CN108768539A - 光子型微波二分频方法及光子型微波二分频器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光子型微波二分频方法，构建以下光电振荡环路并在其中引入延时：将待分频微波信号输入合波器一个输入端口，将合波器的输出信号调制于光载波上，生成载波抑制强度调制信号，并将其转换为电信号，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，其中一路输入至合波器的另一个输入端口，另一路作为二分频输出，微波滤波器可滤除待分频微波信号且对二分频的振荡模式为带通；令二分频的振荡模式在光电振荡环路中形成正反馈振荡，从而获得稳定的二分频输出。本发明还公开了一种光子型微波二分频器。本发明能够在光域实现待分频微波信号的二分频，且具有大带宽、低噪声、低杂散以及对外部干扰小的优点。

Description

光子型微波二分频方法及光子型微波二分频器

技术领域

本发明涉及一种分频方法，尤其涉及一种光子型微波二分频方法及光子型微波二分频器。

背景技术

分频器广泛应用于现代通信系统、雷达探测系统中。在通信系统中，分频器主要基于参考时钟，为系统提供可变的时钟信号，以应对不同速率的信号产生、调制与解调；在雷达探测系统中，分频器则在频率综合器发挥关键作用，包括本振分频、锁相环等。通信容量的急剧增大和射频探测领域中探测精度需求的不断提升，对微波频率、带宽及性能的要求也在上涨，进而对分频器的工作频率、杂散、抗干扰、噪声性能等方面提出了更高的要求。

基于电子学的分频器主要包括数字分频器和模拟分频器两类。数字分频器利用数字计数器及触发器可实现灵活的分频，但是其工作频率首先，往往只能到数GHz，同时触发器的工作模式会给系统引入非常多的杂散分量，且相位噪声恶化严重。而模拟分频主要包括注入锁定分频器和再生分频器，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。该技术能够实现高频、低相位噪声的信号分频。但是基于微波技术的分频器中往往需要窄带的滤波器以选择出需要的振荡模式，因为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，主要包括基于光频梳分频法和基于光电调制器混频及注入锁定分频法。基于光频梳分频技术主要利用光频梳与两束外部高稳直流光进行相位锁定【Fortier T M,Kirchner M S,QuinlanF,et al.Generation of ultrastable microwaves via optical frequency division[J].Nature Photonics,2011,5(7):425.】【Li J,Yi X,Lee H,et al.Electro-opticalfrequency division and stable microwave synthesis[J].Science,2014:1252909.】，形成高稳定的光频梳，选取光频梳的两个梳齿并在光电探测器进行光电转化，从而实现微波信号的输出。由于光频梳的超高稳定性和极大的光谱范围，因而能够实现高频、低相位噪声的信号输出。其分频过程是通过选取光频梳的两根梳齿实现。因此，该方法从本质上是利用光频梳的分频特性并转化到微波信号中。但是该方法很难对外部注入微波信号实现分频效果，且外部注入信号的频率需要满足为光频梳重复频率的整数倍。而基于光电调制器的宽带混频及注入锁定技术主要实现信号的时钟的分频提取功能，用于微波信号的下变频【Zhu D,Pan S,Cai S,et al.High-performance photonic microwave downconverterbased on a frequency-doubling optoelectronic oscillator[J].Journal ofLightwave Technology,2012,30(18):3036-3042.】。该技术利用的了光电振荡器的高性能微波信号输出的特性，保证分频信号的性能。但是，该技术需要保证光电振荡器自由振荡的信号频率大致等于时钟的二分之一，且由于光电振荡器中窄带滤波器的使用，极大的限制了该技术的分频带宽。同时由于该技术中光电振荡器需要产生自由振荡信号，而振荡的信号在无注入信号的情况下会对外界输出振荡波形，有可能干扰外部信号的工作。

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，提供一种光子型微波二分频方法，能够在光域实现待分频微波信号的二分频，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：

一种光子型微波二分频方法，构建以下光电振荡环路并在其中引入延时：将待分频微波信号输入合波器一个输入端口，将合波器的输出信号调制于光载波上，并将生成的载波抑制强度调制信号转换为电信号，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，其中一路输入至合波器的另一个输入端口，另一路作为二分频输出，所述微波滤波器可滤除待分频微波信号且对二分频的振荡模式为带通；令二分频的振荡模式在所述光电振荡环路中形成正反馈振荡，从而获得稳定的二分频输出。

优选地，令所述光电振荡环路满足以下稳态条件，以使得二分频的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，ω_e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二分频的振荡模式的幅度、相位，τ为引入的延时，β_n(n＝0,1)为调制器的调制系数，J₁(β_n)为第一阶贝塞尔函数，V_{π_RF}为调制器的半波电压。

优选地，利用工作在最小传输点的推挽式马赫曾德尔调制器将合波器的输出信号调制于光载波上，以生成载波抑制强度调制信号。

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：

一种光子型微波二分频器，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：

合波器，其一个输入端口用于输入待分频微波信号；

光源，用于产生光载波；

光载波抑制强度调制单元，用于将合波器输出信号调制于所述光载波，生成载波抑制强度调制信号；

光电探测器，用于将所述载波抑制强度调制信号转换为电信号；

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，用于对所述电信号进行滤波，其可滤除待分频微波信号且对二分频的振荡模式为带通；

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，一路输入至所述合路器的另一个输入端口，另一路作为二分频输出。

优选地，所述光电振荡环路满足以下稳态条件，以使得二分频的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，ω_e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二分频的振荡模式的幅度、相位，τ为引入的延时，β_n(n＝0,1)为调制器的调制系数，J₁(β_n)为第一阶贝塞尔函数展开系数，V_{π_RF}为调制器的半波电压。

优选地，所述光载波抑制强度调制单元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待分频微波信号的二分频，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，使得光电环路中各器件的工作频率上限仅需为待转换信号载频的1/2，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，本发明光子型微波二分频器具有低噪声、低杂散等特点，且当无外部信号注入时，该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为本发明光子型微波二分频器一个具体实施例的结构及原理框图；

图2为图1的光子型微波二分频器在进行分频提取时，注入和不注入待分频信号时的频谱曲线；

图3为图1的光子型微波二分频器的对输入信号分频前、后的单边带(SSB)相位噪声曲线；

图4为图1的光子型微波二分频器的大带宽可调谐性频谱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

图1显示了本发明光子型微波二分频器一个具体实施例的结构及原理。如图1所示，该分频器包括光源、光载波抑制强度调制单元、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、合波器。光载波抑制强度调制单元将合波器输出的信号调制到光源输出的光载波上，并输出载波抑制强度调制信号；光载波抑制强度调制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以及实现了频率为ω_e待分频微波信号与环路中频率为ω_e/2的振荡模式的混频，混频后的信号通过微波放大器、移相器以及微波滤波器注入到功分器中，微波滤波器滤除频率为ω_e的待分频微波信号且对频率为ω_e/2的信号为带通；功分器一路输出信号进入合波器，并与待分频微波信号ω_e合波后通过合波器的输出端注入到光载波抑制强度调制单元中，使得频率为ω_e/2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。

上述方案中，光载波抑制强度调制可以通过将推挽式的马赫曾德尔调制器(Mach-Zenhder Modulator,MZM)偏置在最小传输点实现；当然，也可以通过其他现有或将有方式实现，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。

上述技术方案中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，我们假设输入到马赫-增德尔调制器电输入端的待分频信号为：

V_in(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x_in(t)，因此V_in(t)与x_in(t)通过合波器注入至MZM中，并在MZM中实现载波抑制强度调制。考虑到直流偏置电压V_B和射频调制电压V(t)，MZM的调制传递函数表示为：

其中V_{π_DC}为MZM的直流半波电压，V_{π_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P_in，P_out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，假设进入合波器的分频振荡信号为：

其中ω₀/2、V₁、θ₁分别表示分频振荡信号频率、幅度、相位，则通过合波器对待分频输入信号与分频振荡信号的合波，输出MZM的射频信号为二者之和，表示为：

经过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，为MZM的偏置电压引入的相位项，分别为V_in(t)、x_in(t)信号的在MZM中的调制系数。由于MZM工作在最小传输点，可知φ＝0，忽略直流量分量可得：

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ω₀/2的分量将会被保留下来。通过展开式(8)，我们知道右边第一项都将被滤除，右边第二项通过放大滤波后，其表达式为：

其中，G为微波放大器引入的增益。由于高阶边带信号太弱，可以忽略不计，因此我们对比发现，式(9)只残余正负1阶边带的拍频信号，因此可以简化为：

由于系统处于稳定状态，可知：x_out(t)＝x_in(t)

于是可得：

因此可知其稳态条件：

其中k为整数。

图2给出了图1的光子型微波二分频器在进行分频提取时，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12GHz信号注入至本发明二分频器时，本发明二分频器成功输出6GHz的二分频信号；当无任何信号注入至本发明二分频器时，本发明二分频器无任何信号输出。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的光子型微波二分频器分频前、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6dB左右，与理论值符合得很好。

图4给出了图1的光子型微波二分频器的宽带可调谐性结果图。从结果中可以看出，该二分频器能够实现对12GHz-20GHz输入信号分频至6GHz-10GHz，表明该系统具有宽带特性。

综上，本发明可实现微波信号在光域的分频，并在微波输出。相比于目前模拟分频器技术，由于该系统可引入宽带滤波器，因此具有宽带特性，且可以同时在光域和电域输出分频信号。同时，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)

1.一种光子型微波二分频方法，其特征在于，构建以下光电振荡环路并在其中引入延时：将待分频微波信号输入合波器一个输入端口，将合波器的输出信号调制于光载波上，生成载波抑制强度调制信号，并将生成的载波抑制强度调制信号转换为电信号，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，其中一路输入至合波器的另一个输入端口，另一路作为二分频输出，所述微波滤波器可滤除待分频微波信号且对二分频的振荡模式为带通；令二分频的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，以使得二分频的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，ω_e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二分频的振荡模式的幅度、相位，τ为引入的延时，β_n(n＝0,1)为调制器的调制系数，J₁(β_n)为第一阶贝塞尔函数，V_{π_RF}为调制器的半波电压。

3.如权利要求1或2所述方法，其特征在于，利用工作在最小传输点的推挽式马赫曾德尔调制器将合波器的输出信号调制于光载波上，以生成载波抑制强度调制信号。

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。

5.一种光子型微波二分频器，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：

合波器，其一个输入端口用于输入待分频微波信号；

光源，用于产生光载波；

光载波抑制强度调制单元，用于将合波器输出信号调制于所述光载波，生成载波抑制强度调制信号；

光电探测器，用于将所述载波抑制强度调制信号转换为电信号；

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，用于对所述电信号进行滤波，其可滤除待分频微波信号且对二分频的振荡模式为带通；

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，一路输入至所述合路器的另一个输入端口，另一路作为二分频输出。

6.如权利要求5所述光子型微波二分频器，其特征在于，所述光电振荡环路满足以下稳态条件，以使得二分频的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，ω_e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二分频的振荡模式的幅度、相位，τ为引入的延时，β_n(n＝0,1)为调制器的调制系数，J₁(β_n)为第一阶贝塞尔函数，V_{π_RF}为调制器的半波电压。

7.如权利要求5或6所述光子型微波二分频器，其特征在于，所述光载波抑制强度调制单元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所述光子型微波二分频器，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。