CN111181648A - 基于被动相位补偿的微波频率传递装置及传递方法 - Google Patents

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CN111181648A CN201911335565.4A CN201911335565A CN111181648A CN 111181648 A CN111181648 A CN 111181648A CN 201911335565 A CN201911335565 A CN 201911335565A CN 111181648 A CN111181648 A CN 111181648A
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Abstract

一种基于被动相位补偿的微波频率传递装置，包括本地端、传递链路和用户端，本发明结合光学频率探测微波信号在链路传递中引入的相位噪声以及被动相位补偿方式的优点，避免了高阶谐波对待传微波信号的影响，并可采用单纤双向光放大器对衰减的光信号的放大，实现基于被动相位补偿的微波频率传递，具有系统结构简单、可靠性高的特点。

Description

基于被动相位补偿的微波频率传递装置及传递方法
技术领域
本发明涉及光纤时间与频率传递，特别是一种基于被动相位补偿的微波频率传递装置及传递方法。
背景技术
时间是七个国际基本单位中测量精度最高的一个,在深空探测、射电天文、基础物理研究、地球物理测量、导航定位、精密计量、大地测量与观测等前沿科学研究以及重大基础设施与工程中，精准的时间频率都发挥着至关重要的作用。近些年，光学频率标准技术的得到了飞速发展，已经成为下一代时间频率基准的有力竞争者。理论上基于光载波的频率传递可获得较高的频率稳定度，但是许多应用需要仍然的微波信号。因此，基于光调制的高精度微波信号传递仍然得到了国内外的高度关注，美国、欧盟和日本等国家都先后开展了相关的研究。目前微波传递主要分为基于主动相位补偿和基于被动相位补偿。其中基于被动相位补偿的微波传递具有响应速度快、可靠性高等特点。而目前已有的采用被动相位补偿的微波传递方法基于双向波分复用或者频率复用。虽然基于波分复用方案可有效地避免后向瑞丽散射带来的影响，但是该方案会导致双向链路的不一致性。此外，基于频分复用的方案可有效地减小双向链路的不一致性，但是由于电光调制器和光电探测器的非线性的影响，无法避免高阶谐波对待传微波信号的影响，并且对链路中光放大器具有较高的要求。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的工作不足，提供一种基于被动相位补偿的微波频率传递装置。该装置结合光学频率探测微波信号在链路传递中引入的相位噪声以及被动相位补偿方式的优点，避免了高阶谐波对待传微波信号的影响，并可采用单纤双向光放大器对衰减的光信号的放大，实现了基于被动相位补偿的微波频率传递，具有系统结构简单、可靠性高的特点。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于被动相位补偿的微波频率传递装置，其特点在于，包括本地端、传递链路和用户端；
所述的本地端由第一微波源、第二微波源、第一微波带通滤波器、第二微波带通滤波器、第三微波带通滤波器、第四微波带通滤波器、第一混频器、第二混频器、第三混频器、第一微波功分器、第二微波功分器、第三微波功分器、第一频率变换器、第二频率变换器、第一光电转换单元、激光器、第一光功分器、第二光功分器、电光调制器、第一环形器和第一声光移频器组成，所述的第一微波源的输出端与所述的第二微波功分器的输入端相连，所述的第二微波功分器的输出端分别和所述的第二频率变换器和所述的第一混频器的输入端相连，所述的第二频率变换器的输出端与所述的第一微波功分器的输入端相连，所述的第一微波功分器的输出端分别与所述的第一混频器和所述的第三微波功分器的第一输入端相连，所述的第一混频器的输出端与所述的第一微波带通滤波器的输入端相连，所述的第一微波带通滤波器的输出端与所述的第二混频器的第一输入端口相连，所述的第二混频器的输出端与所述的第二微波带通滤波器的输入端相连，所述的第二微波带通滤波器的输出端与所述的第一频率变换器输入端相连，所述的第一频率变换器输出端与所述的第三微波功分器的第二输入端相连，所述的激光器与所述的第二光功分器的输入端相连，所述的第二光功分器的输出端分别与所述的电光调制器和所述的第一光功分器的第一输入端相连，所述的电光调制器的输出端与所述的环形器的第一输入端相连，所述的环形器的输出端分别与所述的第一声光调制器的第一端口和所述的第二光功分器的第二输入端口相连，所述的第二光功分器的输出端与所述的第一光电转换单元的输入端相连，所述的第一光电转换单元的输出端分别与所述的第三微波带通滤波器和所述的第四微波带通滤波器的输入端相连，所述的第三微波带通滤波器的输出端与所述的第三混频单元的第一输入端相连，所述的第四微波带通滤波器的输出端与所述的第三混频单元的第二输入端相连；所述的第二微波源的输出端与所述的第一声光移频器的微波输入端口相连，所述的第一声光移频器的第二端口与所述的传递链路的一端相连；所述的第三混频单元输出端与所述的所述的第二混频器第二输入端相连；
所述的用户端由第二声光移频器、第三光功分器、第三微波源、第二光电转换单元、第二环形器和第五微波带通滤波器组成，所述的第二声光移频器的光学端口分别与所述的传递链路的另一端和所述第三光功分器的输入端口相连，所述的第二声光移频器的微波端口与所述的第三微波源的输出端口相连，所述的第三光功分器的输出端分别于所述的第二环形器的第一端口、所述的第二光电转换单元的输入端相连，所述的第二环形器的第二端口与第三端口相连，所述的第二光电转换单元的输出端与所述的第五微波带通滤波器的输入端相连，所述的第五微波带通滤波器的输出端提供相位稳定的微波信号。
所述的传递链路为光纤链路或自由空间链路，所述的自由空间链路由自由空间光发射模块、接收模块与自由空间链路组成。
本发明基于被动相位补偿的微波频率传递装置的工作过程如下：
待传的第一微波源的输出信号E0＝cos(Ωt)经过所述的第二微波功分器后分成两部分：第一路微波信号经过第二频率转换器进行二分频，分频后的微波信号角频率为Ω/2，另一部分信号与所述的第一路微波信号进行混频，混频后经过第一微波带通滤波器后输出角频率为3Ω/2的微波信号。第一路输出的角频率为Ω/2的微波信号经过所述的第三微波功分器输入到所述的电光调制器的微波输入端口。同时，所述的激光器经过所述的第二光功分器、所述的电光调制器、所述的第一环形器和所述的第一声光调制器的信号可表示为
Figure BDA0002330822150000031
式中，ν为激光器输出光信号的角频率，m为调制指数，Ωl为所述的第一声光移频器的微波驱动频率。当m＜＜1时，E1可表示为
Figure BDA0002330822150000032
式中忽略了信号的幅度和k为调制阶数。E1经过所述的传递链路待传的第一微波源(10)的输出信号E0＝cos(Ωt)经过所述的第二微波功分器后分成两部分：第一路微波信号经过第二频率转换器进行二分频，分频后的微波信号角频率为Ω/2，另一部分信号与所述的第一路微波信号进行混频，混频后经过第一微波带通滤波器后输出角频率为3Ω/2的微波信号。第一路输出的角频率为Ω/2的微波信号经过所述的第三微波功分器输入到所述的电光调制器的微波输入端口。同时，所述的激光器经过所述的第二光功分器、所述的电光调制器、所述的第一环形器和所述的第一声光调制器的信号可表示为
Figure BDA0002330822150000035
式中，ν为激光器输出光信号的角频率，m为调制指数，Ωl为所述的第一声光移频器的微波驱动频率。当m＜＜1时，E1可表示为
Figure BDA0002330822150000033
式中忽略了信号的幅度和k为调制阶数。E1经过所述的传递链路传递到用户端可表示为：
Figure BDA0002330822150000034
式中，Ωr为所述的第二声光移频器的微波驱动频率，τ为传递链路的时延。用户端接收到的经过所述的第三光功分器，一路输入到所述的第二光电转换单元输出微波信号，另一路通过所述的第二环形器经过相同的传递链路返回到本地端，返回的信号可表示为：
Figure BDA0002330822150000041
E3与本地端的参考信号E0在所述的第一光电转换单元拍频，拍频后的信号可表示为
Figure BDA0002330822150000042
采用所述的第三微波带通滤波器与第四微波带通滤波器分别滤出角频率为2(Ωl+Ωr)和
Figure BDA0002330822150000043
的两路微波信号，两路微波信号经过所述的第三混频器后，取出下边带信号：
Figure BDA0002330822150000044
将E5与本地端角频率为3Ω/2的微波信号经过所述的第二混频器与所述的第二微波带通滤波器后取出下边带信号：
E6＝cos[Ωt+Ωτ]
E6经过所述的第一频率转换器与所述的第三微波功分器后与微波信号为Ω/2的信号同时输入到所述的电光调制器的微波输入端口，用户端接受到的信号可表示为：
Figure BDA0002330822150000045
E3'信号在所述的第二光电转换单元(35)拍频后信号为：
Figure BDA0002330822150000046
式中取m和n可的值需使得Ω的系数大于0。将ERF中角频率为
Figure BDA0002330822150000047
的微波信号通过所述的第五微波带通滤波器滤出即可获得相位稳定的微波信号。
本发明的技术效果如下：
本发明采用光学频率鉴定微波相位噪声以及被动相位补偿方式，通过简单地混频、微波滤波与倍频处理，实现了基于被动相位补偿的微波频率传递，具有系统结构简单、可靠性高的特点。
附图说明
图1是本发明基于被动相位补偿的频率传递装置实施例的结构示意图；
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，本实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和和具体的工作流程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
图1为本发明基于被动相位补偿的微波频率传递装置的实施例的结构示意图，由图可见，本发明基于被动相位补偿的微波频率传递装置，包括本地端1、传递链路2和用户端3；
所述的本地端1由第一微波源10、第二微波源27、第一微波带通滤波器11、第二微波带通滤波器13、第三微波带通滤波器18、第四微波带通滤波器19、第一混频器12、第二混频器16、第三混频器17、第一微波功分器14、第二微波功分器28、第三微波功分器30、第一频率变换器15、第二频率变换器29、第一光电转换单元21、激光器22、第一光功分器20、第二光功分器23、电光调制器24、第一环形器25和第一声光移频器26组成，所述的第一微波源10的输出端与所述的第二微波功分器28)的输入端相连，所述的第二微波功分器28的输出端分别和所述的第二频率变换器29和所述的第一混频器12的输入端相连，所述的第二频率变换器29的输出端与所述的第一微波功分器14的输入端相连，所述的第一微波功分器14的输出端分别与所述的第一混频器12和所述的第三微波功分器30的第一输入端相连，所述的第一混频器12的输出端与所述的第一微波带通滤波器11的输入端相连，所述的第一微波带通滤波器11的输出端与所述的第二混频器16的第一输入端口相连，所述的第二混频器16的输出端与所述的第二微波带通滤波器13的输入端相连，所述的第二微波带通滤波器13的输出端与所述的第一频率变换器15输入端相连，所述的第一频率变换器15的输出端与所述的第三微波功分器30的第二输入端相连，所述的激光器22的输出端与所述的第二光功分器23的输入端相连，所述的第二光功分器23的输出端分别与所述的电光调制器24和所述的第一光功分器20的第一输入端相连，所述的电光调制器24的输出端与所述的环形器25的第一输入端相连，所述的环形器25的输出端分别与所述的第一声光调制器26的第一端口和所述的第二光功分器20的第二输入端口相连，所述的第二光功分器20的输出端与所述的第一光电转换单元21的输入端相连，所述的第一光电转换单元21的输出端分别与所述的第三微波带通滤波器18和所述的第四微波带通滤波器19的输入端相连，所述的第三微波带通滤波器18的输出端与所述的第三混频单元17的第一输入端相连，所述的第四微波带通滤波器19的输出端与所述的第三混频单元17的第二输入端相连；所述的第二微波源27的输出端与所述的第一声光移频器26的微波输入端口相连，所述的第一声光移频器26的第二端口与所述的传递链路2的一端相连，所述的第三混频单元17输出端与所述的所述的第二混频器(16)第二输入端相连；
所述的用户端3由第二声光移频器31、第三光功分器32、第三微波源34、第二光电转换单元35、第二环形器33和第五微波带通滤波器36组成，所述的第二声光移频器31的光学端口分别与所述的传递链路2的另一端和所述第三光功分器32的输入端口相连，所述的第二声光移频器32的微波端口与所述的第三微波源34的输出端口相连，所述的第三光功分器32输出端分别于所述的第二环形器33的第一端口、所述的第二光电转换单元35的输入端相连，所述的第二环形器33的第二端口与第三端口相连，所述的第二光电转换单元35的输出端与所述的第五微波带通滤波器36的输入端相连，所述的第五微波带通滤波器36的输出端提供相位稳定的微波信号。
实施例中，所述的传递链路2由光纤链路构成，本地端1位于传递链路2的一端，用户端3位于传递链路2的另一端。
本发明基于被动相位补偿的微波频率传递装置的微波频率传递过程如下：
待传的第一微波源10的输出信号E0＝cos(Ωt)经过所述的第二微波功分器28后分成两部分：第一路微波信号经过第二频率转换器29进行二分频，分频后的微波信号角频率为Ω/2，另一部分信号与所述的第一路微波信号10进行混频，混频后经过第一微波带通滤波器11后输出角频率为3Ω/2的微波信号。第一路输出的角频率为Ω/2的微波信号经过所述的第三微波功分器30输入到所述的电光调制器24的微波输入端口。同时，所述的激光器21经过所述的第二光功分器23、所述的电光调制器24、所述的第一环形器25和所述的第一声光调制器的信号可表示为
Figure BDA0002330822150000061
式中，ν为激光器输出光信号的角频率，m为调制指数，Ωl为所述的第一声光移频器26的微波驱动频率。当m＜＜1时，E1可表示为：
Figure BDA0002330822150000062
式中忽略了信号的幅度和k为调制阶数。E1经过所述的传递链路2传递到用户端可表示为：
Figure BDA0002330822150000063
式中，Ωr为所述的第二声光移频器31的微波驱动频率，τ为传递链路的时延。用户端接收到的经过所述的第三光功分器32，一路输入到所述的第二光电转换单元35输出微波信号，另一路通过所述的第二环形器33经过相同的传递链路返回到本地端，返回的信号可表示为：
Figure BDA0002330822150000064
E3与本地端的参考信号E0在所述的第一光电转换单元21拍频，拍频后的信号可表示为：
Figure BDA0002330822150000071
采用所述的第三微波带通滤波器18与第四微波带通滤波器19分别滤出角频率为2(Ωl+Ωr)和
Figure BDA0002330822150000072
的两路微波信号，两路微波信号经过所述的第三混频器17后，取出下边带信号：
Figure BDA0002330822150000073
将E5与本地端角频率为3Ω/2的微波信号经过所述的第二混频器16与所述的第二微波带通滤波器13后取出下边带信号：
E6＝cos[Ωt+Ωτ]
E6经过所述的第一频率转换器15与所述的第三微波功分器30后与微波信号为Ω/2的信号同时输入到所述的电光调制器24的微波输入端口。用户端接受到的信号可表示为
Figure BDA0002330822150000074
E3'信号在所述的第二光电转换单元35拍频后信号为
Figure BDA0002330822150000075
式中取m和n可的值需使得Ω的系数大于0。将ERF中角频率为
Figure BDA0002330822150000076
的微波信号通过所述的第五微波带通滤波器36滤出即可获得相位稳定的微波信号。
实验表明，本发明采用被动相位补偿方式，通过简单地光混频、微波滤波与分频处理，实现了基于被动相位补偿的光学频率传递，具有系统结构简单、可靠性高的特点。

Claims (3)

1.一种基于被动相位补偿的微波频率传递装置，其特征在于，包括本地端(1)、传递链路(2)和用户端(3)；
所述的本地端(1)由第一微波源(10)、第二微波源(27)、第一微波带通滤波器(11)、第二微波带通滤波器(13)、第三微波带通滤波器(18)、第四微波带通滤波器(19)、第一混频器(12)、第二混频器(16)、第三混频器(17)、第一微波功分器(14)、第二微波功分器(28)、第三微波功分器(30)、第一频率变换器(15)、第二频率变换器(29)、第一光电转换单元(21)、激光器(22)、第一光功分器(20)、第二光功分器(23)、电调制器(24)、第一环形器(25)、第一声光移频器(26)组成，所述的第一微波源(10)的输出端与所述的第二微波功分器(28)的输入端相连，所述的第二微波功分器(28)的输出端分别和所述的第二频率变换器(29)和所述的第一混频器(12)输入端相连，所述的第二频率变换器(29)输出端与所述的第一微波功分器(14)的输入端相连，所述的第一微波功分器(14)的输出端分别与所述的第一混频器(12)和所述的第三微波功分器(30)的第一输入端相连，所述的第一混频器(12)的输出端与所述的第一微波带通滤波器(11)的输入端相连，所述的第一微波带通滤波器(11)的输出端与所述的第二混频器(16)的第一输入端口相连，所述的第二混频器(16)的输出端与所述的第二微波带通滤波器(13)的输入端相连，所述的第二微波带通滤波器(13)的输出端与所述的第一频率变换器(15)输入端相连，所述的第一频率变换器(15)输出端与所述的第三微波功分器(30)的第二输入端相连，所述的激光器(22)与所述的第二光功分器(23)的输入端相连，所述的第二光功分器(23)的输出端分别与所述的电光调制器(24)和所述的第一光功分器(20)的第一输入端相连，所述的电光调制器(24)的输出端与所述的环形器(25)的第一输入端相连，所述的环形器(25)的输出端分别与所述的第一声光移频器(26)的第一端口和所述的第二光功分器(20)第二输入端口相连，所述的第二光功分器(20)输出端与所述的第一光电转换单元(21)的输入端相连，所述的第一光电转换单元(21)的输出端分别与所述的第三微波带通滤波器(18)和所述的第四微波带通滤波器(19)的输入端相连，所述的第三微波带通滤波器(18)的输出端与所述的第三混频单元(17)的第一输入端相连，所述的第四微波带通滤波器(19)的输出端与所述的第三混频单元(17)的第二输入端相连，所述的第三混频单元(17)输出端与所述的所述的第二混频器(16)第二输入端相连；
所述的第二微波源(27)的输出端与所述的第一声光移频器(26)的微波输入端口相连，所述的第一声光移频器(26)的第二端口与所述的传递链路(2)的一端相连；
所述的用户端(3)由第二声光移频器(31)、第三光功分器(32)、第三微波源(34)、第二光电转换单元(35)、第二环形器(33)和第五微波带通滤波器(36)组成，所述的第二声光移频器(31)的光学端口分别与所述的传递链路(2)的另一端和所述第三光功分器(32)的输入端口相连，所述的第二声光移频器(32)的微波端口与所述的第三微波源(34)的输出端口相连，所述的第三光功分器(32)输出端分别与所述的第二环形器(33)的第一端口、所述的第二光电转换单元(35)的输入端相连，所述的第二环形器(33)的第二端口与第三端口相连，所述的第二光电转换单元(35)的输出端与所述的第五微波带通滤波器(36)的输入端相连，所述的第五微波带通滤波器(36)的输出端提供相位稳定的微波信号。
2.根据权利要求1所述的基于被动相位补偿的微波频率传递装置，其特征在于，所述的传递链路(2)为光纤链路或自由空间链路，所述的自由空间链路由自由空间光发射模块、接收模块与自由空间链路组成。
3.利用权利要求1所述的基于被动相位补偿的微波频率传递装置的微波频率传递方法，其特征在于，该方法的具体步骤如下：
待传的第一微波源(10)的输出信号E0＝cos(Ωt)经过所述的第二微波功分器(28)后分成两部分：第一路微波信号经过第二频率转换器(29)进行二分频，分频后的微波信号角频率为Ω/2，另一部分信号与所述的第一路微波信号(10)进行混频，混频后经过第一微波带通滤波器(11)后输出角频率为3Ω/2的微波信号。第一路输出的角频率为Ω/2的微波信号经过所述的第三微波功分器(30)输入到所述的电光调制器(24)的微波输入端口,同时，所述的激光器(21)经过所述的第二光功分器(23)、所述的电光调制器(24)、所述的第一环形器(25)和所述的第一声光调制器的信号可表示为：
Figure FDA0002330822140000021
式中，ν为激光器输出光信号的角频率，m为调制指数，Ωl为所述的第一声光移频器(26)的微波驱动频率，当m＜＜1时，E1可表示为：
Figure FDA0002330822140000022
式中忽略了信号的幅度和k为调制阶数，E1经过所述的传递链路(2)传递到用户端可表示为：
Figure FDA0002330822140000023
式中，Ωr为所述的第二声光移频器(31)的微波驱动频率，τ为传递链路的时延，用户端接收到的经过所述的第三光功分器(32)，一路输入到所述的第二光电转换单元(35)输出微波信号，另一路通过所述的第二环形器(33)经过相同的传递链路返回到本地端，返回的信号可表示为：
Figure FDA0002330822140000031
E3与本地端的参考信号E0在所述的第一光电转换单元(21)拍频，拍频后的信号可表示为：
Figure FDA0002330822140000032
采用所述的第三微波带通滤波器(18)与第四微波带通滤波器(19)分别滤出角频率为2(Ωl+Ωr)和
Figure FDA0002330822140000033
的两路微波信号，两路微波信号经过所述的第三混频器(17)后，滤出下边带信号：
Figure FDA0002330822140000034
将E5与本地端角频率为3Ω/2的微波信号经过所述的第二混频器(16)与所述的第二微波带通滤波器(13)后滤出下边带信号：
E6＝cos[Ωt+Ωτ]
E6经过所述的第一频率转换器(15)与所述的第三微波功分器(30)后与微波信号为Ω/2的信号同时输入到所述的电光调制器(24)的微波输入端口，用户端接受到的信号可表示为：
Figure FDA0002330822140000035
E3'信号在所述的第二光电转换单元(35)拍频后信号为：
Figure FDA0002330822140000036
式中，取m和n可的值需使得Ω的系数大于0，将ERF中角频率为
Figure FDA0002330822140000037
的微波信号通过所述的第五微波带通滤波器(36)滤出即可获得相位稳定的微波信号。
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