CN113422648A - 基于双光梳的微波光子频控阵信号产生装置及输出方法 - Google Patents

基于双光梳的微波光子频控阵信号产生装置及输出方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于双光梳的微波光子频控阵信号产生装置及输出方法，通过光学方法构造两个光谐波边带，两个光边带采用固定重频差的两套光梳，利用梳齿频差的递增效应，通过调整两个光梳的重复频率差、梳线个数，产生通道数可控、频偏可控的多通道频控阵信号。通过全光方法实现，因此具有大带宽、频率调谐、通道电磁兼容好、信号透明等特性。本发明利用微波光子技术大带宽、低频率相关损耗、抗电磁干扰等优势，可解决传统基于DDS、锁相环、模拟倍频和变频的频控阵信号产生方法存在的带宽受限、调谐性差、电磁干扰等瓶颈，预期可显著提高频控阵信号的带宽、波束调谐能力和抗电磁干扰能力的提升。

Description

基于双光梳的微波光子频控阵信号产生装置及输出方法
技术领域
本发明涉及微波光子技术领域，尤其是微波光子频控阵信号产生装置及方法。
背景技术
频控阵相邻阵元有一定的频偏，波束强度是方向(包括方位角和俯仰角)和距离的函数。频控阵通过动态控制频偏，在距离维度上提供了更加灵活的波束扫描能力，因此在提升探测分辨率、抗欺骗式主瓣干扰、抗多径干扰、射频隐身等应用场景中展现出极大的应用潜力。
目前频控阵系统中的多通道射频信号产生一般通过直接数字频率合成(DirectDigital Frequency Synthesis，DDS)、锁相环、模拟倍频和变频(移频)等方式实现。该种方式存在带宽瓶颈、调谐性差、电磁干扰等问题，限制了频控阵信号的带宽、波束调谐能力和抗电磁干扰能力的提升。
利用微波光子技术大带宽、低频率相关损耗、抗电磁干扰等优势，构造微波光子频控阵信号产生系统，可预期提高波束带宽、频偏调谐能力和电磁干扰能力。但目前关于微波光子频控阵的研究报道较少，缺乏利用微波光子技术产生频控阵信号的有效装置及方法。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于双光梳的微波光子频控阵信号产生装置及输出方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种双光梳的微波光子频控阵信号产生装置如图1所示，包括激光器、三个调制器(M1、M2、M3)，一个射频源、两个本振源、双通道滤波器、光耦合器、光放大器、多通道滤波器、多个光电探测器(Photodiode，PD)；激光器的输出口连接调制器M1的光信号输入端；调制器M1光信号输出端连接双通道滤波器的公共输入端；双通道滤波器的两个输出端分别连接调制器M2和调制器M3的输入端，调制器M2和调制器M3的输出端分别进入光耦合器的两个输入端，光耦合器的共同输出端连接光放大器的输入端，光放大器的输出端连接多通道滤波器的公共端，多通道滤波器的每个通道输出端分别连接PD，多个PD输出所需要的多通道频控阵信号；射频源连接调制器M1的射频输入口，两个本振源分别连接调制器M2和调制器M3的射频输入口。
本发明还提供一种基于双光梳的微波光子频控阵信号产生装置的输出方法，包括以下步骤：
步骤1：从激光器输出的光载波注入到调制器M1中；
步骤2：频率为f0的射频信号通过接调制器M1调制光载波，调制器M1输出相对频率为mf0和nf0的光谐波边带，其中m、n均为整数且m>n；
步骤3：调制器M1输出的光信号进入双通道滤波器，两个光边带被分离，分别从双通道滤波器的两个通道输出；
步骤4：滤波器第一个通道输出的频率较高的光边带mf0进入调制器M2，被1号本振源调制，产生具有K个梳线、重复频率为f1的光梳，K为整数，每个梳线均为光边带mf0的复制；
步骤5：滤波器第二个通道输出的频率较低的光边带nf0进入调制器M3，被频率为f2的本振信号调制，产生具有K个梳线、重复频率为f2的光梳，每个梳线均为光边带nf0的复制；
步骤6：调制器M2和调制器M3输出的两个光梳在光耦合器结合，经过光放大器进行功率线性补偿；
步骤7：光放大器输出的光信号进入多通道滤波器，多通道滤波器具有至少K个通道，将两路光梳的梳线对称地分离；
步骤8：调制器M2输出的频率为mf0+[k-(K+1)/2]f1的梳线与调制器M3输出的频率为nf0+[k-(K+1)/2]f2的梳线一起输出多通道滤波器的第k个通道，k的取值范围为1,2,…,K；
步骤9：第k个通道光信号进入第k个PD，得到频率为(m-n)f0+[k-(K+1)/2](f1-f2)的射频信号；
步骤10：最终得到的K个射频信号起始频率为(m-n)f0+(1-K)(f1-f2)/2，相邻频偏为(f1-f2)，形成K个阵元通道的线性频偏的频控阵信号。
所述频控阵信号的频偏通过两个光梳的重复频率差(f1-f2)进行调节。
所述频控阵信号的载频与(m-n)f0有关，通过调制器M1的驱动射频信号频率f0及调制器M1产生的谐波阶数m、n进行调节，在产生频控阵信号的同时，将驱动射频信号的频率和带宽提高到(m-n)倍。
所述射频信号为雷达系统的线性调频信号或相位编码信号，或者是通信系统的幅度调制信号、相位调制信号或矢量调制信号。
所述双通道滤波器和多通道滤波器通过任意波导光栅(Arrayed WaveguideGrating，AWG)、光学谐振腔、马增干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer，MZI)、光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)、波分复用器(Wavelength Division Multiplexer，WDM)实现。
本发明光梳的产生方法不局限于调制器方法，还可以采用光学微腔、光孤子方法。
本发明的有益效果在于通过光学方法构造两个光谐波边带，两个光边带采用固定重频差的两套光梳，利用梳齿频差的递增效应，通过调整两个光梳的重复频率差、梳线个数，产生通道数可控、频偏可控的多通道频控阵信号。该装置通过全光方法实现，因此具有大带宽、频率调谐、通道电磁兼容好、信号透明等特性。本发明利用微波光子技术大带宽、低频率相关损耗、抗电磁干扰等优势，可解决传统基于DDS、锁相环、模拟倍频和变频的频控阵信号产生方法存在的带宽受限、调谐性差、电磁干扰等瓶颈，预期可显著提高频控阵信号的带宽、波束调谐能力和抗电磁干扰能力的提升，促进我国频控阵雷达技术的发展。
附图说明
图1为本发明基于双光梳的微波光子频控阵信号产生装置及方法的原理图；
图2为实施例中M1输出的光信号频谱及双通道滤波器的频率响应曲线；
图3为实施例中M2和M3产生的两路光梳频谱；
图4为实施例中最终产生的多通道频控阵信号频谱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。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：
本实例中，装置包括：半导体激光器、三个马赫增德尔调制器(M1、M2、M3)、一个阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating，AWG)、一个可调谐光滤波器、一个PD、三个微波信号源、若干直流电源。半导体激光器的输出口通过保偏光纤与第一个MZM的光输入口相连，M1的光输出口与AWG输入口相连，AWG的两个输出端分别连接M2和M3的输入端口，M2和M3的输出端口分别连接光耦合器的两个输入端口，光耦合器输出端口连接光滤波器的公共输入端，光滤波器的输出端连接PD的光输入端；三个微波信号源的输出端口分别连接三个调制器的射频输入端口；三个调制器的偏置电压通过直流电源调谐。
本实施例中，方法的具体实施步骤是：
步骤一：连接实施例装置，设置半导体激光器产生的连续光载波平均功率为16dBm，频率为193.426THz；三个调制器的半波电压约为3.5V，消光比约为30dB；
步骤二：第一个微波信号源产生频率为8GHz、功率为15dBm的单频信号驱动M1，M1工作在最小点，产生抑制载波双边带信号，此时m＝+1，n＝-1，如图2所示；
步骤三：选择AWG的两个相邻通道作为双通道滤波器，其中第一个通道的3dB通带范围为193.385THz–193.420THz，第二个通道的3dB通带范围为193.435THz–193.470THz，两个通道(AWG1和AWG2)的频率响应曲线如图2所示，M1产生的+1和-1阶边带被AWG的两个通道滤出，分别进入M2和M3；
步骤四：第二个微波信号源产生频率为20.1GHz、功率为23dBm的单频信号驱动M2，产生重复频率为20.1GHz的五线光梳1，如图3中实线所示；
步骤五：第三个微波信号源产生频率为20GHz、功率为23dBm的单频信号驱动M3，产生重复频率为20GHz的五线光梳2，如图3中实线所示；
步骤六：M2和M3产生的两路光梳耦合后进入可调谐光滤波器，设置光滤波器通带范围为193.376THz–193.396THz，将两路光梳的第1对梳线滤出，进入PD光电探测得到频率为15.8GHz的射频信号，即为通道1，如图4所示；
步骤七：同理，调节光滤波器通带范围，依次将两路光梳的第2–5对梳线滤出，分别进入PD光电探测得到通道2(15.9GHz)、通道3(16GHz)、通道4(16.1GHz)、通道5(16.2GHz)的射频信号，如图4所示。
步骤八：通过调节第二个和第三个微波信号源的频率，可改变双光梳的重复频率差，进而改变5个通道射频信号的频偏。
本实施例中，利用AWG实现了双通道光滤波，用可调光滤波器依次构造了5个通道的光滤波，实际应用中还可以采用光学谐振腔、MZI、FBG、WDM等替代装置中的双通道滤波器和多通道滤波器。
本实施例中，利用电光调制器的非线性实现了光梳的产生，实际应用中还可以采用光学微腔、光孤子等方法产生光梳。
总之，以上所述实施方案仅为本发明的实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同变形和替换，射频信号格式(载频、带宽、信号类型)、光载波波长、光谐波产生方式、光梳产生方式、光滤波器的形成方式及通带范围等都可改变。这些等同变形和替换以及参量的调整也应视为本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种基于双光梳的微波光子频控阵信号产生装置，包括激光器、三个调制器，一个射频源、两个本振源、双通道滤波器、光耦合器、光放大器、多通道滤波器、多个光电探测器，其特征在于：
所述基于双光梳的微波光子频控阵信号产生装置中，激光器的输出口连接调制器M1的光信号输入端；调制器M1光信号输出端连接双通道滤波器的公共输入端；双通道滤波器的两个输出端分别连接调制器M2和调制器M3的输入端，调制器M2和调制器M3的输出端分别进入光耦合器的两个输入端，光耦合器的共同输出端连接光放大器的输入端，光放大器的输出端连接多通道滤波器的公共端，多通道滤波器的每个通道输出端分别连接PD，多个PD输出所需要的多通道频控阵信号；射频源连接调制器M1的射频输入口，两个本振源分别连接调制器M2和调制器M3的射频输入口。
2.一种利用权利要求1所述基于双光梳的微波光子频控阵信号产生装置的输出方法，其特征在于：
步骤1：从激光器输出的光载波注入到调制器M1中；
步骤2：频率为f0的射频信号通过接调制器M1调制光载波，调制器M1输出相对频率为mf0和nf0的光谐波边带，其中m、n均为整数且m>n；
步骤3：调制器M1输出的光信号进入双通道滤波器，两个光边带被分离，分别从双通道滤波器的两个通道输出；
步骤4：滤波器第一个通道输出的频率较高的光边带mf0进入调制器M2，被1号本振源调制，产生具有K个梳线、重复频率为f1的光梳，K为整数，每个梳线均为光边带mf0的复制；
步骤5：滤波器第二个通道输出的频率较低的光边带nf0进入调制器M3，被频率为f2的本振信号调制，产生具有K个梳线、重复频率为f2的光梳，每个梳线均为光边带nf0的复制；
步骤6：调制器M2和调制器M3输出的两个光梳在光耦合器结合，经过光放大器进行功率线性补偿；
步骤7：光放大器输出的光信号进入多通道滤波器，多通道滤波器具有至少K个通道，将两路光梳的梳线对称地分离；
步骤8：调制器M2输出的频率为mf0+[k-(K+1)/2]f1的梳线与调制器M3输出的频率为nf0+[k-(K+1)/2]f2的梳线一起输出多通道滤波器的第k个通道，k的取值范围为1,2,…,K；
步骤9：第k个通道光信号进入第k个PD，得到频率为(m-n)f0+[k-(K+1)/2](f1-f2)的射频信号；
步骤10：最终得到的K个射频信号起始频率为(m-n)f0+(1-K)(f1-f2)/2，相邻频偏为(f1-f2)，形成K个阵元通道的线性频偏的频控阵信号。
3.根据权利要求2所述的基于双光梳的微波光子频控阵信号产生装置的输出方法，其特征在于：
所述频控阵信号的频偏通过两个光梳的重复频率差(f1-f2)进行调节。
4.根据权利要求2所述的基于双光梳的微波光子频控阵信号产生装置的输出方法，其特征在于：
所述频控阵信号的载频与(m-n)f0有关，通过调制器M1的驱动射频信号频率f0及调制器M1产生的谐波阶数m、n进行调节，在产生频控阵信号的同时，将驱动射频信号的频率和带宽提高到(m-n)倍。
5.根据权利要求2所述的基于双光梳的微波光子频控阵信号产生装置的输出方法，其特征在于：
所述射频信号为雷达系统的线性调频信号或相位编码信号，或者是通信系统的幅度调制信号、相位调制信号或矢量调制信号。
6.根据权利要求2所述的基于双光梳的微波光子频控阵信号产生装置的输出方法，其特征在于：
所述双通道滤波器和多通道滤波器通过任意波导光栅、光学谐振腔、马增干涉仪、光纤布拉格光栅、波分复用器实现。
7.根据权利要求2所述的基于双光梳的微波光子频控阵信号产生装置的输出方法，其特征在于：
所述光梳的产生方法采用光学微腔、光孤子方法。
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