CN114189287B - 微波光子环形器及提高微波通信信号收发端隔离度的方法 - Google Patents

微波光子环形器及提高微波通信信号收发端隔离度的方法 Download PDF

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Abstract

微波光子环形器及提高微波通信信号收发端隔离度的方法，其中，微波光子环形器由光电子器件组成并基于光电子器件的全频段大带宽特性扩展系统通信频谱以实现宽带信号处理，其包括三条微波光链路以及用于将三条微波光链路首尾连接成环的三个微波定向耦合器，三个微波定向耦合器中各有一个端口被用作环形器的端口，利用微波信号在微波定向耦合器中的耦合与传输特性并结合微波光链路的光‑电转换不可逆性、电‑光转换不可逆性实现环形器端口输入与输出信号的定向分流和完全隔离。上述微波光子环行器能够实现高隔离度、大带宽且其结构相对简单并兼具体积小、重量轻、抗电磁干扰等优点，具有较好的发展和应用前景。

Description

微波光子环形器及提高微波通信信号收发端隔离度的方法
技术领域
本发明涉及微波技术与光通信技术的交叉领域，特别涉及一种微波光子环形器及提高微波通信信号收发端隔离度的方法。
背景技术
微波环形器是微波通信系统中常见的多端口器件。传统微波环形器一般采用铁氧体旋磁材料，铁氧体旋磁材料能够在外加高频波场与恒定直流磁场共同作用下产生旋磁特性，从而控制电磁波沿某一环行方向传输。在微波通信系统中，环形器常被用作双工器，在完成双工通信的同时实现发送端口与接收端口的信号隔离。只要环形器有足够高的隔离度，那么发射机的信号就不会进入接收机。工程应用中为了提高收发端的隔离度，通常采用增加环形器的级数来实现，极大地增加了系统的复杂性。
中国专利文献CN106950727A公开了一种高隔离度的微波光子环形器，该微波光子环形器由激光器、铌酸锂单向相位调制器、三端口微波环形器(即传统的基于电子技术的微波环形器)、阻抗匹配单元、相位解调单元、光电探测器和微波放大器组成。其通过向铌酸锂单向相位调制器的行波电极施加微波信号来对光波导中的光信号的相位进行调制。当向外发送信号时，发射信号通过发射信号输入端进入微波光子环形器中的三端口微波环形器，三端口微波环形器将发射信号传输至B端口，经行波电极传输后通过信号收发端(A端口)输出至天线并向外发送，此时微波场传输方向与光波导中光波传输方向相反，微波场与光场的相速度失配严重，微波信号无法对光波进行调制。接收信号时，天线接收到的微弱信号通过信号收发端(A端口)进入行波电极，此时微波场传输方向与光波导中光波传输方向相同，进入到行波电极的微弱信号对光载波进行调制，条形波导的输出端输出调制后的光信号，再通过相位解调单元对条形波导输出的光信号进行解调处理，经光电探测器和微波放大器处理后输出。在该方案还存在其它缺陷：1、微波光子环形器的总体结构偏复杂。2、其中用到的传统微波环形器为带通器件，通信频带不宽，不利于超宽带通信。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种能够实现高隔离度、大带宽且结构相对简单的微波光子环形器。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种微波光子环形器，其由光电子器件组成并基于光电子器件的全频段大带宽特性扩展系统通信频谱以实现宽带信号处理，其包括三条微波光链路以及用于将三条微波光链路首尾连接成环的三个微波定向耦合器，所述三个微波定向耦合器中各有一个端口被用作环形器的端口，利用微波信号在微波定向耦合器中的耦合与传输特性并结合微波光链路的光-电转换不可逆性、电-光转换不可逆性实现环形器端口输入与输出信号的定向分流和完全隔离。
其中，所述微波光链路包括依次连接的激光器、电光强度调制器和光电探测器，所述激光器提供单频光载波，所述单频光载波经电光强度调制器被微波信号进行强度调制，再经所述光电探测器包络检波还原成微波信号；
所述微波定向耦合器除一个端口用作环形器的端口外，另两个端口分别连接前一微波光链路的光电探测器的输出端和后一微波光链路的电光强度调制器的输入端，剩余端口连接匹配负载。
或者，所述微波光链路均包括依次连接的电光强度调制器和光电探测器，所有电光强度调制器通过一个分光器连接同一个激光器，所述激光器提供的单频光载波经分光器分成三路分别传输至三条微波光链路并经所述电光强度调制器被微波信号进行强度调制，再经所述光电探测器包络检波还原成微波信号；
所述微波定向耦合器除一个端口用作环形器的端口外，另两个端口分别连接前一微波光链路的光电探测器的输出端和后一微波光链路的电光强度调制器的输入端，剩余端口连接匹配负载。
其中，所述单频光载波Ein＝E0ejΩt，其中E0为光载波幅值，Ω为光载波角频率；所述电光强度调制器的偏置工作点调整至正交偏置点，通过电光强度调制器的已调光信号Eout＝E1ej(Ω-ω)t+EcejΩt+E1ej(Ω+ω)t，其中Ec和E1分别为载波与一阶边带的幅值，E1值远小于Ec，ω为输入微波信号角频率；已调光信号通过光电探测器还原电信号的光电流值为Ip∝4ρE1Eccosωt，其中只包含原信号频率分量，ρ为光电探测器的响应度。
进一步地，所述三个微波定向耦合器分别为耦合器1、耦合器2和耦合器3，所述三条微波光链路分别为第一微波光链路、第二微波光链路和第三微波光链路；
所述耦合器1的2#端口作为环形器的端口1，所述耦合器1的1#端口和4#端口分别对应连接第三微波光链路的光电探测器的输出端、第一微波光链路的电光强度调制器的输入端；
所述耦合器2的2#端口作为环形器的端口2，所述耦合器2的1#端口和4#端口分别对应连接第一微波光链路的光电探测器的输出端、第二微波光链路的电光强度调制器的输入端；
所述耦合器3的2#端口作为环形器的端口3，所述耦合器3的1#端口和4#端口分别对应连接第二微波光链路的光电探测器的输出端、第三微波光链路的电光强度调制器的输入端；
所述端口1用于连接天线作为信号发送和接收端口，所述端口2连接信号接收器以接收由天线接收并经端口1传输过来的信号，所述端口3连接信号发射器以将拟发射的信号传送至端口1再通过天线发送出去。
此外，本发明还涉及一种提高微波通信信号收发端隔离度的方法，通过构建三条由光电子器件组成的微波光链路并将各微波光链路通过三个微波定向耦合器依次首尾连接成环，从每个微波定向耦合器中选取一个端口作为环形器的端口，利用微波信号在微波定向耦合器中的耦合与传输特性并结合微波光链路的光-电转换不可逆性、电-光转换不可逆性实现环形器端口输入与输出信号的定向分流和完全隔离。
进一步地，在每条微波光链路中，先利用偏置工作点调整至正交偏置点的电光强度调制器，使单频光载波经电光强度调制器被微波信号进行强度调制，得到已调光信号，再将已调光信号经光电探测器包络检波还原成微波信号；
从各微波定向耦合器中另选两个端口，将其分别对应连接前一微波光链路的光电探测器的输出端和后一微波光链路的电光强度调制器的输入端，利用微波信号在微波定向耦合器中的耦合与传输特性以及微波光链路中电光强度调制器的的光-电转换不可逆性、光电探测器的电-光转换不可逆性，将环形器端口输入与输出信号进行定向分流并完全隔离。
具体而言，在微波光链路中，所述单频光载波表示为Ein，Ein＝E0ejΩt，其中，E0为光载波幅值，Ω为光载波角频率；所述已调光信号表示为Eout，Eout＝E1ej(Ω-ω)t+EcejΩt+E1ej (Ω+ω)t，其中，Ec和E1分别为载波与一阶边带的幅值，E1值远小于Ec，ω为输入微波信号角频率；所述已调光信号通过光电探测器还原电信号的光电流值为Ip∝4ρE1Eccosωt，其中只包含原信号频率分量，ρ为光电探测器的响应度。
本发明基于电光强度调制器的光-电转换不可逆性与光电探测器的电-光转换不可逆性实现了环形器端口的完全隔离(绝对隔离)，达到了高隔离度的目的。在此基础上，本发明涉及的微波光子环形器由光电子器件组成，不含传统的带通器件，基于光电子器件的全频段大带宽特性可以扩展系统通信频谱，能够满足更大带宽的通信要求。此外，本发明通过微波定向耦合器将三条微波光链路依次首尾连接成环，并以微波定向耦合器中的一个端口作为环形器的端口，整体结构非常简洁，同时该利用光电子模块构建的环形器还具有体积小、重量轻、抗电磁干扰的优点。
附图说明
图1为微波定向耦合器结构图。
图2为微波环形器功能示意图。
图3是实施例所涉微波光子环形器中微波光链路结构原理图。
图4是实施例中微波光子环形器的系统结构示意图。
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。
本发明总体技术思路是：基于光子技术构建由三条通过微波定向耦合器首尾依次连接的微波光链路组成的新型微波光子环形器。以微波定向耦合器的其中一个端口作为环形器的端口，在微波光链路组成的环形器内进行电光转换，基于微波光链路中电光强度调制器的光-电转换不可逆性与光电探测器的电-光转换不可逆性实现环形器端口的“绝对隔离”，从而达到高隔离度的目的，基于微波定向耦合器的导波原理实现环形器端口输入/输出信号的定向分流，基于光电子器件的全频段大带宽性扩展系统通信频谱，实现宽带信号处理，由此保证所构建的微波光子环形器具有高隔离度、大带宽的特点。
图1示出了微波定向耦合器的结构。耦合器在结构上具有纵向、横向双对称性，属于典型的四端口器件。如图所示，若令1#端口为输入口，则从1#端口输入的信号通过波导媒质后在2#端口输出，即为输出口；微波信号在传输的过程中通过上下波导媒质的电磁耦合也可从3#端口输出，即所谓的耦合口；只要1#端口、3#端口阻抗完全匹配，4#端口无信号输出，即为所谓的隔离口。综上所述，从1#端口输入的信号，只能在2#端口、3#端口有信号输出，4#端口无输出信号。基于该结构的对称性原理，我们可以得出：从2#端口输入的信号，只能在1#端口、4#端口有信号输出，3#端口无输出信号；同理，从3#端口输入的信号，只能在1#端口、4#端口有信号输出，3#端口无输出信号；从4#端口输入的信号，只能在2#端口、3#端口有信号输出，1#端口无输出信号。
图2为微波环形器功能示意图。其中，端口1输入的信号只能从端口2而不能从3输出，端口2输入的信号只能从端口3而不能从1输出，端口3输入的信号只能从端口1而不能从端口2输出。其典型的应用场景为：端口1连接天线，作为信号发送/接收端口；端口2连接信号接收器，接收从天线接收并通过端口1的信号；端口3连接信号发射器，将拟发射的信号传送至端口1，通过天线发送出去。当天线接收信号时，希望通过端口1将信号传送至端口2的接收器，到达端口3的信号越小越好，即端口1到3的隔离度越高越好；当需要通过天线发送信号时，拟发送信号通过端口3将信号传送至端口1，通过天线发射出去，我们希望到达端口2的信号越小越好，即端口3到2的隔离度越高越好。如环形器隔离度不高，发送信号与接收信号会相互干扰，造成系统性能恶化。
图4示出了本实施例所涉微波光子环形器的系统结构。从图4可以看出，该微波光子环形器全部由光电子器件组成，具体而言，其包含了三条微波光链路以及用于将三条微波光链路首尾连接成环的三个微波定向耦合器(图中的耦合器1、耦合器2和耦合器3)，三个微波定向耦合器中各有一个端口被用作环形器的端口。其中，每条微波光链路均包括依次连接的激光器、电光强度调制器和光电探测器。微波定向耦合器除前述端口用作环形器的端口外，另两个端口分别连接前一微波光链路的光电探测器的输出端和后一微波光链路的电光强度调制器的输入端，剩余的一个端口连接匹配负载。应当指出的是，在图4所示微波光子环形器中，也可以将所有电光强度调制器通过一个分光器连接同一个激光器，这样就不用在每条微波光链路中设置一个激光器，而由一个激光器提供的单频光载波经分光器分成三路分别传输至三条微波光链路即可。
图3示出了微波光链路结构原理，在微波光链路中，激光器提供单频光载波，单频光载波经电光强度调制器被微波信号进行强度调制，再经光电探测器包络检波还原成微波信号。具体来说，激光器发射单频光信号，为电光强度调制提供光载波，令其为Ein＝E0ejΩt，其幅频响应即图中1点对应位置，其中E0为光载波幅值，Ω为光载波角频率。将电光强度调制器的偏置工作点调整至正交偏置点，忽略调制器的非线性，则通过调制器的已调光信号可表示为Eout＝E1ej(Ω-ω)t+EcejΩt+E1ej(Ω+ω)t，其幅频响应即图中2点对应位置，其中Ec和E1分别为载波与一阶边带的幅值(E1值要远小于Ec)，ω为输入微波信号角频率。已调光信号通过探测器后进行“包络检波”，其输出光电流值其中ρ为探测器的响应度，/>为Eout的共轭复数；进一步化简上式可得/>其中包括直流项/>信号项/>以及倍频项/>由于探测器内置隔直模块，所以直流项被隔离；倍频项系数/>要远小于信号项系数4E1Ec，其值可忽略。故最终探测器还原电信号的光电流值可表示为Ip∝4ρE1Eccosωt，其幅频响应即图中3点对应位置，只包含原信号频率分量。
为便于描述，下面将前述微波光子环形器的三个端口分别命名为端口1、端口2和端口3，三个微波定向耦合器分别命名为耦合器1、耦合器2和耦合器3，三条微波光链路分别命名为第一微波光链路、第二微波光链路和第三微波光链路，第一微波光链路中的激光器被命名为激光器1、电光强度调制器被命名为电光调制器1、光电探测器被命名为光电探测器1，同样地，第二微波光链路中相应部件分别被命名为激光器2、电光调制器2及光电探测器2，第三微波光链路中相应部件分别被命名为激光器3、电光调制器3及光电探测器3。
在图4中，端口1输入信号只能通过端口2输出，端口3隔离。具体而言：端口1与耦合器1的2#端口相连(相当于2#端口作为环形器的端口1)，按照上文所述耦合器工作原理，2#端口输入的信号可以在1#端口、4#端口均有输出，从端口1输入的信号经过耦合器1分别传送至第一微波光链路和第三微波光链路，由于耦合器1的1#端口连接第三微波光链路中光电探测器3的末端，光电探测器3的电光隔离效果使得信号不能通过第三微波光链路，信号仅通过第一微波光链路传送，而不能到达端口3，即端口1输入信号时与端口3实现完全隔离(绝对隔离)；端口1输入的信号经过4#端口进入电光强度调制器1后，对激光器1发射的单频光载波进行强度调制，然后通过光电探测器1还原成微波信号，由于耦合器2的1#端口连接光电探测器1的输出端，微波信号从1#端口进入耦合器2，而1#端口为输入端时，4#端口为隔离端，无信号通过，最终信号只能从2#端口输出，即完成从环形器的端口2输出。
同理，端口2输入信号只能通过端口3输出，端口1隔离。具体而言：端口2与耦合器2的2#端口相连，基于耦合器工作原理，2#端口输入的信号可以在1#端口、4#端口均有输出，但1#端口连接光电探测器1的末端，信号不能通过该器件到达端口1，即端口2输入信号时与端口1实现“完全隔离”；信号经耦合器2的4#端口进入电光强度调制器2，对激光器2发射的单频光载波进行强度调制，然后通过光电探测器2还原成微波信号，再从耦合器3的1#端口进入耦合器3。在耦合器3中，1#端口为输入端时，4#端口为隔离端，无信号通过，最终只能从2#端口输出，即完成从环形器端口3输出。
同理，从环形器端口3输入信号只能通过端口1输出，端口2隔离。具体而言：端口3与耦合器3的2#端口相连，基于耦合器工作原理，2#端口输入的信号可以在1#端口、4#端口均有输出，但耦合器3的1#端口连接光电探测器2的末端，信号不能通过该器件到达端口2，即端口3输入信号时与端口2实现“完全隔离”；信号经耦合器3的4#端口进入电光强度调制器3，对激光器3发射的单频光载波进行强度调制，然后通过光电探测器3还原成微波信号，再从耦合器1的1#端口进入耦合器1，在耦合器1中，1#端口为输入端时，其4#端口为隔离端，无信号通过，信号最终只能从2#端口输出，即完成从环形器端口1输出。
需要说明的是，上述实施例中使用了耦合器的1#端口、2#端口和4#端口，3#端口连接匹配负载；基于耦合器工作原理，本领域技术人员应当明白，实际应用时可以使用耦合器的四端口中的任意三个作为组合。
与现有的环形器不同，本实施例基于电光强度调制器的光-电转换不可逆性与光电探测器的电-光转换不可逆性实现了环形器端口的完全隔离(绝对隔离)，达到了高隔离度的目的。尤其值得一提的是，本实施例中的微波光子环形器全部由光电子器件组成，不含传统的带通器件，基于光电子器件的全频段大带宽特性可以扩展系统通信频谱，从而能够满足更大带宽的通信要求。从图4可以看出，本实施例中的环形器整体上是通过微波定向耦合器将三条微波光链路依次首尾连接成环构成，系统结构非常简洁，同时该利用光电子模块构建的环形器还兼具体积小、重量轻、抗电磁干扰的优点。
上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。
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 (6)

1.微波光子环形器，其特征在于：由光电子器件组成并基于光电子器件的全频段大带宽特性扩展系统通信频谱以实现宽带信号处理，其包括三条微波光链路以及用于将三条微波光链路首尾连接成环的三个微波定向耦合器，所述三个微波定向耦合器中各有一个端口被用作环形器的端口，利用微波信号在微波定向耦合器中的耦合与传输特性并结合微波光链路的光-电转换不可逆性、电-光转换不可逆性实现环形器端口输入与输出信号的定向分流和完全隔离；
所述微波光链路包括依次连接的激光器、电光强度调制器和光电探测器，所述激光器提供单频光载波，所述单频光载波经电光强度调制器被微波信号进行强度调制，再经所述光电探测器包络检波还原成微波信号；或者，所述微波光链路均包括依次连接的电光强度调制器和光电探测器，所有电光强度调制器通过一个分光器连接同一个激光器，所述激光器提供的单频光载波经分光器分成三路分别传输至三条微波光链路并经所述电光强度调制器被微波信号进行强度调制，再经所述光电探测器包络检波还原成微波信号；
所述微波定向耦合器除一个端口用作环形器的端口外，另两个端口分别连接前一微波光链路的光电探测器的输出端和后一微波光链路的电光强度调制器的输入端，剩余端口连接匹配负载；
所述三个微波定向耦合器中，第一个微波定向耦合器的一个端口被用作环形器的端口1，所述端口1用于连接天线作为信号发送和接收端口，第二个微波定向耦合器的一个端口被用作环形器的端口2，所述端口2连接信号接收器以接收由天线接收并经端口1传输过来的信号，第三个微波定向耦合器的一个端口被用作环形器的端口3，所述端口3连接信号发射器以将拟发射的信号传送至端口1再通过天线发送出去。
2.根据权利要求1所述的微波光子环形器，其特征在于：所述单频光载波Ein＝E0ejΩt，其中E0为光载波幅值，Ω为光载波角频率；所述电光强度调制器的偏置工作点调整至正交偏置点，通过电光强度调制器的已调光信号Eout＝E1ej(Ω-ω)t+EcejΩt+E1ej(Ω+ω)t，其中Ec和E1分别为载波与一阶边带的幅值，E1值远小于Ec，ω为输入微波信号角频率；已调光信号通过光电探测器还原电信号的光电流值为Ip∝4ρE1Eccosωt，其中只包含原信号频率分量，ρ为光电探测器的响应度。
3.根据权利要求1或2所述的微波光子环形器，其特征在于：所述三个微波定向耦合器分别为耦合器1、耦合器2和耦合器3，所述三条微波光链路分别为第一微波光链路、第二微波光链路和第三微波光链路；
所述耦合器1的2#端口作为环形器的端口1，所述耦合器1的1#端口和4#端口分别对应连接第三微波光链路的光电探测器的输出端、第一微波光链路的电光强度调制器的输入端；
所述耦合器2的2#端口作为环形器的端口2，所述耦合器2的1#端口和4#端口分别对应连接第一微波光链路的光电探测器的输出端、第二微波光链路的电光强度调制器的输入端；
所述耦合器3的2#端口作为环形器的端口3，所述耦合器3的1#端口和4#端口分别对应连接第二微波光链路的光电探测器的输出端、第三微波光链路的电光强度调制器的输入端。
4.提高微波通信信号收发端隔离度的方法，其特征在于：构建如权利要求1所述的微波光子环形器，基于该微波光子环形器，利用微波信号在微波定向耦合器中的耦合与传输特性并结合微波光链路的光-电转换不可逆性、电-光转换不可逆性来实现环形器端口输入与输出信号的定向分流和完全隔离。
5.根据权利要求4所述的提高微波通信信号收发端隔离度的方法，其特征在于：
在每条微波光链路中，利用偏置工作点调整至正交偏置点的电光强度调制器，使单频光载波经电光强度调制器被微波信号进行强度调制，得到已调光信号，再将已调光信号经光电探测器包络检波还原成微波信号；
从各微波定向耦合器中另选两个端口，将其分别对应连接前一微波光链路的光电探测器的输出端和后一微波光链路的电光强度调制器的输入端，利用微波信号在微波定向耦合器中的耦合与传输特性以及微波光链路中电光强度调制器的的光-电转换不可逆性、光电探测器的电-光转换不可逆性，将环形器端口输入与输出信号进行定向分流并完全隔离。
6.根据权利要求5所述的提高微波通信信号收发端隔离度的方法，其特征在于：在微波光链路中，所述单频光载波表示为Ein，Ein＝E0ejΩt，其中，E0为光载波幅值，Ω为光载波角频率；所述已调光信号表示为Eout，Eout＝E1ej(Ω-ω)t+EcejΩt+E1ej(Ω+ω)t，其中，Ec和E1分别为载波与一阶边带的幅值，E1值远小于Ec，ω为输入微波信号角频率；所述已调光信号通过光电探测器还原电信号的光电流值为Ip∝4ρE1Eccosωt，其中只包含原信号频率分量，ρ为光电探测器的响应度。
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