CN108712213B - 基于光电振荡环路的微波三分之二分频方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光电振荡环路的微波三分之二分频方法。用待分频微波信号对光载波进行第一级载波抑制光双边带调制，然后用振荡信号对一级调制光信号进行第二级载波抑制光双边带调制，用光电探测器将二级调制光信号转换为电信号并令其通过微波放大器、移相器以及微波滤波器后，将其分为两路，分别作为振荡信号和三分之二分频输出；令三分之二分频振荡模式在光电振荡环路中形成正反馈振荡，从而获得稳定的三分之二分频输出。本发明还公开了一种基于光电振荡环路的微波三分之二分频装置。本发明能够在光域实现任意微波信号的三分之二分频，且具有大带宽、低噪声、低杂散以及对外部产生的干扰小的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种微波分频方法，尤其涉及一种基于光电振荡环路的微波三分之二分频方法及装置。
背景技术
分频器是一种用于将输入周期模拟或数字信号转换为输出周期模拟或数字信号的器件，且输出频率是输入频率的部分分量。它作为一种重要的组件被广泛应用于现代通信系统、雷达探测系统中。当应用于通信系统时，为应对不同速率的信号产生、调制与解调，分频器基于自身的参考时钟，向系统提供可变的时钟信号；当应用于雷达探测系统时，分频器作为频率综合器中重要组成部分，提供包括本振分频、锁相环等功能。随着现如今不断提升的对极大通信容量和射频探测领域中探测精度需求，微波的频率、带宽及性能的要求也成为人们越来越关注的重点，同时对分频器的工作频率、杂散、抗干扰、噪声性能等方面的发展也提出了更高的要求。
常见的分频器主要基于电子学原理。种类涵盖了数字分频器和模拟分频器两类。数字分频器分频灵活，内部利用数字计数器及触发器实现功能，但是其工作频率较低只能达到数GHz的级别。除此之外，该种触发器的工作模式易给系统引入过多杂散分量，相位噪声恶化严重，对使用具有很大的局限性。而模拟分频是基于超调和注入锁定或再生反馈回路，该两种技术都是利用微波混频器的非线性并形成微波环路，最终微波环路中实现输出分频后的信号。模拟分频器的带宽可以扩展到毫米波范围，能够实现高频、低相位噪声的信号分频。但是为了选择出需要的振荡模式，基于微波技术的分频器中往往需要使用窄带滤波器件，从而很难实现宽带的分频器。
为了克服电子学方法的缺点，人们提出了基于光子技术实现分频的技术，主要包括光参量分频法和基于光学注入锁定分频法以及基于光电振荡器分频法。基于光参量分频技术主要将输入信号转换成两个强烈的相干分谐波输出【N.C.Wong,"Optical frequencydivision using an optical parametric oscillator,"Opt.Lett.15,1129-1131(1990)】，通过将它们的差频锁定到微波，毫米波或红外参考源，可以精确地确定输出频率。该方法本质上可以生成比泵浦激光器更稳定的分频信号，抑制过量噪声，适用于超高分辨率应用。但是该方法对器件要求较高，系统复杂，并且频率不确定性受输入频率和功率的限制。而基于光学注入锁定分频技术主要实现信号的精确频率划分，用于微波信号的固定下变换【Chan S C,Liu J M.Microwave frequency division and multiplication usingan optically injected semiconductor laser[J].2005.】。该技术利用了半导体激光非线性动力学，研究了一种光学注入系统，其中从激光器受到来自主激光器的连续波(CW)光学注入。随着注入强度的增加，从激光器首先被去稳定以在基本微波频率下振荡，然后它经历倍周期分岔以产生次谐波频率。该技术有效保证了分频信号提取的精确性，然而，该技术只能对单一的频率进行分频提取，且所分频的微波信号的质量较差，锁定质量没有进一步的优化措施。而基于光电振荡器分频法【江阳,梁建惠,白光富,等.光子微波信号的亚谐波产生技术[J].贵州大学学报:自然科学版,2014,31(4):1-5.】主要利用光电振荡器这种光电混合结构，利用振荡腔的次谐波注入锁定效应，实现注入信号的分频。然而，该技术在不注入信号情况下，光电振荡器依然会输出微波信号且输出微波信号频率在注入信号分频附近，存在对系统造成干扰的风险。同时，该技术对于不同的输入频率或不同的分频比时，需要更换中心频率不同的窄带滤波器与之匹配，使得系统的实用性大大缩减。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种基于光电振荡环路的微波三分之二分频方法，能够在光域实现任意微波信号的三分之二分频，且具有大带宽、低噪声、低杂散以及对外部产生的干扰小的优点。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
基于光电振荡环路的微波三分之二分频方法，构建以下的光电振荡环路并在其中引入延时：用待分频微波信号对光载波进行第一级载波抑制光双边带调制，生成一级调制光信号，然后用振荡信号对所述一级调制光信号进行第二级载波抑制光双边带调制，生成二级调制光信号，用光电探测器将所述二级调制光信号转换为电信号，令所述电信号通过微波放大器、移相器以及微波滤波器后，将其分为两路，其中一路作为所述振荡信号，另一路作为三分之二分频输出；所述微波滤波器为在待分频微波信号频率处带阻而在三分之二分频频率处带通的宽带滤波器；令三分之二分频振荡模式在所述光电振荡环路中形成正反馈振荡，从而获得稳定的三分之二分频输出。
进一步地，令所述光电振荡环路满足以下稳态条件，以使得三分之二分频振荡模式在所述光电振荡环路中形成正反馈振荡：
P为光载波的光功率，α为系统衰减，为光电探测器响应度，G为微波放大器增益，ω0为待分频微波信号的频率，V0、θ0和V1、θ1分别为待分频信号及三分之二分频的振荡模式的幅度、相位，τ为引入的延时，βn(n＝0,1)为两级调制器的调制系数，其中β0、β1分别为第一级、第二级调制器的调制系数，J1(βn)为第一阶贝塞尔函数，J2(βn)为第二阶贝塞尔函数，Vπ-0、Vπ-1分别为第一级、第二级调制器的半波电压。
优选地，使用工作在最小传输点的推挽式马赫曾德尔调制器实现所述第一级载波抑制光双边带调制和/或第二级载波抑制光双边带调制。
优选地，利用设置于所述光电振荡环路的光路部分中的延时光纤来在所述光电振荡环路中引入延时。
根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：
基于光电振荡环路的微波三分之二分频装置，包括光电振荡环路以及用于在所述光电振荡环路中引入延时的延时部件，所述光电振荡环路包括：
光源，用于产生光载波；
两级电光调制模块，其包括第一级调制器和第二级调制器，第一级调制器用于用待分频微波信号对光载波进行第一级载波抑制光双边带调制，生成一级调制光信号，第二级调制器用于用振荡信号对所述一级调制光信号进行第二级载波抑制光双边带调制，生成二级调制光信号；
光电探测器，用于将所述二级调制光信号转换为电信号；
微波放大器，用于对所述电信号进行放大；
移相器，用于对所述电信号相位进行调整；
微波滤波器，其为在待分频微波信号频率处带阻而在三分之二分频频率处带通的宽带滤波器，用于对所述电信号进行滤波；
功分器，用于将经过微波放大器、移相器及微波滤波器之后的电信号分为两路，一路作为所述振荡信号，另一路作为三分之二分频输出。
优选地，所述光电振荡环路满足以下稳态条件，以使得三分之二分频振荡模式在所述光电振荡环路中形成正反馈振荡：
P为光载波的光功率，α为系统衰减，为光电探测器响应度，G为微波放大器增益，ω0为待分频微波信号的频率，V0、θ0和V1、θ1分别为待分频信号及三分之二分频的振荡模式的幅度、相位，τ为引入的延时，βn(n＝0,1)为两级调制器的调制系数，其中β0、β1分别为第一级、第二级调制器的调制系数，J1(βn)为第一阶贝塞尔函数，J2(βn)为第二阶贝塞尔函数，Vπ-0、Vπ-1分别为第一级、第二级调制器的半波电压。
优选地，所述第一级调制器和/或第二级调制器为工作在最小传输点的推挽式马赫曾德尔调制器。
优选地，所述延时部件为设置于所述光电振荡环路的光路部分中的延时光纤。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明能够在光域实现任意微波信号的三分之二分频，由于宽带滤波器的使用，该分频器的带宽得到大幅度提升。本发明克服了传统微波元件工作频率受限的缺陷，使得光电振荡环路中各器件的工作频率上限仅需为待转换信号载频的2/3，实现了以低成本和高性能的低频微波器件对高频微波信号的分频提取。此外，本发明具有低噪声、低杂散等特点，且当无外部信号注入时，该三分之二分频器将无信号输出，降低了对外界的干扰。
附图说明
图1为本发明基于光电振荡环路的微波三分之二分频装置一个具体实施例的结构及原理框图；
图2为图1分频装置在进行分频提取时，注入和不注入待分频信号时的频谱曲线；
图3为图1分频装置对输入信号分频前、后的单边带(SSB)相位噪声曲线；
图4为图1分频装置的大带宽可调谐性频谱。
具体实施方式
针对现有技术所存在的不足，本发明的思路是利用两级的载波抑制光双边带调制来将待分频微波信号注入光电振荡环路，并利用宽带微波滤波器进行电信号滤波，从而实现大带宽、低噪声、低杂散以及对外部产生的干扰小的微波三分之二分频，本发明所提出的分频方法具体如下：
构建以下的光电振荡环路并在其中引入延时：用待分频微波信号对光载波进行第一级载波抑制光双边带调制，生成一级调制光信号，然后用振荡信号对所述一级调制光信号进行第二级载波抑制光双边带调制，生成二级调制光信号，用光电探测器将所述二级调制光信号转换为电信号，令所述电信号通过微波放大器、移相器以及微波滤波器后，将其分为两路，其中一路作为所述振荡信号，另一路作为三分之二分频输出；所述微波滤波器为在待分频微波信号频率处带阻而在三分之二分频频率处带通的宽带滤波器；令三分之二分频振荡模式在所述光电振荡环路中形成正反馈振荡，从而获得稳定的三分之二分频输出。
为了便于公众理解，下面以一个优选实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：
图1显示了本发明基于光电振荡环路的微波三分之二分频装置一个具体实施例的结构及原理。如图1所示，该分频装置包括光源、两级电光调制模块、延时光纤、光电探测器、微波放大器、移相器、微波带通滤波器、功分器。两级电光调制模块包括第一级调制器和第二级调制器，第一级调制器用于用待分频微波信号对光源输出的光载波进行第一级载波抑制光双边带调制，生成一级调制光信号，第二级调制器用于用振荡信号对所述一级调制光信号进行第二级载波抑制光双边带调制，生成二级调制光信号；二级调制光信号通过延时光纤延时后，进入光电探测器，并在光电探测器中实现光信号到电信号的转化之后通过微波放大器、移相器以及微波滤波器输入到功分器中；微波滤波器可滤除频率为ω0的待分频微波信号且对频率为2ω0/3的信号为带通；功分器的一路输出信号作为振荡信号输入第二级调制器，通过合适的光电振荡环路参数设置，可使得频率为2ω0/3的振荡模式在环路中形成正反馈振荡，并最终在功分器的另一路输出端口输出分频后的信号。
如图1所示，在本实施例中，所述两级电光调制模块是通过两个偏置在最小传输点的级联推挽式马赫曾德尔调制器(Mach-Zehnder Modulator,MZM)实现；当然，也可以通过其他方式实现载波抑制光双边带调制，例如，利用光滤波器滤除相位调制器的光载波方式实现，或者通过偏振调制器与检偏器组合形式实现。
本实施例中是利用延时光纤实现光电振荡环路中的延时控制，实际上也可通过电信号延时部件实现对光电振荡环路中的延时控制。此外，微波放大器、移相器以及微波滤波器的先后次序可根据实际需要灵活调整。
如图1所示，假设输入到马赫-增德尔调制器电输入端的待分频信号为：
Vin(t)＝V0cos(ω0t+θ0) (1)
其中ω0、V0、θ0分别表示待分频信号频率、幅度、相位。
同时我们假设环路中振荡的信号为xin(t)，因此Vin(t)与xin(t)分别注入至一级MZM和二级MZM中，并在MZM中实现载波抑制光双边带调制。考虑到直流偏置电压VB和射频调制电压V(t)，MZM的调制传递函数表示为：
其中Vπ_DC为MZM的直流半波电压，Vπ_RF为MZM的射频半波电压，基于推挽结构，马赫-增德尔调制器输出光功率可以表示为：
其中Pin，Pout分别指输入和输出光功率。
理想情况下，经过光电振荡器稳定后，假设重新调制在MZM的分频振荡信号为：
其中2ω0/3、V1、θ1分别表示分频振荡信号频率、幅度、相位，则通过待分频输入信号与分频振荡信号分别在一、二级MZM中的调制，输出二级MZM的光信号应为二者级联，表示为：
经过两级MZM、延时τ及光电转化后，光电探测器(photodetector,PD)输出电流信号为：
其中，P为光载波功率，α为光纤衰减系数，为PD的响应度。由于两级MZM工作在最小传输点，可知φ0＝π，φ1＝π，去除直流分量，令 可得：
通过Jacobi公式展开，可得(7)右边为：
通过微波放大器和滤波器的放大、滤波，频率大于等于ω0的分量将会被滤除，频率为2ω0/3的分量将会被保留下来。通过展开式(8)，我们知道直流分量以及多余的频率分量都会被滤除，因此可以简化为：
由于系统处于稳定状态，可知：xout(t)＝xin(t)
于是可得：
因此可知其稳态条件：
图2给出了图1分频装置在进行分频提取时，注入和不注入待分频信号时的频谱曲线；从图中可以看出，当有21GHz信号注入至本发明三分之二分频装置时，本发明三分之二分频装置成功输出14GHz的三分之二分频信号；当无任何信号注入时，本发明三分之二分频装置无任何信号输出。表明本发明具有良好的分频特性，且不会在无信号注入时输出干扰信号。
图3给出了图1分频装置分频前、后信号的(SSB)相位噪声曲线对比；可以看出，分频出来的信号相比原信号相位噪声低了3.5dB左右，与理论值(3.52dB)符合得很好。
图4给出了图1分频装置的宽带可调谐性结果图。从结果中可以看出，该三分之二分频装置能够实现对21GHz-30GHz输入信号分频至14GHz-20GHz，表明该系统具有宽带可调谐特性。
综上，本发明可实现微波信号在光域的分频，并实现分频微波输出。相比于目前模拟分频器技术，由于该系统采用宽带滤波器作为分频选频机制，因此具有宽带特性，且具有同时在光域和电域输出分频信号的能力。此外，由于光子系统的宽带特性，该装置可以拓展到上百GHz信号的分频。本发明还具有抗电磁干扰、低噪声等特性，可广泛应用于通信、雷达探测、稳相传输、航空航天和电子对抗等领域。
Claims (8)
1.基于光电振荡环路的微波三分之二分频方法，其特征在于，构建以下的光电振荡环路并在其中引入延时：用待分频微波信号对光载波进行第一级载波抑制光双边带调制，生成一级调制光信号，然后用振荡信号对所述一级调制光信号进行第二级载波抑制光双边带调制，生成二级调制光信号，用光电探测器将所述二级调制光信号转换为电信号，令所述电信号通过微波放大器、移相器以及微波滤波器后，将其分为两路，其中一路作为所述振荡信号，另一路作为三分之二分频输出；所述微波滤波器为在待分频微波信号频率处带阻而在三分之二分频频率处带通的宽带滤波器；令三分之二分频振荡模式在所述光电振荡环路中形成正反馈振荡，从而获得稳定的三分之二分频输出。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，令所述光电振荡环路满足以下稳态条件，以使得三分之二分频振荡模式在所述光电振荡环路中形成正反馈振荡：
P为光载波的光功率，α为系统衰减，为光电探测器响应度，G为微波放大器增益，ω0为待分频微波信号的频率，V0、θ0和V1、θ1分别为待分频微波信号及三分之二分频的振荡模式的幅度、相位，τ为引入的延时，βn(n＝0,1)为两级调制器的调制系数，其中β0、β1分别为第一级、第二级调制器的调制系数，J2(βn)为第二阶贝塞尔函数，Vπ-0、Vπ-1分别为第一级、第二级调制器的半波电压。
3.如权利要求1或2所述方法，其特征在于，使用工作在最小传输点的推挽式马赫曾德尔调制器实现所述第一级载波抑制光双边带调制和/或第二级载波抑制光双边带调制。
4.如权利要求1或2所述方法，其特征在于，利用设置于所述光电振荡环路的光路部分中的延时光纤来在所述光电振荡环路中引入延时。
5.基于光电振荡环路的微波三分之二分频装置，其特征在于，包括光电振荡环路以及用于在所述光电振荡环路中引入延时的延时部件，所述光电振荡环路包括：
光源，用于产生光载波；
两级电光调制模块，其包括第一级调制器和第二级调制器，第一级调制器用于用待分频微波信号对光载波进行第一级载波抑制光双边带调制，生成一级调制光信号，第二级调制器用于用振荡信号对所述一级调制光信号进行第二级载波抑制光双边带调制，生成二级调制光信号；
光电探测器，用于将所述二级调制光信号转换为电信号；
微波放大器，用于对所述电信号进行放大；
移相器，用于对所述电信号相位进行调整；
微波滤波器，其为在待分频微波信号频率处带阻而在三分之二分频频率处带通的宽带滤波器，用于对所述电信号进行滤波；
功分器，用于将经过微波放大器、移相器及微波滤波器之后的电信号分为两路，一路作为所述振荡信号，另一路作为三分之二分频输出。
6.如权利要求5所述装置，其特征在于，所述光电振荡环路满足以下稳态条件，以使得三分之二分频振荡模式在所述光电振荡环路中形成正反馈振荡：
P为光载波的光功率，α为系统衰减，为光电探测器响应度，G为微波放大器增益，ω0为待分频微波信号的频率，V0、θ0和V1、θ1分别为待分频微波信号及三分之二分频的振荡模式的幅度、相位，τ为引入的延时，βn(n＝0,1)为两级调制器的调制系数，其中β0、β1分别为第一级、第二级调制器的调制系数，J2(βn)为第二阶贝塞尔函数，Vπ-0、Vπ-1分别为第一级、第二级调制器的半波电压。
7.如权利要求5或6所述装置，其特征在于，所述第一级调制器和/或第二级调制器为工作在最小传输点的推挽式马赫曾德尔调制器。
8.如权利要求5或6所述装置，其特征在于，所述延时部件为设置于所述光电振荡环路的光路部分中的延时光纤。
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