CN111404571A - 一种宽带无线通信提高射频频率的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽带无线通信提高射频频率的系统及方法，属于无线通信技术领域，所述系统包括光电调制器、光电转换器、激光器。本发明大幅降低了射频对高速ADC以及微波电路的需求，传统的PLL参考时钟配置器作为模拟上变频的时钟源，其时钟频率受到器件、电路等影响，在100GHz左右频率时设计复杂，且成本较高，本发明利用宽带光电调制原理，在不影响数据传输的情况下通过激光对信号进行调制，再通过光电转换器转变成电信号,由于光波波长可调范围大，可以大大提高射频频率并省略PLL参考时钟配置器以及高速DAC，最终达到提高性能并降低装置复杂度的目的。

Description

一种宽带无线通信提高射频频率的系统及方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种宽带无线通信提高射频频率的系统。
背景技术
电与光是信息领域最广为使用的传输媒介。电，作为传统与通用的传输介质，在各个信息系统中发挥着举足轻重的作用，但其却拥有一些不可避免的缺陷。而光，作为新的传输媒介，相比于电拥有很多优势。光目前正在一些特定领域逐渐取代电，例如通信系统等。但鉴于目前信息系统大多仍以电信号为主，而电信号在射频领域受器件影响，频点很难做到百GHz，因此可以利用电对光进行调制，将信号加载在光上。电光效应正使得这成为可能。电信号对光场的幅度，频率，相位等参数均可进行调制。
光信号可以通过改变外加电场，控制晶体的折射率，进而改变相位，从而实现光调制。如果外电场与光传播方向相同，这种调制器叫纵向光电调制器；若外电场与光传播方向垂直，这种调制器叫横向光电调制器。
目前在宽带通信数字发射机的模拟上变频主要采取的是模拟混频方式，即采用若干模拟混频器级联，将基带信号变成射频信号。该方法的缺点是当射频频点较高时，模拟混频器级联较多，结构复杂，设计难度大。并且受器件影响，混频器时钟难以做到100GHz以上，因此传统电子学方案设计百GHz以上的射频方案难度大，现有器件无法满足要求。因此，提出一种宽带无线通信提高射频频率的系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：如何降低射频对高速ADC以及微波电路的需求，提供了一种宽带无线通信提高射频频率的系统。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括激光器、光电调制器、光电转换器与天线，所述激光器的输出端与所述光电调制器的输入端连接，所述光电转换器的输入端与所述光电调制器的输出端连接，所述光电转换器的输出端与所述天线连接，所述激光器产生高频光信号输入所述光电调制器中，所述光电调制器上加载有调制信号，所述高频光信号与所述调制信号在所述光电调制器内调制后输入至所述光电转换器，所述光电转换器将调制后的光信号转换成电信号通过所述天线发射。
更进一步的，所述宽带无线通信提高射频频率的系统还包括高电子迁移率晶体管放大器、三个光放大器与带通滤波器，所述高电子迁移率晶体管放大器设置在所述天线与所述光电转换器之间，所述带通滤波器设置在所述光电调制器与所述光电转换器之间，三个所述光放大器分别设置在调制信号输入到所述光电调制器的光路上、所述激光器与所述光电调制器之间的光路上、所述光电调制器与所述带通滤波器之间的光路上。
更进一步的，所述带通滤波器的带宽为5GHz～10GHz，中心频率在100GHz以上。
更进一步的，所述激光器为飞秒激光器，也可以为其他常见激光器，比如固体激光器、氮分子激光器、准分子激光器等。
更进一步的，所述光电调制器为马赫-曾德尔幅度调制器。
更进一步的，所述激光器产生的高频光信号的波长为λ，频率为f＝1/λ，带宽为B＝fH-fL，fH为带通信号的上截止频率，fL为带通信号的下截止频率，带宽的大小根据设计的工作频段确定。
更进一步的，所述光电转换器为光电二极管，所述光电二极管为肖特基势垒二极管，其正向导通压降为0.3～0.5V，整流电流为4000～5000A。
更进一步的，所述肖特基势垒二极管包括一个PN结，所述PN结的面积较大，电极面积较小，结深小于1um。
更进一步的，所述PN结包括自上而下依次设置的金属阳极、外延层、缓冲层、衬底、金属阴极，所述缓冲层为N+型缓冲层，所述衬底为N+型衬底，所述外延层上表面与所述金属阳极接触形成肖特基势垒接触，即形成整流结，所述衬底下表面与所述金属阴极接触形成欧姆接触。
本发明还提供了一种宽带无线通信提高射频频率的方法，包括以下步骤：
S1：利用马赫-曾德尔幅度调制器中将高频光信号与调制信号在光域上进行调制；
S2：利用肖特基势垒二极管将经步骤S1调制后的光信号转换成电信号；
S3：将步骤S2中的电信号通过高电子迁移率晶体管放大器经天线发射。
本发明相比现有技术具有以下优点：该宽带无线通信提高射频频率的系统及方法，将传统电子学数字信号处理装置与光调制装置结合，利用光电调制器完成上变频功能，在信号射频频率较高时采用该光电调制装置，结构简单便于加工，可以大批量生产，结构限制较小，所用材料皆为常规材料，易于实现；设计方法更为灵活，可以通过调整激光器的波长选择实现不同频带的信号发射。
附图说明
图1是本发明实施例二中宽带无线通信提高射频频率系统的结构示意图；
图2是本发明实施例二中马赫-曾德尔幅度调制器的整体结构示意图；
图3是本发明实施例二中肖特基势垒二极管的局部结构示意图；
图4是本发明实施例二中肖特基势垒二极管的结构示意框图。
具体实施方式
下面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。
实施例一
本实施例提供一种技术方案：一种宽带无线通信提高射频频率的系统，包括激光器、光电调制器、光电转换器与天线，所述激光器的输出端与所述光电调制器的输入端连接，所述光电转换器的输入端与所述光电调制器的输出端连接，所述光电转换器的输出端与所述天线连接，所述激光器产生高频光信号输入所述光电调制器中，所述光电调制器上加载有调制信号，所述高频光信号与所述调制信号在所述光电调制器内调制后输入至所述光电转换器，所述光电转换器将调制后的光信号转换成电信号通过所述天线发射。
所述宽带无线通信提高射频频率的系统还包括高电子迁移率晶体管放大器、三个光放大器与带通滤波器，所述高电子迁移率晶体管放大器设置在所述天线与所述光电转换器之间，所述带通滤波器设置在所述光电调制器与所述光电转换器之间，三个所述光放大器分别设置在调制信号输入到所述光电调制器的光路上、所述激光器与所述光电调制器之间的光路上、所述光电调制器与所述带通滤波器之间的光路上。
所述带通滤波器的带宽为5GHz～10GHz，中心频率在100GHz以上。
所述激光器为飞秒激光器，也可以为其他常见激光器，比如固体激光器、氮分子激光器、准分子激光器等。
所述光电调制器为马赫-曾德尔幅度调制器。
所述激光器产生的高频光信号的波长为λ，频率为f＝1/λ，带宽为B＝fH-fL，fH为带通信号的上截止频率，fL为带通信号的下截止频率，带宽的大小根据设计的工作频段确定。
所述光电转换器为光电二极管，所述光电二极管为肖特基势垒二极管，其正向导通压降为0.3～0.5V，整流电流为4000～5000A。
所述肖特基势垒二极管包括一个PN结，所述PN结的面积较大，电极面积较小，结深小于1um。
所述PN结包括自上而下依次设置的金属阳极、外延层、缓冲层、衬底、金属阴极，所述缓冲层为N+型缓冲层，所述衬底为N+型衬底，所述外延层上表面与所述金属阳极接触形成肖特基势垒接触，即形成整流结，所述衬底下表面与所述金属阴极接触形成欧姆接触。
从整体上看，所述系统由电子学结构与光子学结构组成，其中电子学结构与传统基带通信系统类似，用来传输可被识别的电子信号；光子学结构中激光器产生高频光源(光信号)，并通过光电调制器调制成光信号。光信号无法直接传输，需要经过光电转换器转变成高频电信号。
本实施例还提供了一种宽带无线通信提高射频频率的方法，包括以下步骤：
S1：利用马赫-曾德尔幅度调制器中将高频光信号与调制信号在光域上进行调制；
S2：利用肖特基势垒二极管将经步骤S1调制后的光信号转换成电信号；
S3：将步骤S2中的电信号通过高电子迁移率晶体管放大器经天线发射。
实施例二
如图1、2、3所示，本实施例提出一种宽带无线通信提高射频频率的系统。图1为该系统的结构示意图，沿电磁波传播方向，分别包括100GHz激光源1，马赫-曾德尔幅度调制器2和肖特基势垒二极管3构成。100GHz激光源1产生对应波长的光波，通过光放大器(EDFA)后与输入的数字信号(Datain)在马赫-曾德尔幅度调制器2上进行调制，调制后光信号经过光放大器(EDFA)，再经过一个带通滤波器(BPF)输入肖特基势垒二极管3中，利用肖特基势垒二极管3完成光-电转换过程，转换完毕后的高频电信号经过一个高电子迁移率晶体管放大器(HEMT Amplifier)由天线4将太赫兹波段信号发送。其中，肖特基势垒二极管3和中间损耗介质(马赫-曾德尔幅度调制器2)对接，用来将光信号转变成高频电信号。
如图2所示，马赫-曾德尔幅度调制器使用两个频率相同，但相位不同的偏振光波进行干涉。外加电压引入相位的变化，可以转化为幅度的变化。在图中表示的由两个y型波导构成的结构中，理想情况下，输入光功率在C点平均分配到两个分支传输，在输出端D干涉，其输出幅度与两个分支光通道的相位差有关。两个理想的背对背相位调制器，在外电场调制信号的作用下，能够改变两个分支中待调制传输光的相位，从而改变输出光强。
如图3所示，由于加在两个分支中的电场方向相反，所以在两个分支中的折射率和相位变化也相反。如落在A分支中，引入pi/2的相位变化，那么在B分支则产生-pi/2的相位变化,因此AB分支将引入pi的相位变化。该调制电压可以使调制器状态实现由开到关的切换，可用于光开关。当调制电压引起A,B两臂0-pi的相位变化时，输出光强将随调制电压而变化，因此加到调制器上的电比特流在调制器输出端产生了波形相同的光比特流。
图4是肖特基势垒二极管基本结构。从图4可以看出肖特基势垒二极管利用金属-半导体(M-S)接触特性制成，由于金属-半导体接触的电流运输主要是依靠多数载流子(电子)，其电子迁移率高，且M-S结可以在亚微米尺度上精确制造加工，使得肖特基势垒二极管能运用到亚毫米波、太赫兹波频段。由于N型掺杂相比于P型掺杂有更高的电子迁移率，衬底材料选择“N+型”衬底，随后在衬底表面生长出一层高纯度、高电导率的N型重掺杂缓冲层，用于保证较低的串联电阻及防止衬底杂质进入外延层。外延层生长在缓冲层上表面，其掺杂浓度与厚度是二极管的重要设计参数。外延层上表面与金属阳极接触形成肖特基势垒接触，形成整流结，在衬底下表面与金属阴极接触形成欧姆接触。
综上所述，上述两组实施例的宽带无线通信提高射频频率的系统及方法，将传统电子学数字信号处理装置与光调制装置结合，利用光电调制器完成上变频功能，在信号射频频率较高时采用该光电调制装置，结构简单便于加工，可以大批量生产，结构限制较小，所用材料皆为常规材料，易于实现；设计方法更为灵活，可以通过调整激光器的波长选择实现不同频带的信号发射，值得被推广使用。
此外，术语“第一”、“第二”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”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种宽带无线通信提高射频频率的系统，其特征在于，包括激光器、光电调制器、光电转换器与天线，所述激光器的输出端与所述光电调制器的输入端连接，所述光电转换器的输入端与所述光电调制器的输出端连接，所述光电转换器的输出端与所述天线连接，所述激光器产生高频光信号输入所述光电调制器中，所述光电调制器上加载有调制信号，所述高频光信号与所述调制信号在所述光电调制器内调制后输入至所述光电转换器，所述光电转换器将调制后的光信号转换成电信号通过所述天线发射。
2.根据权利要求1所述的一种宽带无线通信提高射频频率的系统，其特征在于：所述宽带无线通信提高射频频率的系统还包括高电子迁移率晶体管放大器、三个光放大器与带通滤波器，所述高电子迁移率晶体管放大器设置在所述天线与所述光电转换器之间，所述带通滤波器设置在所述光电调制器与所述光电转换器之间，三个所述光放大器分别设置在调制信号输入到所述光电调制器的光路上、所述激光器与所述光电调制器之间的光路上、所述光电调制器与所述带通滤波器之间的光路上。
3.根据权利要求2所述的一种宽带无线通信提高射频频率的系统，其特征在于：所述带通滤波器的带宽为5GHz～10GHz，中心频率在100GHz以上。
4.根据权利要求2所述的一种宽带无线通信提高射频频率的系统，其特征在于：所述激光器为飞秒激光器。
5.根据权利要求2所述的一种宽带无线通信提高射频频率的系统，其特征在于：所述光电调制器为马赫-曾德尔幅度调制器。
6.根据权利要求2所述的一种宽带无线通信提高射频频率的系统，其特征在于：所述激光器产生的高频光信号的波长为λ，频率为f＝1/λ，带宽为B＝fH-fL，fH为带通信号的上截止频率，fL为带通信号的下截止频率，带宽的大小根据设计的工作频段确定。
7.根据权利要求2所述的一种宽带无线通信提高射频频率的系统，其特征在于：所述光电转换器为光电二极管，所述光电二极管为肖特基势垒二极管，其正向导通压降为0.3～0.5V，整流电流为4000～5000A。
8.根据权利要求7所述的一种宽带无线通信提高射频频率的系统，其特征在于：所述肖特基势垒二极管包括一个PN结，所述PN结的结深小于1um。
9.根据权利要求8所述的一种宽带无线通信提高射频频率的系统，其特征在于：所述PN结包括自上而下依次设置的金属阳极、外延层、缓冲层、衬底、金属阴极，所述缓冲层为N+型缓冲层，所述衬底为N+型衬底，所述外延层上表面与所述金属阳极接触形成肖特基势垒接触，即形成整流结，所述衬底下表面与所述金属阴极接触形成欧姆接触。
10.一种宽带无线通信提高射频频率的方法，其特征在于，利用如权利要求1～9任一所述的系统对射频频率进行提高工作，包括以下步骤：
S1：利用马赫-曾德尔幅度调制器中将高频光信号与调制信号在光域上进行调制；
S2：利用肖特基势垒二极管将经步骤S1调制后的光信号转换成电信号；
S3：将步骤S2中的电信号通过高电子迁移率晶体管放大器经天线发射。
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