载波只要频率相同即可，为了降低实现成本，优选利用一个光源和一个分束器实现，当然，也可采用其它方式实现，例如，利用两个输出光频率相同的光源实现，此时就不需要光分束器了。

为了验证本发明效果，我们采用了如图2所示的本发明一个实施例进行了混频实验。激光器输出的光载波信号波长为1552.5nm。第一光电探测和边带选择器由一个普通马赫-增德尔调制器(马赫-增德尔调制器1)和一个光带通滤波器(光滤波器1)实现。同理，第二光电调制和边带选择器由马赫-增德尔调制器2和光滤波器2实现。射频信号的频率为16GHz，功率5dBm，本振信号的频率为13.71GHz，功率为5dBm。图3(a)为上路的光谱图。图中实线为马赫-增德尔调制器1输出端的光谱图，可以看出在光载波附近以16GHz为间隔产生了边带信号。图中点划线为光滤波器1的传输函数曲线。光滤波器1的中心频率对准一阶上边带，因此，光滤波器1输出的信号即为一个一阶上边带，如图中虚线所示。图3(b)为下路的光谱图。图中实线为马赫-增德尔调制器2输出端的光谱图，可以看出在光载波附近以本振频率，即13.71GHz，为间隔产生了边带信号。图中点划线为光滤波器2的传输函数曲线。

为了实现下变频，光滤波器2的中心频率也对准一阶上边带，因此，光滤波器2输出的信号也为一个一阶上边带，如图中虚线所示。将两路输出送入90°光混频器。同相输出1和同相输出2分别接光电探测器探测，并送入示波器的两个独立通道，得到的波形如图4所示。图中实线为同相输出1探测得到的信号，虚线为同相输出2探测得到的信号。从图中可以看出两点：首先，任意一路可以看成是普通单端混频器；其次，因为这两路信号是反相的，所以对这两路探测可以实现平衡混频器。同相输出1和正交输出1分别接光电探测器探测，送入示波器显示得到的波形如图5所示。图中实线为正交输出1探测得到的信号，虚线为同相输出1探测得到的信号。从图中可以看出，两路信号正交，因此实现了正交混频器的功能。将同相输出1和正交输出1探测得到的信号通过90°微波电桥合在一起，得到的频谱图如图6(a)所示。从图中可以看出，16GHz的射频信号被下转换至2.29GHz，且功率为-14dBm。为验证镜频抑制效果，将射频信号频率改成镜频干扰频率，即11.42GHz，此情况下得到的中频信号频谱如图6(b)所示。可以看出，中频信号功率仅为-75dBm，因此实现了镜频抑制功能，且镜频抑制效率≈60dB。

为实现上变频，下路光滤波器的中心波长对准一阶下边带。在此情况下，同相输出1和同相输出2探测得到的微波波形如图7所示。可以看出，得到了频率为29.71GHz的上变频信号，且信号仍是反相的，说明该发明的可重构微波光子混频器依然能够实现平衡的上变频器功能。同理同相输出1和正交输出1探测得到的微波波形如图8所示也是正交的。

值得说明的是，还可以使用图9所示的结构实现本发明提出的多功能微波光子混频器。与图2不同的是，这里面的第一光电调制和边带选择器由一个双平行马赫-增德尔调制器(双平行马赫-增德尔调制器1)实现，第二光电调制和边带选择器由另一个双平行马赫-增德尔调制器(双平行马赫-增德尔调制器2)实现。通过控制调制器的偏置电压，使它们都工作在载波抑制的单边带调制状态，即可实现只选出其中一个边带的功能。

本发明所提出的微波光子混频器处可同时实现多种不同的混频功能外，还具有杂散小，线性度高，转换效率高等显著优点。本发明混频器无需外加任何微波滤波器进行频率选择，从而保证了大倍频程的微波信号混频。

Claims (10)

1.一种微波光子混频方法，其特征在于，对待混频的射频信号和本振信号，分别进行电光调制并提取调制信号中的一个一阶边带信号，得到射频一阶边带信号和本振一阶边带信号，两者进行电光调制所使用的光载波的频率相同；以所述射频一阶边带信号、本振一阶边带信号分别作为90°光混频器的射频信号输入、本振信号输入，对所述90°光混频器的输出信号进行光电检测，得到混频信号。

2.如权利要求1所述微波光子混频方法，其特征在于，对所述90°光混频器的输出信号进行光电检测，得到混频信号，具体是指：对所述90°光混频器的任意一个输出端口的输出信号进行光电检测，得到单端混频信号。

3.如权利要求1所述微波光子混频方法，其特征在于，对所述90°光混频器的输出信号进行光电检测，得到混频信号，具体是指：对所述90°光混频器的两个同相输出端口或两个正交输出端口的输出信号进行平衡光电探测，得到平衡混频信号。

4.如权利要求1所述微波光子混频方法，其特征在于，对所述90°光混频器的输出信号进行光电检测，得到混频信号，具体是指：对所述90°光混频器的任意一个同相输出端口以及任意一个正交输出端口的输出信号分别进行光电探测，得到正交混频信号。

5.如权利要求1所述微波光子混频方法，其特征在于，对所述90°光混频器的输出信号进行光电检测，得到混频信号，具体是指：利用90°微波电桥将所述90°光混频器的任意一个同相输出端口以及任意一个正交输出端口的输出信号合在一起，得到镜频抑制混频信号。

6.一种多功能微波光子混频器，其特征在于，包括光源、光分束器、90°光混频器、光电探测单元，以及两个电光调制和边带选择器，所述光电调制和边带选择器可对输入的射频信号进行电光调制并从调制信号提取一个一阶边带信号输出；所述光分束器的输入端与光源连接，光分束器的两个输出端分别连接两个电光调制和边带选择器的光载波输入端，两个电光调制和边带选择器的输出端分别与90°光混频器的射频信号输入端、本振信号输入端连接，90°光混频器的输出端与光电探测单元连接。

7.如权利要求6所述多功能微波光子混频器，其特征在于，所述光电探测单元为与所述90°光混频器的任意一个输出端连接的光电探测器。

8.如权利要求6所述多功能微波光子混频器，其特征在于，所述光电探测单元为分别与所述90°光混频器的两个同相输出端口或者两个正交输出端口分别连接的两个平衡光电探测器。

9.如权利要求6所述多功能微波光子混频器，其特征在于，所述光电探测单元为分别与所述90°光混频器的一个同相输出端口、一个正交输出端口相连接的两个光电探测器。

10.如权利要求6所述多功能微波光子混频器，其特征在于，所述光电探测单元包括分别与所述90°光混频器的一个同相输出端口、一个正交输出端口连接的两个光电探测器，以及一个90°微波电桥，该90°微波电桥的两个输入端分别与所述两个光电探测器的输出端连接。