CN109194329A - 一种微波源 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种微波源，解决微波源相位噪声和稳定度的问题，所述微波源包括微波基准源、滤波腔、积分器、微波倍频单元、定向耦合器和微波天线，所述微波基准源输出压控信号；所述滤波腔接收所述压控信号，并对所述压控信号进行滤波，得到滤波信号一；所述积分器用于对接收的所述滤波信号一进行积分，得到积分信号；所述微波倍频单元用于对接收的所述积分信号进行倍频，得到微波倍频信号；所述定向耦合器用于对接收的所述微波倍频信号进行定向耦合，得到微波信号一和微波信号二；所述微波天线接收所述微波信号二，得到天线信号。本发明能够大幅提高微波频段的频率稳定度，并降低相位噪声，且电路设计简单，成本低，体积小。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，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在雷达、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。第一，标准晶体振荡器倍频方式，这是目前最成熟的方法，但相噪指标和稳定度指标较差；第二，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，这种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，光生微波的方式，主要有两类：一类是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，由于激光器的波长漂移和老化，这种方法连续运行时间较短，光路结构复杂且成本高昂；另一类是光电振荡器的方法：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，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。
发明内容
有鉴于此，为解决微波源相位噪声和稳定度的问题，本申请实施例提供了一种微波源。
本申请实施例提供了一种微波源，包括微波基准源、滤波腔、积分器、微波倍频单元、定向耦合器和微波天线，所述微波基准源输出压控信号，用于对所述微波倍频单元中的频率扰动进行压控；所述滤波腔接收所述压控信号，并对所述压控信号进行滤波，得到滤波信号一，输出到所述积分器；所述积分器用于对接收的所述滤波信号一进行积分，得到积分信号，输出到所述微波倍频单元；所述微波倍频单元用于对接收的所述积分信号进行倍频，得到微波倍频信号，输出到所述定向耦合器；所述定向耦合器用于对接收的所述微波倍频信号进行定向耦合，得到微波信号一和微波信号二，所述微波信号二输出到所述微波天线；所述微波天线接收所述微波信号二，得到天线信号，输出到所述微波基准源。
优选地，所述微波基准源包括激光器一、偏振片一、原子气室、偏振片二、分束器、光探测器、锁相放大器、信号发生器、调制器、激光器二、偏振控制器和光谱监测器，所述激光器一输出激光信号一到所述偏振片一；所述偏振片一用于对接收的所述激光信号一起偏，得到线偏振信号一，输出到所述原子气室；所述原子气室用于为激光和原子相互作用提供反应腔室，接收所述线偏振信号一，得到反应信号一，输出到所述偏振片二；所述偏振片二接收所述反应信号一，得到线偏振信号二，输出到所述分束器；所述分束器接收所述线偏振信号二，得到分束信号一和分束信号二，分别输出到所述光谱监测器和光探测器；所述光谱监测器接收所述分束信号一，并对所述分束信号一的光谱信号进行监测；所述光探测器用于对接收的所述分束信号二进行光电转换，得到电信号，输出到所述锁相放大器；所述激光器二输出激光信号二到调制器；所述信号发生器用于产生调制信号，输出到所述调制器和所述锁相放大器；所述调制器用于对所述激光信号二进行调制，接收所述激光信号二和所述调制信号，得到激光调制信号，输出到所述偏振控制器；所述偏振控制器用于对所述激光调制信号的偏振态进行控制，得到偏振信号，输出到所述偏振片二；所述偏振片二接收所述偏振信号，得到线偏振信号三，输出到所述原子气室；所述原子气室接收所述线偏振信号三和天线信号，并在所述天线信号的作用下所述偏振信号一、偏振信号三和原子发生相互作用；所述锁相放大器接收所述调制信号和所述电信号，得到所述压控信号。
优选地，所述微波倍频单元包括晶体振荡器、功分器一、功分器二、倍频器一、倍频器二、滤波器一、直接数字合成器、混频器和滤波器二，所述晶体振荡器接收所述压控信号，得到所述振荡信号，输出到所述功分器一；所述功分器一用于功率分配，得到时钟信号一和时钟信号二，所述时钟信号一输出到所述功分器二；所述功分器二接收所述时钟信号一，得到所述频率信号一和频率信号二，分别输出到所述倍频器一和倍频器二；所述倍频器一接收所述频率信号一，得到倍频信号一，输出到所述滤波器一；所述滤波器一接收所述倍频信号一，得到滤波信号二，输出到所述混频器；所述倍频器二接收所述频率信号二，得到倍频信号二，输出到所述直接数字合成器；所述直接数字合成器用于信号合成，接收所述倍频信号二，得到合成信号，输出到所述混频器；所述混频器接收所述合成信号和滤波信号二，得到所述混频信号，输出到所述滤波器二；所述滤波器二接收所述混频信号，得到所述微波倍频信号，输出到所述定向耦合器。
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：
本发明的微波源能够大幅提高标准晶振和微波频段的频率稳定度，并降低标准晶振和微波的相位噪声，且电路设计简单，成本低，体积小。
本发明与光抽运铷、铯光频标及、铷铯原子钟不同，传统光抽运或铷只利用了激光泵浦或抽运2个能级，而本发明中外部电场也参与了受激跃迁作用，为原子4能级相互作用，产生的锁定光谱谱线更为稳定，从而使标准信号和微波信号的稳定度更高。
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是微波源的实施例示意图；
图2是微波基准源的实施例示意图；
图3是微波倍频单元实施例示意图。
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。
图1是第一种微波源的实施例示意图，包括微波基准源101、滤波腔102、积分器103、微波倍频单元104、定向耦合器105和微波天线106，所述微波基准源输出压控信号A1，用于对所述微波倍频单元中的频率扰动进行压控；所述滤波腔接收所述压控信号，并对所述压控信号进行滤波，得到滤波信号一A2，输出到所述积分器；所述积分器用于对接收的所述滤波信号一进行积分，得到积分信号A3，输出到所述微波倍频单元；所述微波倍频单元用于对接收的所述积分信号进行倍频，得到微波倍频信号A4，输出到所述定向耦合器；所述定向耦合器用于对接收的所述微波倍频信号进行定向耦合，得到微波信号一A5和微波信号二A6，所述微波信号二输出到所述微波天线；所述微波天线接收所述微波信号二，得到天线信号A7，输出到所述微波基准源。
图2是微波基准源的实施例示意图，包括激光器一201、偏振片一202、原子气室203、偏振片二204、分束器205、光探测器206、锁相放大器207、信号发生器208、调制器209、激光器二210、偏振控制器211和光谱监测器212，所述激光器一输出激光信号一B1到所述偏振片一；所述偏振片一用于对接收的所述激光信号一起偏，得到线偏振信号一B2，输出到所述原子气室；所述原子气室用于为激光和原子相互作用提供反应腔室，接收所述线偏振信号一，得到反应信号一B3，输出到所述偏振片二；所述偏振片二接收所述反应信号一，得到线偏振信号二B4，输出到所述分束器；所述分束器接收所述线偏振信号二，得到分束信号一B5和分束信号二B6，分别输出到所述光谱监测器和光探测器；所述光谱监测器接收所述分束信号一，并对所述分束信号一的光谱信号进行监测；所述光探测器用于对接收的所述分束信号二进行光电转换，得到电信号B7，输出到所述锁相放大器；所述激光器二输出激光信号二B8到调制器；所述信号发生器用于产生调制信号B9，输出到所述调制器和所述锁相放大器；所述调制器用于对所述激光信号二进行调制，接收所述激光信号二和所述调制信号，得到激光调制信号B10，输出到所述偏振控制器；所述偏振控制器用于对所述激光调制信号的偏振态进行控制，得到偏振信号B11，输出到所述偏振片二；所述偏振片二接收所述偏振信号，得到线偏振信号三B12，输出到所述原子气室；所述原子气室接收所述线偏振信号三和天线信号，并在所述天线信号的作用下所述偏振信号一、偏振信号三和原子发生相互作用；所述锁相放大器接收所述调制信号和所述电信号，得到所述压控信号。
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，所述调制信号为10～100kHz的方波。
图3是微波倍频单元实施例示意图，包括晶体振荡器301、功分器一302、功分器二303、倍频器一304、倍频器二305、滤波器一306、直接数字合成器307、混频器308和滤波器二309，所述晶体振荡器接收所述压控信号，得到所述振荡信号C1，输出到所述功分器一；所述功分器一用于功率分配，得到时钟信号一C3和时钟信号二C2，所述时钟信号一输出到所述功分器二；所述功分器二接收所述时钟信号一，得到所述频率信号一C4和频率信号二C5，分别输出到所述倍频器一和倍频器二；所述倍频器一接收所述频率信号一，得到倍频信号一C6，输出到所述滤波器一；所述滤波器一接收所述倍频信号一，得到滤波信号二C7，输出到所述混频器；所述倍频器二接收所述频率信号二，得到倍频信号二C8，输出到所述直接数字合成器；所述直接数字合成器用于信号合成，接收所述倍频信号二，得到合成信号C9，输出到所述混频器；所述混频器接收所述合成信号和滤波信号二，得到所述混频信号C10，输出到所述滤波器二；所述滤波器二接收所述混频信号，得到所述微波倍频信号，输出到所述定向耦合器。
所述微波源基于量子场强中里德堡原子态在两束激光(所述线偏振信号一和线偏振信号三)的相互作用下形成电场诱导透明(EIT)现象，在此现象的基础上在使外界电场(所述天线信号)与里德堡原子相互作用，EIT探测光谱中会出现边峰，边峰的频率间隔和幅度对应相对频率的微波信号。利用该边峰对所述微波倍频单元中的晶体振荡器进行压控，能够大幅提高晶体振荡器中的标准晶振和微波频段的频率稳定度，并降低标准晶振和微波的相位噪声。
本发明与光抽运铷、铯光频标及、CPT铷铯原子钟不同，传统光抽运或CPT铷只利用了激光泵浦或抽运2个能级，而本发明中外部电场(所述天线信号)也参与了受激跃迁作用，为原子4能级相互作用，产生的锁定光谱谱线更为稳定，从而导致标准信号和微波信号的稳定度更高。
优选地，所述振荡信号为10MHz或5MHz。
优选地，所述激光器一为分布式反馈激光器。所述激光器一的波长与所选气室内的碱金属有关，如果选用铷金属，则所述激光信号一的波长选择在780nm附近；如果选用铯原子气室，则所述激光信号一的波长选择在852nm附近，所述激光器一的频率可以在中心波长左右进行100MHz的调谐。
优选地，所述激光器二为耦合激光器，如采用铷气室，所述激光信号二的波长为479～485nm可调谐激光器；如采用铯气室，所述激光信号二的波长为794nm。
所述时钟信号二为稳定的标准10MHz或5MHz的时钟信号。
优选地，所述微波源还包括监控装置，所述监控装置用于对接收的所述微波信号一进行监控。
对所述激光器一和激光器二的频率进行微调，当出现微波信号后，根据所述分束信号一调节所述锁相放大器，使所述微波信号一指标达到最优。
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 (9)
1.一种微波源，其特征在于，包括微波基准源、滤波腔、积分器、微波倍频单元、定向耦合器和微波天线，
所述微波基准源输出压控信号，用于对所述微波倍频单元中的频率扰动进行压控；
所述滤波腔接收所述压控信号，并对所述压控信号进行滤波，得到滤波信号一，输出到所述积分器；
所述积分器用于对接收的所述滤波信号一进行积分，得到积分信号，输出到所述微波倍频单元；
所述微波倍频单元用于对接收的所述积分信号进行倍频，得到微波倍频信号，输出到所述定向耦合器；
所述定向耦合器用于对接收的所述微波倍频信号进行定向耦合，得到微波信号一和微波信号二，所述微波信号二输出到所述微波天线；
所述微波天线接收所述微波信号二，得到天线信号，输出到所述微波基准源。
2.根据权利要求1所述的微波源，其特征在于，所述微波基准源包括激光器一、偏振片一、原子气室、偏振片二、分束器、光探测器、锁相放大器、信号发生器、调制器、激光器二、偏振控制器和光谱监测器，
所述激光器一输出激光信号一到所述偏振片一；
所述偏振片一用于对接收的所述激光信号一起偏，得到线偏振信号一，输出到所述原子气室；
所述原子气室用于为激光和原子相互作用提供反应腔室，接收所述线偏振信号一，得到反应信号一，输出到所述偏振片二；
所述偏振片二接收所述反应信号一，得到线偏振信号二，输出到所述分束器；
所述分束器接收所述线偏振信号二，得到分束信号一和分束信号二，分别输出到所述光谱监测器和光探测器；
所述光谱监测器接收所述分束信号一，并对所述分束信号一的光谱信号进行监测；
所述光探测器用于对接收的所述分束信号二进行光电转换，得到电信号，输出到所述锁相放大器；
所述激光器二输出激光信号二到调制器；
所述信号发生器用于产生调制信号，输出到所述调制器和所述锁相放大器；
所述调制器用于对所述激光信号二进行调制，接收所述激光信号二和所述调制信号，得到激光调制信号，输出到所述偏振控制器；
所述偏振控制器用于对所述激光调制信号的偏振态进行控制，得到偏振信号，输出到所述偏振片二；
所述偏振片二接收所述偏振信号，得到线偏振信号三，输出到所述原子气室；
所述原子气室接收所述线偏振信号三和天线信号，并在所述天线信号的作用下所述偏振信号一、偏振信号三和原子发生相互作用；
所述锁相放大器接收所述调制信号和所述电信号，得到所述压控信号。
3.根据权利要求2所述的微波源，其特征在于，所述微波倍频单元包括晶体振荡器、功分器一、功分器二、倍频器一、倍频器二、滤波器一、直接数字合成器、混频器和滤波器二，
所述晶体振荡器接收所述压控信号，得到所述振荡信号，输出到所述功分器一；
所述功分器一用于功率分配，得到时钟信号一和时钟信号二，所述时钟信号一输出到所述功分器二；
所述功分器二接收所述时钟信号一，得到所述频率信号一和频率信号二，分别输出到所述倍频器一和倍频器二；
所述倍频器一接收所述频率信号一，得到倍频信号一，输出到所述滤波器一；
所述滤波器一接收所述倍频信号一，得到滤波信号二，输出到所述混频器；
所述倍频器二接收所述频率信号二，得到倍频信号二，输出到所述直接数字合成器；
所述直接数字合成器用于信号合成，接收所述倍频信号二，得到合成信号，输出到所述混频器；
所述混频器接收所述合成信号和滤波信号二，得到所述混频信号，输出到所述滤波器二；
所述滤波器二接收所述混频信号，得到所述微波倍频信号，输出到所述定向耦合器。
4.根据权利要求3所述的微波源，其特征在于，所述振荡信号为10MHz或5MHz。
5.根据权利要求2所述的微波源，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.根据权利要求2所述的微波源，其特征在于，所述调制信号为10～100kHz的方波。
7.根据权利要求1～6任意一项所述的微波源，其特征在于，所述激光器一为分布式反馈激光器。
8.根据权利要求1～6任意一项所述的微波源，其特征在于，所述激光器二为耦合激光器。
9.根据权利要求1～6任意一项所述的微波源，其特征在于，所述微波源还包括监控装置，所述监控装置用于对接收的所述微波信号一进行监控。
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