CN104467976B - 一种可同时生成两种倍频因子毫米波信号的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可同时生成两种倍频因子毫米波信号的装置，可在更低的射频本振频率下，同时产生12和20倍频高性能毫米波，不仅提升了光子倍频器的倍频因子，更是打破了光子倍频器无法多种倍频因子毫米波同时输出的难题，在保证毫米波系统性能的前提下，大大提升了系统性价比，以及应用范围。

Description

一种可同时生成两种倍频因子毫米波信号的装置

技术领域

本发明涉及毫米波生成技术领域，具体涉及一种可同时生成两种倍频因子毫米波信号的装置。

背景技术

近年来，由于中低频段的频谱资源日趋紧张，使得微波、毫米波甚至太赫兹等较高频段的频谱资源得到越来越广泛的关注。毫米波频段介于微波和光之间，凭借兼具二者优点的特性，已日趋成为下一代无线通信、传感、雷达和测量等领域争先开发的热点。

毫米波的优良特性具体可以归纳为以下几点：

1、极宽的带宽，通常认为毫米波频率范围为30-300GHz，带宽高达270GHz。超过从直流到微波全部带宽的10倍，即使考虑大气吸收，在大气中传播只能使用四个主要窗口，但这四个窗口的总带宽也可达135GHz，为微波以下各波段带宽之和的5倍，这在频率资源紧张的今天无疑具有极大的吸引力；

2、波束窄，在相同天线尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄得多；

3、抗干扰，毫米波频率信号在空间中传输距离比厘米波短得多，而且具有接近光波的直线传输特性，消除了多径传输所带来的干扰问题；

4、小型化，和微波相比毫米波元件的尺寸要小得多，因此毫米波系统更容易小型化。

正是由于毫米波的这些特点，使得毫米波在未来军用、民用领域的应用存在这无限的可能。

对于毫米波系统而言，所采用毫米波的质量将直接影响系统的整体性能，所采用毫米波发生器的价格将直接决定系统的性价比，因此是否具备稳定、廉价、高性能的毫米波发生器将直接关系到整个毫米波系统的应用范围以及市场份额。

当前，毫米波生成技术可大体分为两类，以传统电子学为基础的毫米波生成技术，以现代光子学为基础的毫米波生成技术。以传统电子学为基础的毫米波生成技术采用真空管和固态功率源生成毫米波，不仅所用高频器件价格昂贵而且会遇到带宽和载频的电子学瓶颈，因此这种技术正逐步被光子学为基础的毫米波生成技术所替代。

相比之下，以现代光子学为基础的毫米波生成技术由于大多采用光学元件，不仅成功摆脱了电子瓶颈限制，并且具有抗电磁干扰、重量轻、结构紧凑的优点。同时，基于光子学方法生成的毫米波可以与光纤传输系统天然地兼容，无需额外的电光和光电转换设备，使得这项技术的应用范围变得愈加广阔。

目前，此技术最为直接的应用是基于光子学倍频技术的光子倍频器。光子倍频器利用低频本振，对激光进行调制，直接或间接生成两条可差频的相干光边带，通过光电转换实现几倍于本振频率的毫米波生成。利用光子倍频器生成毫米波可成倍降低射频本振频率，众所周知，射频本振是获得毫米波信号所必须的，并且其价格占整个毫米波系统成本比重较大，射频本振频率越高价格越昂贵，因此光子倍频器可大幅降低本振源所带来的系统成本，进而极大程度提高毫米波系统的性价比。

发明内容

本发明的目的是提供一种可同时生成两种倍频毫米波信号的装置，以改进目前存在的毫米波生成技术均只能输出单一倍频因子毫米波的问题，实现在更低的射频本振频率下，同时产生两种倍频因子高性能毫米波。

为达上述目的，本发明实施例提供了一种可同时生成两种倍频因子毫米波信号的装置，包括：

激光器、偏振控制器、IQ(同相正交)调制器、本振源、梳状滤波器、相位调制器、光电检测器一、1×4分光器、光滤波器一、光滤波器二、光滤波器三、光滤波器四、2×1光合束器一、2×1光合束器二、光电检测器二、光电检测器三；

所述激光器的输出端连接所述偏振控制器的输入端，所述偏振控制器的输出端连接所述IQ调制器的光输入端，所述本振源的输出端分别所述连接IQ调制器上下两臂的电输入端，所述IQ调制器的输出端连接所述梳状滤波器的输入端，所述梳状滤波器的输出端分别连接所述相位调制器和所述光电检测器一的光输入端，所述光电检测器一的输出端连接所述相位调制器的电输入端，所述相位调制器的输出端连接所述1×4分光器的输入端，所述1×4分光器的输出端分别连接所述光滤波器一、所述光滤波器二、所述光滤波器三和所述光滤波器四的输入端，所述光滤波器一和所述光滤波器二的输出端连接所述2×1光合束器一的输入端，所述光滤波器三和所述光滤波器四的输出端连接所述2×1光合束器二的输入端，所述2×1光合束器一的输出端连接所述光电检测器二的输入端，所述2×1光合束器二的输出端，连接所述光电检测器三的输入端。

进一步的，所述IQ调制器参数设置为：集成两臂MZ均偏置于最大传输点，上下两臂光信号相位差为180度，由本振源提供的上下两臂电信号相位差为90度。

上述技术方案具有如下有益效果：

上述技术方案可在更低的射频本振频率下，同时产生两种倍频，尤其是12和20倍频的高性能毫米波，不仅提升了光子倍频器的倍频因子，更是打破了光子倍频器无法多种倍频因子毫米波同时输出的难题，在保证毫米波系统性能的前提下，大大提升了系统性价比，以及应用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例，一种低相位噪声可同时产生12和20倍频信号生成装置的结构图；

图2是本发明实施例，经过IQ调制器3的光谱示意图；

图3是本发明实施例，经过梳状滤波器5，相位调制器6光输入端光谱示意图；

图4是本发明实施例，光电检测器一7输入端光谱图；

图5是本发明实施例，经过光电检测器一7，相位调制器6电输入端频谱示意图；

图6是本发明实施例，经过相位调制器6的光谱示意图；

图7是本发明实施例，经过光滤波器一9光谱示意图；

图8是本发明实施例，经过光滤波器二10光谱示意图；

图9是本发明实施例，经过光滤波器三11光谱示意图；

图10是本发明实施例，经过光滤波器四12光谱示意图；

图11是本发明实施例，经过2×1光合束器一13光谱示意图；

图12是本发明实施例，经过2×1光合束器二14光谱示意图；

图13是本发明实施例，经过光电检测器二15后生成的12倍于本振源频率的48GHz毫米波的频谱示意图；

图14是本发明实施例，经过光电检测器三16后生成的20倍于本振源频率的80GHz毫米波的频谱示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由于现有技术下的光子倍频器如今还处于刚刚起步阶段，其能够获得的倍频因子仍比较低，并且输出多为单一倍频因子毫米波，还不足以满足市场对更高倍频因子、多种倍频因子毫米波同时输出的要求。且现有的毫米波生成技术均只能输出单一倍频因子毫米波。

针对上述现有技术的不足和缺点，本发明可在更低的射频本振频率下，同时产生两种倍频，尤其是12和20倍频高性能毫米波，不仅提升了光子倍频器的倍频因子，更是打破了光子倍频器无法多种倍频因子毫米波同时输出的难题，在保证毫米波系统性能的前提下，大大提升了系统性价比，以及应用范围。

下面结合附图对本发明技术方案作进一步详细阐述。

实施例一：

一种低相位噪声可同时产生12和20倍频信号生成装置，如图1所示，该装置包括：激光器1、偏振控制器2、IQ调制器3、本振源4、梳状滤波器5、相位调制器6、光电检测器一7、1×4分光器8、光滤波器一9、光滤波器二10、光滤波器三11、光滤波器四12、2×1光合束器一13、2×1光合束器二14、光电检测器二15、光电检测器三16；

具体连接方式为：激光器1的输出端连接偏振控制器2的输入端，偏振控制器2的输出端连接IQ调制器3的光输入端，本振源4的输出端分别连接IQ调制器3上下两臂的电输入端，IQ调制器3的输出端连接梳状滤波器5的输入端，梳状滤波器5的输出端分别连接相位调制器6和光电检测器一7的光输入端，光电检测器一7的输出端连接相位调制器6的电输入端，位调制器6的输出端连接1×4分光器8的输入端，1×4分光器8的输出端分别连接光滤波器一9、光滤波器二10、光滤波器三11和光滤波器四12的输入端，光滤波器一9和光滤波器二10的输出端连接2×1光合束器一13的输入端，光滤波器三11和光滤波器四12的输出端连接2×1光合束器二14的输入端，2×1光合束器一13的输出端连接光电检测器二15的输入端，2×1光合束器二14的输出端，连接光电检测器三16的输入端；

IQ调制器参数设置为：集成两臂MZ均偏置于最大传输点，上下两臂光信号相位差为180度，由本振源4提供的上下两臂电信号相位差为90度。

本实施例中，激光器1的中心频率193.365THz，本振源4提供的射频频率为4GHz,经过IQ调制器3后，光谱如图2所示，经过梳状滤波器5，相位调制器6光输入端光谱如图3所示，光电检测器一7输入端光谱如图4所示，经过光电检测器一7相位调制器6电输入端频谱如图5所示，经过相位调制器6，光谱如图6所示，经过光滤波器一9光谱如图7所示，经过光滤波器二10光谱如图8所示，经过光滤波器三11光谱如图9所示，经过光滤波器四12光谱如图10所示，经过2×1光合束器一13光谱如图11所示，经过2×1光合束器二14光谱如图12所示，经过光电检测器二15，可生成12倍于本振源频率的48GHz毫米波,频谱如图13所示，经过光电检测器三16，可生成20倍于本振源频率的80GHz毫米波频谱如图14所示。

实施例二：

一种低相位噪声可同时产生12和20倍频信号生成装置，如图1所示，该装置包括：激光器1、偏振控制器2、IQ调制器3、本振源4、梳状滤波器5、相位调制器6、光电检测器一7、1×4分光器8、光滤波器一9、光滤波器二10、光滤波器三11、光滤波器四12、2×1光合束器一13、2×1光合束器二14、光电检测器二15、光电检测器三16；

具体连接方式为：激光器1的输出端连接偏振控制器2的输入端，偏振控制器2的输出端连接IQ调制器3的光输入端，本振源4的输出端分别连接IQ调制器3上下两臂的电输入端，IQ调制器3的输出端连接梳状滤波器5的输入端，梳状滤波器5的输出端分别连接相位调制器6和光电检测器一7的光输入端，光电检测器一7的输出端连接相位调制器6的电输入端，位调制器6的输出端连接1×4分光器8的输入端，1×4分光器8的输出端分别连接光滤波器一9、光滤波器二10、光滤波器三11和光滤波器四12的输入端，光滤波器一9和光滤波器二10的输出端连接2×1光合束器一13的输入端，光滤波器三11和光滤波器四12的输出端连接2×1光合束器二14的输入端，2×1光合束器一13的输出端连接光电检测器二15的输入端，2×1光合束器二14的输出端，连接光电检测器三16的输入端；

IQ调制器参数设置为：集成两臂MZ均偏置于最大传输点，上下两臂光信号相位差为180度，由本振源4提供的上下两臂电信号相位差为90度。

本实施例中，激光器1的中心频率193.365THz,本振源4提供的射频频率为5GHz,经过IQ调制器3后，光谱如图2所示，经过梳状滤波器5，相位调制器6光输入端光谱如图3所示，光电检测器一7输入端光谱如图4所示，经过光电检测器一7相位调制器6电输入端频谱如图5所示，经过相位调制器6，光谱如图6所示，经过光滤波器一9光谱如图7所示，经过光滤波器二10光谱如图8所示，经过光滤波器三11光谱如图9所示，经过光滤波器四12光谱如图10所示，经过2×1光合束器一13光谱如图11所示，经过2×1光合束器二14光谱如图12所示，经过光电检测器二15，可生成12倍于本振源频率的60GHz毫米波,频谱如图13所示，经过光电检测器三16，可生成20倍于本振源频率的100GHz毫米波频谱如图14所示。

实施例三：

一种低相位噪声可同时产生12和20倍频信号生成装置，如图1所示，该装置包括：激光器1、偏振控制器2、IQ调制器3、本振源4、梳状滤波器5、相位调制器6、光电检测器一7、1×4分光器8、光滤波器一9、光滤波器二10、光滤波器三11、光滤波器四12、2×1光合束器一13、2×1光合束器二14、光电检测器二15、光电检测器三16；

具体连接方式为：激光器1的输出端连接偏振控制器2的输入端，偏振控制器2的输出端连接IQ调制器3的光输入端，本振源4的输出端分别连接IQ调制器3上下两臂的电输入端，IQ调制器3的输出端连接梳状滤波器5的输入端，梳状滤波器5的输出端分别连接相位调制器6和光电检测器一7的光输入端，光电检测器一7的输出端连接相位调制器6的电输入端，位调制器6的输出端连接1×4分光器8的输入端，1×4分光器8的输出端分别连接光滤波器一9、光滤波器二10、光滤波器三11和光滤波器四12的输入端，光滤波器一9和光滤波器二10的输出端连接2×1光合束器一13的输入端，光滤波器三11和光滤波器四12的输出端连接2×1光合束器二14的输入端，2×1光合束器一13的输出端连接光电检测器二15的输入端，2×1光合束器二14的输出端，连接光电检测器三16的输入端；

IQ调制器参数设置为：集成两臂MZ均偏置于最大传输点，上下两臂光信号相位差为180度，由本振源4提供的上下两臂电信号相位差为90度。

本实施例中，激光器1的中心频率193.365THz,本振源4提供的射频频率为6GHz,经过IQ调制器3后，光谱如图2所示，经过梳状滤波器5，相位调制器6光输入端光谱如图3所示，光电检测器一7输入端光谱如图4所示，经过光电检测器一7相位调制器6电输入端频谱如图5所示，经过相位调制器6，光谱如图6所示，经过光滤波器一9光谱如图7所示，经过光滤波器二10光谱如图8所示，经过光滤波器三11光谱如图9所示，经过光滤波器四12光谱如图10所示，经过2×1光合束器一13光谱如图11所示，经过2×1光合束器二14光谱如图12所示，经过光电检测器二15，可生成12倍于本振源频率的72GHz毫米波,频谱如图13所示，经过光电检测器三16，可生成20倍于本振源频率的120GHz毫米波频谱如图14所示。

实施例四：

一种低相位噪声可同时产生12和20倍频信号生成装置，如图1所示，该装置包括：激光器1、偏振控制器2、IQ调制器3、本振源4、梳状滤波器5、相位调制器6、光电检测器一7、1×4分光器8、光滤波器一9、光滤波器二10、光滤波器三11、光滤波器四12、2×1光合束器一13、2×1光合束器二14、光电检测器二15、光电检测器三16；

具体连接方式为：激光器1的输出端连接偏振控制器2的输入端，偏振控制器2的输出端连接IQ调制器3的光输入端，本振源4的输出端分别连接IQ调制器3上下两臂的电输入端，IQ调制器3的输出端连接梳状滤波器5的输入端，梳状滤波器5的输出端分别连接相位调制器6和光电检测器一7的光输入端，光电检测器一7的输出端连接相位调制器6的电输入端，位调制器6的输出端连接1×4分光器8的输入端，1×4分光器8的输出端分别连接光滤波器一9、光滤波器二10、光滤波器三11和光滤波器四12的输入端，光滤波器一9和光滤波器二10的输出端连接2×1光合束器一13的输入端，光滤波器三11和光滤波器四12的输出端连接2×1光合束器二14的输入端，2×1光合束器一13的输出端连接光电检测器二15的输入端，2×1光合束器二14的输出端，连接光电检测器三16的输入端；

IQ调制器参数设置为：集成两臂MZ均偏置于最大传输点，上下两臂光信号相位差为180度，由本振源4提供的上下两臂电信号相位差为90度。

本实施例中，激光器1的中心频率193.365THz,本振源4提供的射频频率为7GHz,经过IQ调制器3后，光谱如图2所示，经过梳状滤波器5，相位调制器6光输入端光谱如图3所示，光电检测器一7输入端光谱如图4所示，经过光电检测器一7相位调制器6电输入端频谱如图5所示，经过相位调制器6，光谱如图6所示，经过光滤波器一9光谱如图7所示，经过光滤波器二10光谱如图8所示，经过光滤波器三11光谱如图9所示，经过光滤波器四12光谱如图10所示，经过2×1光合束器一13光谱如图11所示，经过2×1光合束器二14光谱如图12所示，经过光电检测器二15，可生成12倍于本振源频率的84GHz毫米波,频谱如图13所示，经过光电检测器三16，可生成20倍于本振源频率的140GHz毫米波频谱如图14所示。

在上述实施例中，毫米波的范围并不限于64/80-112/140GHz。

本发明上述实施例可在更低的射频本振频率下，同时产生两种倍频，尤其是12和20倍频的高性能毫米波，不仅提升了光子倍频器的倍频因子，更是打破了光子倍频器无法多种倍频因子毫米波同时输出的难题，在保证毫米波系统性能的前提下，大大提升了系统性价比，以及应用范围。

本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种说明性逻辑块(illustrative logical block)，单元，和步骤可以通过电子硬件、电脑软件，或两者的结合进行实现。为清楚展示硬件和软件的可替换性(interchangeability)，上述的各种说明性部件(illustrative components)，单元和步骤已经通用地描述了它们的功能。这样的功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。

以上所述的具体实施方式，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方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，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 (2)

1.一种可同时生成两种倍频因子毫米波信号的装置，其特征在于，包括：

激光器、偏振控制器、IQ(同相正交)调制器、本振源、梳状滤波器、相位调制器、光电检测器一、1×4分光器、光滤波器一、光滤波器二、光滤波器三、光滤波器四、2×1光合束器一、2×1光合束器二、光电检测器二、光电检测器三；

所述激光器的输出端连接所述偏振控制器的输入端，所述偏振控制器的输出端连接所述IQ调制器的光输入端，所述本振源的输出端分别所述连接IQ调制器上下两臂的电输入端，所述IQ调制器的输出端连接所述梳状滤波器的输入端，所述梳状滤波器的输出端分别连接所述相位调制器和所述光电检测器一的光输入端，所述光电检测器一的输出端连接所述相位调制器的电输入端，所述相位调制器的输出端连接所述1×4分光器的输入端，所述1×4分光器的输出端分别连接所述光滤波器一、所述光滤波器二、所述光滤波器三和所述光滤波器四的输入端，所述光滤波器一和所述光滤波器二的输出端连接所述2×1光合束器一的输入端，所述光滤波器三和所述光滤波器四的输出端连接所述2×1光合束器二的输入端，所述2×1光合束器一的输出端连接所述光电检测器二的输入端，所述2×1光合束器二的输出端，连接所述光电检测器三的输入端。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述IQ调制器的集成两臂MZ(马赫曾德尔)均偏置于最大传输点，上下两臂光信号相位差为180度，由本振源提供的上下两臂电信号相位差为90度。