CN108809437A - 一种基于双向循环移频的微波光子下变频装置及方法 - Google Patents

一种基于双向循环移频的微波光子下变频装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于双向循环移频的微波光子下变频装置及方法，涉及微波光子学领域，为了解决传统电学变频器面临的带宽小、损耗大等缺点及光学变频技术需要高频电学本振的缺点；本发明装置由激光器、循环移频模块和光电探测器组成。所述循环移频模块包括2×2光耦合器、偏振控制器、双驱电光强度调制器、电本振源、光放大器、光带通滤波器和光可调延迟线；在循环移频模块中，光载待变频射频信号与电本振信号的1阶光边带同时以相同的移频步进进行相向光边带移动，最终光电探测两个频率最近邻的相向移频光边带，实现射频信号的下变频；利用循环移频模块的相向移频特点，通过改变电本振源的频率，实现在低频电本振下的宽频范围和可调谐微波信号的下变频。

Description

一种基于双向循环移频的微波光子下变频装置及方法
技术领域
本发明涉及微波光子学技术领域，具体涉及一种微波光子下变频装置及微波光子下变频方法。
背景技术
随着无线通信、卫星通信、以及雷达探测等应用对频带需求的日益增加,现行的微波频带资源越来越紧张，促使微波通信逐渐向高频段发展。传统的微波混频器将接收信号的频率下变换到频率较低的中频或直流，从而降低接受端带宽要求,但是受到微波混频器工作带宽小、隔离度低、损耗大以及转换效率低等问题的影响，越来越难以满足当前的需求。微波光子变频利用电光调制器、探测器、半导体光放大器等器件的非线性效应在光域实现微波信号的变频，克服了电子线路变频器带宽小、损耗大、受电磁干扰严重、体积庞大等不足的缺点，具有带宽大、传输损耗低、隔离度高等优点，使得信号可以在变频的同时实现长距离的光纤传输，是一种极具潜力的技术。
通常，基于微波光子下变频的方法由光频梳外差法（J Davila-Rodriguez,MBagnell, C Williams. Multiheterodyne Detection for Spectral Compression andDownconversion of Arbitrary Periodic Optical Signals.[J]Journal of LightwaveTechnology , 2011 , 29 (20) :3091-3098），串联或并联电光调制器法（EHW Chan ，RMinasian . Microwave Photonic Downconverter With High Conversion Efficiency.[J] Journal of Lightwave Technology. 2012 , 30 (23) :3580-3585）。光频梳外差法中锁模激光器产生的光频梳作为光学本振源，与加载待变频的射频信号的光边带拍频后在光电探测器处进行光电转换实现下变频。该种方法用锁模激光器产生光频梳，存在系统复杂、光源稳定性差和调谐性差等问题。而串联或并联电光调制器法将待变频的射频信号和电本振信号分别加载到两个不同的电光调制器上产生一系列的边带，两个频率相邻的调制光边带通过光电探测器拍频实现下变频，该方法虽然解决了光频梳外差法中调谐性差的缺点，但是对高频的射频信号处理时所需的电学本振源频率较高，使得待处理的射频信号频率范围受限。
发明内容
为解决上述的技术问题，本发明提供一种微波光子下变频装置及方法，实现了在低频电本振下的宽频范围和可调谐微波信号的下变频。
本发明提供了一种微波光子下变频装置，包括激光器、循环移频模块和光电探测器；激光器连接循环移频模块的一个光输入端口，光电探测器连接循环移频模块的一个光输出端口。
所述循环移频模块由2×2光耦合器、偏振控制器、双驱电光强度调制器、电本振源、光放大器、光带通滤波器和光可调延迟线组成。其中2×2光耦合器、偏振控制器、双驱电光强度调制器、光放大器、光带通滤波器和光可调延迟线之间依次光连接，双驱电光强度调制器和电本振源之间电连接。
所述双驱电光强度调制器为双平行马赫曾德尔调制器或者双驱马赫曾德尔调制器。
所述光放大器为掺铒光纤放大器或者半导体光放大器。
激光器产生的光载波频率为f 0，电本振源产生的本振信号f LO加载在双驱电光强度调制器的一个电输入端口，待变频的射频信号f RF加载在另一个电输入端口上，所得的下变频后的中频信号的频率为f IF=min{f RF-Nf LO,(N+1)f LO-f RF},其中f IF≤f LO/2，满足N为正整数，且Nf LO<f RF<(N+1)f LO。
本发明还提供了一种微波光子下变频方法：激光器产生的光载波通过循环移频模块中的2×2光耦合器进入循环移频模块，利用双驱电光强度调制器将电本振源产生的本振信号和待变频的射频信号加载在光载波上，分别产生二者的1阶光边带，同时实现射频和本振信号的电光调制和电光移频；调制射频和本振光边带通过循环移频模块后，实现调制射频和本振光边带以相同的移频步进进行相向移频，其移频步进为电本振源频率大小；经过若干次循环后，频率最近邻的移频光边带通过光电探测器进行检测，得到下变频信号。
利用循环移频模块的相向移频的特点，通过改变电本振源的频率，实现在低电本振频率下的宽频范围和可调谐射频信号的下变频。
上述技术方案中，循环移频模块由2×2光耦合器、偏振控制器、双驱电光强度调制器、电本振源、光放大器、光带通滤波器和光可调延迟线组成。其中2×2光耦合器、偏振控制器、双驱电光强度调制器、光放大器、光带通滤波器和光可调延迟线之间依次光连接，电本振源和双驱电光强度调制器之间电连接。
所述双驱电光强度调制器为双平行马赫曾德尔调制器或者双驱马赫曾德尔调制器。
所述光放大器为掺铒光纤放大器或者半导体光放大器。
上述技术方案中，激光器产生的光载波频率为f 0，电本振源产生的本振信号f LO加载在双驱电光强度调制器的一个电输入端口上，待变频的射频信号f RF加载在另一个电输入端口上，所得的下变频后的中频信号的频率为f IF=min{f RF-Nf LO,(N+1)f LO-f RF},其中f IF≤f LO/2，N为正整数，且Nf LO<f RF<(N+1)f LO。
上述技术方案中，利用循环移频模块的相向移频的特点，实现了宽频范围的微波信号的下变频；该技术方法所需的电本振源频率低，得到的下变频后的中频信号小于等于电本振源频率的一半,并且通过改变电本振源的频率，可以实现可调谐的微波信号的下变频。
本发明具有以下的益效果：利用了循环移频模块的双向循环移频（相向移频），实现了在低频电本振源条件下宽频的微波信号的下变频；由于采用了电光调制，通过改变电本振源的频率，循环步进的频率易调，实现了可调谐的灵活可变的下变频。
附图说明
图1为本发明微波信号下变频装置图。
图2是本发明实施例中两种取值方式的中频信号示意图，图中虚线代表光带通滤波器的幅频响应，顶部为圆圈的短实线代表调制本振光边带的移频边带，顶部为三角的长实线代表调制射频光边带的移频边带，顶部为黑圈的实线代表光载波。图（a）和图（b）两图分别对应f RF-Nf LO≤f LO/2,f RF-Nf LO>f LO/2两种情况。
图3是本发明实施例中电学本振频率相同的情况下，不同射频信号下变频到不同频率的中频信号的示意图，并且分别对应图2（a），（b）的两种取值方式的中频信号。
图4是本发明实施例中电本振源频率不同的情况下，记录的同一待变频射频信号下变频到不同频率的中频信号的示意图。
其中附图1标记：1-激光器，2-2×2光耦合器，3-偏振控制器，4-双驱电光强度调制器，5-光放大器，6-光带通滤波器，7-光可调延迟线，8-电本振源，9-循环移频模块，10-光电探测器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明一种微波光子下变频装置图如图1所示，激光器（1）产生的频率为f 0的光载波进入循环移频模块（9）后，利用双驱电光强度调制器（4）将电本振源（8）产生的本振信号和待变频的射频信号加载在光载波上，分别产生二者的1阶光边带，同时实现射频和本振信号的电光调制和电光移频，设置可调光带通滤波器（6）的中心波长以及带宽，使得载波f 0和待变频的高频射频信号f RF单侧的+1（或-1）阶边带之间的频率范围f RF为光带通滤波器（6）的通带范围，即第一次经过循环移频后，只有f 0+f RF,f 0+f LO两个频率成分以及光耦合器（2）的光输入端口b输入的f 0（共3个频率成分）进入到接下来的循环，所以三个频率成分将分别作为新的载波被f LO，f RF调制，并在其两侧分别产生二者的+1和-1阶边带。经过多次循环移频后，调制本振光边带的+1阶移频边带f 0+f LO将不断以f LO步进向高频移动，同时调制射频光边带的+1阶移频边带f 0+f RF也将以相同的频率步进向低频移动，如图2所示。最终经过循环移动的两个频率最接近的移频边带拍频后将产生频率为f IF=min{f RF-Nf LO,(N+1)f LO-f RF}≤f LO/2的中频信号，从而实现了高频射频信号的下变频。
本发明的微波光子下变频方法的原理如下：
从上面的实验原理可知，第一次经过循环移频模块后，共有3个频率成分进入接下来的循环中：f 0，f 0+f RF，f 0+f LO。考虑到双边带调制后谱线之间的交叠，因此下一次循环后，将只产生两个新的频率成分：调制射频光边带的+2阶移频边带f 0+f RF-f LO和调制本振光边带的的+2阶移频边带f 0+f LO+f LO,即f 0+f RF和f 0+f LO以相同的频率f LO相向移频，因此，任一次循环移频输出的谱线和上一次循环移频输出的谱线相比，都将只增加2个频率成分。经过N次循环移频后，高频的调制射频光边带的移频边带频率递减至f 0+f RF-(N-1)f LO；低频的调制本振光边带的移频边带频率递增至f 0+f LO+(N-1)f LO=f 0+Nf LO，满足N为正整数，且Nf LO<f RF<(N+1)f LO。因此光带通滤波器通带范围内的调制本振光边带的所有移频边带的合场强表达式为:
（1）
光带通滤波器通带范围内调制射频光边带的所有移频边带产生的合场强表达式为:
（2）
其中A k 、B k 分别为调制本振光边带的+k阶移频边带和调制射频光边带的+k阶移频边带 的电场幅度大小，j为虚数，t为时间,和分别为两种移频光边带的相位大小。
整个循环移频模块最终的输出的合场强为:
（3）
因此循环移频模块的输出光强为:
（4）
第N次通过循环移频模块后，调制本振光边带的移频边带频率为f 0+Nf LO，位于f 0+f RF 和f 0+f RF-f LO之间，所以最终中频信号f IF的大小为调制本振光边带的+N阶移频边带f 0 +Nf LO 与调制射频光边带的+1阶移频边带f 0+f RF和+2阶移频边带f 0+f RF-f LO之间频率间隔的较小值，即：
f IF=min{f RF-Nf LO,(N+1)f LO-f RF} （5）
满足N为正整数，且Nf LO<f RF<(N+1)f LO。
以下分两种情况讨论：
（1）f RF-Nf LO≤f LO/2时，f IF=f RF-Nf LO，对应图2（a）:
（6）
（2）f RF-Nf LO>f LO/2时，f IF=(N+1)f LO-f RF，对应图2（b）:
（7）
为了能让一系列拍频形成的中频信号的子成分之间相干相长，本装置中采用了光可调延迟线，通过设置环腔的延时t D 和移频量f LO，使得满足f LO·t D=n·2·π,从而获得了最大功率的中频信号。
实施例1
相同的本振信号条件，不同射频信号下变频到不同频率的中频信号，并分别对应两种取值方式的中频信号。
待变频的射频信号的频率为40GHz和25GHz，电本振源（8）产生的电本振信号的频率为3.6GHz,通过调节光带通滤波器（6）的滤波窗口，分别对不同频率的射频信号进行处理。图3（a）对应的待变频的射频信号的频率为40GHz，因为（40-3.6×11=0.4）<(3.6/2),所以f IF=f RF-Nf LO =40-3.6×11=0.4GHz,对应图2（a）。
图3（b）对应的待变频的射频信号的频率为25GHz,因为（25-3.6×6=3.4）>(3.6/2),所以f IF=(N+1)f LO -f RF=7×3.6-25=0.2GHz，对应图2（b）。
综上所述，在低频的电本振条件下，利用本装置及方法可以实现宽频的微波信号的下变频。
实施例2
不同的本振信号将相同的射频信号下变频到不同的中频频率。
该实施例的待变频的射频信号频率为40GHz,电本振源（8）产生的本振信号的频率分别为2.4GHz和3.6GHz,图4（a）和（b）分别为本振信号频率为2.4GHz和3.6GHz时待变频的射频信号下变频到0.8GHz和0.4GHz的中频信号的示意图。
综上所述，改变本振信号的频率，利用本装置及方法可以实现可调谐的微波信号的下变频。
以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的进一步详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出简单的推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种微波光子下变频装置，其特征在于：
包括激光器（1）、循环移频模块（9）和光电探测器（10）;激光器（1）连接循环移频模块（9）的光输入端口b，光电探测器（10）连接循环移频模块（9）的光输出端口c;
所述循环移频模块（9）由2×2光耦合器（2）、偏振控制器（3）、双驱电光强度调制器（4）、电本振源（8）、光放大器（5）、光带通滤波器（6）和光可调延迟线（7）组成；其中2×2光耦合器（2）、偏振控制器（3）、双驱电光强度调制器（4）、光放大器（5）、光带通滤波器（6）和光可调延迟线（7）之间依次光连接，双驱电光强度调制器（4）和电本振源（8）之间电连接。
2.根据权利要求书1所述的一种微波光子下变频装置，其特征在于：所述双驱电光强度调制器（4）为双平行马赫曾德尔调制器或者双驱马赫曾德尔调制器。
3.根据权利要求书1所述的一种微波光子下变频装置，其特征在于：所述光放大器（5）为掺铒光纤放大器或者半导体光放大器。
4.根据权利要求书1所述的一种微波光子下变频装置，其特征在于：激光器（1）产生的光载波频率为f 0，电本振源（8）产生的本振信号f LO加载在双驱电光强度调制器的电输入端口port1，待变频的射频信号f RF加载在另一个电输入端口port2，所得的下变频后的中频信号频率为f IF=min{f RF-Nf LO,(N+1)f LO-f RF},其中f IF≤f LO/2，满足N为正整数，且Nf LO<f RF<(N+1)f LO。
5.一种微波光子下变频方法，其特征在于：
激光器（1）产生的光载波通过循环移频模块（9）中的2×2光耦合器（2）的一个光输入端口b进入循环移频模块（9），利用双驱电光强度调制器（4）将电本振源（8）产生的本振信号和待变频的射频信号加载在光载波上，分别产生二者的1阶光边带，同时实现射频和本振信号的电光调制和电光移频；
调制射频和本振光边带通过循环移频模块（9）后，实现调制射频和本振光边带以相同的移频步进进行相向移频，其移频步进为本振频率大小；
经过若干次循环后，频率最近邻的移频光边带通过光电探测器（10）进行检测，得到下变频信号;
利用循环移频模块的相向移频的特点，通过改变电本振源（8）产生的本振信号的频率，实现在低电本振频率下的宽频范围和可调谐射频信号的下变频。
6.根据权利要求5所述的微波光子下变频方法，其特征在于：所述循环移频模块（9）由2×2光耦合器（2）、偏振控制器（3）、双驱电光强度调制器（4）、电本振源（8）、光放大器（5）、光带通滤波器（6）和光可调延迟线（7）组成，其中2×2光耦合器（2）、偏振控制器（3）、双驱电光强度调制器（4）、光放大器（5）、光带通滤波器（6）和光可调延迟线（7）之间依次光连接，双驱电光强度调制器（4）和电本振源（8）之间电连接。
7.根据权利要求5所述的微波光子下变频方法，其特征在于：所述的双驱电光强度调制器（4）为双平行马赫曾德尔调制器或者双驱马赫曾德尔调制器。
8.根据权利要求5所述的微波光子下变频方法，其特征在于：所述光放大器（5）为掺铒光纤放大器或者半导体光放大器。
9.根据权利要求5所述的一种微波光子下变频方法，其特征在于：
激光器（1）产生的光载波频率为f 0，电本振源（8）产生的本振信号f LO加载在双驱电光强度调制器（4）的电输入端口port1，待变频的射频信号f RF加载在另一个电输入端口port2，所得的下变频后的中频信号的频率为f IF=min{f RF-Nf LO,(N+1)f LO-f RF},其中f IF≤f LO/2，N为正整数，且Nf LO<f RF<(N+1)f LO。
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