CN104767562A - 一种基于微波光子技术的微波源相位噪声测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于微波光子技术的微波源相位噪声测量装置包括依次连接的激光源、电光调制器、光纤、偏振调制器、光带通滤波器、偏振控制器、检偏器、光电探测器、微波功分器和快速傅里叶变换分析仪。待测微波信号由微波功分器分为第一微波信号与第二微波信号；第一微波信号经电光调制器调制于光载波上，得到初始调制光信号；利用偏振调制器将第二微波信号调制于光纤延时后的初始调制光信号，得到最终调制光信号；最终调制光信号依次通过光带通滤波器、偏振控制器、检偏器和光电探测器，输出的电信号经FFT分析仪处理计算后得到相位噪声。本发明的装置和方法具有精确度与灵敏度高、工作带宽大，并且测量精度与灵敏度在整个工作带宽内不变等优点。

Description

一种基于微波光子技术的微波源相位噪声测量装置及方法

技术领域

本发明涉及微波源相位噪声测量、微波光子学领域，具体是一种微波源相位噪声测量方法及装置。

背景技术

微波源在通信、雷达以及电子测试等系统中具有重要作用，其相位噪声直接影响着上述系统的性能，例如，在微波通信系统中使用低相位噪声的本振微波源能使接收机具有高的信噪比与灵敏度。目前，性能较好的X波段的微波振荡器的相位噪声在10kHz频偏处已低至-160dBc/Hz，而商用相位噪声测量仪器在10GHz频率处的相位噪声测量极限通常为-120dBc/Hz10kHz左右。因此，研究能在高频、宽带条件下具有更高精确度与灵敏度的微波源相位噪声的测量技术非常必要。传统的相位噪声测量方法基于外差技术实现：待测微波源与一个同频的参考源混频，得到的电信号与待测微波源的相位抖动相关，据此可计算出待测微波源的相位噪声。这种方法的测量精度和工作带宽严重依赖于参考源，当被测微波源的相位噪声低于参考源的相位噪声时，该测试系统不能得到正确的测量结果。基于光延时的相位噪声测量是一种不需要外部参考源的方法，具有简单的系统结构与更高的测量精度(E.Rubiola,E.Salik,S.Huang,N.Yu,and L.Maleki,“Photonic-delay technique for phase-noise measurement of microwaveoscillators,”Journal of the Optical Society of America B,vol.22,pp.987-997,May 2005)。在传统的基于光纤延时的相位噪声测量方案中，待测微波源输出信号首先经光电调制器调制于直流光载波，得到的调制光信号被分成两路，其中的一路光信号经过光纤延时之后，两路光信号分别通过光电探测器转换为微波信号，得到的两路微波信号经过微波放大器、移相器后在混频器中混频，最终依据混频器输出的电信号计算出待测微波源的相位噪声。由于当前的微波混频器、放大器和移相器等器件在宽带工作模式下，尤其是在高频工作时的性能并不理想，因此以上相位噪声测量方案的工作带宽、测量精度以及灵敏度都会受到限制，并且测量精度与灵敏度会随待测信号频率的升高而降低。另一方面，传统的基于光延时的相位噪声测量系统在测量高频微波信号相位噪声时需要使用高速光电探测器，其噪声特性也会恶化测量精度与灵敏度。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种基于微波光子技术的微波源相位噪声测量装置及方法，该装置及方法无需使用微波放大器、混频器以及移相器，通过微波光子技术同时实现微波信号的混频与移相功能，能提高微波源相位噪声测量系统的测量精度、灵敏度以及工作带宽。

为实现上述目的，本发明公开了一种基于微波光子技术的微波源相位噪声测量装置，包括沿光路依次连接的激光源、电光调制器、光纤、偏振调制器、光带通滤波器、偏振控制器、检偏器、光电探测器、微波功分器和快速傅里叶变换分析仪。

作为上述技术方案的进一步改进，所述微波功分器的输入端与待测微波源的输出端连接；所述微波功分器的两个输出端分别与电光调制器和偏振调制器的驱动信号输入端连接；所述光带通滤波器允许光信号中的+1阶或-1阶边带通过；所述偏振控制器用于调节光信号的偏振态；所述光电探测器用于将检偏器输出的光信号转换为电信号；所述傅里叶变换分析仪用于采集光电探测器输出的电信号并进行傅里叶变换计算。

作为上述技术方案的另一种改进，所述电光调制器为宽带电光调制器。

作为上述技术方案的另一种改进，所述电光调制器为电光相位调制器、强度调制器或偏振调制器中的一种。

作为上述技术方案的另一种改进，所述偏振调制器为宽带偏振调制器。

作为上述技术方案的另一种改进，所述微波功分器为宽带微波功分器。

作为上述技术方案的另一种改进，所述光带通滤波器为通带可调谐的光带通滤波器。

作为上述技术方案的另一种改进，所述光电探测器为低速光电探测器，其带宽不小于相位噪声测量中的频偏范围。

利用上述技术方案所述的基于微波光子技术的微波源相位噪声测量装置的测量方法，测量过程如下：待测微波信号由微波功分器分为第一微波信号和第二微波信号，其中第一微波信号经电光调制器调制于激光源产生的光载波上，得到具有±1阶边带的初始调制光信号；所述初始调制光信号经过光纤延时后，利用偏振调制器将第二微波信号调制于光纤延时后的初始调制光信号上，得到最终调制光信号；利用光带通滤波器对最终调制光信号进行滤波，光带通滤波器仅允许最终调制光信号中的+1阶或-1阶边带通过；光带通滤波器输出的光信号经偏振控制器调节偏振态后送入检偏器；检偏器输出的光信号输入到光电探测器实现光信号到电信号的转换；最后，使用傅里叶变换分析仪采集光电探测器输出的电信号，并通过进一步计算可得到待测微波源的相位噪声。

本发明的基于微波光子技术的微波源相位噪声测量装置及方法具有精确度与灵敏度高、工作带宽大，并且测量精度与灵敏度在整个工作带宽内不变等优点：

1、无需使用微波移相器与混频器，采用级联的电光调制器、偏振调制器、偏振控制器、检偏器以及光电探测器同时实现微波信号的混频与移相功能，与传统的利用光延时测量相位噪声的方法相比具有工作带宽大、动态范围大、响应平坦的优点，能使相位噪声测量系统具有大的工作带宽，并且在整个工作带宽内具有平坦的测量精确度与灵敏度；

2、无需使用微波放大器等有源微波器件，能降低微波源相位噪声测量系统的噪底，即提高测量精度与灵敏度。

3、可以使用低速光电探测器(带宽不小于相位噪声测量中的频偏范围)。传统的利用光延时测量相位噪声的方法要求光电探测器的带宽不小于测量信号的频率(通常较高)，考虑到低速光电探测器具有更好的噪声特性，因而本发明可以获得更高的相位噪声测量精度与灵敏度。

附图说明

图1是本发明基于微波光子技术的微波源相位噪声测量装置结构原理示意图；

图2是采用本发明的基于微波光子技术的微波源相位噪声测量装置与采用商用测量仪器测量一个10GHz微波源相位噪声的结果对比图；

图3是本发明装置在10kHz频偏出相位噪声测量基底随待测信号频率的变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提出的基于微波光子技术的微波源相位噪声测量装置及方法进行详细说明。

如图1所示，本发明的基于微波光子技术的微波源相位噪声测量装置包括沿光路方向依次连接的激光源、电光调制器、光纤、偏振调制器、光带通滤波器、偏振控制器、检偏器、光电探测器，以及微波功分器和FFT(傅里叶变换)分析仪。其中电光调制器可以为电光相位调制器、强度调制器与偏振调制器中的一种；待测微波源的输出端与微波功分器的输入端连接；微波功分器的两个输出端分别与电光调制器和偏振调制器的驱动信号输入端相连接。激光源用于产生光载波信号，微波功分器用于将微波源输出的待测微波信号分成两路；光带通滤波器为通带可调谐的光带通滤波器，用于滤出调制光信号中的+1或-1阶调制边带；偏振控制器用于调节光信号的偏振方向与检偏器透射方向的夹角；光电探测器用于实现光信号到电信号的转换；FFT分析仪对光电探测器的输出信号进行采集与处理。

在本实施例中，激光源优选大输出功率激光源。电光调制器优选宽带电光调制器。偏振调制器优选宽带偏振调制器。光纤优选单模光纤。微波功分器优选宽带微波功分器。光带通滤波器优选通带可调谐的光带通滤波器。检偏器优选偏振隔离度高的检偏器。光电探测器优选低速光电探测器，其带宽不小于相位噪声测量中的频偏范围。当然，这些优选是为了使本发明的装置和方法的实现效果更佳，并不是实现本发明装置和方法的唯一选择，也不对本发明的保护范围造成限制。

如图1所示，本发明的测量方法过程为：待测微波信号被微波功分器分成第一微波信号和第二微波信号；第一微波信号和第二微波信号分别驱动电光调制器和偏振调制器；所述电光调制器将第一微波信号调制于激光源输出的光载波上，得到的初始调制光信号具有±1阶调制边带；上述初始调制光信号经过光纤延时后，通过偏振调制器将第二微波信号调制于延时后的初始调制光信号，得到最终调制光信号；而后，采用光带通滤波器滤出最终调制光信号中的+1或-1阶调制边带，得到的光信号经偏振控制器调节偏振方向后通过检偏器输出；利用光电探测器对检偏器输出的光信号进行拍频得到电信号；光电探测器输出的电信号由FFT分析仪采集与处理，即可进一步计算得到待测微波信号的相位噪声。本实施无需使用微波放大器、混频器以及移相器，通过电光调制器、偏振调制器、偏振控制器、检偏器以及光电探测器同时实现微波信号的混频与移相功能，所使用的光电探测器可以使用噪声特性更好的低速光电探测器。

为了使公众理解本发明技术方案，下面对上述测量装置的工作原理以电光调制器为宽带电光相位调制器为例进行介绍：

设微波功分器输出的第一微波信号为E₁(t)、第二微波信号为E₂(t)，并且其中V为第一微波信号和第二微波信号的幅度，ω为待测微波信号的角频率，为待测微波信号的相位波动。设激光源产生的光载波为E_c(t)＝E_cexp(jω_ct)，其中E_c为光载波信号的幅度，ω_c为光载波信号的角频率。电光相位调制器由E₁(t)驱动，其输出光信号为：

$E_{o1}\left(t\right)=E_c\mathrm{exp\; j}[{\mathrm{\ω}}_{c}t+\frac{\mathrm{\π}{E}_1\left(t\right)}{V_{\mathrm{\π}1}}]---\left(1\right)$

其中，j是虚数单位，V_π1为电光相位调制器的半波电压。

利用光纤对电光相位调制器输出的光信号延时τ后的光信号为：

$E_{o2}\left(t\right)=E_c\mathrm{exp\; j}[{\mathrm{\ω}}_c(t-\mathrm{\τ})+\frac{\mathrm{\π}{E}_1(t-\mathrm{\τ})}{V_{\mathrm{\π}1}}]---\left(2\right)$

式(2)中的光信号输入偏振调制器进行偏振调制，其中偏振调制器由第二微波信号E₂(t)驱动，偏振调制器输出的光信号为：

$\left[\begin{array}{c}{E}_x\\ E_y\end{array}\right]=\frac{\sqrt{2}}{2}{E}_c{e}^{{\mathrm{j\ω}}_c(t-\mathrm{\τ})}\left[\begin{array}{c}\mathrm{exp\; j}[\frac{{\mathrm{\πE}}_1(t-\mathrm{\τ})}{V_{\mathrm{\π}1}}\frac{{\mathrm{\πE}}_2\left(t\right)}{V_{\mathrm{\π}2}}+\mathrm{\φ}]\\ \mathrm{exp\; j}[\frac{{\mathrm{\πE}}_1(t-\mathrm{\τ})}{V_{\mathrm{\π}1}}-\frac{{\mathrm{\πE}}_2\left(t\right)}{V_{\mathrm{\π}2}}]\end{array}\right]---\left(3\right)$

其中，E_x和E_y分别是光载波两个偏振态上的光电场强度，V_π2为偏振调制器的半波电压，φ为由偏振调制器引入的E_x和E_y之间的固定相位差，可以通过调节偏振调制器的偏置电压来改变。当使用可调谐光带通滤波器滤出+1阶边带时，得到的光信号为：

其中，J₁是一阶第一类贝塞尔函数。

调节偏振调制的偏置电压，使φ＝π/2，则以上光信号经过偏振控制器、检偏器和光电探测器后，输出的电流信号为：

其中，α是检偏器的透射方向与偏振调制器主轴的夹角。式(5)中电流信号i_PD(t)相当于经光纤延时后的第一微波信号与第二微波信号经混频实现频率下变换的结果，其相位可以通过调节偏振控制器改变夹角α的大小来调节。当调节偏振控制器使2α+ωτ＝π/2，式(5)可表示为：

通过式(6)发现，光电探测器输出的电信号与待测微波信号相位抖动相关。式(6)的信号经过FFT分析仪采集，即可计算得到待测微波源的相位噪声，具体的计算式为：

$L\left(f\right)\∝\frac{S_o\left(f\right)}{{\sin }^2\left(\mathrm{\πf\τ}\right)}---\left(7\right)$

其中f为距离被测微波信号频率的偏移量，L(f)是待测微波源的相位噪声，S_o(f)是光电探测器输出信号经FFT分析仪采集并进行FFT运算的到的结果。

图2为采用本发明中基于微波光子技术的微波源相位噪声测量装置，以及采用商用测量仪器(安捷伦E4447A)测量一个10GHz微波源相位噪声的结果对比图。图2中第一曲线是采用商用仪器测量的结果，第二曲线是采用本发明的基于微波光子技术的微波源相位噪声测量装置测量的结果。通过对比可以发现，本发明提出的基于微波光子技术的微波源相位噪声测量装置跟采用商用仪器测试结果吻合的较好，证实了本发明的可行性和测量准确性。

图3为当待测微波源频率为5GHz至40GHz范围时，利用本发明基于微波光子技术的微波源相位噪声测量装置，在10kHz频偏处的相位噪声测量基底。从图3的结果可以发现：本发明的微波源相位噪声测量装置的工作带宽可达到40GHz(受限于电光调制器的带宽)；本发明的微波源相位噪声测量装置在10kHz频偏处的噪底低于-134dBc/Hz，并且在5GHz至40GHz测量范围内的变化小于4dB。目前，大多数商用相位噪声测量仪器的测量带宽都比较小，在测量高频微波源相位噪声时需要借助下变频装置，在测量10GHz信号时得到的10kHz频偏处的相位噪声测量基底通常为-120dBc/Hz左右。以上结果证明了本发明的基于微波光子技术的微波源相位噪声测量装置具有工作带宽大、测量精度与灵敏度高的优势。

Claims (9)

1.一种基于微波光子技术的微波源相位噪声测量装置，其特征在于：包括沿光路依次连接的激光源、电光调制器、光纤、偏振调制器、光带通滤波器、偏振控制器、检偏器、光电探测器、微波功分器和快速傅里叶变换分析仪。

2.根据权利要求1所述的基于微波光子技术的微波源相位噪声测量装置，其特征在于：所述微波功分器的输入端与待测微波源的输出端连接；所述微波功分器的两个输出端分别与电光调制器和偏振调制器的驱动信号输入端连接；所述光带通滤波器允许光信号中的+1阶或-1阶边带通过；所述偏振控制器用于调节光信号的偏振态；所述光电探测器用于将检偏器输出的光信号转换为电信号；所述傅里叶变换分析仪用于采集光电探测器输出的电信号并进行傅里叶变换计算。

3.根据权利要求1所述的基于微波光子技术的微波源相位噪声测量装置，其特征在于：所述电光调制器为宽带电光调制器。

4.根据权利要求1所述的基于微波光子技术的微波源相位噪声测量装置，其特征在于：所述电光调制器为电光相位调制器、强度调制器或偏振调制器中的一种。

5.根据权利要求1所述的基于微波光子技术的微波源相位噪声测量装置，其特征在于：所述偏振调制器为宽带偏振调制器。

6.根据权利要求1所述的基于微波光子技术的微波源相位噪声测量装置，其特征在于：所述微波功分器为宽带微波功分器。

7.根据权利要求1所述的基于微波光子技术的微波源相位噪声测量装置，其特征在于：所述光带通滤波器为通带可调谐的光带通滤波器。

8.根据权利要求1所述的基于微波光子技术的微波源相位噪声测量装置，其特征在于：所述光电探测器为低速光电探测器，其带宽不小于相位噪声测量中的频偏范围。

9.利用权利要求1至9任意一项所述的基于微波光子技术的微波源相位噪声测量装置的测量方法，其特征在于：测量过程如下：待测微波信号由微波功分器分为第一微波信号和第二微波信号，其中第一微波信号经电光调制器调制于激光源产生的光载波上，得到具有±1阶边带的初始调制光信号；所述初始调制光信号经过光纤延时后，利用偏振调制器将第二微波信号调制于光纤延时后的初始调制光信号上，得到最终调制光信号；利用光带通滤波器对最终调制光信号进行滤波，光带通滤波器仅允许最终调制光信号中的+1阶或-1阶边带通过；光带通滤波器输出的光信号经偏振控制器调节偏振态后送入检偏器；检偏器输出的光信号输入到光电探测器实现光信号到电信号的转换；最后，使用傅里叶变换分析仪采集光电探测器输出的电信号，并通过进一步计算可得到待测微波源的相位噪声。