CN110082591A - 一种大带宽高精度微波频率测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大带宽高精度微波频率测量装置及方法，其装置包括多波长光源、第一、第二抑制载波单边带调制器、阵列波导光栅、第一、第二微盘谐振器、光功率测量比较器及波长可调谐激光器；其方法是将受待测微波信号调制产生的光载波的一阶光边带置于微盘谐振器的谐振峰一侧，利用微盘谐振器的直通端和下载端相反的传输特性，得到待测信号的幅度比较函数，从而测量待测微波信号的频率。本发明采用了两次测量，利用谐振峰较宽的微盘谐振器阵列先对待测信号频率进行大带宽频率粗测，得到粗测频率后再使用谐振峰极窄的微盘谐振器对待测信号频率进行精测。本发明极大的提高了微波频率测量范围，通过两次测量同时实现了对微波信号频率的精确测量。

Description

一种大带宽高精度微波频率测量装置及方法

技术领域

本发明属于微波信号测量技术领域，具体涉及一种大带宽高精度微波频率测量装置与方法。

背景技术

随着信息技术的不断发展，雷达、电子侦察等技术已经成为现代战争中越来越重要的关键技术，发挥着不可替代的重要作用，信息化战争将成为未来战争的重要战场。为争夺信息主动权，需要第一时间对敌方的雷达等各种信号进行拦截和破解，在该过程中快速准确的识别敌方信号的载波频率极为重要。

可以采用传统电子电路对未知微波信号进行实时频率测量，但随着雷达等技术的不断发展，雷达载波频率不断增高，需要测量的频率范围可能从几百MHz到几十甚至上百GHz，传统的基于电子电路的方法难以对如此大带宽范围内的信号进行实时频率测量，越来越难以满足现代微波频率测量的需要。随着微波光子技术的不断发展，基于微波光子技术的微波实时频率测量方案被广泛的研究（X. Zou, B. Lu, W. Pan, et al. Laser &Photonics Reviews, 10(5): 711-734, 2016），它可以在极大的带宽范围内对微波信号的频率进行快速实时测量，其还同时具备光子技术固有的低损耗、抗电磁干扰等特性。

采用微波光子技术进行微波信号实时频率测量最常用的方法是通过一个微波光子系统构建一个和信号频率相关的由光功率或电功率比描述的幅度比较函数，将信号频率映射到幅度比较函数的值上，通过测量光功率比或电功率比并结合幅度比较函数得到未知信号的频率。幅度比较函数可以通过基于保偏光纤的滤波器构造（X. Zou, H. Chi, andJ. Yao, IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 57(2): 505-511, 2009），也可以通过光纤色散构造（7. L. V. T. Nguyen, D. B. Hunter, IEEE Photon. Technol. Lett., 18(10): 1188-1190, 2006）。但是这两种方法的缺点在于系统难以进行大规模集成。近年来，许多基于微波光子集成芯片的微波实时频率测量方法被研究和报道，如基于微盘谐振器的微波光子频率测量方法（L. Liu, F. Jiang, S. Yan, et al. Opt. Commun., 335: 266-270, 2015）和利用光机械微环谐振器中的非线性效应来实现可调谐的幅度比较函数从而实现微波频率实时测量的方法（L. Liu, H. Qiu, Z. Chen, and Z. Yu, IEEE Photon.J., 9(6): 5503611, 2017）。上述两种方法的主要缺点在于其测量的是电信号的功率，系统需要一对高速光电探测器，从而造成系统结构较复杂、实现成本较高。另外，受到微盘、微环谐振器传输函数凹陷宽度的限制，上述方法的频率测量范围被限制在10 GHz左右。因此，更低成本、更大测量带宽、更高测量精度的微波光子实时频率测量是一个亟待研究和解决的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种大带宽高精度微波频率测量装置及方法，利用微盘谐振器的直通端和下载端相反的传输特性，得到待测信号的幅度比较函数，从而测量待测微波信号的频率。本发明还采用了两次测量的方法，利用谐振峰较宽的微盘谐振器阵列先对待测信号频率进行大带宽频率粗测，得到粗测频率后再使用谐振峰极窄的微盘谐振器对待测信号频率进行精测，在实现大带宽测量的基础上同时保证了微波信号频率的精确测量。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种大带宽高精度微波频率测量装置，特点是该装置包括多波长光源、第一抑制载波单边带调制器、阵列波导光栅、数个第一微盘谐振器、光功率测量比较器、波长可调谐激光器、第二抑制载波单边带调制器及第二微盘谐振器；所述多波长光源与第一抑制载波单边带调制器的光学输入端口连接，待测微波信号与第一抑制载波单边带调制器的射频输入端口连接，第一抑制载波单边带调制器的光学输出端口与阵列波导光栅的输入端口连接，阵列波导光栅的数个光学输出端口分别与数个第一微盘谐振器的输入端口连接，每一个第一微盘谐振器的直通端口和下载端口均与光功率测量比较器的输入端口连接；所述光功率测量比较器的控制端口与波长可调谐激光器的波长控制端口连接，所述波长可调谐激光器与第二抑制载波单边带调制器的光学输入端口连接，待测微波信号与第二抑制载波单边带调制器的射频输入端口连接，第二抑制载波单边带调制器的光学输出端口与第二微盘谐振器的输入端口连接，第二微盘谐振器的直通端口和下载端口与光功率测量比较器相的输入端口连接。

所述数个第一微盘谐振器具有相同的直径和传输函数，其直径大于第一微盘谐振器。

所述多波长光源输出数个不同波长的光信号，分别位于数个第一微盘谐振器的不同谐振峰的同一边，第n个光波长与对应谐振峰中心频率的频率间隔为nF，其中F为谐振峰宽度的一半。

所述阵列波导光栅将光信号分为数路，并对每一路光信号进行光学滤波，其滤波带宽均为2F，第n个光学滤波的中心频率与第n个光波长所对应的谐振峰的中心频率一致。

所述光功率测量比较器对输入的每一组光信号的功率进行差分，通过幅度比较函数得到待测微波信号初步测量频率，并反馈控制波长可调谐激光器的工作波长。

所述抑制载波单边带调制器可以采用单个双平行马赫-曾德尔调制器实现，也可以通过马赫-曾德尔调制器级联光滤波器的方法实现。

一种采用上述装置的大带宽高精度微波频率测量方法，包括如下步骤：

1）对多波长光源输出光信号的波长进行设置，使得多波长光源输出的数个不同波长的光信号分别位于数个不同的第一微盘谐振器的数个不同谐振峰的同一边，第n个波长与相应谐振峰中心频率的频率间隔为nF，其中F为谐振峰宽度的一半；

2）数个不同光波长经抑制载波单边带调制，产生数个待测微波信号的一阶光边带，输入光载波信号被抑制；

3）经抑制载波单边带调制的数个待测微波信号的一阶光边带输入阵列波导光栅，被分为数路且每一路经过不同的光学滤波，每个光学滤波的滤波带宽均为2F，第n个光学滤波的中心频率与第n个波长所对应的谐振峰的中心频率一致；

4）采用光功率测量比较器对每个第一微盘谐振器的直通端口和下载端口的光信号功率进行差分，得到至多两组有效输出的结果，选取光载波波长与谐振峰较远的结果即得到待测微波信号的初步测量频率；

5）光功率测量比较器得到微波信号初步测量频率后，反馈控制波长可调谐激光器的光波长，使得波长可调谐激光器经第二抑制载波单边带调制器被待测微波信号调制后产生的光边带落入第二微盘谐振器的谐振峰内；

6）第二微盘谐振器的直通端口和下载端口输出的光信号在光功率测量比较器中进行差分处理，通过第二微盘谐振器的幅度比较函数，即得到该待测微波信号的精确频率。

本发明利用微盘谐振器的直通端和下载端相反的传输特性，采用谐振峰较宽的微盘谐振器阵列对待测微波信号频率进行粗测，然后对得到粗测频率的待测微波信号使用谐振峰极窄的微盘谐振器进行频率精测，可以实现大带宽、高精度的实时微波频率测量。

本发明具有以下有益效果：

1. 通过使用微盘谐振器阵列可以大大扩展微波信号频率的测量范围；

2. 通过两次测量的方式，在得到粗测频率后使用单个谐振峰极窄的微环可以实现待测微波信号频率的精确测量；

3. 本发明的大部分结构可以采用硅基光电子的方法集成，系统可集成度高。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2 为本发明微波频率测量原理示意图，其中，（a）为微盘谐振器结构示意图，（b）为微波信号频率较小时，数个不同第一微盘谐振器直通端口传输函数与光信号和阵列波导光栅的n个光学滤波响应关系示意图，（c）为微波信号频率增大时，数个不同第一微盘谐振器直通端口传输函数与光信号和阵列波导光栅的n个光学滤波响应关系示意图，（d）为进行频率精测的第二微盘谐振器直通端口传输函数与波长可调谐激光器输出波长关系示意图；

图3为本发明实施例中使用的直径为6微米的微盘谐振器的传输函数图，其中，（a）为直通端口传输函数图，（b）为下载端口传输函数图，（c）为图（a）中虚线所示谐振峰的放大图，（d）为图（b）中虚线所示的谐振峰的放大图；

图4为本发明实施例中使用的直径为10微米的微盘谐振器的传输函数图，其中，（a）为直通端口传输函数图，（b）为下载端口传输函数图，（c）为图（a）中虚线所示谐振峰的放大图，（d）为图（b）中虚线所示的谐振峰的放大图；

图5为利用图3所示微盘谐振器对微波频率进行粗测得到的四条幅度比较函数曲线与通过图3（c）和（d）计算的理论幅度比较函数曲线图，待测信号频率为2到22 GHz；

图6为对1.6到18.6 GHz的待测微波信号进行频率粗测的测量误差曲线图；

图7为对待测微波信号进行频率精测的测量误差曲线图，其中，（a）为待测信号频率为3.2到8.8 GHz时的测量误差曲线图，（b）为待测信号频率为13到19 GHz时的测量误差曲线图；

图8为利用图3所示微盘谐振器对微波频率进行粗测得到的四条幅度比较函数曲线与通过图3（c）和（d）计算的理论幅度比较函数曲线图，待测信号频率为24到40 GHz；

图9为对22.4到40 GHz的待测微波信号进行频率粗测的测量误差曲线图；

图10为对待测微波信号进行频率精测的测量误差曲线图，其中，（a）为待测信号频率为23到29 GHz时的测量误差曲线图，（b）为待测信号频率为32到38.6 GHz时的测量误差曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

参见图1，本发明装置包括：多波长光源1、第一抑制载波单边带调制器2、阵列波导光栅3、第一微盘谐振器4、光功率测量比较器5、波长可调谐激光器6、第二抑制载波单边带调制器7及第二微盘谐振器8。

多波长光源1的输出端口与第一抑制载波单边带调制器2的光学输入端口连接，待测微波信号与第一抑制载波单边带调制器2的射频输入端口连接，第一抑制载波单边带调制器2的光学输出端口与阵列波导光栅3的输入端口连接，阵列波导光栅3的输出端口分别与数个第一位盘谐振器的输入端口连接，其中阵列波导光栅3的第一个输出端口与第一微盘谐振器4的输入端口连接，每第一微盘谐振器的直通输出端口和下载输出端口与光功率比较器5的输入端口连接，光功率测量比较器5的控制端口与波长可调谐激光器6的波长控制端口连接；波长可调谐激光器6的输出端口与第二抑制载波单边带调制器7的光学输入端口连接，待测微波信号与第二抑制载波单边带调制器7的射频输入端口连接，第二抑制载波单边带调制器7的光学输出端口与第二微盘谐振器8的输入端口连接，第二微盘谐振器8的直通端口和下载端口与光功率比较器5的输入端口连接，光功率比较器输出待测微波信号的频率。

参见图2，是本发明的微波频率测量原理示意图，图2（a）为微盘谐振器结构图，图2（b）-（d）中带有凹陷的实线是微盘谐振器的直通端口传输函数示意图，虚线方框所示为数个光滤波器的滤波特性示意图，单箭头直线表示多波长光源的各个中心波长及其相应的被待测微波信号抑制载波单边带调制产生的一阶光边带，各个中心波长用虚线箭头表示，代表其在调制过程中被抑制。F代表为谐振峰宽度的一半。图2（b）和（c）分别表示了待测微波信号频率0<f<F和F<f<2F两种情况下微盘谐振器直通端口传输函数与光信号之间的关系。由图2（b）可以看到，当待测微波信号频率0<f<F时，直通端口传输函数只有第一个凹陷处有光信号落入，这时数个第一微盘谐振器输出的数组光信号仅有第一组可以测得有效数据，根据该数据配合幅度比较函数即可以测得待测微波信号频率。当待测微波信号频率进一步增大到F<f<2F时，由图2（c）可以看到，直通端口传输函数只有第一和第二凹陷处由光信号落入，并且分别落入凹陷的左侧和右侧，这时数个第一微盘谐振器输出的数组光信号仅有两组可以测得有效数据，选取波长离凹陷较远的一组作为最终数据配合幅度比较函数即可以得到待测微波信号的频率。同理，当信号频率进一步增加时，根据系统结构可知，仅会有相邻的两个凹陷处由光信号落入，且分别落入凹陷左侧和右侧，同样，选取中心波长离凹陷较远的一组作为最终数据配合幅度比较函数即可以得到待测微波信号的频率。当待测微波信号的初步粗略频率得到后，通过改变波长可调谐激光器6的工作波长，使其经第二抑制载波单边带调制7调制产生的光边带落入第二微盘谐振器8的凹陷的右侧，通过微盘谐振器的幅度比较函数对该微波信号的频率进行精确测量。

本发明大带宽高精度微波频率测量，具体步骤是：

步骤1：对多波长光源输出光信号的波长进行设置，使得多波长光源输出的数个不同波长的光信号分别位于数个不同的第一微盘谐振器的数个不同谐振峰的同一边，第n个波长与相应谐振峰中心频率的频率间隔为nF，其中F为谐振峰宽度的一半；

步骤2：数个不同光波长经抑制载波单边带调制，产生数个待测微波信号的一阶光边带，输入光载波信号被抑制；

步骤3：经抑制载波单边带调制的数个待测微波信号的一阶光边带输入阵列波导光栅，被分为数路且每一路经过不同的光学滤波，每个光学滤波的滤波带宽均为2F，第n个光学滤波的中心频率与第n个波长所对应的谐振峰的中心频率一致；

步骤4：采用光功率测量比较器对每个第一微盘谐振器的直通端口和下载端口的光信号功率进行差分，得到至多两组有效输出的结果，选取光载波波长与谐振峰较远的结果即得到待测微波信号的初步测量频率；

步骤5：光功率测量比较器得到微波信号初步测量频率后，反馈控制波长可调谐激光器的光波长，使得波长可调谐激光器经第二抑制载波单边带调制器被待测微波信号调制后产生的光边带落入第二微盘谐振器的谐振峰内；

步骤6：第二微盘谐振器的直通端口和下载端口输出的光信号在光功率测量比较器中进行差分处理，通过第二微盘谐振器的幅度比较函数，即得到该待测微波信号的精确频率。

实施例

本实施例中，仅采用一个第一微盘谐振器4来说明本是实例的可行性，第一抑制载波单边带调制器2和第二抑制载波单边带调制器7均通过马赫-曾德尔调制器级联光滤波器的方法实现。图3为本实施例中使用的直径为6微米的微盘谐振器的传输函数图，其中图3（a）为其直通端口传输函数图，图3（b）为其下载端口传输函数图，图3（c）为图3（a）中虚线所示谐振峰的放大图，图3（d）为图3（b）中虚线所示的谐振峰的放大图，本实施例采用该谐振峰对微波频率进行大范围初步粗略测量。图4为本实施例中使用的直径为10微米的微盘谐振器的传输函数图，其中图4（a）为其直通端口传输函数图，图4（b）为其下载端口传输函数图，图4（c）为图4（a）中虚线所示谐振峰的放大图，图4（d）为图4（b）中虚线所示的谐振峰的放大图，本实施例采用该谐振峰对微波频率进行小范围精确测量。

图5为利用图3所示微盘谐振器对微波频率进行粗测测得到四条幅度比较函数曲线与通过图3（c）和（d）计算的理论幅度比较函数曲线图，待测信号频率为2到22 GHz，测量时间间隔为12分钟。可以观察到待测微波信号频率为2到18 GHz时，测量得到的幅度比较函数曲线与理论幅度比较函数曲线比较吻合。图6为对1.6到18.6 GHz的待测微波信号进行四次频率粗测的测量误差曲线图，当测量频率范围为6到16.2 GHz时，测量误差小于±200MHz；当测量频率小于6 GHz时，测量误差在±400 MHz以内；当测量频率高于16.2 GHz时，测量误差同样超过±200 MHz。图7为对待测微波信号进行频率精测的测量误差曲线图，同样进行了四次测量，测量间隔为12分钟。图7（a）为待测信号频率为3.2到8.8 GHz时的测量误差曲线图，图7（b）为待测信号频率为13到19 GHz时的测量误差曲线图。当测量频率范围在4到8.8 GHz时，前三次测量的测量误差可以控制在±50 MHz以内，当测量频率为13.6到19GHz时，前三次测量的误差同样可以控制在±50 MHz以内。

图8为利用图3所示微盘谐振器对微波频率进行粗测测得到四条幅度比较函数曲线与通过图3（c）和（d）计算的理论幅度比较函数曲线图，待测信号频率为24到40 GHz，测量时间间隔为12分钟，测量得到的幅度比较函数曲线与理论幅度比较函数曲线比较吻合。图9为对22.4到40 GHz的待测微波信号进行四次频率粗测的测量误差曲线图，当测量频率范围为24.8到34.4 GHz时，测量误差小于±200 MHz。图10为对待测微波信号进行频率精测的测量误差曲线图，同样进行了四次测量，测量间隔为12分钟。图10（a）为待测信号频率为23到29 GHz时的测量误差曲线图，图10（b）为待测信号频率为32到38.6 GHz时的测量误差曲线图。当测量频率范围在23.8到29 GHz时，前两次测量的测量误差可以控制在±60 MHz以内，当测量频率为34.2到38.6 GHz时，前两次测量的误差可以控制在±45 MHz以内。

综上，本发明提供的大带宽高精度微波频率测量装置与方法，利用微盘谐振器的直通端和下载端相反的传输特性，采用谐振峰较宽的微盘谐振器阵列对待测微波信号频率进行粗测，然后对得到粗测频率的待测微波信号使用谐振峰极窄的微盘谐振器进行频率精测，可以实现大带宽、高精度的实时微波频率测量。本发明系统的频率测量范围主要受到微波频率粗测光模块中微盘谐振器谐振峰宽度和数量限制，可以达到几十GHz以上，其测量精度主要受到用于频率精测的微盘谐振器的谐振峰宽度限制，可以达到60 MHz以上。

Claims (6)

1.一种大带宽高精度微波频率测量装置，其特征在于，该装置包括多波长光源、第一抑制载波单边带调制器、阵列波导光栅、数个第一微盘谐振器、光功率测量比较器、波长可调谐激光器、第二抑制载波单边带调制器及第二微盘谐振器；所述多波长光源与第一抑制载波单边带调制器的光学输入端口连接，待测微波信号与第一抑制载波单边带调制器的射频输入端口连接，第一抑制载波单边带调制器的光学输出端口与阵列波导光栅的输入端口连接，阵列波导光栅的数个光学输出端口分别与数个第一微盘谐振器的输入端口连接，每一个第一微盘谐振器的直通端口和下载端口均与光功率测量比较器的输入端口连接；所述光功率测量比较器的控制端口与波长可调谐激光器的波长控制端口连接，所述波长可调谐激光器与第二抑制载波单边带调制器的光学输入端口连接，待测微波信号与第二抑制载波单边带调制器的射频输入端口连接，第二抑制载波单边带调制器的光学输出端口与第二微盘谐振器的输入端口连接，第二微盘谐振器的直通端口和下载端口与光功率测量比较器相的输入端口连接。

2.根据权利要求1所述的大带宽高精度微波频率测量装置，其特征在于，所述多波长光源输出数个不同波长的光信号，分别位于数个第一微盘谐振器的不同谐振峰的同一边，第n个光波长与对应谐振峰中心频率的频率间隔为nF，其中F为谐振峰宽度的一半。

3.根据权利要求1所述的大带宽高精度微波频率测量装置，其特征在于，所述阵列波导光栅将光信号分为数路，并对每一路光信号进行光学滤波，其滤波带宽均为2F，第n个光学滤波的中心频率与第n个光波长所对应的谐振峰的中心频率一致。

4.根据权利要求1所述的大带宽高精度微波频率测量装置，其特征在于，所述数个第一微盘谐振器具有相同的直径和传输函数。

5.根据权利要求1所述的大带宽高精度微波频率测量装置，其特征在于，所述光功率测量比较器对输入的每一组光信号的功率进行差分，通过幅度比较函数得到待测微波信号初步测量频率，并反馈控制波长可调谐激光器的工作波长。

6.一种采用如权利要求1所述装置的大带宽高精度微波频率测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1）对多波长光源输出光信号的波长进行设置，使得多波长光源输出的数个不同波长的光信号分别位于数个不同的第一微盘谐振器的数个不同谐振峰的同一边，第n个波长与相应谐振峰中心频率的频率间隔为nF，其中F为谐振峰宽度的一半；

2）数个不同光波长经抑制载波单边带调制，产生数个待测微波信号的一阶光边带，输入光载波信号被抑制；

3）经抑制载波单边带调制的数个待测微波信号的一阶光边带输入阵列波导光栅，被分为数路且每一路经过不同的光学滤波，每个光学滤波的滤波带宽均为2F，第n个光学滤波的中心频率与第n个波长所对应的谐振峰的中心频率一致；

4）采用光功率测量比较器对每个第一微盘谐振器的直通端口和下载端口的光信号功率进行差分，得到至多两组有效输出的结果，选取光载波波长与谐振峰较远的结果即得到待测微波信号的初步测量频率；

5）光功率测量比较器得到微波信号初步测量频率后，反馈控制波长可调谐激光器的光波长，使得波长可调谐激光器经第二抑制载波单边带调制器被待测微波信号调制后产生的光边带落入第二微盘谐振器的谐振峰内；

6）第二微盘谐振器的直通端口和下载端口输出的光信号在光功率测量比较器中进行差分处理，通过第二微盘谐振器的幅度比较函数，即得到该待测微波信号的精确频率。