CN110927448B - 一种硅基集成微波频率测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅基集成微波频率测量仪，包括电光强度调制器、频率分类单元、频率选择单元、瞬时频率测量单元和Y分支；电光强度调制器用于将待测的微波信号加载到光载波上，形成光载微波信号，Y分支将其分成强度相等的两路，分别送入频率分类单元和频率选择单元，频率分类单元用于判断光载微波信号的频率组分和频率类型，频率选择单元用于整形频谱，并将选择通过的频段送入瞬时频率测量单元；瞬时频率测量单元提供两个独立的线性频率响应，将两个线性频率响应将光载微波信号的频率映射到功率上，通过测量功率确定待测的微波信号的频率。从而实现在瞬时测量时识别不同类型的未知信号，极大提高了对复杂环境下复杂信号的辨别能力。

Description

一种硅基集成微波频率测量仪

技术领域

本发明属于微波频率测量技术领域，更具体地，涉及一种硅基集成微波频率测量仪。

背景技术

微波光子学与传统的电子设备相比，具有低损耗、大带宽、抗电磁干扰等特征，因此广泛应用在微波领域。基于微波光子学的微波频率测量在民用、军用领域都受到了重视。

目前已有的一些方案是基于集成的光学鉴频器构成的瞬时频率测量系统。该方法通过一个光学滤波器，将不同频率微波功率映射到滤波器的响应上，通过振幅比较函数可以推出相应的微波频率。这种方法同一时刻只能辨别单一频率，限制其在复杂环境下的应用；并且调制器与探测器在集成芯片外部，集成度不高，系统庞大。另一种方案是基于光纤频率时间映射方案，这种方案可以实现多个频率测量。该方案基于光纤可调滤波器，通过周期性地调节滤波器的中心波长，将待测微波信号的频率映射到时间上。该方法扫描一个完整频谱需要的时间较长，不适合需要瞬时测量的情况，如测量跳频信号时，无法获取频率跳跃过程。并且，该方法需要一个复杂的光学回路构成的频移器，功耗大，灵活度低。因此，构建一个片上集成的轻量化、低功耗、功能强大的微波频率测量方案是十分必要的。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种硅基集成微波频率测量仪，旨在解决现有微波瞬时频率测量只能测量单一频率的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种硅基集成微波频率测量仪，包括电光强度调制器、频率分类单元、频率选择单元、瞬时频率测量单元和Y分支；

电光强度调制器用于将待测的微波信号加载到光载波上，形成光载微波信号，所述Y分支将光载微波信号分成强度相等的两路，分别送入频率分类单元和频率选择单元，频率分类单元用于判断光载微波信号的频率组分和频率类型，所述的待测微波信号包括而不限于单频率信号、多频率信号、啁啾频率信号、跳频信号等，频率选择单元在频率分类单元确定光载微波信号频谱后整形频谱，并将选择通过的频段送入所述瞬时频率测量单元；

瞬时频率测量单元提供两个独立的线性频率响应，将两个线性频率响应将光载微波信号的频率映射到功率上，通过测量功率确定待测的微波信号的频率。

优选地，频率分类单元包括可调谐的扫频微环和第一探测模块，扫频微环上加载周期性扫频信号，用于将光载微波信号的频谱映射在时间维度上，其一个周期内的输出响应为光载微波信号的频谱，第一探测模块用于探测映射后的光信号。

优选地，频率选择单元包括可调谐的微环是一个窄带的带通滤波器，当周期性地移动其中心波长时，扫描待测信号的频谱，将待测信号的频率映射到时间上，从而可以测得待测信号的频率组分与频率类型。微环带宽优选为小于等于1GHz，微环的自由光谱范围为80GHz。通过热光效应，改变硅波导的折射率，达到相位调制的目的。通过改变加在金属电极上的电压或电流，可以改变电极的温度，从而达到控制微环中心波长的目的。

优选地，瞬时频率测量单元包括单调响应光学滤波器和第二探测模块、第三探测模块，光学滤波器将光载微波信号分为两路，分别送入第二探测模块和第三探测模块。

优选地，光学滤波器为2×2非对称马赫-泽德干涉仪，其自由光谱范围为160GHz。

优选地，电光强度调制器为双平行马赫-泽德调制器，通过调节两个调制器偏置与各自通道内微波信号的相差，产生载波抑制的单边带光载微波信号，或者载波不抑制的单边带光载微波信号。

优选地，第一探测模块、第二探测模块和第三探测模块为光电探测器或者垂直耦合光栅。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

1、本发明提供的硅基集成微波频率测量仪可识别不同类型的未知信号例如单频率信号、多频率信号、啁啾频率信号、跳频信号，并集成了频率到时间、频率到空间、频率到功率三种映射处理器件，对信号的滤波、分类等预处理能力强大，可以极大提高对复杂环境下复杂信号的辨别能力；

2、本发明提供的硅基集成微波频率测量仪在提升信号分辨能力同时，仍然保持瞬时频率测量对动态信号的接收能力，对信号可实时响应无延迟；

3、本发明提供的硅基集成微波频率测量仪集成芯片轻量化、低损耗，不用搭建复杂的系统，同时硅基集成平台工艺兼容度CMOS，可以实现调制器、探测器、热调的多种混合集成，构成丰富的功能。

附图说明

图1是本发明实施例提供的硅基集成微波频率测量仪的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的硅基集成微波频率测量仪的实验装置图；

图3(a)是本发明实施例提供的硅基集成微波频率测量仪的微环21的透过频谱；

图3(b)是本发明实施例提供的硅基集成微波频率测量仪的微环21其中一个谐振峰的中心波长关于施加电压的变化曲线；

图3(c)是本发明实施例提供的硅基集成微波频率测量仪给微环21施加的周期性电压示意图；

图3(d)是本发明实施例提供的硅基集成微波频率测量仪每一时刻微环21扫描到的脉冲信号所对应的微波频率与时间的关系示意图；

图4是本发明实施例提供的硅基集成微波频率测量仪测量的四种典型微波信号：单频率信号、多频率信号、啁啾频率信号、调频信号的结果示意图；

图5是本发明实施例提供的硅基集成微波频率测量仪的ACF曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例的硅基集成微波频率测量仪包括：双平行马赫-泽德调制器1，频率分类单元2，第一热调谐微环21，第一光电探测器22，频率选择单元3，第二热调谐微环31，第三热调谐微环32，第四热调谐微环33，瞬时频率测量单元4，非对称马赫-泽德干涉仪41，第二光电探测器42，第三光电探测器43，Y分支5；其中，双平行马赫-泽德调制器1的光源为外部的单频连续激光，通过高频探针接触双平行马赫-泽德调制器1的电极加载未知射频信号。双平行马赫-泽德调制器1由两个双平行马赫-泽德干涉仪构成，双平行马赫-泽德调制器1可以产生载波抑制单边带调制信号，经由Y分支5，能量等分为两份分别送入频率分类单元2和频率选择单元3。图2为实际进行测量时，本装置所使用的外部系统示意图。如图，由片外光源产生连续激光并通入芯片；片上的双平行马赫-泽德调制器1加载的待测射频信号由片外射频源提供；而片上光电探测器产生的电信号连接片外示波器，并送入数据处理系统进行处理，得出测量结果。

频率分类单元2包含第一热调谐微环21和第一光电探测器22。第一热调谐微环21为光谱窄带带通滤波器，其中心波长受到氮化钛热电极的调制。在氮化钛电极上通过电压源加载电压从而产生不同功率时，由热光效应，下方硅波导折射率发生变化，从而产生不同相移，进而使微环谐振器的中心波长发生变化。当在氮化钛电极加载一个周期性变化的电压时，微环谐振器中心波长会周期性移动，当扫描频率与信号频率一致时，会产生一个短脉冲。经由光电探测器输出电信号后，可以得到周期性的电脉冲扫频信号，至此完成微波频率到时间的映射。图3(a)-(d)反应了实现这一步骤的过程，图3(a)为第一热调谐微环21的透过频谱，微环的自由光谱范围优选为80GHz；图3(b)为当给微环21上的氮化钛电极施加电压时，其中一个谐振峰的中心波长关于施加电压的变化曲线，其频率移动量与功率呈线性关系，因此与电压成二次关系；图3(c)给微环施加的周期性电压如图所示，为周期是的锯齿波；图3(d)根据图3(b)和图3(c)可以推算出频率映射到时域的函数关系，由此查表得出在每一时刻微环扫描到的脉冲信号所对应的微波频率。

在这一步中，可以完成对单频率信号、多频率信号、啁啾频率信号、跳频信号的分类。如图4所示，该结构可以检测的四种典型微波信号为：单频率信号、频率信号、啁啾频率信号、跳频信号。我们根据优选实例的参数制作的芯片，使用其频率单元对上述四种典型微波信号进行测试，并使用示波器接受光电探测器的信号。由图中可以看出，单频率信号和多频率信号是时不变信号，这种类型的信号脉冲反应在示波器上为空心的；而啁啾频率信号和跳频信号的频率成分是时变的，这种类型的信号波形为实心的，并且啁啾信号包络连续，跳频信号包络离散。时不变信号由频率分类单元2通过频率-时间映射，即可测量出具体的频率成分；时变信号通过需要瞬时频率测量单元4确定每一时刻的频率值。

频率选择单元3由第二、三、四热调谐微环31、32、33组成，构成一个可调谐陷波滤波器，用于滤除不需要的频率成分。经过滤波后的信号光送入瞬时频率测量单元4。

瞬时频率测量单元4由非对称马赫-泽德干涉仪41，以及第二、三光电探测器42、43组成。非对称马赫-泽德干涉仪41是一个光学滤波器，其功率响应由频率决定，该器件用于将微波频率映射到功率上。第二、第三光电探测器42、43分别接收非对称马赫-泽德干涉仪两个输出端口的信号，并转化为功率值。鉴频函数通常被定义为两个独立的滤波器的响应的比值，称为幅度比较函数，这是为了提高测量值灵敏度和稳定性。幅度比较函数表示为

其中，s₁₁和s₁₂分别为非对称马赫-泽德干涉仪41两个输出端口相对输入端的振幅比，P₄₂和P₄₃分别代表光电探测器42、43探测到的光功率。

图5说明了ACF(Amplitude comparison function，幅度比较函数)曲线的构成：非对称马赫-泽德干涉仪41的两个出射端口构成的响应曲线，干涉仪的自由光谱范围是160GHz，消光比为20dB。两个出射端口响应曲线相减，其中取近似线性的一段构成ACF的曲线，并将载波放置在线性区开始的位置，需要测量的上边带需要在线性区内。显然，近似线性区大于40GHz，这说明可测量的信号频率大于40GHz。在实验中根据光电探测器42、43探测到的光功率，可以得到相应时刻的ACF值，并算出信号频率。

本发明提供了一种基于瞬时频率测量的硅基集成微波频率测量仪器，通过增设分类单元可以判定并测量多种类型的微波频率，克服了瞬时频率测量只能测量单一频率的缺陷。并且将除微波源和光源外的关键器件都集成在了一片小型芯片上，降低了系统体积、复杂度和功耗。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种硅基集成微波频率测量仪，其特征在于，包括电光强度调制器、频率分类单元、频率选择单元、瞬时频率测量单元和Y分支；

所述电光强度调制器用于将待测的微波信号加载到光载波上，形成光载微波信号，所述Y分支将所述光载微波信号分成强度相等的两路，分别送入频率分类单元和频率选择单元，所述频率分类单元用于判断光载微波信号的频率组分和频率类型，所述频率选择单元在所述频率分类单元确定光载微波信号频谱后整形频谱，并将选择通过的频段送入所述瞬时频率测量单元；

所述瞬时频率测量单元提供两个独立的线性频率响应，将所述两个线性频率响应将光载微波信号的频率映射到功率上，通过测量功率确定待测的微波信号的频率。

2.根据权利要求1所述的硅基集成微波频率测量仪，其特征在于，所述频率分类单元包括可调谐的扫频微环和第一探测模块，所述扫频微环上加载周期性扫频信号，用于将光载微波信号的频谱映射在时间维度上，其一个周期内的输出响应为光载微波信号的频谱，所述第一探测模块用于探测映射后的光信号。

3.根据权利要求1所述的硅基集成微波频率测量仪，其特征在于，所述频率选择单元包括可调谐的微环。

4.根据权利要求3所述的硅基集成微波频率测量仪，其特征在于，所述微环是一个窄带的带通滤波器，当周期性地移动其中心波长时，扫描待测信号的频谱，将待测信号的频率映射到时间上，从而测得待测信号的频率组分与频率类型。

5.根据权利要求2所述的硅基集成微波频率测量仪，其特征在于，所述瞬时频率测量单元包括单调响应光学滤波器和第二探测模块、第三探测模块，所述光学滤波器将光载微波信号分为两路，分别送入第二探测模块和第三探测模块。

6.根据权利要求5所述的硅基集成微波频率测量仪，其特征在于，所述光学滤波器为2×2非对称马赫-泽德干涉仪，其自由光谱范围为160GHz。

7.根据权利要求1所述的硅基集成微波频率测量仪，其特征在于，所述电光强度调制器为双平行马赫-泽德调制器，通过调节两个调制器偏置与各自通道内微波信号的相差，产生载波抑制的单边带光载微波信号，或者载波不抑制的单边带光载微波信号。

8.根据权利要求5所述的硅基集成微波频率测量仪，其特征在于，所述第一探测模块、第二探测模块和第三探测模块为光电探测器或者垂直耦合光栅。

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