CN105141373B - 一种超宽带多频段微波信号的产生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超宽带多频段微波信号的产生方法，该方法包括如下步骤：激光二极管(LD)作为输入光源，其光信号被光功分器平均分成两份，并分别注入到第一频率调制器(FM1)和第二频率调制器(FM2)中进行频率调制。第一频率调制器(FM1)和第二频率调制器(FM2)分别被频率为f1和f2的第一射频信号(RF1)和第二射频信号(RF2)所驱动，产生了频率间隔分别为f1和f2的第一光学频率梳(OFC1)和第二光学频率梳(OFC2)。然后两光学频率梳经耦合器注入在一起，混频后通过光电二极管拍频，产生了频率间隔为Δf＝|f1‑f2|的多频段微波信号。基于光学频率梳拍频产生的超宽带多频段微波信号在频谱带宽和频率分量上均具有优势，且频率间距可调谐。

Description

一种超宽带多频段微波信号的产生方法
技术领域
本发明涉及光生微波技术领域，尤其涉及一种超宽带多频段微波信号的产生技术。
背景技术
频率范围在300MHz到3000GHz的电磁波称为微波信号，对应的波长范围为0.1mm到100cm。微波作为一种常用的无线传输介质，在雷达、遥感、卫星通信宽带、无线接入网络等领域得到了广泛的应用。
高纯度、可调谐的微波信号的产生成为目前的主要研究热点。传统电生微波信号的技术有很多不足和局限，所以高频稳定地微波信号很难在电域中产生。而光生微波的方法能够有效地克服“电子瓶颈”。按照输入光源的形式，可以采用单频光源和多波长光源产生微波信号。利用单频光源的主要方法有强度和相位调制法、光注入锁定法、光学锁相环法和光注入锁相环法。利用多波长光源的主要方法是光子倍频法，即光学频率梳(OFC)作为输入光源。
上述所提到的光子技术产生的微波都是单频信号。到目前为止，利用光生多频段微波信号的产生技术并不是很多，且产生的多频段微波信号的频谱带宽窄，频率分量也较少。因此，如何产生超宽且频率分量较多的多频段微波信号变得尤为重要。
发明内容
技术问题：本发明的目的是解决目前利用光学方法所产生的多频段微波信号频谱带宽窄、频率分量少等问题，提供一种超宽频率间隔可调谐的多频段微波信号的产生方法。利用该方法产生的多频段微波信号不仅频谱带宽较宽，谱线纯度也较好，且不受激光光源线宽的影响。
技术方案：本发明的一种超宽带多频段微波信号的产生方法包括如下步骤：
光源信号经光功分器平均分成两份，并分别注入到第一频率调制器和第二频率调制器中进行频率调制，且第一频率调制器和第二频率调制器分别由频率不同的第一射频信号和第二射频信号所驱动，产生了两个频率间隔不同的光学频率梳即第一光学频率梳和第二光学频率梳；
然后，两光学频率梳经光耦合器耦合在一起，并注入到光电二极管中进行拍频，实现了光外差，产生频率间隔为两射频信号频率差的多频段微波信号。
所述的第一频率调制器和第二频率调制器，其调制深度与其频偏量成正比，当增大频偏量时，第一频率调制器和第二频率调制器的调制深度也随着增大，光源经第一频率调制器和第二频率调制器调制后能够输出超宽频谱的光学频率梳；两光学频率梳拍频后，能够实现超宽带多频段微波信号的产生；若减小第一频率调制器和第二频率调制器的频偏量，产生的多频段微波信号的频谱带宽也随着变窄，因此第一频率调制器和第二频率调制器的频偏量决定了产生的多频段微波信号的频谱带宽。
所述的两个射频信号的频率可调谐，为两个频率调制器提供驱动电压，改变两射频信号的频率差，能够实现产生的多频段微波信号频率间隔的可调谐。
所述的第一射频信号和第二射频信号的频率分别定义为f1和f2，两射频信号的频率差为Δf＝|f1-f2|。
所述的两个频率调制器的频偏量决定了产生的多频段微波信号的频谱带宽。当频率调制器的频偏量增大时，输出的多频段微波信号的频谱带宽也随着增大。但是当频偏量增加到一定值时，产生的多频段微波信号的频谱带宽竟保持不变。因为频率调制器的调制深度与其频偏量成正比，当频偏量增大时，调制深度就会增大。光源经FM调制后，产生的两OFC频谱带宽变宽，梳线数目增加。拍频后输出的多频段微波信号的频谱带宽就会变宽，频率分量随之增加。但是当频偏量达到一定值时，产生的OFC频谱带宽和梳线数目保持不变，使得输出的多频段微波信号的频谱带宽和频率分量保持不变。
所述的选择合适的频偏量，能够输出平均功率较高，频谱包络较为平坦，频谱带宽较大的多频段微波信号。
有益效果：本发明提出的超宽带多频段微波信号的产生方法，具有结构简单，易于实现，便于调谐等优点。无需复杂的参数控制，便可输出频率间隔可调谐的多频段微波信号。且产生的多频段微波信号具有良好的频谱特性，在频谱带宽和频率分量上兼具优势，可以在高速无线通信以及卫星转发器系统中得到重要的应用。
创新之处在于：
(1)只需改变两射频信号的频率差，就可以得到谱线间距的光学频率梳。
(2)本装置无需复杂的参数控制，易于操控。
附图说明
图1为本发明超宽带多频段微波信号的产生装置的结构图。
其中有：激光二极管LD，第一频率调制器FM1，第二频率调制器FM2，第一射频驱动信号RF1，第二射频驱动信号RF2，光电二极管PD，光耦合器OC，电谱分析仪ESA，第一光谱分析仪OSA1，第二光谱分析仪OSA2。
图2为RF1和RF2的频率分别在40GHz和20GHz情况下，得到的两光学频率梳和超宽带多频段微波信号的频谱图。
图3为四个不同Δf情况下，得到的超宽带多频段微波信号的频谱图。
图4为四组不同FM频率偏移量情况下，得到的超宽带多频段微波信号的频谱图。
图5为四个不同光源功率情况下，得到的超宽带多频段微波信号的频谱图。
图6为四个不同光源线宽情况下，得到的超宽带多频段微波信号的频谱图。
图7为四个不同PD响应度情况下，得到的超宽带多频段微波信号的频谱图。
具体实施方式
基于光学频率梳，利用光外差法，得到超宽且频率间隔可调谐的多频段微波信号的装置如下：一个单频光源，两个频率调制器以及为频率调制器提供电压的驱动射频电信号源，一个光耦合器，一个光电二极管。
本发明设计了一种超宽带多频段微波信号的产生方法，包括如下步骤：激光二极管LD作为输入光源，光信号被光功分器平均分成两份，并分别注入到第一频率调制器FM1和第二频率调制器FM2中进行频率调制，FM1和FM2分别被频率为f1和f2的第一射频信号RF和第二射频信号RF2所驱动，产生了频率间隔分别为f1和f2的第一光学频率梳OFC1和第二光学频率梳OFC2。然后两光学频率梳经耦合器注入在一起，混频后通过光电二极管拍频，产生了频率间隔为Δf＝|f1-f2|的多频段微波信号。
下面结合实例对超宽带多频段微波信号的产生方法作进一步阐述。
首先初步设置LD的中心频率为193.1THz，光功率为10mW，初始相位为0，线宽为10MHz；RF1的频率为40GHz；RF2的频率为20GHz；PD的响应度为1A/W；
实施例一
1、光源经FM1和FM2调制后，产生了频率间距分别为40GHz和20GHz的OFC1和OFC2，拍频后得到了频率间距为20GHz，频谱带宽为300GHz，谱线纯度较好的多频段微波信号(见附图2)。
2、当设置RF1和RF2的频率分别为f1＝40GHz、f2＝20GHz；f1＝30GHz、f2＝15GHz；f1＝20GHz、f2＝10GHz；f1＝10GHz、f2＝5GHz时，相对应的RF1与RF2频率差Δf依次为20GHz、15GHz、10GHz和5GHz，得到了频率间隔分别为20GHz、15GHz、10GHz和5GHz的多频段微波信号(见附图3)。
实施例二
3、其他参数保持不变，设置FM1和FM2的频率偏移量分别为400GHz和200GHz；360GHz和180GHz；120GHz和60GHz；100GHz和50GHz时，产生了四种不同的多频段微波信号。输出的多频段微波信号的频谱带宽随着两FM的频率偏移量的增大而增大。当FM的频率频率偏移量增加到一定值时，产生的多频段微波信号的频谱带宽保持不变。当FM1和FM2的频率偏移量分别为360GHz和180GHz时，输出的多频段微波信号的频谱包络最为平坦，平均功率最高，频谱带宽最大(见附图4)。
4、改变光源的输入功率依次为5dBm、10dBm、15dBm和20dBm时，输出的多频段微波信号的谱线平均功率随着光源输入功率的增大而增大(见附图5)。
5、改变光源的输入线宽分别为10MHz、1MHz、0.1MHz和0.01MHz时，输出的多频段微波信号几乎没有任何变化，谱线纯度均很高，所以产生的多频段微波信号对激光器光源线宽不敏感(见附图6)。
6、改变PD的响应度分别为1A/W、0.7A/W、0.4A/W和0.2A/W时，输出的多频段微波信号的谱线平均功率随着光源输入功率的增大而增大(见附图7)。

Claims (3)

1.一种超宽带多频段微波信号的产生方法，其特征在于该微波信号的产生方法为：光源信号(LD)经光功分器平均分成两份，并分别注入到第一频率调制器(FM1)和第二频率调制器(FM2)中进行频率调制，且第一频率调制器(FM1)和第二频率调制器(FM2)分别由频率不同的第一射频信号(RF1)和第二射频信号(RF2)所驱动，产生了两个频率间隔不同的光学频率梳；
然后，两光学频率梳经光耦合器耦合在一起，并注入到光电二极管中进行拍频，实现了光外差，产生频率间隔为两射频信号频率差的多频段微波信号；
所述的第一频率调制器(FM1)和第二频率调制器(FM2)，其调制深度与其频偏量成正比，当增大频偏量时，第一频率调制器(FM1)和第二频率调制器(FM2)的调制深度也随着增大，光源经第一频率调制器(FM1)和第二频率调制器(FM2)调制后能够输出超宽频谱的光学频率梳；两光学频率梳拍频后，能够实现超宽带多频段微波信号的产生；若减小第一频率调制器(FM1)和第二频率调制器(FM2)的频偏量，产生的多频段微波信号的频谱带宽也随着变窄，因此第一频率调制器(FM1)和第二频率调制器(FM2)的频偏量决定了产生的多频段微波信号的频谱带宽。
2.根据权利要求1所述的一种超宽带多频段微波信号的产生方法，其特征在于：所述的两个射频信号的频率可调谐，为两个频率调制器提供驱动电压，改变两射频信号的频率差，能够实现产生的多频段微波信号频率间隔的可调谐。
3.根据权利要求1所述的超宽带多频段微波信号的产生方法，其特征在于：所述的第一射频信号(RF1)和第二射频信号(RF2)的频率分别定义为f1和f2，两射频信号的频率差为Δf＝|f1-f2|。
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