CN111555813B - 基于微波光子变频的发射频率分集阵列实现装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微波光子变频的发射频率分集阵列实现装置及方法。所述装置包括：任意波形发生器连接至声光调制器的射频输入端口，射频信号源连接至双平行调制器的射频输入端口，偏置控制电路一连接至双平行调制器的偏置控制端口；单色激光器连接光耦合器一的输入端口；光耦合器一的输出端口一经声光调制器连接光耦合器二的输入端口一，光耦合器一的输出端口二经双平行调制器连接光耦合器二的输入端口二；光耦合器二将信号分成N路输出，分别对应N个可调光延时线，形成N个发射通道；所述N个可调光延时线依次连接光电探测器和射频前端，到达含有N个阵元的天线阵列。本发明在光域实现基带线性调频信号的上变频处理，在此基础上生成发射频率分集信号，能够适应未来毫米波、小型化的使用需求。
Description
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，尤其是一种基于微波光子变频的发射频率分集阵列实现装置及方法。
背景技术
在通信基站、雷达系统等一些应用场合，希望将射频前端和发射天线阵集成起来，这就要求射频前端能够尽量简化。基于电学方法的发射射频前端受限于电缆插损，发射源和前端放大等器件不能远距离分置，因此不利于前端系统简化，而光纤特有的长距离高保真传输特性能够支持远距离分置。
频率分集阵列由于可以产生距离相关的波束，近些年得到了广泛的研究。在文献[1]和文献[2]中提出了一种利用线性调频连续波实现频率分集阵列的方法，这种方法的优点是只需要一个线性调频的信号源和一套固定延时网络就可以为天线阵提供频率分集的发射信号。但是在发射高频信号时，基于电学方法的线性调频信号源工作频率受限：传统的电子学线性调频信号产生方式包括使用锯齿波控制压控振荡器、使用声表面波滤波器的方法以及高速数字合成的方法[3]。在高分辨率的雷达距离测量和成像等应用中，这些电子器件所产生信号的工作频率受限。例如：通常声表面波滤波器的工作频率不超过5GHz，数字合成产生的信号频率很难超过6GHz，压控振荡器的工作频率也在数GHz，因而限制了雷达系统的距离分辨率。不仅如此，文献中使用的电学延迟线基于印制板制作，适应带宽窄、插入损耗大。
本发明在现有技术的基础上，提出了一种基于光学延迟线+微波光子变频信号产生的方法来实现频率分集阵列，目前，可调光延迟线(VODL:variable optical delayline)的延时精度可达0.1ps甚至更低，典型调节范围为300-500ps。进一步地，由于采用了基于微波光子变频的信号产生方法，使得本发明能够适应的频带宽、延时精度高、延时量可控，还具有抗电磁干扰等优点。
以上论述引用的参考文献及相关专利如下：
[1]Taylan Eker,A conceptual evaluation of frequency diverse arraysand novel ulilization of LFMCW,Ph.D thesis,Middle east technical university,2011.
[2]T.Eker,s.Demir,A.Hizal,etc.,Exploitation of linear frequencymodulated continuous wavefom(LFMCW)for frequency diverse array,IEEETransactions on Antennas and Propagation，61(7),3546-3553,2013.
[3]徐宁啸，微波光子宽带雷达信号产生及接收中关键技术研究，浙江大学博士论文，2017.
发明内容
本发明的发明目的在于：提供一种基于微波光子变频的发射频率分集阵列实现装置及方法，该系统采用一套微波光子变频装置就能够为频率分集阵列提供发射源信号，能够突破电学方法中前端与处理系统难以分置、电学延迟线适应频率低、延时精度不足、插损大等难题。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于微波光子变频的发射频率分集阵列实现装置，包括：单色激光器、光耦合器一、声光调制器、双平行调制器、任意波形发生器、射频信号源、偏置控制电路、光耦合器二、可调光延迟线、光电探测器、射频前端和天线阵列。任意波形发生器连接至声光调制器的射频输入端口，射频信号源连接至双平行调制器的射频输入端口，偏置控制电路一连接至双平行调制器的偏置控制端口；单色激光器连接光耦合器一的输入端口；光耦合器一的输出端口一经声光调制器连接光耦合器二的输入端口一，光耦合器一的输出端口二经双平行调制器连接光耦合器二的输入端口二；
光耦合器二将信号分成N路输出，分别对应N个可调光延时线，形成N个发射通道。所述N个可调光延时线依次连接光电探测器和射频前端，到达含有N个阵元的天线阵列。
其中，双平行调制器在偏置控制电路的作用下，工作于载波抑制单边带调制状态。依据需要的信号频率为递增或递减要求，可以选择使双平行调制器工作于下边带或上边带调制状态。
其中，在单色激光器和光耦合器二之间的光路采用保偏光纤或者偏振控制器保持光信号的偏振状态。
其中，在同一时刻，N个可调光延时线的延时量不同。在用于产生等间隔的频率分集信号时，相邻可调光延时线的延迟差相等。在用于产生非均匀间隔的频率分集信号时，相邻可调光延时线的延迟差不同。
其中，任意波形发生器既可以发出线性调频的锯齿波信号，也可以发射其他非线性调频信号。当需要频率分集阵列的输出频率等间隔时，则任意波形发生器输出锯齿波信号。
一种基于微波光子变频的发射频率分集阵列实现方法，包括如下步骤：
(1)任意波形发生器连接声光调制器的射频输入端口，射频信号源连接双平行调制器的射频输入端口，偏置控制电路连接双平行调制器的偏置控制端口；
(2)单色激光器输出的光信号经光耦合器一一分为二，其中一路经声光调制器加载线性调频信号；另一路经双平行调制器加载微波或毫米波信号；
(3)光载线性调频信号和光载微波或毫米波信号经光耦合器二合路后，再分成N路子光束；
(4)N路子光束进入不同长度的可调光延时线，然后经光电探测器完成相干拍差，转换成微波或毫米波信号，并经射频前端放大后由天线发射出去。
其中，步骤(1)中射频信号源的频率决定了发射频率分集信号的初始频率。
其中，步骤(3)中，每路子光束中都包括了相干叠加的光载线性调频信号和光载微波或毫米波信号。
其中，步骤(4)中，由于基带线性调频信号的频率随时间变化，在经过不同长度的光纤延时后，在某一时刻T观察时，N个光电探测器输入口的光载线性调频信号频率不同，因此经相干拍差产生的微波或毫米波信号频率也不同。
其中，步骤(1)中任意波形发生器发出的线性调频信号和步骤(4)中可调光纤延时线的延时量共同决定了发射频率分集信号的频率偏移量。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明由于采用了光纤作为发射频率分集阵列的传输和处理媒介，整个系统可以实现阵列前端和处理系统的分置，克服了电缆在长距离传输损耗大，适应频率低等缺点，能够有效地减化前端配置，满足现有通信网络中基站转发和中心站处理的分置要求。
2、由于采用可调光纤延时线代替电学延时线，克服了电学延时线插损大，控制精度不足等缺点，配合任意波形发生器发出的多种波形，既能够用于等间隔的频率分集阵列，也能够用于非均匀间隔的频率分集阵列。在需要高精度调谐时，可以选择由电机驱动的模拟延时，调谐更准确，频率分集阵列的波束方向图的性能更优。
3、由于采用偏置控制板可以控制双平行调制器输出上边带或者下边带信号，因此通过偏置控制进行切换就可以调谐系统按照频率递增或者递减的方式发射频率分集信号，能够简化系统控制。
4、由于采用声光移频器和双平行调制器结合的方式产生线性或非线性调频的微波/毫米波信号，本振信号和中频信号可以实现高度隔离，能够缓解在高频信号变频处理时存在的射频隔离、杂散大等问题，更适应未来系统在较高频率下工作的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是基于微波光子变频的发射频率分集阵列实现系统框图；
图2是在光耦合器2输出端口的光谱示意图，此时双平行调制器位为载波抑制上边带调制；
图3是在光耦合器2输出端口的光谱示意图，此时双平行调制器位为载波抑制下边带调制。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。下面结合附图，对本发明的结构和工作原理进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明提供的一种基于微波光子变频的发射频率分集阵列实现装置如图1所示，高稳定窄带激光器发出的单色光f0经光耦合器一分为两路，一路进入双平行调制器，双平行调制器的射频输入端口连接输出频率为fRF的射频源。控制双平行调制器的直流偏置端口，使之工作于载波抑制单边带调制状态。图2和图3中的虚线表示单色激光器发出的光频率f0，黑色粗线表示双平行调制器的输出光频率，在图2和图3中分别为f0+fRF或f0-fRF。
光耦合器一输出的另一路信号进入声光移频器。声光移频器由任意波形发生器驱动，通过改变驱动频率而达到改变激光波长值的目的。典型声光移频器的调谐范围为100MHz。该调谐范围能够满足典型频率分集阵列的要求——典型的频率分集阵列在工作于10GHz起始频率时，各阵元发射的频率间隔只有15kHz。即声光移频器在X波段该频率间隔下能够适应数千阵元的频率分集。
当需要输出等间隔的频率分集信号时，任意波形发生器发出起始频率为fLCWM、斜率为k的线性调频信号，在声光移频器的输出端产生的光信号频率为f0-fLCWM-kt，这里t代表时间。实际上任意波形发生器输出锯齿波信号，假设该信号的调制周期为1us，带宽为300MHz，则k＝3×1014Hz/s。
经声光调制器的线性调频信号f0-fLCWM-kt和经双平行调制器的f0+fRF或f0-fRF经光耦合器二合路后的光谱示意图如图2和图3所示。假设天线阵列为4元线阵，即N＝4，又假设设置可调光延时线的延时分别为t0，t0+50ps，t0+l 00ps，t0+l50ps，t0为第一个通道的延时量。则经光电探测器后，
(1)当双平行调制器的输出光频率为f0+fRF时，各个通道输出的射频信号分别为fRF+fLCWM+kt0、fRF+fLCWM+kt0+15kHz、fRF+fLCWM+kt0+30kHz、fRF+fLCWM+kt0+45kHz，即按照15kHz的频率间隔线性递增；
(2)当双平行调制器的输出光频率为f0-fRF时，各个通道输出的射频信号分别为fRF-fLCWM-kt0、fRF-fLCWM-kt0-15kHz、fRF-fLCWM-kt0-30kHz、fRF-fLCWM-kt0-45kHz，即按照15kHz的频率间隔线性递减。
最后，该射频信号通过射频前端进行放大等处理后经由天线辐射到空间。当需要更改相邻单元的发射频率时，通过更改线性调频信号的斜率可以一次性更改相邻发射阵元的频率差。
在本发明中，通过采用同一激光源，且在光耦合器二之前均使用保偏光纤或者使用偏振控制器件，使得光耦合器一输出的两路信号具有稳定的偏振；如图2所示，声光调制器作为移频器件，原始信号f0完全移频到f0-fLCWM-kt；而双平行调制器工作在载波抑制单边带调制状态，因此载波功率也比较低。这一设计能够保证光信号在光电探测器处进行稳定的相干拍差，产生具有较高工作频率的线性调频信号。
在有些应用场合，频率分集阵列中相邻单元的频率差可能按指数排布而不是常数，这时可以有多种实现方案，包括：
(1)通过调谐可调光延时线的延时量实现非均匀频率差。
(2)通过任意波形发生器发射其他非线性波形,结合各通道等间隔的光延时线实现非均匀频率差；
(3)通过任意波形发生器发射其他非线性波形,结合各通道不等间隔的光延时线实现非均匀频率差；
综上所述，本发明既能够适用于等间隔的发射频率分集系统，也可以用于非均匀间隔的发射频率分集系统中。
采用本发明提供的方法，可以将可调光延时线之后的部分：光电探测器、射频前端和天线阵元和图1虚线框中的处理系统分置，在通信系统中能够最小程度地减少基站的功能和体积。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改，等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于微波光子变频的发射频率分集阵列实现装置，其特征在于，包括：
单色激光器、光耦合器一、任意波形发生器、声光调制器、双平行调制器、射频信号源、偏置控制电路一、光耦合器二、可调光延时线、光电探测器、射频前端和天线阵列；
任意波形发生器连接至声光调制器的射频输入端口，射频信号源连接至双平行调制器的射频输入端口，偏置控制电路一连接至双平行调制器的偏置控制端口；
单色激光器连接光耦合器一的输入端口；
光耦合器一的输出端口一经声光调制器连接光耦合器二的输入端口一，光耦合器一的输出端口二经双平行调制器连接光耦合器二的输入端口二；
光耦合器二将信号分成N路输出，分别对应N个可调光延时线，形成N个发射通道；所述N个可调光延时线依次连接光电探测器和射频前端，到达含有N个阵元的天线阵列。
2.如权利要求1所述的基于微波光子变频的发射频率分集阵列实现装置，其特征在于，包括：
在偏置控制电路的作用下，双平行调制器工作于载波抑制单边带调制状态；依据需要的信号频率为递增或递减要求，可以选择使双平行调制器工作于下边带或上边带调制状态。
3.如权利要求1所述的基于微波光子变频的发射频率分集阵列实现装置，其特征在于，所述任意波形发生器既可以发出线性调频的锯齿波信号，也可以发射其他非线性调频信号，当需要频率分集阵列的输出频率等间隔时，则任意波形发生器输出锯齿波信号。
4.如权利要求1所述的基于微波光子变频的发射频率分集阵列实现装置，其特征在于，在单色激光器和光耦合器二之间的光路采用保偏光纤或者偏振控制器保持光信号的偏振状态。
5.如权利要求1所述的基于微波光子变频的发射频率分集阵列实现装置，其特征在于，包括：
在同一时刻，N个可调光延时线的延时量不同；
在用于产生线性频率分集信号时，相邻可调光延时线的延迟差相等；
在用于产生非线性频率分集信号时，相邻可调光延时线的延迟差不同。
6.一种基于微波光子变频的发射频率分集阵列实现方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)单色激光器输出的光信号经光耦合器一一分为二，其中一路经声光调制器加载线性调频信号；另一路经双平行调制器加载微波或毫米波信号；
(2)光载线性调频信号和光载微波或毫米波信号经光耦合器二合路后，再分成N路子光束；
(3)N路子光束进入不同长度的可调光延时线，然后经光电探测器完成相干拍差，转换成微波或毫米波信号，并经射频前端放大后由天线发射出去。
7.如权利要求6所述的基于微波光子变频的发射频率分集阵列实现方法，其特征在于，步骤(2)中，每路子光束中都包括了相干叠加的光载线性调频信号和光载微波或毫米波信号。
8.如权利要求6所述的基于微波光子变频的发射频率分集阵列实现方法，其特征在于，步骤(3)中，由于基带线性调频信号的频率随时间变化，在经过不同长度的光纤延时后，在某一时刻T观察时，N个光电探测器输入口的光载线性调频信号频率不同，因此经相干拍差产生的微波或毫米波信号频率也不同。
9.如权利要求6所述的基于微波光子变频的发射频率分集阵列实现方法，其特征在于，包括：
步骤(1)中射频信号源的频率决定了发射频率分集信号的初始频率；
步骤(1)中任意波形发生器发出的线性调频信号和步骤(3)中的可调光纤延时线共同决定了发射频率分集信号的频率偏移量。
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