CN107835055B - 一种微波源相位噪声测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波源相位噪声测量方法及系统。本方法为：将待测微波源的信号分成两路信号；将第一路信号与载波信号分别输入电光调制器，利用该第一路信号对该载波信号进行强度调制，并将调制后的光信号依次经一光纤延迟线、光环形器后输入一光电探测器，该光电探测器将输入的光信号转化成电信号，该电信号经放大器放大后输入混频器的射频输入端；将第二路信号经过移相器保持与第一路信号的相位成正交，该移相器输出的信号输入该混频器的本振输入端；该混频器的输出信号依次通过低通滤波、放大后输入基带信号分析仪，然后根据得到的不同频偏点处的基带噪声的噪声电平计算该待测微波源的信号相位噪声。本发明能够提高相位噪声测量的灵敏度。

Description

一种微波源相位噪声测量方法及系统

技术领域

本发明涉及一种适用于基于光延时的微波信号相位噪声测量系统。采用光纤作为延迟线具有低损耗、大延时的优点，但也会引入光反射噪声和光散射噪声。通过对光纤延迟线中的光反射噪声和光散射噪声的抑制，实现相位噪声测量系统的灵敏度的提高，属于微波测量领域。

背景技术

高频低相位噪声的微波与毫米波信号在卫星遥感、军事雷达、下一代移动通信等领域中有重要的应用。微波与毫米波信号的相位噪声是衡量信号短期频率稳定度的重要指标，它限制了应用系统的性能。随着极低相位噪声微波与毫米波振荡器的发展，准确测量微波与毫米波信号的相位噪声显得尤为重要。

以下是一些已有的微波毫米波的相位噪声测量技术：

如图1是基于相位检波器法的相位噪声测量系统，待测信号通过与外部同频参考源进行混频比较处理后通过频谱仪测量出相位噪声。

如图2是无需外部参考源的单源鉴相法相位噪声测量系统，通过将待测信号分成两路，一路经过可调延时线，一路进入可调移相器，之后进行混频比较处理后通过频谱仪测量出相位噪声。

此外，法国南锡第一大学和美国喷气推进实验室提出的光延时相位噪声测量系统(Enrico Rubiola,Ertan Salik,Shouhua Huang,Nan Yu,and Lute Maleki,"Photonic-delay technique for phase-noise measurement of microwave oscillators,"J.Opt.Soc.Am.B 22,987-997(2005))，将待测微波信号通过电光调制器对光载波进行调制，调制后的光信号经光耦合器分为两路，一路通过光纤延时，一路直通，两路光信号经过光电转换，光电转换之后的两路电信号的相位保持正交，并送入混频器，再经低通滤波、基带信号放大、FFT分析实现相位噪声的测量。

传统的基于相位检波器法的相位噪声测量系统，严重依赖于参考源，确保外部参考源与待测微波信号同频时，只有当参考源的相位噪声性能低于待测微波源才能实现准确的测量；传统的基于单源鉴相法的相位噪声测量系统，电延迟线保证测量所需延时具有较大的传输损耗，降低了测量的灵敏度；传统的基于光延时的相位噪声测量系统，未考虑光纤延迟线的散射效应以及光电探测器端面反射引入的附加相位噪声，对测量系统的灵敏度及精度也有一定的影响。

发明内容

针对现有技术方案中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种基于光纤延迟线的鉴频法相位噪声测量方法及系统。本方案适合高频、低相位噪声微波毫米波的测量。本方案是基于光纤延迟线的鉴频法测量相位噪声方法与系统，由于光纤延迟线的使用会引入反射和散射噪声，这些附加相位噪声会影响待测微波信号相位噪声的准确测量，从而限制了基于光纤延迟线的鉴频法相位噪声测量系统的测量灵敏度。通过使用光环形器和激光器频率调制来分别抑制光纤中光的反射和散射效应，抑制这两种噪声对传输信号的相位噪声的影响，可以极大地提高基于光纤延迟线鉴频法相位噪声测量系统的测量灵敏度(约10dB的改善)。

本发明的技术方案为：

一种微波源相位噪声测量方法，其步骤包括：

将待测微波源的信号分成两路信号；

将第一路信号与载波信号分别输入电光调制器，利用该第一路信号对该载波信号进行强度调制，并将调制后的光信号依次经一光纤延迟线、光环形器后输入一光电探测器，该光电探测器将输入的光信号转化成电信号，该电信号经放大器放大后输入混频器的射频输入端；

将第二路信号经过移相器保持与第一路信号的相位成正交，该移相器输出的信号输入该混频器的本振输入端；

该混频器的输出信号依次通过低通滤波、放大后输入基带信号分析仪，然后根据得到的不同频偏点处的基带噪声的噪声电平计算该待测微波源的信号相位噪声。

进一步的，将该待测微波源的信号通过微波功率分配器分成两路信号。

进一步的，该电信号经一低相位噪声放大器进行放大。

进一步的，该混频器的输出信号依次通过低通滤波、低噪声直流放大器放大后输入基带信号分析仪。

一种微波源相位噪声测量系统，其特征在于，包括微波功率分配器，其输入端用于与待测微波源连接，该微波功率分配器的一输出端与一电光调制器的射频驱动端口连接，该电光调制器的光输入端口与一激光器的输出端连接；该电光调制器的输出端经一光纤延迟线与一光纤环形器连接；该光纤环形器的输出信号输入一光电探测器；该光电探测器的输出端经一放大器与混频器的射频输入端连接；该微波功率分配器的另一输出端经一移相器与该混频器的本振输入端连接；该移相器用于保持输入该混频器的射频输入端输入信号与该混频器的本振输入端输入信号相位成正交；该混频器的输出端依次经低通滤波器、放大器与基带信号分析仪连接。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

1.本方案测量频率范围不受本振限制，无需外部参考源，测量高频信号时具有较好相位噪声本底；

2.由于光纤延迟线中存在光的反射，包括光纤接头的反射、光电探测器的端面反射等。反射光和信号光一起进入到光电探测器会对待测微波信号的相位噪声带来极大的影响。本方案通过在光电探测器前放置一个光环形器，抑制光电探测器的端面反射光强度，从而抑制光纤中的反射效应，对比传统方案，相位噪声测量系统性能有5dB的改善。

3.由于长光纤延迟线会引入光的散射效应，包括瑞利散射和受激布里渊散射。瑞利散射光与前向传输的入射光产生的干涉会导致光的相位噪声到强度噪声的转化，会对解调输出的射频信号的相位噪声产生影响；受激布里渊散射对前向传输光载波造成随机衰减，其对光载波的幅度和相位的随机扰动将会极大地影响待测微波信号的相位噪声。本方案通过对激光器进行直接频率调制的方法实现光载波的谱展宽，可以降低光纤中散射效应的强度，进一步对相位噪声测量系统性能较传统方案有5dB的改善。

附图说明

图1为基于外部参考源的相位检波法测量相位噪声原理图；

图2为单源鉴相法的相位噪声测量原理图；

图3为本发明微波与毫米波信号相位噪声测量原理图；

图4为本发明方案实验中，光环形器加入前后对光电探测器端面反射光的抑制对比图；

图5为本发明方案实验中，进行激光频率调制前后光谱对比图；

图6为本发明方案实验中，测量得到的待测微波信号的相位噪声(加入光环形器前后对比图)；

图7为本发明方案实验中，测量得到的待测微波信号的相位噪声(对激光器进行频率调制前后对比图)；

图8为本发明方案实验中，测量得到的待测微波信号的相位噪声(加入光环形器并且对激光器进行频率调制前后对比图)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的方案进行进一步详细描述。

本发明的方案原理如图3所示。待测微波信号通过微波功率分配器功分成两路，第一路经过电光调制器对光载波进行强度调制(电光调制器的射频驱动端口与微波功率分配器的输出端连接，光输入端口与激光器的输出端连接，利用第一路微波信号对光载波进行强度调制)，电光调制器输出后的光信号送入一光纤延迟线(即一段6Km的光纤)，光纤输出的光信号被送入光环形器，光环形器输出的光信号被送入光电探测器，光电探测器将输入的光信号转化成电信号，并且输出的电信号被低相位噪声放大器放大，由低相位噪声放大器放大后的电信号输入混频器的射频输入端(即RF端)。该过程中，待测微波信号经过长光纤的延时之后，频率的抖动转变为相位的起伏。

第二路经过移相器保持与第一路信号的相位成正交关系。第一路中低相位噪声放大器输出的微波信号与第二路中移相器输出的微波信号(输入混频器的本振输入端，即LO端)，通过混频器进行混频，该过程实现了待测微波信号的相位抖动转变成了电压抖动。混频器的输出通过低通滤波和低噪声直流放大器的放大，使用商用的基带信号分析仪对基带噪声电压进行测量，即可得到不同频偏点处的基带噪声的噪声电平，从而反推出待测微波信号的相位噪声。噪声电压功率谱密度可表示为：

如表达式(1)所示，(见参考文献Enrico Rubiola,Ertan Salik,Shouhua Huang,Nan Yu,and Lute Maleki,"Photonic-delay technique for phase-noise measurementof microwave oscillators,"J.Opt.Soc.Am.B 22,987-997(2005))其中

是混频器的相位到电压增益，

是待测微波信号的相位噪声功率谱密度，f是相对于载波的频率偏移量，τ是光纤对应的时间延迟，根据光纤的长度即可算出。从表达式(1)中可以看出相位噪声测量装置的灵敏度由时延和混频器的相位到电压增益决定。为了提高相位噪声测量装置在近频偏处(<1MHz)的灵敏度，需要用到长的光纤(～Km)提供大的时延。同时，由光纤接头反射、光电探测器的端面反射带来的干涉噪声，受激布里渊散射、瑞利散射带来的附加相位噪声限制了测量系统的灵敏度

其中激光器通过10MHz的正弦信号进行直接频率调制，频谱展宽的光载波将降低光纤中的受激布里渊散射效应。光环形器可以将光电探测器的端面反射噪声从2端口经由3端口输出，与前向传输信号分开，从而有效地抑制了二次反射光所带来的影响。

与附图2相比，本发明采用的是光纤延迟线，实现低损耗、大延时，由于涉及到电→光→电的转换，因此需要光源，调制器，光纤延迟线，光电探测器。而图2用的是电延迟线，不涉及到电→光→电的转换，但要实现大的延时就会带来大的损耗，会极大降低测量灵敏度。本发明是基于光延迟线的测量系统，同时加入了激光器频率调制和光环形器，抑制了光纤的散射和光电探测器的端面反射。

本发明仅对其中一路信号(即第一路信号)进行电光调制，是为了实现该路信号可以在光纤中实现大时延的传输。而且仅对一路信号进行电光调制，这样系统里也就仅需要一套电→光→电的转换的器件，便可实现同样的功能，即一路信号延时后与直通的本振信号鉴相，具有结构简单，成本降低的优点；同时加入了激光器频率调制和光环形器，抑制了光纤的散射和光电探测器的端面反射。

通过测量一极低相位噪声水平的微波信号，来验证本方案的有效性，实验中的待测微波信号为晶振产生的100MHz低相位噪声射频信号。

通过在光电探测器之前加入光环形器，在结构图3中的A点采用光功率计对光信号的功率进行测量。对比不加入光环形器，反射光功率有大约30dB的抑制，如图4所示。

在结构图3中的A点，通过商用光谱仪对激光器进行频率调制前后的反射光及散射光谱进行监测。对比不加频率调制，通过频率调制使得背向散射斯托克斯波的光功率得到了10dB的抑制，如图5所示。

仅在光电探测器之前加入光环形器时，对晶振产生的100MHz低相位噪声微波信号进行测量。对比不加光环形器和频率调制，所测量得的相位噪声本底有5dB的改善，如图6所示。

仅对激光器进行频率调制，对晶振产生的100MHz低相位噪声微波信号进行测量。对比不加光环形器和频率调制，所测量得的相位噪声本底有5dB的改善，如图7所示。

同时在光电探测器之前加入光环形器并且对激光器进行频率调制时，所得相位噪声本底较不加光环形器和频率调制有10dB的改善，如图8所示。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (7)

1.一种微波源相位噪声测量方法，其步骤包括：

将待测微波源的信号分成两路信号；

将第一路信号与激光器输出的载波信号分别输入电光调制器，利用该第一路信号对该载波信号进行强度调制，并将调制后的光信号依次经一光纤延迟线、光环形器后输入一光电探测器，该光电探测器将输入的光信号转化成电信号，该电信号经放大器放大后输入混频器的射频输入端；激光器通过正弦信号进行直接频率调制；

将第二路信号经过移相器保持与第一路信号的相位成正交，该移相器输出的信号输入该混频器的本振输入端；

该混频器用于对射频输入端和本振输入端输入的信号进行混频，将待测微波信号的相位抖动转变成了电压抖动输出；

该混频器的输出信号依次通过低通滤波、放大后输入基带信号分析仪，然后根据得到的不同频偏点处的基带噪声的噪声电平计算该待测微波源的信号相位噪声。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将该待测微波源的信号通过微波功率分配器分成两路信号。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该电信号经一低相位噪声放大器进行放大。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该混频器的输出信号依次通过低通滤波、低噪声直流放大器放大后输入基带信号分析仪。

5.一种微波源相位噪声测量系统，其特征在于，包括微波功率分配器，其输入端用于与待测微波源连接，该微波功率分配器的一输出端与一电光调制器的射频驱动端口连接，该电光调制器的光输入端口与一激光器的输出端连接，激光器通过正弦信号进行直接频率调制；该电光调制器的输出端经一光纤延迟线与一光纤环形器连接；该光纤环形器的输出信号输入一光电探测器；该光电探测器的输出端经一放大器与混频器的射频输入端连接；该微波功率分配器的另一输出端经一移相器与该混频器的本振输入端连接；该移相器用于保持输入该混频器的射频输入端输入信号与该混频器的本振输入端输入信号相位成正交；该混频器用于对射频输入端和本振输入端输入的信号进行混频，将待测微波信号的相位抖动转变成了电压抖动输出；该混频器的输出端依次经低通滤波器、放大器与基带信号分析仪连接。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，该光电探测器的输出端经一低相位噪声放大器与混频器的射频输入端连接。

7.如权利要求5所述的系统，其特征在于，该混频器的输出端依次经低通滤波器、低噪声直流放大器与基带信号分析仪连接。

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