CN106341182A - 一种基于光载射频链路的微波源相位噪声测量装置 - Google Patents

一种基于光载射频链路的微波源相位噪声测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光载射频链路的微波源相位噪声测量装置，包括激光器、光纤、电吸收调制器、光栅、微波功分器、微波分频器、环形器、傅里叶分析仪、波长控制器；待测微波源经过微波功分器分为第一微波信号与第二微波信号，第一微波信号经过微波分频器后调制激光器，产生第一调制光信号，第二微波信号经过环形器后进入电吸收调制器，并对光纤延时后的第一调制光信号进行调制产生第二调制光信号；第二调制光信号经过光栅的反射后形成最终调制光信号，并经电吸收调制器将光信号转换为电信号后经环形器输入到傅里叶分析仪，处理得到相噪数据；本发明装置具有结构简单、灵敏度高、偏振无关、带宽大等优势。

Description

一种基于光载射频链路的微波源相位噪声测量装置
技术领域
本发明属于微波光子测量技术领域，具体涉及一种基于光载射频链路的微波信号相噪测量装置。
背景技术
微波信号源是现代电子系统中的关键器件，在雷达、通信、广播等系统的收发信机中具有重要地位。微波源的相位噪声性能往往直接决定了一个电子系统的性能优劣。随着技术的发展以及对相位噪声研究的深入，微波源技术取得了巨大进步。目前基于光子集成的光电振荡器结构的微波毫米波信号源在10kHz频偏处取得了低于-160dBc/Hz的相噪，已经逼近光电子器件热噪声的极限。微波振荡器的相位噪声是无法通过理论精确计算的，只能依赖于实际测量，因此微波相位噪声测量系统的研究变得非常重要。另外微波到毫米波段振荡器的相噪测量覆盖了非常宽的频率范围，传统的微波器件测量系统无法满足要求。近年来基于微波光子技术的微波信号处理技术成为研究热点，包括移相、可编程光延迟线、传感、宽带瞬态信号产生在内的微波光子信号处理技术迅速发展，为采用光子技术处理宽带微波信号提供了技术支持。
传统的相位噪声测量方法主要包括鉴相法与鉴频法两大类，其中鉴相法能够取得很低的底噪，但是需要一个宽带的且自身相噪远远低于待测微波源相噪的参考信号源，这往往是不可得的。鉴频法包括计数法，数字中频法以及延时线鉴频器等几类，其中计数法跟数字中频法能够处理的带宽有限。延时线鉴频法因其不需要参考信号源获得了广泛关注。基于光纤延时与互相关，频偏10kHz处低至-155dBc/Hz的底噪已经有报道，说明该方案非常有潜力。传统的光延时相噪测量系统采用微波混频器，微波移相器进行信号处理，大大限制了其测量带宽。
公布号为CN104767562A专利申请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，输出的电信号经傅里叶分析仪处理计算后得到相位噪声。该发明基于微波光子技术，实现对微波源相位噪声的测量。然而，该方案在实际应用中不可避免地会受到偏振态的影响，从而恶化测量底噪。
发明内容
本发明提供了一种基于光载射频链路的微波源相位噪声测量装置，该装置利用可调谐激光器在光纤中的波长色散进行移相，将电吸收调制器作为光电探测器，能够实现对微波源相位噪声的高灵敏度、稳定地测量。
一种基于光载射频链路的微波源相位噪声测量装置，包括激光器、光纤、电吸收调制器、光栅、微波功分器、微波分频器、环形器、傅里叶分析仪、波长控制器；所述的微波功分器接收待测微波源输出的微波信号，微波功分器输出的第一微波信号输入微波分频器，微波功分器输出的第二微波信号输入环形器；经微波分频器分频后输出的分频微波信号输入激光器，经激光器调制后的第一调制光信号输入光纤，经光纤延时后的第一调制光信号输入电吸收调制器；经电吸收调制器调制后的第二调制光信号输入光栅，经光栅反射的最终调制光信号输入电吸收调制器，转换成电信号后经环形器输入傅里叶分析仪；所述的波长控制器设于激光器与光栅之间，控制激光器的中心波长与光栅的反射波长。
所述的激光器采用宽带可调谐半导体激光器，用于产生第一调制光信号。
所述的光纤采用单模高色散斜率光纤，用于对第一调制光信号进行延时。
所述的电吸收调制器为宽带电吸收调制器，用于对第一调制光信号进行强度调制产生第二光调制信号；同时对最终调制光信号进行光电探测；电吸收调制器偏振不敏感，系统结构简单，能够实现对微波源相位噪声的高灵敏度、稳定地测量。
所述的光栅为波长可调谐窄带反射光栅，用于从第二光调制信号中反射一个边带，输出最终光调制信号。
所述的微波功分器为宽带功分器，用于将微波信号等分为第一微波信号和第二微波信号。
所述的微波分频器为微波2分频器或者微波4分频器；用于降低激光器的直接调制频率，从而扩大待测微波信号源的可测量频率范围。
所述的环形器为宽带微波环形器；用于将第二微波信号调制到电吸收调制器上，同时将电吸收调制器进行光电探测得到的电信号输入到傅里叶分析仪。
所述的傅里叶分析仪用于采集环形器输出的电信号并进行处理。
所述的波长控制器同时控制激光器的中心波长与光栅的反射波长，使得光纤延时后的第一调制光信号中的微波信号分量与第二微波信号之间的相位正交，同时使光栅的反射波长与激光器的中心波长的差值等于激光器的调制频率。
所述的激光器的调制频率等于待测信号频率。
进一步地，所述的激光器采用窄线宽大功率半导体激光器；增大激光器输出功率可增加系统灵敏度，有利于降低测量底噪。
进一步地，所述的电吸收调制器工作在合适的偏置点上，使整个测量系统的传输响应达到最大。
利用该基于光载射频链路的微波源相位噪声测量装置测量相位噪声的过程如下：
待测微波源的输出微波经过微波功分器分为第一微波信号与第二微波信号，第一微波信号经过微波分频器分频后调制激光器，产生第一调制光信号，第二微波信号经过环形器后进入电吸收调制器，并对光纤延时后的第一调制光信号进行调制，产生第二调制光信号；第二调制光信号经过光栅的反射后形成最终调制光信号，并进入电吸收调制器将光信号转换为电信号，电信号经过环形器输入到傅里叶分析仪，进行计算处理得到相位噪声数据。
本发明采用微波分频器与激光器直接调制相结合，不仅结构简单，而且能获得大的测量带宽；将电吸收调制器复用为光电探测器，同时实现调制与光电探测，大大减少了系统所用器件，且电吸收调制器偏振不敏感，避免了微波光子链路经常遇到的偏振稳定性问题。采用可调谐激光器在光纤中的波长色散来调节两路微波信号之间的相位关系，具有可电控，快速等优势。本发明装置与传统微波光子延迟线相噪测量系统相比，灵敏度更高、稳定性更强、实用性强。
附图说明
图1为本发明基于光载射频链路的微波源相位噪声测量装置的工作过程示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，基于光载射频链路的微波源相位噪声测量装置包括：激光器1、光纤2、电吸收调制器3、光栅4、微波分频器5、微波功分器6、待测微波源7、环形器8、傅里叶分析仪9、波长控制器10。
激光器1是具有100kHz线宽的采样光栅分布布拉格反射(SGDBR)半导体激光器，其输出光为相干光，具有很低的相对强度噪声与良好的抗环境干扰能力。
激光器1的可调谐范围为35nm，微波分频器5采用二分频器，光纤2的长度为3.2公里。电吸收调制器3的带宽为40GHz。
待测微波源7的输出微波经过微波功分器6分为第一微波信号与第二微波信号；第一微波信号经过微波分频器5分频后调制激光器1，产生第一调制光信号；第二微波信号先后经过环形器8的a端口与b端口后进入电吸收调制器3，并对光纤2延时后的第一调制光信号进行调制，产生第二调制光信号；第二调制光信号经过光栅4的反射后形成最终调制光信号，并进入电吸收调制器3将光信号转换为电信号，电信号经过先后经过环形器8的b端口与c端口后输入到傅里叶分析仪，进行计算处理得到相噪数据。
波长控制器10控制激光器1的中心波长与光栅4的反射波长，使得光纤2延时后的第一调制光信号中的微波信号分量与第二微波信号之间的相位正交，同时使光栅4的反射波长与激光器1的中心波长差等于激光器的调制频率。
本实施方式的工作原理如下：
假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)；
其中A为第一微波信号与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。
第一微波信号经过二分频器后得到的分频信号为：
其中V为分频信号的幅度，假设激光器产生的光载波为：
Ec(t)＝Vccos(ωct) (3)
其中Vc为光载波信号幅度，ωc为光载波信号角频率。
假设选取合适的激光器工作点，使得直接调制的相位调制效率远大于强度调制，则忽略强度调制可得其输出光信号为：
Eo1(t)＝Vo1cos[ωct+mp*E3(t)], (4)
其中Vo1为第一调制光信号的幅度，mp为激光器的调相指数，利用光纤对激光器输出信号延时Τ后的信号可表示为：
Eo2(t)＝Vo2cos[ωc(t-T)+mp*E3(t-T)] (5)
其中Vo2为延时后的第一调制光信号的幅度，该信号在电吸收调制器中被第二微波信号进行强度调制，则电吸收调制器的输出为：
Eo3(t)＝Vo3[1+ma*E2(t)]*Eo2(t), (6)
其中Vo3为第二调制光信号的幅度，ma为电吸收调制器的调制度，调节激光器波长与光栅反射波长，使得第二微波信号与第一调制光信号中的微波信号分量之间满足正交，并且使得第一调制光信号的正一阶边带或负一阶边带落在光栅反射带内，则最终调制光信号在电吸收调制器中探测输出的电信号为：
由(7)可知，环形器c端口的输出信号与微波信号相位波动有关，将该信号经过傅里叶分析仪处理计算后可得微波源相位噪声的大小。
上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于光载射频链路的微波源相位噪声测量装置，其特征在于，包括激光器、光纤、电吸收调制器、光栅、微波功分器、微波分频器、环形器、傅里叶分析仪、波长控制器；所述的微波功分器接收待测微波源输出的微波信号，微波功分器输出的第一微波信号输入微波分频器，微波功分器输出的第二微波信号输入环形器；经微波分频器分频后输出的分频微波信号输入激光器，经激光器调制后的第一调制光信号输入光纤，经光纤延时后的第一调制光信号输入电吸收调制器；经电吸收调制器调制后的第二调制光信号输入光栅，经光栅反射的最终调制光信号输入电吸收调制器，转换成电信号后经环形器输入傅里叶分析仪；所述的波长控制器设于激光器与光栅之间，控制激光器的中心波长与光栅的反射波长。
2.根据权利要求1所述的基于光载射频链路的微波源相位噪声测量装置，其特征在于，所述的激光器为宽带可调谐半导体激光器。
3.根据权利要求2所述的基于光载射频链路的微波源相位噪声测量装置，其特征在于，所述的激光器为窄线宽大功率半导体激光器。
4.根据权利要求1所述的基于光载射频链路的微波源相位噪声测量装置，其特征在于，所述的光纤为单模高色散斜率光纤。
5.根据权利要求1所述的基于光载射频链路的微波源相位噪声测量装置，其特征在于，所述的电吸收调制器为宽带电吸收调制器。
6.根据权利要求1所述的基于光载射频链路的微波源相位噪声测量装置，其特征在于，所述的光栅为波长可调谐窄带反射光栅。
7.根据权利要求1所述的基于光载射频链路的微波源相位噪声测量装置，其特征在于，所述的微波功分器为宽带功分器。
8.根据权利要求1所述的基于光载射频链路的微波源相位噪声测量装置，其特征在于，所述的微波分频器为微波2分频器或者微波4分频器。
9.根据权利要求1所述的基于光载射频链路的微波源相位噪声测量装置，其特征在于，所述的环形器为宽带微波环形器。
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