CN109842450A - 光子型可切换微波分频方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光子型可切换微波分频方法。构建以下的光电振荡环路并在其中引入延时：将待分频微波信号注入工作于最小传输点的DPMZM的一个射频输入端口，将DPMZM的输出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，其中一路输入至DPMZM的另一个射频输入端口，另一路作为分频信号输出；通过调节所述光电振荡环路的环路相位，令二分频振荡模式或三分频振荡模式在所述光电振荡环路中形成正反馈振荡，从而获得稳定的二分频信号输出或三分频信号输出。本发明还公开了一种光子型可切换微波分频装置。本发明能够实现二分频和三分频，同时具有大带宽、低噪声、低杂散、注入信号与分频信号相互耦合小以及抗外部干扰的优点。

Description

光子型可切换微波分频方法及装置

技术领域

本发明涉及一种微波分频方法，尤其涉及一种可在二分频和三分频模式间进行切换的光子型可切换微波分频方法及装置。

背景技术

分频器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，广泛应用于现代通信系统、雷达探测系统中。在通信系统中，分频器基于自身的参考时钟，向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，分频器作为频率综合器中重要组成部分，发挥了关键作用包括本振分频、锁相环等。随着现如今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，同时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。

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的级别，除此之外，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。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，主要包括基于光参量振荡分频法和基于可调谐光电振荡器分频法。基于光参量振荡分频技术主要利用参量下转换【Lee,D.,and N.C.Wong."Tunable optical frequency division usinga phase-locked optical parametric oscillator."Optics letters17.1(1992):13-15.】，输入泵波高效率转换为两个相干的次谐波，测量他们之间的相位差并相位锁定到可调谐参考源上，这样可以使得输入频率分为两个明确的频率，由于可调谐连续波KTP光参量振荡信号和空闲分谐波的拍频信号相位锁定在参考源上，因此，可以在输入泵频率的大约一半处精确确定输出频率。该方法本质上是利用参量下变换技术实现可调谐分频。但是该技术需要精准锁相结构，比较复杂，而且分频频率较低，可调谐范围比较窄，实验实施过程中难度较大。而基于可调谐光电振荡器分频技术主要利用可调谐OEO振荡信号与注入信号之间的交调成分来实现分频提取功能【Peng,Huanfa,et al."Microwave frequencydivider with variable dividing ratio based on a tunable optoelectronicoscillator."Tenth International Conference on Information Optics and Photonics.Vol.10964.International Society for Optics and Photonics,2018..】。该技术利用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注入信号频率的谐波，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。此外，现有技术也很难用同一套装置实现不同的分频模式。

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，提供一种光子型可切换微波分频方法，能够在光域实现待分频微波信号的二分频、三分频，且通过调节环路相位可实现二分频和三分频的相互切换，同时具有大带宽、低噪声、低杂散、注入信号与分频信号相互耦合小以及抗外部干扰的优点。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种光子型可切换微波分频方法，构建以下的光电振荡环路并在其中引入延时：将待分频微波信号注入工作于最小传输点的双平行马赫-曾德尔调制器(DPMZM,Dual-parallel Mach-Zehnder modulator)的一个射频输入端口，将DPMZM的输出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，其中一路输入至DPMZM的另一个射频输入端口，另一路作为分频信号输出；所述微波滤波器为在待分频微波信号频率处带阻而在待分频微波信号频率的三分之一～三分之二频率处带通的宽带滤波器；通过调节所述光电振荡环路的环路相位，令二分频振荡模式或三分频振荡模式在所述光电振荡环路中形成正反馈振荡，从而获得稳定的二分频信号输出或三分频信号输出。

优选地，通过调节所述光电振荡环路的环路相位，令所述光电振荡环路满足以下稳态条件，以使得二分频振荡模式在所述光电振荡环路中形成正反馈振荡：

通过调节所述光电振荡环路的环路相位，，以使得三分频振荡模式在所述光电振荡环路中形成正反馈振荡：

E_c为光源的幅度，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，β₀为DPMZM中第一马赫-曾德尔调制器的调制系数，β_n(n＝1,2,3)为DPMZM中第二马赫-曾德尔调制器的调制系数，J_n(β_n)为第n阶贝塞尔函数，V₀、θ₀和V₁、θ₁分别为待分频微波信号及二分频振荡模式的幅度、相位，τ为引入的延时，V_π-1，V_π-2分别为第一、第二马赫-曾德尔调制器的半波电压，A＝8J₁(2β₀)J₀(2β₂)J₁(2β₃)，B＝-2J₁(2β₂)J₁(2β₃)，a＝φ₄-φ₁，b＝φ₃-φ₄，C＝8J₁(2β₀)J₁(2β₂)J₀(2β₃)，D＝-2J₂(2β₂)J₀(2β₃)，c＝φ₃-φ₁，d＝-2φ₃，V₂，θ₂分别为三分之一分频振荡模式的幅度、相位，V₃，θ₃分别为三分之二分频振荡模式的幅度、相位。

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。

优选地，通过调节所述移相器来实现对所述光电振荡环路的环路相位的调节。或者，通过调节所引入光电振荡环路的延时来实现对所述光电振荡环路的环路相位的调节。

根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：

一种光子型可切换微波分频装置，包括环路相位可调的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：

双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM，其工作于最小传输点，一个射频输入端口连接待分频微波信号；

光源，用于向所述DPMZM提供光载波；

光电探测器，用于将所述DPMZM的输出信号转换为电信号；

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，其为在待分频微波信号频率处带阻而在待分频微波信号频率的三分之一～三分之二频率处带通的宽带滤波器；

微波放大器，用于对所述电信号进行放大；

功分器，用于将经过移相器、微波滤波器以及微波放大器之后的电信号分为两路，一路输入至所述DPMZM的另一个射频输入端口，另一路作为分频信号输出。

优选地，通过调节所述光电振荡环路的环路相位，令所述光电振荡环路满足以下稳态条件，以使得二分频振荡模式在所述光电振荡环路中形成正反馈振荡：

通过调节所述光电振荡环路的环路相位，，以使得三分频振荡模式在所述光电振荡环路中形成正反馈振荡：

E_c为光源的幅度，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，β₀为DPMZM中第一马赫-曾德尔调制器的调制系数，β_n(n＝1,2,3)为DPMZM中第二马赫-曾德尔调制器的调制系数，J_n(β_n)为第n阶贝塞尔函数，V₀、θ₀和V₁、θ₁分别为待分频微波信号及二分频振荡模式的幅度、相位，τ为引入的延时，V_π-1，V_π-2分别为第一、第二马赫-曾德尔调制器的半波电压，A＝8J₁(2β₀)J₀(2β₂)J₁(2β₃)，B＝-2J₁(2β₂)J₁(2β₃)，a＝φ₄-φ₁，b＝φ₃-φ₄，C＝8J₁(2β₀)J₁(2β₂)J₀(2β₃)，D＝-2J₂(2β₂)J₀(2β₃)，c＝φ₃-φ₁，d＝-2φ₃，V₂，θ₂分别为三分之一分频振荡模式的幅度、相位，V₃，θ₃分别为三分之二分频振荡模式的幅度、相位。

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。

优选地，通过调节所述移相器来实现对所述光电振荡环路的环路相位的调节。或者，通过调节所引入光电振荡环路的延时来实现对所述光电振荡环路的环路相位的调节。

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、三分频功能，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或1/3、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，且通过调节环路相位可实现二分频和三分频的相互切换，同时具有大带宽，注入信号与分频信号相互耦合小以及抗外部干扰的优点。

附图说明

图1为本发明光子型可切换微波分频装置一个具体实施例的结构及原理框图；

图2为双平行马赫-曾德尔调制器的具体结构；

图3给出了图1的光子型可切换微波分频装置在进行分频提取时，二分频和三分频信号的频谱曲线。

具体实施方式

图1显示了本发明光子型可切换微波分频装置一个具体实施例的结构及原理。如图1所示，该可切换微波分频装置包括光源、DPMZM、延时光纤、光电探测器、移相器、微波宽带滤波器、微波放大器、功分器。DPMZM将待分频微波注入信号和功分器的一路输出信号调制到光源输出的光载波上，并输出载波抑制的强度调制信号；DPMZM输出的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_in待分频微波注入信号与环路中频率为或的振荡模式的混频，混频后的信号通过移相器、微波滤波器以及微波放大器注入到功分器中，微波滤波器滤除频率为ω_in的待分频微波信号且对频率为及的信号为带通；功分器一路输出信号进入DPMZM另一个射频输入端口，构成光电振荡环路，使得频率为或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。

上述技术方案中利用PC控制器调节光源输出光载波的偏振态，使其对准DPMZM的主轴以达到最大输出光功率，实际上也可通过保偏光纤实现对光载波偏振态的调节。

上述技术方案中，通过将双平行马赫-曾德尔调制器(其具体结构详见图2，包括三个马赫-曾德尔调制器：MZM-1、MZM-2、MZM-3)偏置在最小传输点实现光载波抑制的强度调制。

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，移相器、微波滤波器以及微波放大器的先后次序可根据实际需要灵活调整。

如图1,2所示，假设输入到DPMZM一个射频输入端口的待分频微波信号为：

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。

我们假设环路中振荡的信号为x_in(t)，这里的振荡信号包括二分频、三分频信号，同时这里待分频微波注入信号与环路振荡信号分别注入DPMZM调制器的两个射频端口，并实现相同的载波抑制强度调制。我们先从二分频振荡信号分析，理想情况下，经过光电振荡器稳定后，假设重新调制在DPMZM另一个射频输入端口的振荡信号为：

其中ω₀/2、V₁、θ₁分别表示二分频振荡信号频率、幅度、相位。则此时DPMZM的光输出端可以表示为：

其中E_c，ω_c是为光源发出的光载波的幅度和频率。

分别为MZM-1，MZM-2，MZM-3的偏置电压引入的相位项。经过光纤延时τ后，上式可以拓展为：

这里令φ₁＝θ₀-ω₀τ，调节DPMZM中MZM-1的直流偏压使其工作在载波抑制点即同理并调节MZM-3的直流偏压使得cosσ＝1，这里则经过光电探测器(photodetector,PD)光电转换后的输出电流为：

为PD的响应度，α为光纤衰减系数。去除直接分量，通过Jacobi公式展开，可得：

通过微波放大器和滤波器的放大，滤波，展开式(6)，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：

其中，G为微波放大器引入的增益。由于系统处于稳定状态，于是可得：

因此可知二分频其稳态条件为：

其中k为整数。

同理可得，我们假设重新调制在DPMZM另一个射频输入端口的振荡信号为：

其中ω₀/3、2ω₀/3、V₂、V₃、θ₂、θ₃分别表示三分频振荡信号频率、幅度、相位。则此时DPMZM的光输出端可以表示为：

其中E_c，ω_c是为光源发出的光载波的幅度和频率。 分别为MZM-1，MZM-2，MZM-3的偏置电压引入的相位项。经过光纤延时τ后，上式可以拓展为：

这里令φ₁＝θ₀-ω₀τ， 调节DPMZM中MZM-1的直流偏压使其工作在载波抑制点即同理并调节MZM-3的直流偏压使得cosσ＝1，这里则经过光电探测器(photodetector,PD)光电转换后的输出电流为：

为PD的响应度，α为光纤衰减系数。去除直接分量，通过Jacobi公式展开，可得：

通过微波放大器和滤波器的放大，滤波，忽略高阶分量，展开式(14)，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：

在这里令A＝8J₁(2β₀)J₀(2β₂)J₁(2β₃)，B＝-2J₁(2β₂)J₁(2β₃)，a＝φ₄-φ₁，b＝φ₃-φ₄，C＝8J₁(2β₀)J₁(2β₂)J₀(2β₃)，D＝-2J₂(2β₂)J₀(2β₃)，c＝φ₃-φ₁，d＝-2φ₃。因此式(15)可以简化为：

由于系统处于稳定状态，于是可得：

因此可知三分频其稳态条件为：

其中k为整数。

图3给出了图1的光子型可切换微波分频装置在进行分频提取时，二分频和三分频信号的频谱曲线。从图中可以看出，当有12GHz信号注入至本发明可切换微波分频器时，本发明可切换微波分频器成功输出6GHz的二分频信号(或4，8GHz的三分频信号)，通过调节环路相位(可通过调节移相器或光延时线实现)，本发明可切换微波分频器可切换成功输出4，8GHz的三分频信号(或6GHz的二分频信号)。

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，可以同时在光域和电域输出分频信号，且通过调节环路相位，可以实现频率的自由切换。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 (10)

1.一种光子型可切换微波分频方法，其特征在于，构建以下的光电振荡环路并在其中引入延时：将待分频微波信号注入工作于最小传输点的双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM的一个射频输入端口，将DPMZM的输出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，其中一路输入至DPMZM的另一个射频输入端口，另一路作为分频信号输出；所述微波滤波器为在待分频微波信号频率处带阻而在待分频微波信号频率的三分之一～三分之二频率处带通的宽带滤波器；通过调节所述光电振荡环路的环路相位，令二分频振荡模式或三分频振荡模式在所述光电振荡环路中形成正反馈振荡，从而获得稳定的二分频信号输出或三分频信号输出。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，通过调节所述光电振荡环路的环路相位，令所述光电振荡环路满足以下稳态条件，以使得二分频振荡模式在所述光电振荡环路中形成正反馈振荡：

通过调节所述光电振荡环路的环路相位，，以使得三分频振荡模式在所述光电振荡环路中形成正反馈振荡：

E_c为光源的幅度，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，β₀为DPMZM中第一马赫-曾德尔调制器的调制系数，β_n(n＝1,2,3)为DPMZM中第二马赫-曾德尔调制器的调制系数，J_n(β_n)为第n阶贝塞尔函数，V₀、θ₀和V₁、θ₁分别为待分频微波信号及二分频振荡模式的幅度、相位，τ为引入的延时，V_π-1，V_π-2分别为第一、第二马赫-曾德尔调制器的半波电压，A＝8J₁(2β₀)J₀(2β₂)J₁(2β₃)，B＝-2J₁(2β₂)J₁(2β₃)，a＝φ₄-φ₁，b＝φ₃-φ₄，C＝8J₁(2β₀)J₁(2β₂)J₀(2β₃)，D＝-2J₂(2β₂)J₀(2β₃)，c＝φ₃-φ₁，d＝-2φ₃，V₂，θ₂分别为三分之一分频振荡模式的幅度、相位，V₃，θ₃分别为三分之二分频振荡模式的幅度、相位。

3.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。

4.如权利要求1或2所述方法，其特征在于，通过调节所述移相器来实现对所述光电振荡环路的环路相位的调节。

5.如权利要求1或2所述方法，其特征在于，通过调节所引入光电振荡环路的延时来实现对所述光电振荡环路的环路相位的调节。

6.一种光子型可切换微波分频装置，其特征在于，包括环路相位可调的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：

双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM，其工作于最小传输点，一个射频输入端口连接待分频微波信号；

光源，用于向所述DPMZM提供光载波；

光电探测器，用于将所述DPMZM的输出信号转换为电信号；

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，其为在待分频微波信号频率处带阻而在待分频微波信号频率的三分之一～三分之二频率处带通的宽带滤波器；

微波放大器，用于对所述电信号进行放大；

功分器，用于将经过移相器、微波滤波器以及微波放大器之后的电信号分为两路，一路输入至所述DPMZM的另一个射频输入端口，另一路作为分频信号输出。

7.如权利要求6所述装置，其特征在于，通过调节所述光电振荡环路的环路相位，令所述光电振荡环路满足以下稳态条件，以使得二分频振荡模式在所述光电振荡环路中形成正反馈振荡：

通过调节所述光电振荡环路的环路相位，，以使得三分频振荡模式在所述光电振荡环路中形成正反馈振荡：

E_c为光源的幅度，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，β₀为DPMZM中第一马赫-曾德尔调制器的调制系数，β_n(n＝1,2,3)为DPMZM中第二马赫-曾德尔调制器的调制系数，J_n(β_n)为第n阶贝塞尔函数，V₀、θ₀和V₁、θ₁分别为待分频微波信号及二分频振荡模式的幅度、相位，τ为引入的延时，V_π-1，V_π-2分别为第一、第二马赫-曾德尔调制器的半波电压，A＝8J₁(2β₀)J₀(2β₂)J₁(2β₃)，B＝-2J₁(2β₂)J₁(2β₃)，a＝φ₄-φ₁，b＝φ₃-φ₄，C＝8J₁(2β₀)J₁(2β₂)J₀(2β₃)，D＝-2J₂(2β₂)J₀(2β₃)，c＝φ₃-φ₁，d＝-2φ₃，V₂，θ₂分别为三分之一分频振荡模式的幅度、相位，V₃，θ₃分别为三分之二分频振荡模式的幅度、相位。

8.如权利要求6或7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。

9.如权利要求6或7所述装置，其特征在于，通过调节所述移相器来实现对所述光电振荡环路的环路相位的调节。

10.如权利要求6或7所述装置，其特征在于，通过调节所引入光电振荡环路的延时来实现对所述光电振荡环路的环路相位的调节。