CN110912614A - 一种具有镜频抑制功能的微波光子混频器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微波光子学技术领域，具体涉及一种具有镜频抑制功能的微波光子混频器，包括光载波发生器、信号强度调制器和中频信号恢复器，所述光载波发生器用于产生光载波信号；所述信号强度调制器用于对输入的光载波信号、射频信号和本振信号进行光电转换得到已调光信号；所述中频信号恢复器用于将信号强度调制器输出的已调光信号恢复为中频信号。本发明的微波光子混频器采用波分复用与强度调制器级联相结合的混频结构完成下变频功能，并设计利用90°电桥实现平衡混频架构以实现镜频抑制能力。

Description

一种具有镜频抑制功能的微波光子混频器
技术领域
本发明涉及微波光子学技术领域，具体涉及一种具有镜频抑制功能的微波光子混频器。
背景技术
微波光子混频器通过将待处理的微波信号与本振信号调制到光域利用光子器件的宽带优势实现对微波信号的并行处理功能。在光域进行微波信号变频不仅具有瞬时带宽大、工作频率高、线性度好的优点，同时还有与生俱来的强的抗电磁干扰能力，采用光子变频技术为克服传统电学处理过程遇到的电子瓶颈问题提供了良好的解决手段。随着光子技术在通信、雷达、对抗、导航、测控、等方面的广泛应用，微波光子混频器将在这些应用中发挥重要的作用。
由于混频器属于非线性器件，在频率变换过程中会产生各种组合的新频率分量。在射频频率与本振频率接近的情况下，由于镜频信号与射频信号比较接近，很难用滤波器滤除镜频信号。目前在国内外出现了具有不同结构的微波光子变频器，主要包括级联强度调制器、级联相位调制器及采用双平行强度调制器等方案实现变频功能，但是这些方案不具备镜频抑制能力，而对镜频信号的抑制又是实际应用中非常重要的功能，因此需要突破微波光子混频器的镜频抑制能力，提高混频器变频效率、线性度及杂散抑制能力。采用强度调制器级联实现光域微波频率下转换的方案，不仅具有高的本振与射频隔离度，而且由于链路结构简单，具有较高的可靠性，因此这种结构在天线远程应用、多通道同时变频系统中有潜在的应用。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种具有镜频抑制功能的微波光子混频器。
本发明的一种具有镜频抑制功能的微波光子混频器，包括：光载波发生器、信号强度调制器和中频信号恢复器，所述光载波发生器用于产生光载波信号；所述信号强度调制器用于对输入的光载波信号、射频信号和本振信号进行光电转换得到已调光信号；所述中频信号恢复器用于将信号强度调制器输出的已调光信号恢复为中频信号。
所述光载波发生器包括：第一激光器、第二激光器和波分复用器，第一激光器和第二激光器用于产生不同频率的光载波信号；波分复用器用于将两束光信号复用为一束光信号。
进一步的，光载波发生器的内部连接方式包括：第一激光器和第二激光器的输出端分别连接波分复用器的输入端。
所述信号强度调制器包括：波分解复用器、第一90度电桥、第一强度调制器、第二强度调制器和第三强度调制器，所述波分解复用器用于将一束光信号分解为两束光信号；第一90度电桥用于将本振信号的分成两路信号分别输入到第二强度调制器和第三强度调制器；第一强度调制器、第二强度调制器和第三强度调制器通过电光效应对输入的不同频率的光载波进行强度调制，实现微波信号向光信号的转换。
进一步的，所述信号强度调制器内部的连接方式包括：第一强度调制器的输出端与波分解复用器的输入端相连，波分解复用器的输出端的两根输出线分别与第二强度调制器、第三强度调制器的输入端相连；所述第一90度电桥的两个相移信号端分别与第一强度调制器和第二强度调制器输入端相连。
进一步的，第一90度电桥的0°相移信号端与第二强度调制器相连，第一 90度电桥的90°相移信号端与第一强度调制器相连；所述第一光电探测器与第二90度电桥的0°相移信号端相连、第二光电探测器与第二90度电桥的90°相移信号端相连。
进一步的，射频信号从第一强度调制器注入，本振信号从第一90度电桥注入。
所述中频信号恢复器包括：第一光电探测器、第二光电探测器、第二90度电桥，第一光电探测器和第二光电探测器用于将输入的已调光信号恢复为中频信号，所述第二90度电桥用于将输入的两路中频信号合为一路输出。
进一步的，所述第一光电探测器和第二光电探测器的输出端分别与第二90 度电桥的两个相移信号端相连。
本发明的有益效果：
第一，本发明结构新颖，本发明的微波光子下变频器架构基于波分复用结构与级联强度调制器相结合的结构，采用级联强度调制器的变频架构不仅可以保证高的本振信号与射频信号隔离度，还便于对现有电子信息系统进行升级换代，通过将光处理功能融入的光载微波信号传输系统中，提升电子信息装备的综合性能。
第二，本发明采用平衡架构，实现了传统单端微波光子混频器不具备的镜频抑制能力，使得本发明的微波光子混频器在雷达、电子战、通信、导航、监测等应用领域中具有更广泛的应用潜力。
第三，本方案采用基于波分复用架构实现与级联强度调制器相结合的架构，具有配置灵活、系统稳定的优点，不仅可以有效的提高混频器的各项指标，保证高的本振与射频信号隔离度，而且还与射频拉远系统兼容。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明实施例的一种微波光子变频器的系统结构图；
图2为本发明实施例的幅度不平衡度对镜频抑制度的影响；
图3为本发明实施例的相位不平衡度对镜频抑制度的影响。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明的一种具有镜频抑制功能的微波光子混频器，包括：光载波发生器、信号强度调制器和中频信号恢复器，所述光载波发生器用于产生光载波信号；所述信号强度调制器用于对输入的光载波信号、射频信号和本振信号进行光电转换得到已调光信号；所述中频信号恢复器用于将信号强度调制器输出的已调光信号恢复为中频信号。
所述光载波发生器包括：第一激光器、第二激光器和波分复用器，第一激光器和第二激光器用于产生不同频率的光载波信号；波分复用器用于将两束光信号复用为一束光信号。
进一步的，光载波发生器的内部连接方式包括：第一激光器和第二激光器的输出端分别连接波分复用器的输入端。
所述信号强度调制器包括：波分解复用器、第一90度电桥、第一强度调制器、第二强度调制器和第三强度调制器，所述波分解复用器用于将一束光信号分解为两束光信号；第一90度电桥用于将本振信号的分成两路信号分别输入到第二强度调制器和第三强度调制器；第一强度调制器、第二强度调制器和第三强度调制器通过电光效应对输入的不同频率的光载波进行强度调制，实现微波信号向光信号的转换。
进一步的，所述信号强度调制器内部的连接方式包括：第一强度调制器的输出端与波分解复用器的输入端相连，波分解复用器的输出端的两根输出线分别与第二强度调制器、第三强度调制器的输入端相连；所述第一90度电桥的两个相移信号端分别与第一强度调制器和第二强度调制器输入端相连。
进一步的，第一90度电桥的0°相移信号端与第二强度调制器相连，第一 90度电桥的90°相移信号端与第一强度调制器相连；所述第一光电探测器与第二90度电桥的0°相移信号端相连、第二光电探测器与第二90度电桥的90°相移信号端相连。
进一步的，射频信号从第一强度调制器注入，本振信号从第一90度电桥注入。
所述中频信号恢复器包括：第一光电探测器、第二光电探测器、第二90度电桥，第一光电探测器和第二光电探测器用于将输入的已调光信号恢复为中频信号，所述第二90度电桥用于将输入的两路中频信号合为一路输出。
进一步的，所述第一光电探测器和第二光电探测器的输出端分别与第二90 度电桥的两个相移信号端相连。
光载波发生器、信号强度调制器和中频信号恢复器三者的连接方式包括：所述光载波发生器中的波分复用器的输出端与信号强度调制器中的第一强度调制器的输入端相连；所述信号强度调制器中的第二强度调制器的输出端与中频信号恢复器中的第一光电探测器输入端相连，所述信号强度调制器中的第三强度调制器的输出端与中频信号恢复器中的第二光电探测器输入端相连。
当本发明的微波光子混频器工作时，包括以下步骤：
1.第一激光器输出的频率为fc1的光信号与第二激光器输出的频率为fc2的光信号作为光载波同时发送到波分复用器中，复用为一路信号然后送入第一强度调制器；
2.然后，将频率为fRF的射频信号注入第一强度调制器中，射频信号利用第一强度调制器的电光效应对光载波fc1与光载波fc2的进行强度调制，实现微波信号向光信号的转换，第一强度调制器输出的已调光信号送入波分解复用器。
3.在波分解复用器的作用下将载频为fc1与载频为fc2的两路光载微波信号分开，其中载频为fc1的信号从上支路进入第二强度调制器；载频为fc2的已调信号从下支路进入第三强度调制器。同时频率为fLO的本振信号首先利用第一90度电桥分成两路信号，其中一路注入第二强度调制器进行电光转换，另一路注入第三强度调制器并完成电光调制，第二强度调制器与第三强度调制器的输出信号即为同时加载了微波信号与本振信号的已调光信号。
4.最后，第二强度调制器输出的光信号经过第一光电探测器恢复出中频信号 1，第二强度调制器输出的光信号经过第一光电探测器恢复出中频信号2，中频信号1与中频信号2在第二90度电桥的作用下合为一路，则最终输出的中频信号即为镜频信号进行抑制后的中频信号。
下面通过对本系统进行数学建模，分析论证方案的镜频抑制能力。
设定第一激光器输出的光载波信号的光场表达式为：
Figure BDA0002295327170000061
第二激光器输出的光载波信号的光场表达式为：
Figure BDA0002295327170000062
射频信号的强度表达式为：VRF(t)＝VRFcos(2πfRFt)；
本振信号经过第一90度电桥一分为二后输出信号的表达式分别为： VLO1(t)＝VLO1cos(2πfLOt)和
Figure BDA0002295327170000063
上述式中，Eopt1(t)为第一激光器输出光载波信号的时域光场、Eopt2(t)为第二激光器输出光载波信号的时域光场、fc1为第一激光器输出光载波信号的频率、fc2为第二激光器输出光载波信号的频率、t表示信号依赖的时间变量、VRF为输入射频信号信号的幅度、fRF为输入射频信号的频率、VLO1为本振信号输入到第二强度调制器中信号的幅度、VLO2为本振信号输入到第三强度调制器中信号的幅度、 fLO为本振信号的频率。
则从第一光电探测器输出的信号可以写为：
Figure BDA0002295327170000064
同理，从第二光电探测器出来的信号可以写为：
Figure BDA0002295327170000065
式中Popt1和Popt2分别为两路光载波信号的输出功率，θdc1、θdc2和θdc3分别为第一强度调制器、第二强度调制器及第三强度调制器的工作偏置点，
Figure BDA0002295327170000066
为本振信号的相位，
Figure BDA0002295327170000067
为本振信号的相位差，
Figure BDA0002295327170000068
为光电探测器响应度，
Figure BDA0002295327170000069
为第一光电探测器响应度，
Figure BDA0002295327170000071
为第二光电探测器响应度，Llink1和Llink2分别为上下两支路的链路光插入损耗，m1、m2和m3分别为射频与本振信号的调制系数。
当这三个强度调制器都偏置在正交点时，且都在正斜率点上，即θdc1＝θdc2＝θdc3＝π/2，则第一光电探测器和第二光电探测器输出光电流可分别写为：
Figure BDA0002295327170000072
将上式按贝塞尔函数展开，可以写为：
Figure BDA0002295327170000073
Figure BDA0002295327170000074
式中，p、q分别为贝塞尔函数的阶数且都为整数，其中p＝1,2,3…，q＝1,2,3…，J2p-1为2p-1阶第一类贝塞尔函数，J2q-1为2q-1阶第一类贝塞尔函数。
根据公式，输出中频信号分别为：
Figure BDA0002295327170000075
式中，J1表示一阶第一类贝塞尔函数、fIF表示中频信号频率，设定有用的待混频射频信号频率为fRF＝fLO+fIF时，则对应的镜频信号为fRF’＝fLO-fIF，则有用的中频信号可表示为：
Figure BDA0002295327170000081
而镜频信号下变频输出为：
Figure BDA0002295327170000082
其中fIF_imt表示镜频频率产生的中频信号，这两路信号再经过一个第二90 度电桥后合为一路输出，设该电桥引入的附加相位为
Figure BDA0002295327170000083
则最终输出的有用中频信号可表示为：
Figure BDA0002295327170000084
相应的镜频频率引入的中频干扰信号可表示为：
Figure BDA0002295327170000085
从公式(8)和(9)可知，根据图1的系统架构，在电桥两次移相的作用下，有用射频信号fRF＝fLO+fIF经过混频得到的中频信号相干加强，而镜频频率 fRF_im＝fLO-fIF经过混频后由于相位相差180度，因此会通过干涉而相互抵消。抵消的效果与两路中频信号的幅相不平衡度有关，设两路信号的幅度不平衡度为γ，相位不平衡度为ΔΨ，则它们可分别表示为：
Figure BDA0002295327170000086
图2、图3分别表示了幅度不平衡度及相位不平衡度对镜频抑制度的影响。图2说明幅度不平衡度越低，镜频抑制能力越好，图3说明相位不平衡度越低，镜频抑制能力越好。
目前商用90度电桥可实现±0.5dB的幅度平衡及±2°的相位平衡，因此可支撑本微波光子混频器在Ka波段实现25dB以上的镜频抑制能力。
为了让本发明的技术方案更加清晰，提供以下实施例：
在本发明实施例中，第一激光器输出频率为193.4THz、波长λ1约为 1550.12nm的光信号1，第二激光器输出频率为193.2THz、波长λ2约为1551.72nm 的光信号2，光信号1与光信号2作为光载波同时发送到波分复用器中，通过波分复用器将两路光信号复用为一路信号，再将复用后的这一路信号输入到带宽为40GHz的第一强度调制器中，频率为40GHz的射频信号通过第一强度调制器加载到光载波上；第一强度调制器输出的光载射频信号经过波分解复用器一分为二，其中中心波长为1550.12nm的光载射频信号进入带宽为40GHz的第二强度调制器中；中心波长为1551.72nm的光载射频信号进入带宽为40GHz的第三强度调制器中。本振信号频率为36GHz，通过第一90度电桥分为两路，其中一路本振信号通过0°相移信号端注入到第二强度调制器中，并调制到中心波长为 1550.12nm的光载波上；另一路本振信号通过90°相移信号端注入到第三强度调制器中，并调制到中心波长为1551.72nm的光载波上。其中第一强度调制器、第二强度调制器与第三强度调制器都工作在正斜率点的正交点。第二强度调制器与第三强度调制器的输出信号分别注入到第一光电探测器与第二光电探测器中，通过光电转换即可恢复出中频信号。第一光电探测器和第二光电探测器将恢复的中频信号发送到第二90度电桥中，其中第二光电探测器中输出的下支路中频信号经过90°相移信号端输出，第一光电探测器中输出的上支路中频信号经过0°相移信号端输出，两路中频信号叠加到一起输出，这样在输出端就可以得到镜频抑制的中频信号。为了得到较大的镜频抑制度，要求上下两支路要具有较高的幅相一致性。图2、图3分别表示了镜频信号抑制程度随两路强度不平衡度以及两路信号相位不平衡度之间的变化关系，可见两路信号强度一致性越高、相位偏差越小，镜频抑制效果越好。
本发明的一种基于波分复用结构与级联强度调制器相结合的具有镜频抑制功能的微波光子下变频器架构，本振信号通过第一90度电桥分成两路，波分复用结构进行两路独立信号的同时下变频功能，最后在中频输出端通过第二90度电桥合为一路中频信号输出，同时实现对镜频信号的抑制。采用级联强度调制器的变频架构不仅可以保证高的本振信号与射频信号隔离度，而且由于强度调制直接探测已经广泛应用于射频信号拉远，因此该级联强度调制器架构的微波光子下变频器的应用便于对现有电子信息系统进行升级换代，通过将光处理功能融入的光载微波信号传输系统中，提升电子信息装备的综合性能。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种具有镜频抑制功能的微波光子混频器，包括：光载波发生器、信号强度调制器和中频信号恢复器，其特征在于，所述光载波发生器用于产生光载波信号；所述信号强度调制器用于对输入的光载波信号、射频信号和本振信号进行光电转换得到已调光信号；所述中频信号恢复器用于将信号强度调制器输出的已调光信号恢复为中频信号。
2.如权利要求1所述的一种具有镜频抑制功能的微波光子混频器，其特征在于，所述光载波发生器包括：第一激光器、第二激光器和波分复用器，第一激光器和第二激光器用于产生不同频率的光载波信号；波分复用器用于将两束光信号复用为一束光信号。
3.如权利要求2所述的一种具有镜频抑制功能的微波光子混频器，其特征在于，光载波发生器的内部连接方式包括：第一激光器和第二激光器的输出端分别连接波分复用器的输入端。
4.如权利要求1所述的一种具有镜频抑制功能的微波光子混频器，其特征在于，所述信号强度调制器包括：波分解复用器、第一90度电桥、第一强度调制器、第二强度调制器和第三强度调制器，所述波分解复用器用于将一束光信号分解为两束光信号；第一90度电桥用于将本振信号的分成两路信号分别输入到第二强度调制器和第三强度调制器；第一强度调制器、第二强度调制器和第三强度调制器通过电光效应对输入的不同频率的光载波进行强度调制，实现微波信号向光信号的转换。
5.如权利要求4所述的一种具有镜频抑制功能的微波光子混频器，其特征在于，所述信号强度调制器内部的连接方式包括：第一强度调制器的输出端与波分解复用器的输入端相连，波分解复用器的输出端的两根输出线分别与第二强度调制器、第三强度调制器的输入端相连；所述第一90度电桥的两个相移信号端分别与第一强度调制器和第二强度调制器输入端相连。
6.如权利要求5所述的一种具有镜频抑制功能的微波光子混频器，其特征在于，第一90度电桥的0°相移信号端与第二强度调制器相连，第一90度电桥的90°相移信号端与第一强度调制器相连；所述第一光电探测器与第二90度电桥的0°相移信号端相连、第二光电探测器与第二90度电桥的90°相移信号端相连。
7.如权利要求5所述的一种具有镜频抑制功能的微波光子混频器，其特征在于，射频信号从第一强度调制器注入，本振信号从第一90度电桥注入。
8.如权利要求1所述的一种具有镜频抑制功能的微波光子混频器，其特征在于，所述中频信号恢复器包括：第一光电探测器、第二光电探测器、第二90度电桥，第一光电探测器和第二光电探测器用于将输入的已调光信号恢复为中频信号，所述第二90度电桥用于将输入的两路中频信号合为一路输出。
9.如权利要求8所述的一种具有镜频抑制功能的微波光子混频器，其特征在于，所述中频信号恢复器的内部连接方式包括：所述第一光电探测器和第二光电探测器的输出端分别与第二90度电桥的两个相移信号端相连。
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