CN104821850B - 利用光电振荡器主动校准光纤传输微波信号相位的装置 - Google Patents

Abstract

一种利用光电振荡器主动校准光纤传输微波信号相位的装置，包括：一中心站和一基站，其中心站和基站之间通过一单模光纤连接。本发明可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，并突破电子技术实现高频微波信号稳相传输的瓶颈。

Description

利用光电振荡器主动校准光纤传输微波信号相位的装置

技术领域

本发明属于微波光子学技术领域，更具体的说是一种光子技术以及光电振荡器理论稳相传输微波信号形，一种基于往返相位校正技术实现光纤稳相传输微波信号的装置。

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，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，利用被动相位校正的校正精度低并且需要存在较大的校正误差。为了克服被动相位控制的缺点，本专利提出了一种新型的主动实时消除射频信号相位误差的方法。

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，以及多点式接入，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，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利用光电振荡器主动校准光纤传输微波信号相位的装置，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，并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，本发明提供一种利用光电振荡器主动校准光纤传输微波信号相位的装置，包括：

一中心站和一基站，其中心站和基站之间通过一单模光纤连接。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的利用光电振荡器主动校准光纤传输微波信号相位的装置，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，并且利用光电振荡器的理论可以有效的提高传输微波信号的短期稳定性，通过将微波信号参考域超稳参考可以提高传输微波信号的长期稳定性，另外该系统可以多点接入，通过4端口光耦合器将传输微波信号接入到多点。

2、本发明提供的利用光电振荡器主动校准光纤传输微波信号相位的装置，由于利用光电振荡器原理所以传输的微波信号的相位噪声较低，由于对于高频微波信号。

3、由于采用主动相位校正实现微波信号光纤稳相传输，故克服了被动方式实现微波信号稳相传输的精度低的弊端；该方案的相关器件都为市场可以购买的器件，故该方案可以实现实用化，结构稳定，成本低廉。

附图说明

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，其中：

图1是本发明提供的利用光电振荡器主动校准微波信号光纤传输的装置的结构示意图；

图2、图3是本发明提供的利用光电振荡器主动校准微波信号光纤传输的装置产生实验结果的类似图；

具体实施方式

本发明提供的利用光电振荡器主动校准光纤传输微波信号相位的装置，包括：一中心站20和一基站50，其中心站20和基站50之间通过一单模光纤40连接。所述的利用光电振荡器主动校准微波信号光纤传输的装置，其中该中心站20包括：激光器21用于载需要传输的微波信号，该光信号输入到双平衡马赫曾德强度调制器22产生调制边带，然后通过光滤波器，对于马赫曾德调制器的一个马赫曾德调制被偏置于最小传输点，故载波被抑制掉，另个马赫曾德调制器偏置于最大传输点，通过光滤波器进行滤波产生单边带调制光信号，可以引入移相，从而实时补偿由于外界温度和振动引入的相位变化；强度调制的光信号通过光耦合器分为两路，一路进入光电探测器形成光电振荡器并且产生参考的微波信号，另一路光信号通过单模光纤从中心站传输到基站并且从基站回传到中心站，回传的光信号通过光电探测器进行光电转换，产生同频微波信号，该微波信号与参考微波信号进行上混频产生2倍频微波信号并且该二倍频微波信号与参考微波信号进行第二次混频产生所需要的误差电压信号，该误差电压信号反馈到电移相器，从而实时的控制传播的微波信号的相位，补偿链路引入的相位抖动。该装置结合了光电振荡器理论和主动相位校正可以将高质量的微波信号稳相传输，此微波信号的频率和相位和基站需要传输的微波信号时一致的。

如图1所示，图1是本发明提供的利用光电振荡器主动校准光纤传输微波信号相位的装置，该装置一中心站20和一基站50，其中心站20和基站50之间通过一单模光纤40连接。其中该中心站20包括：激光器21、双平衡马赫曾德调制器22、光滤波器23、第一光耦合器24、第一环形器25、第一光电探测器26，电滤波器27，电放大器28，第一电耦合器29，第二电耦合器30，电倍频器31，第三光电探测器32，第一电混频器33，第二电混频器34，电移相器35，电放大器36；该基站50包括：第二光耦合器51，第二光环形器52，光放大器53，第二光电探测器54。

其中，激光器21，用于载需要传输的微波信号，其输出与双平衡马赫曾德调制器相连，提供连续光信号；双平衡马赫曾德调制器22，其光输入端口1与激光器21的输出端连接；用于电光转换，将需要传输的微波信号调制在光载波上，并且调节微波信号的相位，实时补偿链路的相位响应调制信号从中心站传输至基站，并将部分调制信号回传到中心站；光滤波器23，其输入端与双平衡马赫曾德调制器22的光输出端口2连接，用于将调制产生的双边带光信号滤为单边带光信号；第一光耦合器24，其端口1与光滤波器23的输出端连接，用于将调制光信号分为两路；，其中分光比为1∶9，小部分的光信号输入到第一光电探测器，作为参考信号，大部分光信号从中心站传输到基站以及将基站反射的调制光信号回传到中心站，其输出连接与第一环形器；第一环形器25，其端口1与第一光耦合器24的端口2连接，用于将调制光信号从中心站传输到基站以及从基站传输到中心站；第一光电探测器26，其输入端与第一光耦合器24的端口3连接，用于将调制光信号转换为微波信号；电滤波器27，其输入端与第一光电探测器26的输出端连接，用于滤除光电振荡环路的模式，只允许单一模式振荡；电放大器28，其输入端与电滤波器27的输出端连接，用于将滤出来的电信号放大，并且满足增益大于损耗；第一电耦合器29，其端口1与电放大器28的输出端连接，用于将滤出来的电信号分为两路，一路入射到第一电混频器，另一路入射到第二电耦合器；第二电耦合器30，其端口1与第一电耦合器29的端口3连接，用于将功分之后的电信号分为两路，分别入射到电倍频器和电移相器；电倍频器31，其输入端与第二电耦合器30的端口2连接，用于将功分的电信号倍频，并且输入第二电混频器；第三光电探测器32，其输入端与第一环形器25的端口3连接，用于将回传的光信号进行光电转换，产生微波信号并且输入到第二电混频器；第一电混频器33，其端口1与第三光电探测器32的输出端连接，用于将光电振荡器产生的电信号和第三光电探测器产生的电信号进行混频，该混频为上混频即将电信号倍频；第二电混频器34，其端口1与第一电混频器33的端口2连接，二倍频的电信号和第一混频器输出的电信号混频，产生相位浮动的电压信号；电移相器35，其端口1与第二电混频器34的端口3连接，其端口2与第二电耦合器30的端口3连接，用于反馈补偿传递微波信号的相位抖动和漂移，故可实时的补偿链路的相位噪声；电放大器36，其输入端与电移相器35的端口3连接，用于将电信号功率放大。单模光纤40用于将调制光信号从中心站传输到基站以及将光信号从基站传输到中心站；所述的利用光电振荡器主动校准微波信号光纤传输的装置，其中该基站50包括：第二光耦合器51，用于将调制的光信号分为两路，一路调制光信号从基站回传到基站，另一路光信号输入到第二光电探测器；第二光环形器52，其输入端2与第二光耦合器51的端口2连接，用于将从中心站传输到基站的光信号回传到中心站；光放大器53，其输入端与第二光环形器52的输出端3连接，其输出端口与光环器的1端口相连，用于将调制光信号放大并且回传到中心站；第二光电探测器54，其输入端与第二光耦合器51的端口3连接，用于将中心站发出的光载微波信号进行光电转换。

所述激光器21可以是半导体激光器，也可以是光纤激光器，激光器的线宽越窄越好，激光器的稳定度越稳越好，激光器的输出功率尽量大，并且该激光器输出的功率可调；所述的双平衡马赫曾德调制器22采用铌酸锂晶体调制器、半导体调制器或有机聚合物调制器，调制器的半波电压越好，调制器的插损越小越好；所述电滤波器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；所述光电探测器26、32、54是光电二极管或光电倍增管，采用磷化铟材料或硅基材料。

如图2、3所示给出了本发明微波信号光纤稳相传输的实验结果图，该图为类似结果图，图2和图3为通过采样示波器采集的微波信号的时域波形，图2为没有进行稳相传输的实验结果图，图3为稳相之后的实验结果图，由图可得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 (5)

1.一种利用光电振荡器主动校准光纤传输微波信号相位的装置，包括：

一中心站和一基站，其中心站和基站之间通过一单模光纤连接；

其中该中心站包括：

一激光器，用于载需要传输的微波信号；

一双平衡马赫曾德调制器，其光输入端口1与激光器的输出端连接；

一光滤波器，其输入端与双平衡马赫曾德调制器的光输出端口2连接，用于将调制产生的双边带光信号滤为单边带光信号；

一第一光耦合器，其端口1与光滤波器的输出端连接，用于将调制光信号分为两路；

一第一环形器，其端口1与第一光耦合器的端口2连接，用于将调制光信号从中心站传输到基站以及从基站传输到中心站；

一第一光电探测器，其输入端与第一光耦合器的端口3连接，用于将调制光信号转换为微波信号；

一电滤波器，其输入端与第一光电探测器的输出端连接，用于滤除光电振荡环路的模式，只允许单一模式振荡；

一电放大器，其输入端与电滤波器的输出端连接，用于将滤出来的电信号放大，并且满足增益大于损耗；

一第一电耦合器，其端口1与电放大器的输出端连接，用于将滤出来的电信号分为两路；

一第二电耦合器，其端口1与第一电耦合器的端口3连接，用于将功分之后的电信号分为两路，分别入射到电倍频器和电移相器；

一电倍频器，其输入端与第二电耦合器的端口2连接，用于将功分的电信号倍频，并且输入第二电混频器；

一第三光电探测器，其输入端与第一环形器的端口3连接，用于将回传的光信号进行光电转换，产生微波信号并且输入到第一电混频器；

一第一电混频器，其端口1与第三光电探测器的输出端连接，用于将 光电振荡器产生的电信号和第三光电探测器产生的电信号进行混频，该混频为上混频即将电信号倍频；

一第二电混频器，其端口1与第一电混频器的端口2连接，二倍频的电信号和第一混频器输出的电信号混频，产生相位浮动的电压信号；

一电移相器，其端口1与第二电混频器的端口3连接，其端口2与第二电耦合器的端口3连接，用于反馈补偿传递微波信号的相位抖动和漂移；

一电放大器，其输入端与电移相器的端口3连接，用于将电信号功率放大；

其中该基站包括：

一第二光耦合器，用于将调制的光信号分为两路，一路调制光信号从基站回传到中心站，另一路光信号输入到第二光电探测器；

一第二光环形器，其输入端2与第二光耦合器的端口2连接，用于将从中心站传输到基站的光信号回传到中心站；

一光放大器，其输入端与第二光环形器的输出端口3连接，其输出端口与第二光环形器的端口1相连，用于将调制光信号放大并且回传到中心站；

一第二光电探测器，其输入端与第二光耦合器的端口3连接，用于将中心站发出的光载微波信号进行光电转换。

2.根据权利要求1所述的利用光电振荡器主动校准光纤传输微波信号相位的装置，其中所述激光器是半导体激光器或是光纤激光器，该激光器输出的功率可调。

3.根据权利要求1所述的利用光电振荡器主动校准光纤传输微波信号相位的装置，其中所述的双平衡马赫曾德调制器采用铌酸锂晶体调制器、半导体调制器或有机聚合物调制器。

4.根据权利要求1所述的利用光电振荡器主动校准光纤传输微波信号相位的装置，其中所述电滤波器为任何结构的电滤波器，该电滤波器的带外抑制比应尽量高，该电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。

5.根据权利要求1所述的利用光电振荡器主动校准光纤传输微波信号相位的装置，其中所述第一、第三和第二光电探测器是光电二极管或光电倍增管，采用磷化铟材料或硅基材料。