CN114204382B - 基于光电振荡器的双频微波信号产生方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光电振荡器的双频微波信号产生方法，构建具有双通带滤波结构的光电振荡环路；向所述光电振荡环路的射频反馈信号中注入频率等于所述双通带滤波结构的两个通带中心频率的差频或和频的注入信号，则所述光电振荡环路输出包含两个频率分量的双频微波信号，所述两个频率分量的频率分别等于所述双通带滤波结构的两个通带中心频率。本发明还公开了一种基于光电振荡器的双频微波信号产生装置。相比现有技术，本发明可通过简单的结构产生低相噪高边模抑制比的双频微波信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种微波信号产生方法，尤其涉及一种基于光电振荡器的双频微波信号生成方法及装置。
背景技术
光电振荡器(OEO)因其高光谱纯度和低相位噪声而受到广泛关注。许多研究人员一直在对其进行改进和应用，如基于OEO的光时钟恢复、基于级联调制器的OEO的自振荡光梳发生器、单环振荡的注入锁定方法等。由于OEO在上述领域的突出成就，在光子学和微波技术方面都有广阔的应用前景。
双音射频信号在现代电子系统中有着重要的应用。例如，要测试射频设备或系统的线性度，需要双音信号。在这种应用中，双音射频信号需要具有高的频率分辨率和低的相位噪声才能实现精确的测量。同时，由于近年来无线无线电通信的快速发展，多频信号发生器(MFSGs)得到了广泛的应用。双频发生器作为多频信号发生器的一种，在雷达系统、全球定位系统(GPS)、无线局域网(WLAN)、蓝牙等领域都有广泛的应用。双射频(RF)系统的一个基本要求是在高频段降低相位噪声，有利于降低无线电信号失真，提高微弱信号检测的效率。高质量的双音射频信号也可用于可侦察双频雷达和通信系统[2]的本振，在这些系统中，跨不同频段的频率可调是非常需要的。目前，高频率以及宽带宽的射频信号一般是由一个较窄的基带信号与一个较低的参考信号相乘，再经过几级倍频得到所需的频率和带宽，大大恶化了相位噪声，并产生非线性失真，纯电子技术产生的双音信号通常频率低，频率调谐范围小，相位噪声差。光电振荡器(OEO)是一种很有前途的射频信号产生方案，具有优良的频谱纯度和超低的相位噪声。因此，上述系统迫切需要一种能够同时产生两个频率的低相位噪声信号的OEO。
然而，目前报道的大多数光电振荡器都集中在单频射频信号的产生上。通过简单地应用两个独立的光电振荡器，可以产生双音射频信号，但成本和复杂性非常高。T.Sakamoto等人提出了调节马赫曾德尔调制器在最小偏置点双频信号产生的OEO结构【T.Sakamoto，“Optoelectronic oscillator using push-pull Mach–Zehnder modulatorbiased at null point for optical two-tone signal generation,”inProc.Conf.Lasers Elect.-Opt.,vol.2.May 2005,pp.877–879.】，由于借助在最小偏置点处马赫曾德尔调制器的二倍频结构，所产生的双频信号频率只能为2:1。另一种基于光电振荡器的双音信号发生器是通过多通道相位调制到强度调制转换实现的【P.Zhou,F.Zhang,and S.Pan,“A multi-frequency optoelectronic oscillator based on a singlephase modulator,”in Proc.Conf.Lasers Elect.-Opt.(CLEO),May2015,pp.1–2.】，其中需要多个可调谐激光器和窄带光学陷波滤波器。因此，这个系统仍然是很复杂的。F.Kong等人演示了使用相移光纤布拉格光栅(PS-FBG)的双音OEO【F.Kong,W.Li,and J.Yao,“Transverse load sensing based on a dual-frequency optoelectronicoscillator,”Opt.Lett.,vol.38,no.14,pp.2611–2613,Jul.2013.】。该系统简单，但对环境敏感，使频率难以控制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有光生微波技术的不足，提供一种基于光电振荡器的双频微波信号产生方法，可通过简单的结构产生低相噪高边模抑制比的双频信号。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种基于光电振荡器的双频微波信号产生方法，构建具有双通带滤波结构的光电振荡环路；向所述光电振荡环路的射频反馈信号中注入频率等于所述双通带滤波结构的两个通带中心频率的差频或和频的注入信号，则所述光电振荡环路输出包含两个频率分量的双频微波信号，所述两个频率分量的频率分别等于所述双通带滤波结构的两个通带中心频率。
优选地，所述光电振荡环路中的强度调制单元为马赫曾德尔调制器。
优选地，所述光电振荡环路具有两条不同长度的并行环路，所述双通带滤波结构由分别接在所述两条并行环路中的两个具有不同通带的单通带滤波器构成。
进一步地，该方法还包括：通过对所述注入信号的频率微调实现对双频微波信号中两个频率分量的频率微调。
优选地，所述注入信号为周期性宽带信号，所输出的双频微波信号为宽带的双频段周期性信号。
基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：
一种基于光电振荡器的双频微波信号产生装置，包括：
光电振荡环路，其具有双通带滤波结构；
注入模块，用于向所述光电振荡环路的射频反馈信号中注入频率等于所述双通带滤波结构的两个通带中心频率的差频或和频的注入信号，则所述光电振荡环路输出包含两个频率分量的双频微波信号，所述两个频率分量的频率分别等于所述双通带滤波结构的两个通带中心频率。
优选地，所述光电振荡环路中的强度调制单元为马赫曾德尔调制器。
优选地，所述光电振荡环路具有两条不同长度的并行环路，所述双通带滤波结构由分别接在所述两条并行环路中的两个具有不同通带的单通带滤波器构成。
进一步地，所述注入模块还用于通过对所述注入信号的频率微调实现对双频微波信号中两个频率分量的频率微调。
优选地，所述注入信号为周期性宽带信号，所输出的双频微波信号为宽带的双频段周期性信号。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明利用带有双通带滤波结构的光电振荡环路结构来产生低相位噪声的双频信号并提高信号的边模抑制比，并使用外部注入信号锁定的方法来提高振荡信号的稳定性，相比于现有基于光电振荡器的双频输出系统，本发明具有结构简单，高边模抑制比的优点，且可只使用一个马赫曾德尔调制器，从而降低实现成本，便于工程化。
附图说明
图1为本发明双频微波信号产生装置的结构原理示意图；
图2为本发明双频微波信号产生装置的一种具体实现结构；
图3为本发明双频微波信号产生装置的另一种具体实现结构；
图4为双环OEO单模振荡的原理示意图；
图5为无外部信号注入下光电振荡器信号输出图；
图6为外部信号注入下的光电振荡器信号输出图；
图7为双频信号的相噪图；
图8光电振荡器双频信号输出边模图；
图9为单环光电振荡器信号输出边模图。
具体实施方式
基于光电振荡器的光生微波系统通常包括由强度调制单元以及长光纤、光电探测器、微波放大器、微波窄带滤波器、移相器、电耦合器和光耦合器所构成的光电振荡环路，利用长光纤的高Q值、低损耗的特性来产生低相位噪声的信号，当环路中的开环增益大于1时，环路内的噪声就会开始被放大，经过固定时延的光电振荡环路后，由于环路的正反馈以及增益大于1的特性，环路内的增益大于损耗，信号会被不断的放大，当信号足够大时由于环路内器件的非线性使得振荡的信号最终会趋于稳定，这时，环路内所呈现的是具有固定频率间隔的众多频率分量，它们的频率间隔就是环路延时所对应的频率值，这时就是光电振荡环路的多模式振荡状态。每个频率的间隔为1/τ，τ为环路的延时，可知环路越长所产生的模式间隔越小，所存在的窄带滤波器带内模式竞争的数量越多导致光电振荡器的输出难以稳定甚至会出现跳模失锁的现象；而光纤越长环路的Q值越大振荡输出信号的相位噪声越低。
为了解决光纤长度带来的模式间隔和相位噪声的矛盾，本发明提出了一种基于光电振荡器的双频微波信号产生方法，构建具有双通带滤波结构的光电振荡环路；向所述光电振荡环路的射频反馈信号中注入频率等于所述双通带滤波结构的两个通带中心频率的差频或和频的注入信号，则所述光电振荡环路输出包含两个频率分量的双频微波信号，所述两个频率分量的频率分别等于所述双通带滤波结构的两个通带中心频率。
本发明所提出的基于光电振荡器的双频微波信号产生装置，包括：
光电振荡环路，其具有双通带滤波结构；
注入模块，用于向所述光电振荡环路的射频反馈信号中注入频率等于所述双通带滤波结构的两个通带中心频率的差频或和频的注入信号，则所述光电振荡环路输出包含两个频率分量的双频微波信号，所述两个频率分量的频率分别等于所述双通带滤波结构的两个通带中心频率。
下面结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：
本发明双频微波信号产生装置的基本结构及原理如图1所示，其包括由强度调制单元、长光纤、光电探测器、双通带滤波结构、微波放大器所构成的光电振荡环路以及由外接微波源所构成的注入模块；所述双通带滤波结构包含两个窄带通带，可允许环路振荡信号中的两个相应的两个频率分量(假设分别为ω1和ω2)通过；当环路中增益大于损耗且满足相位关系时就可以产生双频信号，经不同中心频率的窄带滤波器也可输出单频信号。通过所述微波源向环路中注入频率为ω3的注入信号，当注入信号的频率为ω3＝ω1-ω2，或者ω3＝ω1+ω2时，可实现对振荡输出双频信号ω1和ω2的锁定。
所述强度调制单元可通过现有的或将有的各种方式进行实现，例如，使用马赫曾德尔调制器(Mach-Zehnder modulator,MZM)、相位调制器加滤波器、偏振调制器加检偏器等方式构建；考虑到马赫曾德尔调制器不同于双平行马赫曾德尔调制器和双平行偏振马赫曾德尔调制器以及其他强度调制结构，对马赫曾德尔调制器的偏压控制已经很成熟可以使用偏压控制器对马赫曾德尔调制器的偏置电压进行稳定从而能够长时间稳定振荡双频信号的频率和功率，因此本发明优选采用马赫曾德尔调制器。
所述双通带滤波器结构可以为基于微波技术实现的双通带滤波器，也可以为基于光子技术形成的等效的双通带滤波器。
图2显示了本发明双频微波信号产生装置的一种具体结构，其中的光电振荡环路采用单环结构，双通带滤波结构通过一个双通带滤波器实现，其结构更简单。
图3显示了本发明双频微波信号产生装置的另一种具体结构，其中的光电振荡环路具有两条不同长度的并行环路，所述双通带滤波结构由分别接在所述两条并行环路中的两个具有不同通带的单通带滤波器(带通滤波器1、带通滤波器2)构成。光电振荡器的振荡会激发很多模式，每个模式的间距为1/τ,其中τ为环路的延时，光纤环路越长则延时越大，光电振荡器所能激发的振荡模式就会越多，光纤环路越短则延时越小光电振荡器所能激发的振荡模式越少。采用长环路和短环路组成的双环结构模式激发原理如图4所示，只有长环和短环所激发的模式相重合的部分才能获得最大的增益振荡出信号，其相比长度相同的双环结构可进一步提高边模抑制比，因此，可通过调整光电探测器1、光电探测器2与强度调制器后的光耦合器之间光纤的有无或者两条光纤的长度，从而使得两个环路的长度不同。
在以上技术方案基础上，还可以进一步通过对所述注入信号的频率微调实现对双频微波信号中两个频率分量的频率微调；例如，将所述注入信号设置为周期性宽带信号，则双环结构光电振荡环路所输出的双频信号为低相噪的双啁啾的周期性宽带信号。
为便于公众理解，下面对本发明技术方案的基本原理进行进一步的理论说明：
假设电光调制器的输入信号为Vin(t),则其输出信号为：
P(t)＝(αP0/2){1+ηcosπ[Vin(t)/Vπ+VDC/Vπ]} (1)
其中P0为输入光功率，α为调制器的插入损耗，Vπ为半波电压，VDC为偏置电压，η决定调制器的消光比为(1+η)(1-η)。光信号由PD进行光电转换并进行后续微波放大后，输出电压为：
Vout(t)＝ρP(t)RGA＝Vph{1+ηcosπ[Vin(t)/Vπ+VB/Vπ]} (2)
其中ρ为光电探测器的响应度，R为光电探测器的阻抗，GA为放大器的增益，Vph为光电压：
Vph＝(αP0ρ/2)RGA＝IphRGA (3)
其中Iph＝αP0ρ/2为光电流。
输入电光调制器的信号为：
则电光调制器输出信号为：
我们令mDC＝πVDC/Vπ，m1＝πV1/Vπ，m2＝πV2/Vπ，m3＝πV3/Vπ。
贝塞尔展开可得
由上式可见，输出的信号包含了以输入信号频率为基频的一系列倍频，系统中的带通滤波器可以滤掉这些倍频成分，那么输出的双频信号为：
由公式(7)可得产生的双频信号中存在外部注入差频信号和环路振荡产生双频信号的混频分量，这部分混频分量增加了双频信号的增益达到稳定双频信号输出的作用。
所产生的频率为ω1和ω2的信号为:
其中A1，A2，B1，B2为式(7)中对应频率分量的幅度，分别为：
φ1，φ2分别为合成后双频信号的初相。
则双频信号的相位关系满足：
振荡产生的双频信号的增益满足：
通过以上理论分析可知，本方案能够产生频率为ω1和ω2的双频信号，由公式(8)和公式(12)可知外部注入的信号与振荡产生的双频信号的混频会生成双频信号的分量，这些混频得到的分量会增加环路内振荡双频信号的增益从而达到注入锁定的效果稳定振荡产生的双频信号。以上推导是基于所注入信号频率为ω1和ω2的差频的情况，当所注入信号频率为ω1和ω2的和频时，上述过程大同小异，为节省篇幅起见，此处不再赘述。
图5和图6分别为没有外部注入信号和有外部信号注入的本方案实验结果图，从图5可以看出在没有外部信号注入下只有一个频率为9.99GHz的单频信号输出，亦即并不能实现双频信号输出；从图6可以看出在有外部信号注入下则可以实现频率为9.99GHz和10.663GHz的双频信号的输出。且可以看出双频信号的频谱相较于单频信号的频谱较为纯净没有多余的杂散分量。图7所示为振荡产生双频信号的相位噪声图，可以看到在频率为9.99GHz和10.663GHz在10kHz频偏处的相位噪声分别为-120dBc/Hz和-121dBc/Hz，具有较低的相位噪声。图8和图9分别为本方案双环结构下的双频信号的边模图和单环振荡下单频信号的边模图，可以看出本方案振荡产生的双频信号的边模抑制分别为68dB和67dB，相比于单环振荡信号47dB的边模抑制比，本方案使用的双环结构提升了20dB的边模抑制比。本方案巧妙的通过外部注入频率为振荡产生双频信号频率差/和的低频信号，差/和频信号与振荡产生的双频信号进行光混频产生双频信号的分量起到注入锁定的作用稳定光电振荡器信号输出。克服了传统光电振荡器中由于增益竞争而无法实现多频振荡的难题。且产生的双频信号具有相位噪声低和边模抑制比高的优点。
Claims (10)
1.一种基于光电振荡器的双频微波信号产生方法，其特征在于，构建具有双通带滤波结构的光电振荡环路，所述光电振荡环路包括强度调制单元、长光纤、光电探测器、双通带滤波结构，所述双通带滤波结构包含两个窄带通带，可允许环路振荡信号中的两个相应的频率分量通过；向所述光电振荡环路的射频反馈信号中注入频率等于所述双通带滤波结构的两个通带中心频率的差频或和频的注入信号，则所述光电振荡环路输出包含两个频率分量的双频微波信号，所述两个频率分量的频率分别等于所述双通带滤波结构的两个通带中心频率。
2.如权利要求1所述基于光电振荡器的双频微波信号产生方法，其特征在于，所述光电振荡环路中的强度调制单元为马赫曾德尔调制器。
3.如权利要求1所述基于光电振荡器的双频微波信号产生方法，其特征在于，所述光电振荡环路具有两条不同长度的并行环路，所述双通带滤波结构由分别接在所述两条并行环路中的两个具有不同通带的单通带滤波器构成。
4.如权利要求1所述基于光电振荡器的双频微波信号产生方法，其特征在于，还包括：通过对所述注入信号的频率微调实现对双频微波信号中两个频率分量的频率微调。
5.如权利要求1所述基于光电振荡器的双频微波信号产生方法，其特征在于，所述注入信号为周期性宽带信号，所输出的双频微波信号为宽带的双频段周期性信号。
6.一种基于光电振荡器的双频微波信号产生装置，其特征在于，包括：
光电振荡环路，其包括强度调制单元、长光纤、光电探测器、双通带滤波结构，所述双通带滤波结构包含两个窄带通带，可允许环路振荡信号中的两个相应的频率分量通过；
注入模块，用于向所述光电振荡环路的射频反馈信号中注入频率等于所述双通带滤波结构的两个通带中心频率的差频或和频的注入信号，则所述光电振荡环路输出包含两个频率分量的双频微波信号，所述两个频率分量的频率分别等于所述双通带滤波结构的两个通带中心频率。
7.如权利要求6所述基于光电振荡器的双频微波信号产生装置，其特征在于，所述光电振荡环路中的强度调制单元为马赫曾德尔调制器。
8.如权利要求6所述基于光电振荡器的双频微波信号产生装置，其特征在于，所述光电振荡环路具有两条不同长度的并行环路，所述双通带滤波结构由分别接在所述两条并行环路中的两个具有不同通带的单通带滤波器构成。
9.如权利要求6所述基于光电振荡器的双频微波信号产生装置，其特征在于，所述注入模块还用于通过对所述注入信号的频率微调实现对双频微波信号中两个频率分量的频率微调。
10.如权利要求6所述基于光电振荡器的双频微波信号产生装置，其特征在于，所述注入信号为周期性宽带信号，所输出的双频微波信号为宽带的双频段周期性信号。
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