CN105721062A - 一种低杂散宽带的微波光子混频装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了通信领域中的一种低杂散宽带的微波光子混频装置，包括激光器、光功分器、第一电光调制及光上处理模块、第二电光调制及光上处理模块和光电探测及电上处理模块。本发明基于电光调制技术、本振产生技术、光滤波技术、电光探测技术等，采用并行结构，将微波信号和本振信号调制到激光上，在光域对信号进行一定的处理，光电探测后实现原信号的混频输出，支持宽带、高频、多波段混频，允许射频信号下变换或中频信号上变换。

Description

一种低杂散宽带的微波光子混频装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域的一种低杂散宽带的微波光子混频装置。

背景技术

混频器作为射频前端的重要组成，是通信系统不可或缺的一部分。特别地，在卫星通信中，由于其距离远、传输量大、信号种类多，对混频技术提出了更高的要求，集L、S、C、Ku、Ka等多频段的宽带信号收发处理为一体是未来卫星通信系统发展的必然趋势。而当前单个微波混频器难以支持超宽带的模拟处理，且性能指标受到传统微波器件的限制，难以适应未来的发展，具体表现为：

为了满足更多的应用需求，卫星站也需要支持越来越多的频段和功能，例如导航、通信、测绘等需要对不同频段的数据进行处理和转发，而卫星具有在轨时间的需求，这就要求射频前可重配置并且通用。如果使用传统微波技术，则需要具备实现这些功能的不同射频前端，大大地增加了卫星通信系统的体积、功耗和升级的难度。

不仅在功能上，传统微波混频器的性能指标发展至今已趋于极限。处理带宽、隔离度、交调抑制、镜像抑制等是衡量变频模块的重要指标。微波器件的电子特性限制了混频器能处理的频段和带宽，同时传统微波混频器为了获得以上较高的性能指标需进行几级变频、滤波设计，不仅造成整个模块的复杂度提高，也已没有多少指标提升的空间。

现有技术的实现方案：

基于双臂电光外调制的变频系统实施例如图1所示，图中实线表示电路，虚线表示光路。本例为前级和后级两级基于双臂电光外调制的变频系统连接使用，两级系统结构相同；

前级：对本振信号进行光倍频，光本振信号LC从双臂电光外调制器的光输入端接入后分为两路，进入双臂电光外调制器的两个臂；偏置电压控制电路提供给双臂的偏置电压设置在最佳工作点，等于双臂的半波电压值，偏置电压控制电路保持偏置电压稳定。射频微波信号RF(f)分为两路RF1和RF2分别输入双臂电光外调制器的两臂，对进入两个臂的光本振信号LC进行调制，得到光倍频的光载本振信号，光电探测器将倍频的光载本振信号转换为电信号。经过选频放大电路，得到倍频的本振信号LC(n)。

后级：使用基于双臂电光外调制的变频系统进行光电变频，光载波信号P从双臂电光外调制器的光输入端接入后分为两路，进入双臂电光外调制器的两个臂；其中一条臂输入前级系统输出的倍频的本振信号LC(n)，另一条臂输入射频微波信号RFin，偏置电压控制电路与前级相同，本振信号和微波信号对进入两个臂的光载波信号进行调制形成两路光载微波信号，两路光载微波信号叠加后为双臂电光外调制器输出的经调制的有微波信号的光信号，即光载微波信号P(t)。光载微波信号在光探测器进行光电转换，光功率信号转换为电流强度信号，经过选频放大电路，得到所需要的下变频的中频微波信号IFout。

现有技术的缺点：

1)微波器件会造成本振和射频信号的泄漏，限制了变频过程的隔离度，出现杂散；

2)现有混频技术无法处理足够宽带且高频的信号；

3)现有混频技术无法做到多频段通用，使得系统无法重配置，升级困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有混频技术存在的杂散、窄带、低频问题，本专利提出一种低杂散宽带的微波光子混频装置，可通用于L到Ka频段中任意频段到任意频段的变频。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下：

本发明提出了一种低杂散宽带的微波光子混频装置，其特征在于包括：

激光器，用于产生一路设定频率的激光；

光功分器，用于将激光器产生的一路激光分成并行的第一路激光和第二路激光；

第一电光调制及光上处理模块，用于将外部输入的微波信号调制到第一路激光上并对光信号进行光滤波处理；

第二电光调制及光上处理模块，用于将本振信号调制到第二路激光上并对光信号进行光滤波处理；和

光电探测及电上处理模块，用于将第一电光调制及光上处理模块和第二电光调制及光上处理模块各自输出的光信号进行移相和耦合处理，并将光信号转换成电信号，让光上加载的输入微波信号和本振信号拍频，输出混频后的微波信号。

优选的，所述的第一电光调制及光上处理模块包括：

第一电光调制器，用于将外部输入的微波信号调制到第一路光路上；和

第一光滤波器，用于对第一电光调制器输出的光信号进行滤波处理，保留一阶单边带，抑制光载波和其它边带。

优选的，所述的第二电光调制及光上处理模块包括：

第二电光调制器，用于将本振信号调制到第二路光路上；和

第二光滤波器，用于对第二电光调制器输出的光信号进行滤波处理，保留一阶单边带，抑制光载波和其它边带。

优选的，所述的光电探测及电上处理模块包括：

光耦合器，用于将第一电光调制及光上处理模块和第二电光调制及光上处理模块各自输出的光信号进行移相和耦合处理；和

光电探测器，将光耦合器输出的光信号转换成电信号，输出微波单边带和本振单边带的拍频信号。

优选的，所述的光耦合器、光电探测及电上处理模块还包括：

电处理模块，可配合2*2移相耦合器或90度2*4光耦合器，用于对光电探测器输出的电信号进行耦合、滤波处理，实现镜像抑制、相干探测和平衡探测。

优选的，所述的第一电光调制器和第二电光调制器采用马赫-曾德尔调制器或电光IQ调制器；所述的第一光滤波器和第二光滤波器采用光纤布拉格光栅滤波器。

优选的，根据权利要求4所述的一种低杂散宽带的微波光子混频装置，其特征在于：所述的光耦合器采用二合一耦合器2*2移相耦合器或90度2*4光耦合器。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

针对现有混频技术存在的杂散、窄带、低频问题，本专利申请的微波光子混频技术可以提高可处理的信号带宽、降低混频输出的杂散分量、增加可处理的频段，提高通用性，适用于多频段中任意频段到任意频段的变频。

1)宽带高频。光信号具有超过50THz的宽带，在较大带宽内都不会出现微波器件出现的衰减、相移随频率改变而产生较大差距的现象，同时电光外调制器具有较大带宽，将宽带微波信号通过电光外调制器调制到光域上进行处理如滤波、交换、耦合、移相，都可以保证宽带高频信号的完好。

2)混频性能好，地杂散。微波光子链路在射频增益、低噪声系数、动态范围等指标上都能做到更好，而本专利通过并行结构及特殊的光上处理可较多地减少混频系统产生的杂散分量，从而实现低杂散的变频方式。

3)高隔离度。本专利通过外调制器将电信号调制到光上处理，有效地在混频过程中隔离了外界的电磁干扰。同时混频过程中各有用信号之间也因为光路的高隔离度而极大程度地降低了相互之间的干扰。

4)通用。由于微波光子技术具有的宽带高频特性，混频的微波信号可以是多个频段的，如L、S、C、Ku、Ka，多个频段之间可以实现任意频段到任意频段的变频，还可以支持下变频或上变频。

附图说明

图1是现有技术的基于双臂电光外调制的变频系统的原理框图；

图2是本发明的原理框图；

图3是本发明的第一电光调制及光上处理模块的原理框图；

图4是本发明的光电探测及电上处理模块的原理框图；

图5是本发明实施例1的原理框图；

图6是本发明实施例2的原理框图；

图7是本发明实施例3的原理框图。

具体实施方式

下面，结合图2至图7以及具体实施例对本发明做进一步说明。

如图2所示，一种低杂散宽带的微波光子混频装置，包括激光器、光功分器、第一电光调制及光上处理模块、第二电光调制及光上处理模块和光电探测及电上处理模块。

利用激光器产生一定频率的激光，通过光功分器将激光分成并行的两路：第一路激光和第二路激光。第一电光调制及光上处理模块将外部输入的微波信号调制到第一路激光上并对光信号进行光滤波处理，第二电光调制及光上处理模块将本振信号调制到第二路激光上并对光信号进行光滤波处理，在光上对调制产生的各分量进行处理，尽量仅保留需要的信号边带而对其他分量进行抑制。光电探测及电上处理模块将第一电光调制及光上处理模块和第二电光调制及光上处理模块各自输出的光信号进行移相和耦合处理，并将光信号转换成电信号，让光上加载的输入微波信号和本振信号拍频，输出混频后的微波信号。输入的微波信号可以是射频信号，混频输出中频信号，实现频率下变换；输入的微波信号也可以是中频信号，混频输出射频信号，实现频率上变换。

如图3所示，本发明的第一电光调制及光上处理模块包括第一电光调制器和第一光滤波器；第一电光调制器将外部输入的微波信号调制到第一路激光上；第一光滤波器对第一电光调制器输出的光信号进行滤波处理。第二电光调制及光上处理模块与第一电光调制及光上处理模块的结构相同，包括第二电光调制器和第二光滤波器，其中第二电光调制器用于将本振信号调制到第二路激光上；第二光滤波器，用于对第二电光调制器输出的光信号进行滤波处理。

电光调制采用外调制的方式，支持宽带微波信号，可覆盖多频段；光滤波器用来滤除光上不需要的分量。一种比较理想的方式是在该模块输出的光信号中，只保留所需要信号的一个边带分量，这可以让后期光电探测产生的混频信号更纯净，杂散分量更少。因此电光调制器可以选择马赫-曾德尔调制器，并通过对其电压偏置的控制让其工作在抑制载波模式下，一方面可以减少上下两路光载波相干造成输出信号抖动，另一方面也可以降低对光滤波器带宽及带外抑制的要求，减少信号边带附近的其他分量。光滤波器一种较好的选择可以是光纤布拉格光栅滤波器，利用布拉格光栅的窄带陷波特性，取其反射的一路得到一个窄带带通滤波器，具有高带外抑制比，可以极大地抑制杂散分量，且在光域上大范围可调。光滤波技术也是微波光子技术可以实现宽带、低杂散特性的主要助力之一。

如图4所示，光电探测及电上处理模块包括光耦合、光电探测器和电处理模块。光耦合器，用于将第一电光调制及光上处理模块和第二电光调制及光上处理模块各自输出的光信号进行移相和耦合处理；光电探测器，将光耦合器输出的光信号转换成电信号，输出微波边带和本振边带的拍频信号；电处理模块用于耦合或滤波，可根据具体需求实现镜像抑制、平衡探测、相干探测。

光上处理完成后，并行的两路光信号进行耦合，随后用光电探测器将光信号转换成电信号，光电探测器输出的是微波边带和本振边带的拍频信号，再根据具体需求有选择地进行电上的耦合滤波等处理，电处理模块的输出即为混频后的微波信号。光耦合部分，可以使用二合一耦合器耦合成一路光信号直接探测，也可以使用2*2移相耦合器或90度2*4光Hybrid,实现相干探测、平衡探测、镜像抑制等功能。如果对电信号还有更高的要求，可以再进行电上的滤波放大等处理。在频率下变换的应用中，混频输出可接中频数字信号处理；在频率上变换的应用中，混频输出可接天线发送出去。

实施例1

图5为本发明的第1个具体实施方案，激光器产生的激光通过光功分器分为上下两路，分别经过MZM(Mach-ZehnderModulator，马赫-曾德尔调制器，电光调制器的一种)用微波信号和本振信号对光载波进行电光外调制，再经过FBG(FiberBraggGrating，光纤布拉格光栅)滤波器滤除所需边带，两路光信号用光耦合器耦合成一路，经过PD(Photo-Diode，光电二极管，一种光电转换器)直接探测输出。电光调制采用马赫-曾德尔调制器，工作在载波抑制模式，调制上去的电信号在光谱上只有上下边带，而光载波被抑制，光滤波器只需要滤除另一个边带，减轻了对光滤波器的带宽及带外抑制要求；光滤波器采用FBG滤波器，利用光纤布拉格光栅对光的波长选择过滤特性，可调节滤波范围、带宽，且具有较高的带外抑制比；光电探测采用光电二极管进行平方律探测，输出光上边带拍频的结果，即我们所需的混频信号。本方案能够完成基本的混频功能，同时由于并行结构和FBG光滤波器的应用，可以完成宽带微波信号的混频，并且使杂散较一般变频结构大大降低。

实施例2

如图6所示，将实施例1中的MZM换成IQ调制器，通过偏置电压控制让其稳定工作在抑制载波单边带模式下，调制上去的电信号在光谱上就只有一个边带，而光载波和另一个边带被抑制，这种工作方式效果和MZM与光滤波器协同工作的效果相同，而实现更为简易且稳定。

实施例3

如图7所示，将实施例1中光电探测模块的光耦合器换成光90°Hybrid，输出I1、I2、Q1、Q2四路，可选择I1、I2路进行平衡探测、Q1、Q2路进行第二个平衡探测，将两个结果耦合可以实现镜像抑制，同时由于平衡探测的采用，链路增益得以提高。

Claims (7)

1.一种低杂散宽带的微波光子混频装置，其特征在于包括：

激光器，用于产生一路设定频率的激光；

光功分器，用于将激光器产生的一路激光分成并行的第一路激光和第二路激光；

第一电光调制及光上处理模块，用于将外部输入的微波信号调制到第一路光路上并对光信号进行光滤波处理，仅保留一个一阶信号边带，并抑制光载波和其它边带；

第二电光调制及光上处理模块，用于将本振信号调制到第二路光路上并对光信号进行光滤波处理，仅保留一阶单边带，并抑制光载波和其它边带；和

光电探测及电上处理模块，用于将第一电光调制及光上处理模块和第二电光调制及光上处理模块各自输出的光信号进行移相和耦合处理，并将光信号转换成电信号，让光上加载的输入微波信号边带和本振信号边带拍频，输出混频后的微波中频信号。

2.根据权利要求1所述的一种低杂散宽带的微波光子混频装置，其特征在于：所述的第一电光调制及光上处理模块包括：

第一电光调制器，用于将外部输入的微波信号调制到第一路光路上；和

第一光滤波器，用于对第一电光调制器输出的光信号进行滤波处理，保留一阶单边带，抑制光载波和其它边带。

3.根据权利要求1或2所述的一种低杂散宽带的微波光子混频装置，其特征在于：所述的第二电光调制及光上处理模块包括：

第二电光调制器，用于将本振信号调制到第二路光路上；和

第二光滤波器，用于对第二电光调制器输出的光信号进行滤波处理，保留一阶单边带，抑制光载波和其它边带。

4.根据权利要求1所述的一种低杂散宽带的微波光子混频装置，其特征在于：所述的光电探测及电上处理模块包括：

光耦合器，用于将第一电光调制及光上处理模块和第二电光调制及光上处理模块各自输出的光信号进行移相和耦合处理；和

光电探测器，将光耦合器输出的光信号转换成电信号，输出微波单边带和本振单边带的拍频信号。

5.根据权利要求4所述的一种低杂散宽带的微波光子混频装置，其特征在于：所述的光耦合器、光电探测及电上处理模块还包括：

电处理模块，可配合2*2移相耦合器或90度2*4光耦合器，用于对光电探测器输出的电信号进行耦合、滤波处理，实现镜像抑制、相干探测和平衡探测。

6.根据权利要求3所述的一种低杂散宽带的微波光子混频装置，其特征在于：所述的第一电光调制器和第二电光调制器采用马赫-曾德尔调制器或电光IQ调制器；所述的第一光滤波器和第二光滤波器采用光纤布拉格光栅滤波器。

7.根据权利要求4所述的一种低杂散宽带的微波光子混频装置，其特征在于：所述的光耦合器采用二合一耦合器2*2移相耦合器或90度2*4光耦合器。