CN113346958A - 微波信号处理方法、倍频混频器及微波信号处理系统 - Google Patents

Abstract

微波信号处理方法、倍频混频器及微波信号处理系统，涉及微波技术与光通信技术的交叉领域，其中，微波信号处理方法是通过分光器将单频光载波对应等功率分成两路或三路以上；光载波与待处理的微波信号输入相位调制器中进行相位调制，将微波信号转变为光信号；通过波分复用器进行合波处理输出含有载波和频率波的光信号；通过解波分复用器将滤波输出的光信号进行分波处理，形成载波信号和多路不同的频率信号；将频率信号择一或分别与载波信号组合通过光电探测器和滤波器进行拍频并完成包络检波，实现微波信号的倍频、混频处理，倍频与混频过程在光域完成，突破了当前倍频与混频器件的电子瓶颈。

Description

微波信号处理方法、倍频混频器及微波信号处理系统

技术领域

本发明涉及微波技术与光通信技术的交叉领域，特别涉及微波信号处理方法、倍频混频器及微波信号处理系统。

背景技术

混频器一般是输出信号频率等于两输入信号频率之和与差的电路；倍频器是指输出信号频率等于输入信号频率整数倍的电路，两种器件是现代微波通信、电子站、5G移动通信等信息系统必备的电子器件，其性能的好坏是决定通信系统整体指标的关键因素之一。

因受限于“电子瓶颈”，传统电子式混频与倍频器件具有电磁干扰严重、体积大、附加噪声高等不良因素，特别是通信频率达到微波/毫米波频段尤为突出。采用光子技术来辅助微波/毫米波段的信息处理，是未来电子站、雷达、微波通信等领域的亟需技术手段之一。

发明内容

针对上述现有技术存在的技术缺陷，本发明的目的之一是提供一种微波信号处理方法，旨在突破当前倍频与混频器件的电子瓶颈，将信号的倍频与混频处理过程在光域完成，且具有体积轻、抗电磁干扰的优势。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：微波信号处理方法，包括如下步骤：

将由同一激光源发出的单频光载波等功率分成两路以上，至少将一路光载波经带处理的微波信号进行相位调制，由此将微波信号转变为光信号，并实现电域到光域上的调制；

将经微波信号调制的光载波与其余未作调制处理的光载波进行合波、滤波处理，输出包含载波和频率波的光信号；

将滤波输出的光信号进行分波处理，形成载波信号和多路不同的频率信号；

将频率信号择一或分别与载波信号组合进行拍频，完成包络检波后输出，实现微波信号的倍频处理。

微波信号处理方法，包括以下步骤：

将由同一激光源发出的单频光载波等功率分成三路以上，至少将两路光载波景不同频率的待处理微波信号一一对应进行相位调制，从而将微波信号转变为光信号，实现电域到光域上的调制；

将经微波信号调制的光载波与其余未作调制处理的光载波进行合波、滤波处理，输出包含载波和频率波的光信号；

将滤波输出的光信号进行分波处理，形成载波信号和多路不同的频率信号；

选择不同的频率信号组合后进行拍频，完成包络检波后输出，实现微波信号的混频处理。

进一步来说，上述的微波信号处理方法，在形成载波信号和多路不同的频率信号后，还包括：

将频率信号择一或分别与载波信号组合进行拍频，完成包络检波后输出，实现微波信号的倍频处理。

进一步来说，微波信号处理方法，通过分光器将单频光载波对应等功率分成两路或三路以上；光载波与待处理的微波信号输入相位调制器中进行相位调制；通过波分复用器进行合波处理；通过解波分复用器将滤波输出的光信号进行分波处理，形成载波信号和多路不同的频率信号；通过光电探测器和滤波器进行拍频并完成包络检波。

本发明要解决的另一个问题是提出一种倍频混频器，采用上述方法对微波信号进行倍频、混频处理，包括：

供电端口，用于外接电源；

光输入端口，用于输入单频光载波；

多个微波信号输入端，用于输入待处理的微波信号；

相应数量的倍频输出端，用于输出倍频信号；

相应数量的混频输出端，用于输出混频信号；

分光器，用于将输入的同一激光源发出的单频光载波等功率分成三路以上；

相应数量的相位调制器，每个相位调制器分别与分光器的一个输出端及一个微波信号输入端对应连接，用于将光载波经待处理的微波信号进行相位调制，从而将微波信号转变为光信号，并实现电域到光域上的调制；

波分复用器，与相位调制器以及分光器中未连接相位调制器的输出端相连，用于将经微波信号调制的光载波与其余未作调制处理的光载波进行合波、滤波处理，输出包含载波和频率波的光信号；

解波分复用器，连接波分复用器，用于将滤波输出的光信号进行分波处理，形成载波信号和多路不同的频率信号并输出；

相应数量的光电探测器以及与光电探测器一一对应连接的窄带滤波器，部分光电探测器的输入端连接解波分复用器的一个载波信号输出通道和一个频率信号输出通道，剩余光电探测器的输入端连接解波分复用器的两个频率信号输出通道，所述窄带滤波器的输出端连接倍频输出端或混频输出端；

籍由相应的光电探测器和窄带滤波器将频率信号择一或分别与载波信号组合进行拍频，完成包络检波后实现微波信号的倍频处理，再经相应的倍频输出端输出；

籍由相应的光电探测器和窄带滤波器将不同频率信号组合后进行拍频，完成包络检波后实现微波信号的混频处理，再经相应的混频输出端输出。

进一步来说，所述解分波复用器将光信号中不同频率成分光波分离并分配到相应的信号通道，所述信号通道包括用于传输一次频率差频信号的第一通道、用于传输一次频率和频信号的第二通道及第三通道、用于传输二次频率和频信号的第四通道及第五通道以及用于传输载波信号的载波通道。

本发明还提出了一种微波信号处理系统，采用上述方法对微波信号进行倍频、混频处理，包括：

激光器，用于提供单频光载波；

分光器，连接激光器，用于将输入的单频光载波等功率分成三路以上；

相应数量的相位调制器，每个相位调制器分别与分光器的一个输出端及一个微波信号输入端对应连接，用于将光载波经待处理的微波信号进行相位调制，从而将微波信号转变为光信号，并实现电域到光域上的调制；

波分复用器，与相位调制器以及分光器中未连接相位调制器的输出端相连，用于将经微波信号调制的光载波与其余未作调制处理的光载波进行合波、滤波处理，输出包含载波和频率波的光信号；

解波分复用器，连接波分复用器，用于将滤波输出的光信号进行分波处理，形成载波信号和多路不同的频率信号并输出；

相应数量的光电探测器以及与光电探测器一一对应连接的窄带滤波器，部分光电探测器的输入端连接解波分复用器的一个载波信号输出通道和一个频率信号输出通道，剩余光电探测器的输入端连接解波分复用器的两个频率信号输出通道，所述窄带滤波器的输出端连接倍频输出端或混频输出端；

籍由相应的光电探测器和窄带滤波器将频率信号择一或分别与载波信号组合进行拍频，完成包络检波后实现微波信号的倍频处理，在经相应的倍频输出端输出；

籍由相应的光电探测器和窄带滤波器将不同频率信号组合后进行拍频，完成包络检波后实现微波信号的混频处理，再经相应的混频输出端输出。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明将“倍频”与“混频”过程均在光域完成，突破了当前倍频与混频器件的电子瓶颈。本发明所提供的倍频混频器兼具混频与倍频效果，且具有抗电磁干扰等优势，具有较好的实用前景。

附图说明

图1为微波信号处理的流程图；

图2为本实施例的端口框架图；

图3为本实施例中相位调制展开至二阶的频谱图；

图4为微波信号处理的原理示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员更好地理解本发明相对于现有技术的改进之处，下面结合附图对本发明作更进一步的说明，应当理解的是，下面提及的具体实施方式仅用于对本发明进行说明，而非对本发明的具体限制。

本发明涉及的微波信号处理方法包括倍频和混频两种情况，倍频和混频处理过程见图1所示，其均包括相位调制、合波与滤波、分波与路由、组合与检波四个部分。倍频处理的具体过程如下：将由同一激光源发出的单频光载波等功率分成两路以上，至少将一路光载波经带处理的微波信号进行相位调制，由此将微波信号转变为光信号，并实现电域到光域上的调制；将经微波信号调制的光载波与其余未作调制处理的光载波进行合波、滤波处理，输出包含载波和频率波的光信号；将滤波输出的光信号进行分波处理，形成载波信号和多路不同的频率信号；将频率信号择一或分别与载波信号组合进行拍频，完成包络检波后输出，实现微波信号的倍频处理。混频处理的具体过程为：将由同一激光源发出的单频光载波等功率分成三路以上，至少将两路光载波景不同频率的待处理微波信号一一对应进行相位调制，从而将微波信号转变为光信号，实现电域到光域上的调制；将经微波信号调制的光载波与其余未作调制处理的光载波进行合波、滤波处理，输出包含载波和频率波的光信号；将滤波输出的光信号进行分波处理，形成载波信号和多路不同的频率信号；选择不同的频率信号组合后进行拍频，完成包络检波后输出，实现微波信号的混频处理。

下面对实施上述倍频与混频过程的倍频混频器的具体结构及原理分别进行详细说明。

图2示出了倍频混频器的外部结构，如图2所示，倍频混频器包括供电端口、光输入端口(光输入端口在图中未示出，需要指出的是，若在倍频混频器内设置激光源，则无需该光输入端口)、多个微波信号输入端(对应于图中的输入端口1和输入端口2)、倍频输出端(对应于图中的输出端口3和输出端口4)、混频输出端(对应于图中的输出端口1和输出端口2)。其中，供电端口用于外接电源，光输入端口用于输入单频光载波，倍频输出端用于输出倍频信号，混频输出端用于输出混频信号。图4示出了倍频混频器的内部结构和工作原理，如图4所示，在倍频混频器内设置有分光器、相位调制器、波分复用器、解波分复用器、光电探测器和窄带滤波器。其中，分光器用于将输入的同一激光源发出的单频光载波等功率分成三路以上，每个相位调制器分别与分光器的一个输出端及一个微波信号输入端对应连接，用于将光载波经待处理的微波信号进行相位调制，从而将微波信号转变为光信号，并实现电域到光域上的调制。波分复用器则与相位调制器以及分光器中未连接相位调制器的输出端相连，用于将经微波信号调制的光载波与其余未作调制处理的光载波进行合波、滤波处理，输出包含载波和频率波的光信号。解波分复用器连接波分复用器，用于将滤波输出的光信号进行分波处理，形成载波信号和多路不同的频率信号并输出。窄带滤波器与光电探测器一一对应连接，部分光电探测器的输入端连接解波分复用器的一个载波信号输出通道和一个频率信号输出通道，另一部分的光电探测器输入端则连接解波分复用器的两个频率信号输出通道，而窄带滤波器的输出端则对应连接倍频输出端或混频输出端。倍频处理时，籍由相应的光电探测器和窄带滤波器将频率信号择一或分别与载波信号组合进行拍频，完成包络检波后实现微波信号的倍频处理，再经相应的倍频输出端输出。混频处理时，籍由相应的光电探测器和窄带滤波器将不同频率信号组合后进行拍频，完成包络检波后实现微波信号的混频处理，再经相应的混频输出端输出。下面结合图1并以图4为例对倍频混频器工作过程中各步骤的详细工作原理作进一步说明。

一、相位调制

激光器发射单频光载波，通过分波器实现1：3功率分配，其中两路通过光电调制器，被输入的微波信号进行相位调制。具体而言：设激光器提供的光载波为

其中E₀为光载波幅值，ω₀为光载波频率；设输入的微波信号S＝A cosωt，输入信号1与2可分别表示为S₁＝A₁ cosω₁t与S₂＝A₂ cosω₂t，其中A为信号幅值，ω为信号频率。光功率通过分光器后可表示为

与

忽略分光器的插入损耗，则α²+α²+β²＝1。

进一步，分光后光载波通过电光相位调制器以后可表示为

其中V_π为相位调制器的半波电压，其大小由入射光波长与电光晶体的本身的性质决定，可表示为

其中λ为输入光波长，n₀为电光晶体折射率，γ₃₃为电光系数，L为电光晶体长度，d为电极间距。令

则通过调制后的光信号可表示为

进一步，将

进行Jacobi-Anger展开，得:

于是，通过调相后的两列光波可分别表示为

与

剩余未调制的光载波为

二、合波与滤波

S_out,1、S_out,2与S_out,3通过波分复用器进行合波后再滤波输出，具体而言，滤波的作用在于选取输入微波信号的一次频率与二次频率成分。具体而言，可将上述式(1)简化至二次频率成分可得：

从上式不难看出，该信号成分由直流项、两个一次项与两个二次项组成，其频谱如图3所示。其中，两个一次项频谱成分相位相差π，两个二次项频谱成分相位一致。经过合波与滤波的后，波分复用器输出后的光波由载波、一次频率波、二次频率波三种成分构成，并通过光波导传送至解波分复用器中。

三、分波与路由

解波分复用器的主要作用包括分波与路由两种功能，即通过滤波器组将不同频率成分光波分离并分配到指定的信道，实现路由功能。从上至下可分为六个通道，最上层通道为一次频率差频通道，用于通信频率为ω₀-ω₁的一次频率信号；第二、三两个通道为一次频率和频通道，用于通信频率为ω₀+ω₁与ω₀+ω₂的一次频率信号；第四、五通道为二次频率和频通道，用于通信频率为ω₀+2ω₁与ω₀+2ω₂的二次频率信号；最底层通道为载波信号通道，用于传输频率为ω₀的载波信号。为简化处理，不考虑各信道信号的幅值与初相位，六个信道的信号由上至下可分别表示为

以及

四、组合与检波

从解波分复用器中输出的信号通过路由被分配至指定信道，各信道信号通过组合后被传送至光电探测器进行“包络检波”，通过光信号“拍频”后通过窄带滤波器最终实现微波信号输出，完成倍频与混频功能。四个输出端口从左至右分别为“差频输出端口”(端口1)、“和频输出端口”(端口2)、“倍频输出端口”(端口3、4)。

其中，端口1为“差频输出端口”，实现两输入信号的混频功能，完成两者的差频效果。如图4所示，该输出端口的输入端选择的是第二、三两信号的光信号进行拍频，即

与

进入探测器拍频，完成包络检波，探测器输出信号为：

S’_output1∝|S_m2+S_m3|²＝(S_m2+S_m3)×(S_m2+S_m3)^*＝2+2cos(ω₁-ω₂)t；

通过窄带滤波器得到差频分量，最终输出信号为：

S_output1∝cos(ω₁-ω₂)t。

端口2为“和频输出端口”，实现两输入端口的混频功能，完成两者的和频效果。如图4所示，该输出端口的输入端选择的是第一、三两信号的光信号进行拍频，即

与

进入探测器拍频，完成包络检波，探测器输出信号为：

S’_output2∝|S_m1+S_m3|²＝(S_m1+S_m3)×(S_m1+S_m3)^*＝2+2cos(ω₁+ω₂)t；

通过窄带滤波器得到差频分量，最终输出信号为

S_output2∝cos(ω₁+ω₂)t。

端口3为“倍频输出端口1”，实现通信频率为ω₁的微波信号的倍频功能。如图4所示，该输出端口的输入端选择的是第四、六两信号的光信号进行拍频，即

与

进入探测器拍频，完成包络检波，探测器输出信号为：

S’_output3∝|S_m4+S_m6|²＝(S_m4+S_m6)×(S_m4+S_m6)^*＝2+2cos2ω₁t；

通过窄带滤波器得到差频分量，最终输出信号为：

S_output3∝cos2ω₁t：

同理，端口4为“倍频输出端口2”，实现通信频率为ω₂的微波信号的倍频功能，其最终输出信号为：

S_output4∝cos2ω₂t。

由上述可知，通过上述设计方案，同时实现了混频与倍频的信号处理过程，该新型微波混/倍频器兼具混频与倍频的效果。需要说明的是，在进行信号处理的过程中，分量的选择具有多样性，上文仅为其中的一种。

在上述倍频混频器中，待处理微波信号的倍频与混频过程均在光域完成，其突破了当前倍频与混频器件的电子瓶颈且具有抗电磁干扰等优势，具有较好的实用前景。

为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其它元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。

Claims (7)

1.微波信号处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

将由同一激光源发出的单频光载波等功率分成两路以上，至少将一路光载波经带处理的微波信号进行相位调制，由此将微波信号转变为光信号，并实现电域到光域上的调制；

将经微波信号调制的光载波与其余未作调制处理的光载波进行合波、滤波处理，输出包含载波和频率波的光信号；

将滤波输出的光信号进行分波处理，形成载波信号和多路不同的频率信号；

将频率信号择一或分别与载波信号组合进行拍频，完成包络检波后输出，实现微波信号的倍频处理。

2.微波信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

将由同一激光源发出的单频光载波等功率分成三路以上，至少将两路光载波景不同频率的待处理微波信号一一对应进行相位调制，从而将微波信号转变为光信号，实现电域到光域上的调制；

将经微波信号调制的光载波与其余未作调制处理的光载波进行合波、滤波处理，输出包含载波和频率波的光信号；

将滤波输出的光信号进行分波处理，形成载波信号和多路不同的频率信号；

选择不同的频率信号组合后进行拍频，完成包络检波后输出，实现微波信号的混频处理。

3.根据权利要求2所述的微波信号处理方法，其特征在于，在形成载波信号和多路不同的频率信号后，还包括：

将频率信号择一或分别与载波信号组合进行拍频，完成包络检波后输出，实现微波信号的倍频处理。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的微波信号处理方法，其特征在于：

通过分光器将单频光载波对应等功率分成两路或三路以上；

光载波与待处理的微波信号输入相位调制器中进行相位调制；

通过波分复用器进行合波处理；

通过解波分复用器将滤波输出的光信号进行分波处理，形成载波信号和多路不同的频率信号；

通过光电探测器和滤波器进行拍频并完成包络检波。

5.倍频混频器，其特征在于：采用权利要求3所述方法对微波信号进行倍频、混频处理，包括：

供电端口，用于外接电源；

光输入端口，用于输入单频光载波；

多个微波信号输入端，用于输入待处理的微波信号；

相应数量的倍频输出端，用于输出倍频信号；

相应数量的混频输出端，用于输出混频信号；

分光器，用于将输入的同一激光源发出的单频光载波等功率分成三路以上；

相应数量的相位调制器，每个相位调制器分别与分光器的一个输出端及一个微波信号输入端对应连接，用于将光载波经待处理的微波信号进行相位调制，从而将微波信号转变为光信号，并实现电域到光域上的调制；

波分复用器，与相位调制器以及分光器中未连接相位调制器的输出端相连，用于将经微波信号调制的光载波与其余未作调制处理的光载波进行合波、滤波处理，输出包含载波和频率波的光信号；

解波分复用器，连接波分复用器，用于将滤波输出的光信号进行分波处理，形成载波信号和多路不同的频率信号并输出；

相应数量的光电探测器以及与光电探测器一一对应连接的窄带滤波器，部分光电探测器的输入端连接解波分复用器的一个载波信号输出通道和一个频率信号输出通道，剩余光电探测器的输入端连接解波分复用器的两个频率信号输出通道，所述窄带滤波器的输出端连接倍频输出端或混频输出端；

籍由相应的光电探测器和窄带滤波器将频率信号择一或分别与载波信号组合进行拍频，完成包络检波后实现微波信号的倍频处理，再经相应的倍频输出端输出；

籍由相应的光电探测器和窄带滤波器将不同频率信号组合后进行拍频，完成包络检波后实现微波信号的混频处理，再经相应的混频输出端输出。

6.根据权利要求5所述的倍频混频器，其特征在于：所述解分波复用器将光信号中不同频率成分光波分离并分配到相应的信号通道，所述信号通道包括用于传输一次频率差频信号的第一通道、用于传输一次频率和频信号的第二通道及第三通道、用于传输二次频率和频信号的第四通道及第五通道以及用于传输载波信号的载波通道。

7.微波信号处理系统，其特征在于，采用权利要求3所述方法对微波信号进行倍频、混频处理，包括：

激光器，用于提供单频光载波；

分光器，连接激光器，用于将输入的单频光载波等功率分成三路以上；

相应数量的相位调制器，每个相位调制器分别与分光器的一个输出端及一个微波信号输入端对应连接，用于将光载波经待处理的微波信号进行相位调制，从而将微波信号转变为光信号，并实现电域到光域上的调制；

波分复用器，与相位调制器以及分光器中未连接相位调制器的输出端相连，用于将经微波信号调制的光载波与其余未作调制处理的光载波进行合波、滤波处理，输出包含载波和频率波的光信号；

解波分复用器，连接波分复用器，用于将滤波输出的光信号进行分波处理，形成载波信号和多路不同的频率信号并输出；

相应数量的光电探测器以及与光电探测器一一对应连接的窄带滤波器，部分光电探测器的输入端连接解波分复用器的一个载波信号输出通道和一个频率信号输出通道，剩余光电探测器的输入端连接解波分复用器的两个频率信号输出通道，所述窄带滤波器的输出端连接倍频输出端或混频输出端；

籍由相应的光电探测器和窄带滤波器将频率信号择一或分别与载波信号组合进行拍频，完成包络检波后实现微波信号的倍频处理，在经相应的倍频输出端输出；

籍由相应的光电探测器和窄带滤波器将不同频率信号组合后进行拍频，完成包络检波后实现微波信号的混频处理，再经相应的混频输出端输出。

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