CN113419229B - 一种相位可调的微波光子变频系统及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种相位可调的微波光子变频系统及其实现方法。本发明利用电光级联调制结构产生超短光脉冲序列，再利用双偏振双平行马赫曾德尔电光调制器实现中频信号调制，最后通过光电探测器和电域滤波选频，获得目标变频信号。本发明能够实现对变频信号的宽范围、连续相位调节，且通过合理调节本振源和中频信号源频率，可以实现宽带的频率变换，具有变频带宽大、频率可调谐、相位调谐范围宽、系统结构简单等优点。

Description

一种相位可调的微波光子变频系统及其实现方法
技术领域
本发明涉及光电技术领域和现代雷达领域，具体涉及一种能够同时实现可调谐相移和可调谐频率的微波光子变频系统及其实现方法。
背景技术
相控阵天线能够实现多目标跟踪、超快扫描和多波束形成等功能，在气象学、无线通信和雷达通信中具有重要应用。其中移相器是关键器件，它为天线元件收发的微波信号引入相移从而实现波束扫描。传统的电移相器受限于电子瓶颈，存在工作带宽和相移范围有限，以及调谐速度较低等问题。而微波光子移相器可以有效地解决上述问题。与电移相器相比，微波光子移相器具有带宽大、插入损耗低、抗电磁干扰和调谐范围大等优点。因此，微波光子移相器在宽带无线通信、模拟信号处理、电子战、现代雷达系统和相控阵天线等诸多领域具有潜在优势。
在相控阵雷达发射/接收系统中，频率转换也是实现相位阵列波束指向的一个重要技术手段。传统的电子变频技术在产生高频信号时存在带宽有限、稳定性差、易受电磁干扰等问题。而微波光子变频器具有低损耗、大带宽和抗电磁干扰等优点，并且能够有效提高相控阵波束形成系统的灵活性。
近年来，微波光子移相器和微波光子变频器的实现方案不断涌现。目前，大部分的微波光子移相器是通过调节电光调制器的直流驱动电压实现微波信号的移相。例如，调节相位调制器的驱动电压、调节电光强度调制器或偏振调制器的直流偏置电压都可以实现微波移相功能(X.Wang,etal."Ultra-wide bandwidthphotonicmicrowavephaseshifterwithamplitudecontrolfunction."OpticsExpress,25(3),2017:2883-2894.)。而最常见的微波光子变频方法是基于电光外调制和光滤波的方案(Y.S.Gao,etal."WidebandphotonicmicrowaveSSB up-converterandI/Qmodulator."JournalofLightwaveTechnology,35(18),2017.)。
现有技术下，同时具备宽范围可调谐相移和宽带频率转换功能的系统实现方法，是相控阵雷达设备获得高速三维侦查能力的技术保障，且有利于相控阵雷达设备小型化。然而，从目前的研究进展来看，鲜有能够同时实现宽范围可调相移和宽带变频的方案。而且现有方法需要通过光学滤波器滤除光载波和一个射频边带，即增加了系统复杂性和成本，又对激光器的输出波长稳定性提出了很高的要求，且可调谐性差。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种相位可调的微波光子变频系统及其实现方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种相位可调的微波光子变频系统，其特征在于：包括直流激光器、电光级联调制结构、双偏振双平行马赫曾德尔电光调制器、90°电桥、本地振荡源、中频信号源和第二功分器；所述直流激光器的输出端与所述电光级联调制结构的输入端连接，所述电光级联调制结构的输出端与所述双偏振双平行马赫曾德尔电光调制器的输入端连接；
所述直流激光器输出频率为f0的光载波；而电光级联调制结构用于获得重复频率为fLO的线性啁啾光脉冲序列；
所述双偏振双平行马赫曾德尔电光调制器包括主双平行马赫曾德尔调制器、次双平行马赫曾德尔调制器、90°偏振旋转器和偏振合束器PBC；所述主双平行马赫曾德尔调制器和次双平行马赫曾德尔调制器进行并联；
所述主双平行马赫曾德尔调制器包括子调制器MZM1和子调制器MZM2，所述90°电桥的输出端与子调制器MZM1的输入端连接；
所述次双平行马赫曾德尔调制器包括子调制器MZM3和子调制器MZM4，所述90°电桥的输出端与子调制器MZM3的输入端连接；
所述中频信号源的输出端分别与所述90°电桥的输入端连接；
所述次双平行马赫曾德尔调制器的输出端与所述90°偏振旋转器的输入端连接；
所述90°偏振旋转器的输出端与所述偏振合束器PBC的输入端连接；
所述主双平行马赫曾德尔调制器的输出端与所述偏振合束器PBC的输入端连接。
作为优选的，所述的电光级联调制结构包括第一功分器、相位调制器和强度调制器；所述相位调制器与强度调制器串联；所述本地振荡源的输出端分别与相位调制器和强度调制器的输入端连接。
进一步的，所述电光级联调制结构和所述双偏振双平行马赫曾德尔电光调制器之间设有用于补偿光脉冲的色散介质，将电光级联调制结构输出的线性啁啾光脉冲序列输入色散介质即可获得较为稳定的重复频率可调的超短光脉冲序列。
进一步的，还包括光电探测器，所述光电探测器的输入端与所述双偏振双平行马赫曾德尔电光调制器的输出端连接，所述双偏振双平行马赫曾德尔电光调制器通过所述光电探测器实现光电信号的交互。
进一步的，还包括带通滤波器，所述带通滤波器的输入端与所述光电探测器的输出端连接。
进一步的，所述本地振荡源的频率为fLO，所述中频信号源的频率为fIF。
进一步的，一种相位可调的微波光子变频系统的实现方法如下：
S1：所述直流激光器输出直流光载波；
S2：所述直流光载波经过所述电光级联调制结构和色散介质产生重复频率可调的超短光脉冲序列；
S3：步骤S2中超短光脉冲序列输入双偏振双平行马赫曾德尔电光调制器，所述双偏振双平行马赫曾德尔电光调制器对所述超短光脉冲序列进行中频信号调制并输出光载微波信号；
S4：步骤S3中所述光载微波信号由光电探测器拍频获得一系列微波变频信号，再利用带通滤波器对目标变频信号进行滤波选取。
进一步的，将频率为fLO的本振信号通过第一功分器分为两个支路，一路用于驱动相位调制器，另一支路用于驱动强度调制器；所述直流光载波通过由本振信号驱动的电光级联调制结构，产生重复频率为fLO的线性啁啾光脉冲序列；所述线性啁啾光脉冲序列输入色散介质，获得重复频率为fLO的超短光脉冲。
进一步的，所述步骤S2的具体实现方法如下：所述中频信号经过第二功分器形成两条支路，所述支路一路通过90°电桥的0°端口驱动主双平行马赫曾德尔调制器的子调制器MZM1，另一路通过90°电桥的90°端口驱动次双平行马赫曾德尔调制器的子调制器MZM3；所述主双平行马赫曾德尔调制器和次双平行马赫曾德尔调制器通过90°偏振旋转器后的输出光场通过偏振合束器PBC合路。
进一步的，通过调节所述双偏振双平行马赫曾德尔的主双平行马赫曾德尔调制器和次双平行马赫曾德尔调制器的直流偏置电压，可以对变频信号实现连续、宽范围的相位调节；联合调谐本振信号和中频信号频率，并对应改变电带通滤波器中心频率，可以实现变频信号的频率调谐。
本发明的有益效果为：
(1)：本发明通过合理设置双偏振双平行马赫曾德尔电光调制器中四个子MZM的直流偏置电压，并同步调节主双平行马赫曾德尔调制器和次马赫曾德尔调制器中MZM直流偏置电压，可以实现变频信号的宽范围连续调相。因此，本发明以简单的系统结构同时实现了宽带微波光子变频功能，以及微波信号相位的宽范围连续可调谐功能，兼具微波频率和相位的可重构特性，有利于系统的功能集成及小型化。
(2)本发明利用电光级联调制结构和啁啾脉冲色散补偿技术获得了宽带光频梳，再由双偏振双平行马赫曾德尔电光调制器将中频信号加载在光频梳上，通过光电探测器光电转换后使光频梳和中频调制信号边带相互拍频可以产生一系列的变频信号；并通过合理选择本振信号和中频信号频率，可以实现频率连续可调的微波光子变频功能。
(3)本发明同时具备宽范围可调谐相移和宽带频率转换功能的系统实现方法，是相控阵雷达设备获得高速三维侦查能力的技术保障，且有利于相控阵雷达设备小型化。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图；
图2是本发明的双偏振双平行马赫曾德尔电光调制器结构示意图；
图3是本发明的电光级联调制结构示意图；
图4是实施例色散介质的输出时域波形图；
图5是实施例色散介质的输出光谱图；
图6是实施例双偏振双平行马赫曾德尔电光调制器的输出光谱图；
图7是实施例光电探测器的输出频谱图；
图8是实施例带通滤波器的输出频谱图；
图9a-9i是实施例31GHz微波变频信号的时域波形图，相移分别为9a0°、9b45°、9c90°、9d135°、9e180°、9f225°、9g270°、9h315°、9i360°。
图中：1-直流激光器、2-本地振荡源、3-电光级联调制结构、4-色散介质、5-中频信号源、6-第二功分器、7-90°电桥、8-双偏振双平行马赫曾德尔电光调制器、9-光电探测器、10-带通滤波器、11-主双平行马赫曾德尔调制器、12-次双平行马赫曾德尔调制器、13-90°偏振旋转器、14-偏振合束器PBC。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的具体实施方式如下。
【实施例1】
本实施例提供一种相位可调的微波光子变频系统，包括直流激光器1、电光级联调制结构3、双偏振双平行马赫曾德尔电光调制器8、90°电桥7、本地振荡源2、中频信号源5和第二功分器6；直流激光器1的输出端与电光级联调制结构3的输入端连接，电光级联调制结构3的输出端与双偏振双平行马赫曾德尔电光调制器8的输入端连接；
直流激光器1输出频率为f0的光载波；而电光级联调制结构3用于获得重复频率为fLO的线性啁啾光脉冲序列；
双偏振双平行马赫曾德尔电光调制器8包括主双平行马赫曾德尔调制器11、次双平行马赫曾德尔调制器12、90°偏振旋转器13和偏振合束器PBC14；主双平行马赫曾德尔调制器11和次双平行马赫曾德尔调制器12进行并联；
主双平行马赫曾德尔调制器11包括子调制器MZM1和子调制器MZM2，对应三个直流偏置电压Vb1、Vb2、Vb3，90°电桥7的输出端与子调制器MZM1的输入端连接；
次双平行马赫曾德尔调制器12包括子调制器MZM3和子调制器MZM4，对应三个直流偏置电压Vb4、Vb5、Vb6，90°电桥7的输出端与子调制器MZM3的输入端连接；
进一步的，设置主双平行马赫曾德尔调制器11的子调制器MZM1工作在最小点，子调制器MZM2工作在最大点；次双平行马赫曾德尔调制器12的子调制器MZM3工作在最小点，子调制器MZM4工作在最大点。主双平行马赫曾德尔调制器11的直流偏置电压为Vb3，次双平行马赫曾德尔的直流偏置电压为Vb6，则设置Vb6＝Vb3+VΠ-DPDPMZM/2，其中VΠ-DPDPMZM为主双平行马赫曾德尔调制器11和次双平行马赫曾德尔调制器12的半波电压。这样，通过同步调节Vb3、Vb6，即可实现对变频信号的连续、宽范围的相位调谐。
中频信号源5的输出端分别与90°电桥7的输入端连接；
次双平行马赫曾德尔调制器12的输出端与90°偏振旋转器13的输入端连接；
所述90°偏振旋转器13的输出端与所述偏振合束器PBC14的输入端连接；
所述主双平行马赫曾德尔调制器11与所述偏振合束器PBC14的输入端连接。
作为优选的，电光级联调制结构3包括第一功分器、相位调制器和强度调制器；相位调制器与强度调制器串联；本地振荡源2的输出端分别与相位调制器和强度调制器的输入端连接。
进一步的，电光级联调制结构3和双偏振双平行马赫曾德尔电光调制器8之间设有用于补偿光脉冲的色散介质4，将电光级联调制结构3输出的线性啁啾光脉冲序列输入色散介质4即可获得较为稳定的重复频率可调的超短光脉冲序列。
进一步的，还包括光电探测器9，光电探测器9的输入端与双偏振双平行马赫曾德尔电光调制器8的输出端连接，双偏振双平行马赫曾德尔电光调制器8通过光电探测器9实现光电信号的交互。
进一步的，还包括带通滤波器10，带通滤波器10的输入端与光电探测器9的输出端连接。
进一步的，本地振荡源的频率为fLO，中频信号源5的频率为fIF。
【实施例2】
本实施例中设定直流激光器1为中心波长为1550nm的分布式反馈激光器，本地振荡源2输出频率为7GHz/8GHz/9GHz的本振信号，本实施例以8GHz为例，本地振荡源的输出频率为8GHz，相位调制器驱动信号设置为VPM＝3VΠ-PM，VΠ-PM为相位调制器的半波电压。强度调制器可以采用各种类型的电光强度调制器，例如工作在线性偏置点的推挽式马赫曾德尔调制器，或者双平行马赫曾德尔调制器，并令两个子调制器分别工作在最小点和最大点。
本实施例采用推挽式马赫曾德尔调制器，设置MZM的驱动电压为VΠ-MZM/2,其中VΠ-MZM为调制器的半波电压。直流激光器1输出的频率为f0的光载波经过电光级联调制结构3输出线性啁啾光脉冲序列。接着，线性啁啾光脉冲序列经过匹配的色散介质4进行脉冲时域压缩，色散介质4采用群速度色散参量为-23ps2/km，长度为2305m的单模光纤；其中，单模光纤的长度需要随着本振信号功率变化。图4和图5为色散介质4输出的时域波形和光谱，通过色散介质4获得重复频率为8GHz的超短光脉冲序列。
接着，超短光脉冲序列通过双偏振双平行马赫曾德尔电子调制器对待处理的中频信号5进行光采样，中频信号5的频率为0～3GHz，本实施例以1GHz为例，其输出光谱如图6所示。如图7所示的输出信号频谱为通过光电探测器9拍频获得的微波变频信号；其中，通过恰当的调节本振信号2和中频信号5的频率，可以实现宽带的微波信号变频。
从图7中可以看出，光频梳和中频调制信号边带相互拍频，产生3dB带宽为41GHz的微波变频信号。再利用中心频率为31GHz的带通滤波器10进行变频信号选取，获得31GHz相位连续可调的变频信号，输出信号频谱如图8所示。其中，通过恰当的调节本振信号频率(可选7GHz/8GHz/9GHz)和中频信号5频率(0～3GHz范围内连续调节)，可以实现0～43GHz的连续变频。图9a-9i为同步调节Vb3、Vb6获得的31GHz信号时域波形图，其中调节步长为45°。可以看出，通过对双偏振双平行马赫曾德尔电光调制器8偏置电压的调控，可以实现变频信号的连续、宽范围调相。
本发明并不限于上述实施方式，还可以做出若干等同变形和替换，本地振荡源的输出频率不限于7GHz/8GHz/9GHz，中频信号源的输出频率不限于0～3GHz，强度调制器不限于马赫曾德尔调制器(若采用双偏振双平行马赫曾德尔电光调制器可以提高变频范围)，色散介质不限于单模光纤。在本发明的原理方法范围内的多种简化、变型均属于本发明的保护内容。
本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种相位可调的微波光子变频系统，其特征在于：包括直流激光器(1)、电光级联调制结构(3)、双偏振双平行马赫曾德尔电光调制器(8)、90°电桥(7)、本地振荡源(2)、中频信号源(5)和第二功分器(6)；所述直流激光器(1)的输出端与所述电光级联调制结构(3)的输入端连接，所述电光级联调制结构(3)的输出端与所述双偏振双平行马赫曾德尔电光调制器(8)的输入端连接；
所述直流激光器(1)用于输出频率为f0的光载波；
所述电光级联调制结构(3)用于获得重复频率为fLO的线性啁啾光脉冲序列，电光级联调制结构(3)包括第一功分器、相位调制器和强度调制器；所述相位调制器与强度调制器串联；
所述本地振荡源(2)的输出端分别与相位调制器和强度调制器的输入端连接；
所述电光级联调制结构(3)和所述双偏振双平行马赫曾德尔电光调制器(8)之间设有用于补偿光脉冲的色散介质(4)；
所述双偏振双平行马赫曾德尔电光调制器(8)包括主双平行马赫曾德尔调制器(11)、次双平行马赫曾德尔调制器(12)、90°偏振旋转器(13)和偏振合束器PBC(14)；所述主双平行马赫曾德尔调制器(11)和次双平行马赫曾德尔调制器(12)进行并联；
所述中频信号源(5)的输出端与所述90°电桥(7)的输入端连接；
所述主双平行马赫曾德尔调制器(11)包括子调制器MZM1和子调制器MZM2，所述90°电桥(7)的输出端与子调制器MZM1的输入端连接；
所述次双平行马赫曾德尔调制器(12)包括子调制器MZM3和子调制器MZM4，所述90°电桥(7)的输出端与子调制器MZM3的输入端连接；
所述次双平行马赫曾德尔调制器(12)的输出端与所述90°偏振旋转器(13)的输入端连接；
所述90°偏振旋转器(13)的输出端与所述偏振合束器PBC(14)的输入端连接；
所述主双平行马赫曾德尔调制器(11)的输出端与所述偏振合束器PBC(14)的输入端连接；
还包括光电探测器(9)和带通滤波器(10)，所述光电探测器(9)的输入端与所述双偏振双平行马赫曾德尔电光调制器(8)的输出端连接，所述双偏振双平行马赫曾德尔电光调制器(8)通过所述光电探测器(9)实现光电信号的交互，所述带通滤波器(10)的输入端与所述光电探测器(9)的输出端连接；
所述本地振荡源(2)的频率为fLO，所述中频信号源(5)的频率为fIF。
2.一种基于权利要求1所述相位可调的微波光子变频系统的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：所述直流激光器(1)输出直流光载波；
S2：所述直流光载波经过所述电光级联调制结构(3)和色散介质(4)产生重复频率可调的超短光脉冲序列；
S3：步骤S2中超短光脉冲序列输入双偏振双平行马赫曾德尔电光调制器(8)，所述双偏振双平行马赫曾德尔电光调制器(8)对所述超短光脉冲序列进行信号调制并输出光载微波信号；
S4：步骤S3中所述光载微波信号由光电探测器(9)拍频获得微波变频信号，再利用带通滤波器(10)对目标变频信号进行滤波选取。
3.根据权利要求2所述的相位可调的微波光子变频系统的实现方法，其特征在于：所述步骤S2的具体实现方法如下：
将频率为fLO的本振信号通过第一功分器分为两个支路，一路用于驱动相位调制器，另一支路用于驱动强度调制器；所述直流光载波通过由本振信号驱动的电光级联调制结构(3)，产生重复频率为fLO的线性啁啾光脉冲序列；所述线性啁啾光脉冲序列输入色散介质(4)，获得重复频率为fLO的超短光脉冲。
4.根据权利要求3所述的相位可调的微波光子变频系统的实现方法，其特征在于：所述步骤S3的具体实现方法如下：所述中频信号源(5)经过第二功分器(6)形成两条支路，一条支路通过90°电桥(7)的0°端口驱动主双平行马赫曾德尔调制器(11)的子调制器MZM1，另一条支路通过90°电桥(7)的90°端口驱动次双平行马赫曾德尔调制器(12)的子调制器MZM3；所述主双平行马赫曾德尔调制器(11)的输出光场和次双平行马赫曾德尔调制器(12)通过90°偏振旋转器(13)后的输出光场，通过偏振合束器PBC(14)合路完成光载微波信号的输出。
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