CN109004499B - 一种可调谐微波源 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种可调谐微波源，大幅提高微波源的频率稳定度，降低相位噪声，在保证稳定度的前提下对微波源的频率进行调谐。所述可调谐微波源包括微波振荡环路、稳定相位系统、滤波腔、积分器和微波天线。稳定相位系统的输出端与滤波腔、积分器顺序连接。积分器、微波天线与微波振荡环路连接。微波振荡环路用于输出微波信号和通过微波天线向稳定相位系统辐射微波信号。稳定相位系统包括原子气室和光探测器。原子气室用于输入与碱金属气体相互作用的第一光信号和第二光信号、输出通过微波信号辐射相互作用后的原子气室，第一光信号发生autler‑townes分裂产生的第三光信号。光探测器用于将第三光信号转换为电信号输出，通过滤波腔和积分器加载至微波振荡环路。

Description

一种可调谐微波源

技术领域

本申请涉及通信领域，尤其涉及一种可调谐微波源。

背景技术

低相噪、高稳定度的微波频率源被广泛的应用与雷达、通信计量等领域，是现代电子器件的核心部件。微波源的获得一般有三种方式：一、标准晶体振荡器倍频方式；二、利用介质的低损耗，设计成高Q值的介质谐振腔，构建正反馈放大电路，并对相位和幅度进行控制，提高输出信号的稳定度。三、采用光生微波的方式。主要有两类：1、将超稳激光锁定在高稳光学谐振腔上，并通过光梳转换至所需的频率。2、光电振荡器的方法；利用光纤或光滤波器对光进行滤波，并将光信号转换至电信号，将电信号放大后加载至激光器的调制器，形成振荡环路。上述方法中，第一种方法是目前最成熟的方法，但相噪指标和稳定度指标较差。第二种方法方法具有极高的稳定度指标和相噪指标，但设备体积和重量大，应用场合较小。第三种方法中超稳激光器锁定在光学谐振腔上的方法可以获得极高的稳定度和相噪指标，但由于激光器的波长漂移和老化，连续运行时间较短，光路结构复杂且成本高昂。光电振荡器的方法能够获得较好的相噪指标，且结构紧凑、连续工作时间长，应用范围较广。光电振荡器主要的组成部分由激光器、光滤波腔(一般由光纤或微纳结构光滤波腔构成)、光探测器、电放大器、光调制器等构成。依据主要的工作原理，选择不同器件可以构建多种光电振荡器用于产生高品质的微波信号。如ZL201010102017.X利用采用有源BRAGG光纤与波分复用器及激光器等期间构成了低相噪窄线宽可精确调谐光纤化的激光微波源；ZL201410299327.3利用半导体双模激光器搭建了优质可调谐微波源，摆脱了外微波源的需求；ZL201510212059.1采用激光器注入锁相模块及导频控制以补偿光电环路的时延波动。采用光纤作为光储能器件，容易受到温度和压力的影响，影响整机性能及输出微波信号的频率稳定度；而微纳结构的光储能器件加工复杂，成本较大，且激光器与微纳结构的耦合调节复杂。

本发明提供的可调谐微波源能够利用边峰对微波环路中的相位进行控制，大幅提高微波源的频率稳定度，降低微波源的相位噪声，并利用两路激光器的频率调谐可以在保证稳定度的前提下对微波源的频率进行调谐。

发明内容

本申请实施例提供一种可调谐微波源，解决了现有技术微波源相位噪声大，频率稳定性低的问题。

所述可调谐微波源包括微波振荡环路、稳定相位系统、滤波腔、积分器和微波天线。

所述稳定相位系统的输出端与所述滤波腔、积分器顺序连接。

所述积分器、微波天线与所述微波振荡环路连接。

所述微波振荡环路，用于输出微波信号和通过微波天线向所述稳定相位系统辐射微波信号。

所述稳定相位系统包括原子气室和光探测器。

所述原子气室，用于输入与碱金属气体相互作用的第一光信号和第二光信号、输出通过微波信号辐射相互作用后的原子气室，第一光信号发生autler-townes分裂产生的第三光信号。

所述光探测器，用于将所述第三光信号转换为电信号输出，通过所述滤波腔和所述积分器加载至所述微波振荡环路。

优选地，所述稳定相位系统还包括半导体激光器、第一偏振片、第二偏振片、分束器、锁相放大器、信号发生器、偏振控制器、第三偏振片、调制器和耦合激光器。

所述第一偏振片、原子气室、第二偏振片、分束器和光探测器依次设置在所述半导体激光器发射的第一光信号的光路上。

所述调制器、第三偏振片和偏振控制器依次设置在所述耦合激光器发射的第二光信号的光路上。

所述信号发生器与所述锁相放大器和调制器连接。

所述偏振控制器，用于控制所述第二光信号的偏振态，使所述第二光信号经过所述第二偏振片进入所述原子气室。

所述锁相放大器，用于输出电信号。

优选地，所述微波振荡环路包括压控移相器、手动移相器、带通滤波腔、两个定向耦合器和微波放大器。

所述压控移相器与所述手动移相器、带通滤波腔、两个定向耦合器和微波放大器顺序连接成一个环路。

所述压控移相器还与所述积分器连接。

所述定向耦合器一个与所述微波天线连接，另一个用于输出信号。

优选地，所述信号发生器发出的信号为频率在10～100kHz范围内的方波。

优选地，所述偏振控制器为法拉第旋转器或液晶偏振控制器。

优选地，所述原子气室为铷气室。

所述第一光信号的波长范围为775～785nm。

所述第二光信号的波长范围为479～485nm。

优选地，所述原子气室为铯气室。

所述第一光信号的波长范围为847～857nm。

所述第二光信号的波长范围为789～799nm。

优选地，所述第一光信号的频率可以在中心波长左右进行100MHz的调谐。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

所述可调谐微波源能够利用边峰对微波环路中的相位进行控制，大幅提高微波源的频率稳定度，降低微波源的相位噪声，并利用两路激光器的频率调谐可以在保证稳定度的前提下对微波源的频率进行调谐。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例提供的一种可调谐微波源的系统图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

图1为本申请实施例提供的一种可调谐微波源的系统图，如图1所示，本实施例提供的可调谐微波源包括微波振荡环路、稳定相位系统、滤波腔12、积分器13和微波天线20。

所述稳定相位系统的输出端与所述滤波腔、积分器顺序连接.

所述积分器、微波天线与所述微波振荡环路连接。

所述微波振荡环路，用于输出微波信号和通过微波天线向所述稳定相位系统辐射微波信号。

所述稳定相位系统包括原子气室3和光探测器6。

所述原子气室用于输入与碱金属气体相互作用的第一光信号和第二光信号、输出通过微波信号辐射相互作用后的原子气室，第一光信号发生autler-townes分裂产生的第三光信号。

所述光探测器用于将所述第三光信号转换为电信号输出，通过所述滤波腔和所述积分器加载至所述微波振荡环路。

作为本申请的实施例，在所述可调谐微波源的工作过程中，所述稳定相位系统输入第一光信号和第二光信号两个线偏振光信号，所述微波信号辐射所述原子气室。所述第一光信号和所述第二光信号进入所述原子气室后与所述原子气室内部的碱金属气体相互作用，微波信号辐射所述相互作用后的原子气室，第一光信号在所述微波信号的辐射作用下发生autler-townes分裂，形成两个边峰，产生一个像素噪声低的光信号。所述输出的光信号经过光探测器转换为电信号输出。所述电信号有两个边峰，经过所述滤波腔滤波进入所述积分器积分，由所述积分器加载至所述微波振荡环路。所述微波振荡环路通过噪声起振，将所述微波信号一部分输出，一部分通过所述微波天线辐射至所述稳定相位系统。检测输出的微波信号，根据要求调节所述稳定相位系统输入的光信号，可对所述微波信号的振荡频率进行调谐，使所述微波信号指标达到最优。

所述稳定相位系统还包括半导体激光器1、第一偏振片2、第二偏振片4、分束器5、锁相放大器7、信号发生器8、偏振控制器9、第三偏振片10、调制器11和耦合激光器12。

所述第一偏振片、原子气室、第二偏振片、分束器和光探测器依次设置在所述半导体激光器发射的第一光信号的光路上。所述调制器、第三偏振片和偏振控制器依次设置在所述耦合激光器发射的第二光信号的光路上。所述信号发生器与所述锁相放大器和调制器连接。所述偏振控制器，用于控制所述第二光信号的偏振态，使所述第二光信号经过所述第二偏振片进入所述原子气室。所述锁相放大器，用于输出电信号。

其中所述偏振控制器为法拉第旋转器或液晶偏振控制器。

在所述可调谐微波源的工作过程中，所述半导体激光器和所述耦合激光器不同分别发射第一光信号和第二光信号。所述第一光信号和所述第二光信号的波长根据所述原子气室内的碱性金属气体进行调节。若所述原子气室为铷气室。所述第一光信号的波长范围为775～785nm。所述第二光信号的波长范围为479～485nm。若所述原子气室为铯气室。所述第一光信号的波长范围为847～857nm。所述第二光信号的波长范围为789～799nm。其中所述第一光信号的频率可以在中心波长左右进行100MHz的调谐。

所述第一光信号为椭圆偏振光，通过所述第一偏振片起偏转换为线偏振光，再进入所述原子气室。所述第二光信号进入所述调制器。所述信号发生器向所述调制器加载一个频率在10～100kHz范围内的方波，对所述第二光信号进行调制。所述第二光信号在进入第三偏振片之前，可为椭圆偏振光，经过所述第三偏振片起偏转换为线偏振光。所述偏振控制器对经过转换后的第二光信号的偏振态进行控制，调节所述第二光信号的角度，使所述第二光信号经过所述第二偏振片进入所述原子气室。所述微波信号辐射至所述原子气室，起偏后的所述第一光信号和第二光信号先在所述原子气室内与碱金属气体相互作用，产生EIT电磁诱导透明现象。所述微波信号辐射所述相互作用后的原子气室，第一光信号在所述待测电场的辐射作用下发生autler-townes分裂，形成两个边峰，产生一个像素噪声低的光信号。所述光信号经过第二偏振片后保持偏振状态，由所述分束器分为两束，其中一束可用于光谱检测，另一束通过所述光探测器转换为电信号进入所述锁相放大器。所述信号发生器向所述锁相放大器也加载一个频率在10～100kHz范围内的方波，所述电信号经过锁相放大，在所述锁相放大器的出口端产生具有频率间隔的两个边峰。所述信号经过所述滤波腔滤波进入所述积分器积分，由所述积分器加载至所述微波振荡环路。

所述微波振荡环路包括压控移相器14、手动移相器15、带通滤波腔16、两个定向耦合器17、18和微波放大器19。

所述压控移相器与所述手动移相器、带通滤波腔、两个定向耦合器和微波放大器顺序连接成一个环路。所述压控移相器还与所述积分器连接。所述定向耦合器一个与所述微波天线连接，另一个用于输出信号。

在所述可调谐微波源的工作过程中，所述信号进入所述压控移相器，经过所述压控移相器与所述手动移相器、带通滤波腔、两个定向耦合器和微波放大器顺序连接形成的微波振荡环路在噪声下起振，产生微波信号。所述微波信号一部分通过所述定向耦合器17输出，另外分出一部分通过与所述微波放大器连接的定向耦合器18辐射至所述稳定相位系统的原子气室。

本申请提出的可调谐微波源可以利用边峰对微波环路中的相位进行控制，大幅提高微波源的频率稳定度，降低微波源的相位噪声，并利用两路激光器的频率调谐可以在保证稳定度的前提下对微波源的频率进行调谐。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种可调谐微波源，其特征在于，包括微波振荡环路、稳定相位系统、滤波腔、积分器和微波天线；

所述稳定相位系统的输出端与所述滤波腔、积分器顺序连接；

所述积分器、微波天线与所述微波振荡环路连接；

所述微波振荡环路，用于输出微波信号和通过微波天线向所述稳定相位系统辐射微波信号；

所述稳定相位系统包括原子气室和光探测器；

所述原子气室，用于输入与碱金属气体相互作用的第一光信号和第二光信号、输出通过微波信号辐射相互作用后的原子气室，第一光信号发生autler-townes分裂产生的第三光信号；

所述光探测器，用于将所述第三光信号转换为电信号输出，通过所述滤波腔和所述积分器加载至所述微波振荡环路。

2.如权利要求1所述的可调谐微波源，其特征在于，所述稳定相位系统还包括半导体激光器、第一偏振片、第二偏振片、分束器、锁相放大器、信号发生器、偏振控制器、第三偏振片、调制器和耦合激光器；

所述第一偏振片、原子气室、第二偏振片、分束器和光探测器依次设置在所述半导体激光器发射的第一光信号的光路上；

所述调制器、第三偏振片和偏振控制器依次设置在所述耦合激光器发射的第二光信号的光路上；

所述信号发生器与所述锁相放大器和调制器连接；

所述偏振控制器，用于控制所述第二光信号的偏振态，使所述第二光信号经过所述第二偏振片进入所述原子气室；

所述锁相放大器，用于输出电信号。

3.如权利要求1所述的可调谐微波源，其特征在于，所述微波振荡环路包括压控移相器、手动移相器、带通滤波腔、两个定向耦合器和微波放大器；

所述压控移相器与所述手动移相器、带通滤波腔、两个定向耦合器和微波放大器顺序连接成一个环路；

所述压控移相器还与所述积分器连接；

所述定向耦合器一个与所述微波天线连接，另一个用于输出信号。

4.如权利要求2所述的可调谐微波源，其特征在于，所述信号发生器发出的信号为频率在10～100kHz范围内的方波。

5.如权利要求2所述的可调谐微波源，其特征在于，所述偏振控制器为法拉第旋转器或液晶偏振控制器。

6.如权利要求2所述的可调谐微波源，其特征在于，所述原子气室为铷气室；

所述第一光信号的波长范围为775～785nm；

所述第二光信号的波长范围为479～485nm。

7.如权利要求2所述的可调谐微波源，其特征在于，所述原子气室为铯气室；

所述第一光信号的波长范围为847～857nm；

所述第二光信号的波长范围为789～799nm。

8.如权利要求2所述的可调谐微波源，其特征在于，所述第一光信号的频率可以在中心波长左右进行100MHz的调谐。

Images