CN115327225A - 全光型微波光子矢量网络分析装置及微波器件散射参数测量方法 - Google Patents

Abstract

一种全光型微波光子矢量网络分析装置，包括光脉冲序列发生模块、光脉冲重频转换与锁定模块、可调谐的微波光子频率产生模块、信号加载模块、光采样与数字化模块和信号处理模块，所述的光脉冲序列发生模块和光脉冲重频转换与锁定模块的输入端相连；所述的光脉冲重频转换与锁定模块的第一输出端和第二输出端分别与所述的微波光子频率产生模块和光采样与数字化模块的光输入端相连。本发明避免了异步采样带来的频谱泄露等问题，进一步提高了矢量网络分析仪的测量精度。

Description

全光型微波光子矢量网络分析装置及微波器件散射参数测量 方法

技术领域

本发明涉及光信息处理技术，特别是一种全光型微波光子矢量网络分析装置 及微波器件散射参数测量方法。

背景技术

矢量网络分析装置是电子及通信等领域的基本测试仪器，主要用于测量微波 器件的散射参数，即S参数。但当今的微波器件带宽有限，信号源产生的信号频 率受限于电子器件的特性，而且使用传统意义上的发射机和接收机时，需要很复 杂的锁相电路保证收发同步(Ghelfi P,Laghezza F,Scotti F,et al.A fully photonics-based coherentradar system[J].Nature,2014, 507(7492):341-345.)。

光子器件比电子器件具有大带宽、高精度、低抖动等优势。微波光子技术结 合了光子学与电子学两者的优势，具备突破传统微波测量与信号处理“电子瓶颈” 的巨大潜力。目前，已提出多种基于光子学技术的微波测量与信号处理方案，如 光模数转换器(Su F,WuG,Ye L,et al.Effects of the photonic sampling pulse width and thephotodetection bandwidth on the channel response of photonic ADCs[J].OpticsExpress,2016,24(2):924.)、Min Ding提出的基 于光采样的超宽带微波光子矢量网络分析仪(Ding M,Jin Z,Chen J,et al. Photonic Network Analyzer Based on OpticalSampling[J].IEEE Photonics Technology Letters,2020,32(4):212-215.)，但是其发射端仍然需要高频率 的信号源，受限于所述的“电子瓶颈”，并且发射端和接收端仍然需要复杂的锁 相电路来实现同步。

现有的光生微波技术，主要分为直接调制法(Liu X,Pan W,Zou X,et al. Areconfigurable optoelectronic oscillator based on cascaded coherence-controllable recirculating delay lines[J].Optics express, 2012,20(12):13296-13301.)、光电振荡器法(Wang T,Chen H,Chen M,et al. High-spectral-puritymillimeter-wave signal optical generation[J]. Journal of lightwavetechnology,2009,27(12):2044-2051.)和光外差法 (Guan B O,Zhang Y,Zhang L W,etal.Electrically tunable microwave generation using compact dual-polarizationfiber laser[J].IEEE Photonics Technology Letters,2009,21(11):727-729.)等，这些方法虽然 能生成频谱纯度很高的信号，但是在调谐性上还有很大的发展空间。而锁模激光器在微波光子学中发挥着巨大的作用，如果能在锁模激光器稳定性的基础上，实 现大范围连续可调的光生微波，那么既能维持信号的稳定性，又能在微波光子测 量和信号处理中实现收发同步。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种全光型微波光子矢量网络分析装 置及微波器件散射参数测量方法，该装置利用与接收端同源的光脉冲序列产生了 单频正弦信号，将该单频信号作为微波器件的激励源以获得被测微波器件的散射 信号，然后通过接收端的光采样技术实现对该散射信号的直接采样与变频，抛弃 了传统矢量网络分析仪的纯电子器件的结构，利用收发端同源的方式代替了复杂 的锁相同步电路，并且这种全光型的结构在避免镜频干扰等问题的同时，提高了 测量频率范围，降低了系统的成本和功耗。

本发明的技术解决方案如下：

一种全光型微波光子矢量网络分析装置，其特点在于，包括光脉冲序列发生 模块、光脉冲重频转换与锁定模块、可调谐的微波光子频率产生模块、信号加载 模块、光采样与数字化模块和信号处理模块，所述的光脉冲序列发生模块和光脉 冲重频转换与锁定模块的输入端相连；所述的光脉冲重频转换与锁定模块的第一 输出端和第二输出端分别与所述的微波光子频率产生模块和光采样与数字化模 块的光输入端相连；

所述的微波光子频率产生模块的光输出端与所述的信号加载模块的光输入 端相连，该信号加载模块的输出端与所述的光采样与数字化模块的射频输入端相 连，该光采样与数字化模块的输出端与所述的信号处理模块的输入端相连，信号 处理模块的输出端与可调谐的微波光子频率产生模块的控制端相连，所述的信号 加载模块的两个测试端口与待测器件的两端相连。

所述的光脉冲重频转换与锁定模块的第一输出端和二输出端与该光脉冲重 频转换与锁定模块的输入同步锁定。

所述的可调谐的微波光子频率产生模块用于输出幅度和频率大范围连续可 调的单频信号。

所述的可调谐的微波光子频率产生模块包括光分路器、第一光滤波器、第二 光滤波器、频率源、光移频器、光合路器和光电探测器；

所述的光分路器的输入端与所述的光脉冲重频转换与锁定模块的输出端相 连，该光分路器的输出端分别与第一光滤波器和第二光滤波器输入端相连，第二 光滤波器的输出端与所述的光移频器的光输入端相连，该光移频器的射频输入端 与所述的频率源的输出端与相连；所述的第一光滤波器的输出端和光移频器的输 出端分别与所述的光合路器的两个输入端相连，该光合路器的输出端与所述的光 电探测器的输入端相连，该光电探测器的输出端与所述的信号加载模块相连；

所述的可调谐的微波光子频率产生模块的输入信号为光脉冲序列，该光脉冲 序列的重复频率大于等于所述的第一光滤波器和第二光滤波器的最小带宽，所述 的第一光滤波器或第二光滤波器的中心频率和带宽可调；

所述的频率源的最大输出频率大于等于所述的第一光滤波器和第二光滤波 器的最小带宽的二分之一；所述的光移频器的移频范围大于等于所述的频率源的 最大输出频率。

所述的光脉冲重频转换与锁定模块将所述的光脉冲序列发生模块产生的光 脉冲序列进行重频转换与锁定，产生两路同步锁定的光脉冲序列，分别作为所述 的光采样与数字化模块与该可调的微波光子频率产生模块的光脉冲源，实现信号 源与接收的同步；

所述的信号处理模块控制第一光滤波器或第二光滤波器的中心频率和带宽 实现单音信号频率的大步长调谐，该信号处理模块控制所述的频率源的输出频率 实现单音信号频率的小范围小步长调谐；该单音信号以信号处理模块设定的频率 分辨率在测量范围内进行频率扫描，由该信号处理模块计算被测器件的特性参数。

所述的信号加载模块包括功分器、微波开关、第一定向耦合器和第二定向耦 合器；

所述的光采样与数字化模块包括第一光耦合器、第二光耦合器、参考支路调 制器、第一测试支路调制器、第二测试支路调制器、光电探测模块、电模数转换 器和同步模块；

所述的功分器的输入端与所述的微波光子频率产生模块的输出端相连，该功 分器的第一输出端与所述的所述的参考支路调制器的射频输入端相连，该功分器 的第二输出端与微波开关输入端相连，该微波开关的第一输出端与第一定向耦合 器的输入端相连，该第一定向耦合器的直通端与被测器件的一个端口相连，该第 一定向耦合器的耦合端与第一测试支路调制器的射频输入端相连；所述的微波开 关的第二输出端与第二定向耦合器的输入端相连，该第二定向耦合器的直通端与 被测器件的另一个端口相连，该第二定向耦合器的耦合端与所述的第二测试支路 调制器的射频输入端相连；所述的光脉冲重频转换与锁定模块第二输出端II与 第一光耦合器的输入端相连，该第一光耦合器的第一输出端与第二光耦合器的输 入端相连，该第二光耦合器的三个输出端分别与所述的参考支路调制器、第一测 试支路调制器和第二测试支路调制器的光输入端相连，所述的参考支路调制器、 第一测试支路调制器和第二测试支路调制器的输出端分别与光电探测模块中的 各自所在支路的光电探测器的输入端相连，该光电探测模块中的各光电探测器的 输出端分别与所述的电模数转换器中的各自所在支路的电模数转换器的输入端 相连，所述的电模数转换器在收到脉冲激励信号后开始采样，并在脉冲激励信号 结束前停止采样，所述的电模数转换器的输出端分别与所述的信号处理模块相连； 所述的第一光耦合器的第二输出端通过同步模块所述的光脉冲序列发生模块输 出的光脉冲序列的重复频率相同。

利用权利要求所述的全光型微波光子矢量网络分析装置对被测器件散射参 数的测试方法，其特点在于，该方法包括以下步骤：

1)将被测器件的两个端口分别与所述的信号加载模块的两个测试端口 相连，向信号处理模块输入所测的散射参数的频率范围为f_min～f_max和频率扫描 步长△f；

2)光脉冲序列发生模块产生重复频率为f_s的光脉冲序列，输入光脉冲重频 转换与锁定模块，该光脉冲重频转换与锁定模块模块的第一输出端和第二输出端 分别输出重复频率为f₁和f₂的光脉冲序列；

3)信号处理模块将第一光滤波器或第二光滤波器的带宽设置为最小值；若 f_min<f₁/2，将第一光滤波器或第二光滤波器的中心频率f_ch2设置为与第一光滤 波器或第二光滤波器的中心频率f_ch1相同；否则，令f_ch2＝f_ch1+REM(f_min/f₁)或 f_ch2＝f_ch1-REM(f_min/f₁)，其中REM(*)表示取余运算；

4)若|f_min-|f_ch2-f_ch1||<f₁/2，信号处理模块将频率源的输出频率设置为 f₀＝|f_min-|f_ch2-f_ch1||，否则，设置频率源的输出频率为 f₀＝|f_min-|f_ch2-f_ch1||-f₁/2；设置频率源的频率扫描步长为△f；

5)信号处理模块获取光采样与数字化模块输出的数据，计算被测器件在频 率点f＝f_min处的散射参数；

6)若光移频器为频率右移模式(取频率大于光移频器输入光频率的光信号)， 信号处理模块设置频率源的输出频率为f₀＝f₀+△f，若f₀+|f_ch2-f_ch1|≥f_max，进 入步骤8)，否则，判断f₀是否大于f₁/2，若是，光移频器变为频率左移模式(取 频率小于光移频器输入光频率的光信号)，并修改第一光滤波器或第二光滤波器 的中心频率为f_ch2＝f_ch2+f₁；若光移频器为频率左移模式，信号处理模块设置频 率源的输出频率为f₀＝f₀-△f，若|f_ch2-f_ch1|-f₀≥f_max，进入步骤8)，否则，判断 f₀是否小于0，若是，光移频器变为频率右移模式，并修改第一光滤波器或第二 光滤波器的中心频率为f_ch2＝f_ch2-f₁；

7)信号处理模块获取光采样与数字化模块输出的数据，计算被测器件在频 率点f＝f+△f处的散射参数；重复步骤6)；

8)测试结束，根据已知的校准参数及相应的校准方法对测得的散射参数进 行校准。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

使用光电混合的方式，可由较低频率范围的频率源产生频率大范围连续可调 的单频微波信号，频率源的频率范围只需覆盖0到商用光滤波器最小带宽的一半， 所产生的单频微波信号的最低频率与该频率源相同，最高频率等于可调谐的微波 光子频率产生模块所用的光电探测器的带宽；

光采样与数字化模块与可调谐的微波光子频率产生模块产生的单频微波信 号同源锁定，可获得准确频率的数字信号，避免了异步采样带来的频谱泄露等问 题，进一步提高了矢量网络分析仪的测量精度。

附图说明

图1为本发明全光型微波光子矢量网络分析装置的模块示意图。

图2为本发明可调谐的微波光子频率产生的模块结构示意图。

图3为本发明全光型微波光子矢量网络分析装置实施例1的结构示意图。

图4为本发明全光型微波光子矢量网络分析装置实施例2的结构示意图。

图5为本发明全光型微波光子矢量网络分析装置实施例3的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图3-5给出本发明的三个最佳实施例。最佳实施例以本发明的技 术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不 限于下述的实施例。

实施例1：

本发明全光型微波光子矢量网络分析装置的一个实施例见图3。由图可见， 本实施例全光型微波光子矢量网络分析装置，包括光脉冲序列发生模块1、光脉 冲重频转换与锁定模块2、可调谐的微波光子频率产生模块3、信号加载模块4、 光采样与数字化模块5和信号处理模块6，所述的光脉冲重频转换与锁定模块2 的两个输出端I和II分别与所述的可调谐的微波光子频率产生模块3和光采样 与数字化模块5的光输入端相连；所述的信号加载模块4的两个测试端口与待测 器件的两端相连；所述的信号处理模块6的输出端与可调谐的微波光子频率产生 模块3的控制端相连。

所述的光脉冲重频转换与锁定模块2包括光耦合器2-1、波分解复用器2-2、 光纤延迟线2-3和波分复用器2-4；所述的可调的微波光子频率产生模块3包括 第一光耦合器3-1、光滤波器3-2、可调光滤波器3-3、频率源3-4、载波抑制单 边带调制器3-5、第二光耦合器3-6和光电探测器3-7；

光脉冲序列发生器1-1的输出端与所述的光耦合器2-1的输入端相连，该光 耦合器2-1的输出端I与所述的波分解复用器2-2的输入端相连，该波分解复用 器2-2的输出端分别与各波长所在支路的不同长度的光纤延迟线2-3的一端相连， 该光纤延迟线2-3的另一端与波分复用器2-4对应波长的支路相连，该波分复用 器2-4的输出端与所述的第一光耦合器3-1相连，该第一光耦合器3-1的输出端 分别与光滤波器3-2和可调光滤波器3-3的输入端相连，可调光滤波器3-3的输 出端与所述的载波抑制单边带调制器3-5的光输入端相连，所述的频率源3-4 的输出端与该载波抑制单边带调制器3-5的射频输入端相连；所述的光滤波器 3-2和载波抑制单边带调制器3-5的光输入端分别与所述的第二光耦合器3-6的 两个输入端相连，沿该第二光耦合器3-6的输出端方向，依次是光电探测器3-7 和功分器4-1，该功分器4-1的第一输出端与所述的参考支路调制器5-3的射频 输入端相连，该功分器4-1的第二输出端与微波开关4-2的输入端相连，该微波 开关4-2的第一输出端①与第一定向耦合器4-3的输入端相连，该第一定向耦合 器4-3的直通端与被测器件的一个端口相连，该第一定向耦合器4-3的耦合端与 第一测试支路调制器5-4的射频输入端相连；所述的微波开关4-2的第二输出端 ②与第二定向耦合器4-4的输入端相连，该第二定向耦合器4-4的直通端与被测 器件的另一个端口相连，该第二定向耦合器4-4的耦合端与所述的第二测试支路 调制器5-5的射频输入端相连；所述的光耦合器2-1的输出端II与第一光耦合器5-1的输入端相连，该第一光耦合器5-1的第一输出端与第二光耦合器5-2 的输入端相连，该第二光耦合器5-2的三个输出端分别与所述的参考支路调制器 5-3、第一测试支路调制器5-4和第二测试支路调制器5-5的光输入端相连，三 路调制器的输出端分别与光电探测模块5-6中的各自所在支路的光电探测器的 输入端相连，该光电探测模块5-6中的各光电探测器的输出端分别与所述的电模 数转换器5-7中的各自所在支路的电模数转换器的输入端相连，所述的电模数转 换器5-7在收到脉冲激励信号后开始采样，并在脉冲激励信号结束前停止采样， 所述的电模数转换器的输出端分别与所述的信号处理模块6相连；所述的第一光 耦合器5-1的第二输出端通过同步模块5-8所述的电模数转换器5-7相连，使所述的电模数转模块5-7的采样率与所述的光脉冲序列发生器1-1输出的光脉冲序 列的重复频率相同。

本实施例的测试过程包括以下步骤：

1)将被测器件的两个端口分别与所述的信号加载模块4的两个测试端口相 连，设所测的散射参数的频率范围为f_min～f_max，本实施例中f_min＝0；

2)所述的光脉冲序列发生器1-1产生重复频率为f_s的光脉冲序列，将所述 的光纤延迟线2-2的延迟时间分别设置为1/mf_s、2/mf_s、…、1/f_s，所述的光 脉冲重频转换与锁定模块将光脉冲重复频率倍增为mf_s，其中，m＝1,2,3,…；

3)通过信号处理模块6将所述的可调光滤波器3-3的带宽设置为最小值、 中心频率f_ch2设置为与光滤波器3-2的中心频率f_ch1相同，定义 n＝(f_ch2-f_ch1)/mf_s，k＝0，其中，n的初值为0，k为载波抑制单边带调制器 3-5的调制模式，k＝0为下边带调制，k＝1为上边带调制；所述的可调光滤波 器3-3输出的单根光频梳的频率由所述的载波抑制单边带调制器3-5被频率源 3-4调制，设频率源输出信号的频率为f_i；

4)通过信号处理模块6将频率源3-4的测试范围设置为0～mf_s/2，分辨率 为△f；当k＝0，令f_i＝mf_s/2，并调整载波抑制单边带调制器3-5的偏置点使 调制模式为下边带调制；当k＝1，令f_i＝0，并调整载波抑制单边带调制器3-5 的偏置点使调制模式为上边带调制；

5)计算n＝(f_ch2-f_ch1)/mf_s；所述的可调谐的微波光子频率产生模块3输出 单频信号，该单频信号的频率为f₀＝f_i+(2n-1)mf_s/2，该单频信号被功分器4-1 分为两路：一路输入光采样与数字化模块5的参考支路调制器5-3的射频输入端 口，另一路加载到所述的微波开关4-2的输入端；

6)所述的微波开关4-2切换至第①输出端，将输入信号经所述的第一定向 耦合器4-3加载到被测器件的第一个端口上，透过被测器件的信号经第二定向耦 合器4-4输入所述的第二测试支路调制器5-5的射频输入端口；被测器件反射的 信号，经第一定向耦合器4-3输入所述的第一测试支路调制器5-4的射频输入端 口；

7)所述的光脉冲序列发生器1-1输出的重复频率为f_s的光脉冲序列经所述 的光耦合器2-1的输出端II由所述的第一光耦合器5-1的第一输出端由第二光 耦合器5-2功分为三路，分别作为参考支路、第一测试支路、第二测试支路的采 样脉冲序列；参考支路调制器5-3对功分器5-4第一输出端输出的频率信号直接 采样；第一测试支路调制器5-4、第二测试支路调制器5-5分别对被测器件的反 射和透射的信号进行采样；三路采样信号经光电探测模块5-6、电模数转换模块 5-7得到相应的数字化采样结果送入所述的信号处理模块6；

8)所述的信号处理模块6计算第一测试支路的信号幅度A₁₁，以及第二测 试支路的信号与参考支路信号的相位差θ₁₁，得到被测器件在该频点的S11参数： A₁₁e^jθ11，其中j为虚数单位；所述的信号处理模块6计算第一测试支路的信号幅 度A₂₁，以及第二测试支路的信号与参考支路信号的相位差θ₂₁，得到被测器件在 该频点的S21参数：A₂₁e^jθ21，其中j为虚数单位；

9)当f₀≤f_max,进入下一步，否则进入步骤11)；

10)当k＝0,令f_i＝f_i-△f，当f_i≥0，返回步骤4)，否则当f_i<0，令k＝1， 返回步骤4)；当k＝1,令f_i＝f_i+△f，当f_i≤mf_s/2，返回步骤4)，否则当 f_i>mf_s/2，令k＝0，f_ch2＝f_ch2+mf_s返回步骤4)；

11)将所述的微波开关4-2切换到第②输出端，重复上述测量步骤，得到被 测器件的S12和S22参数；

12)根据已知的校准参数及相应的校准方法对测得的S11、S12、S21、S22 参数进行校准。

实施例2：

所述的光脉冲重频转换与锁定模块2包括光耦合器2-1和光开关2-2；光耦 合器2-1的输出端I与光耦合器3-2的输出端直接相连，输出端II与光开关2-2 的输入端相连，光开关2-2的输出端与第一光耦合器5-1的输入端相连；其他结 构和连接与实施例1相同。

本实施例的测试过程包括以下步骤：

将实施例1测试过程的步骤2)、步骤3)、步骤4)、步骤5)、步骤7)和步 骤10)修改如下，其他步骤与实施例1相同：

2)所述的光脉冲序列发生器1-1产生重复频率为f_s的光脉冲序列，将光开 关2-2的切换频率设置为f_s/m，输出重复频率为f_s/m的光脉冲序列，该光脉 冲序列和重复频率为f_s的光脉冲序列分别作为第一光耦合器5-1和第一光耦合 器3-1的输入，实现所述的可调谐的微波光子频率产生模块3和光采样与数字化 模块5的同步锁定；该重复频率为f_s的光脉冲序列由第一光耦合器3-1的两个输 出端分别与光滤波器3-2的输出端和可调光滤波器3-3的输出端相连，光滤波器 3-2输出固定频率的单根光频梳，可调光滤波器3-3滤出频率由该可调光滤波器 3-3的中心频率决定的单根光频梳；

3)通过信号处理模块6将所述的可调光滤波器3-3的带宽设置为最小值、 中心频率f_ch2设置为与光滤波器3-2的中心频率f_ch1相同，定义n＝(f_ch2-f_ch1)/f_s， k＝0，其中，n的初值为0，k为载波抑制单边带调制器3-5的调制模式，k＝0 为下边带调制，k＝1为上边带调制；所述的可调光滤波器3-3输出的单根光频 梳的频率由所述的载波抑制单边带调制器3-5被频率源3-4调制，设频率源输出 信号的频率为f_i；

4)通过信号处理模块6将频率源3-4的测试范围设置为0～f_s/2，分辨率 为△f；当k＝0，令f_i＝f_s/2，并调整载波抑制单边带调制器3-5的偏置点使调 制模式为下边带调制；当k＝1，令f_i＝0，并调整载波抑制单边带调制器3-5的 偏置点使调制模式为上边带调制；

5)计算n＝(f_ch2-f_ch1)/f_s；所述的可调谐的微波光子频率产生模块3输出 单频信号，该单频信号的频率为f₀＝f_i+(2n-1)f_s/2，该单频信号被功分器4-1 分为两路：一路输入光采样与数字化模块5的参考支路调制器5-3的射频输入端 口，另一路加载到所述的微波开关4-2的输入端；

7)所述的光开关2-2输出的重复频率为f_s/m的光脉冲序列经所述的光耦合 器2-1的输出端II由所述的第一光耦合器5-1的第一输出端由第二光耦合器5-2 功分为三路，分别作为参考支路、第一测试支路、第二测试支路的采样脉冲序列； 参考支路调制器5-3对功分器5-4第一输出端输出的频率信号直接采样；第一测 试支路调制器5-4、第二测试支路调制器5-5分别对被测器件的反射和透射的信 号进行采样；三路采样信号经光电探测模块5-6、电模数转换模块5-7得到相应 的数字化采样结果送入所述的信号处理模块6；

10)当k＝0,令f_i＝f_i-△f，当f_i≥0，返回步骤4)，否则当f_i<0，令k＝1， 返回步骤4)；当k＝1,令f_i＝f_i+△f，当f_i≤f_s/2，返回步骤4)，否则当 f_i>f_s/2，令k＝0，f_ch2＝f_ch2+f_s返回步骤4)；

实施例3：

所述的光脉冲重频转换与锁定模块2包括光耦合器2-1和光脉冲序列发生器 2；光耦合器2-1的输出端I与光脉冲序列发生器2的输出端相连，光脉冲序列 发生器2的输出端与第一光耦合器3-1的输入端相连，所述的光耦合器的输出端 II与第一光耦合器5-1的输入端相连；其他结构和连接与实施例1相同。

本实施例的测试过程包括以下步骤：

将实施例1测试过程的步骤2)、步骤3)、步骤4)、步骤5)、步骤7)和步 骤10)修改如下，其他步骤与实施例1相同：

2)所述的光脉冲序列发生器产生重复频率为f_s1的光脉冲序列，该光脉冲序 列分别作为可调谐的微波光子频率产生模块和光脉冲序列发生器2的种子光输 入，该光脉冲序列发生器2输出重复频率倍增为f_s2的光脉冲去序列，实现两个 模块的同步锁定；该重复频率为f_s2的光脉冲序列由光耦合器的两个输出端分别 与光滤波器的输出端和可调光滤波器的输出端相连，光滤波器输出固定频率的单 根光频梳，可调光滤波器滤出频率由该可调光滤波器的中心频率决定的单根光频 梳；

3)通过信号处理模块将所述的可调光滤波器的带宽设置为最小值、中心频 率f_ch2设置为与光滤波器的中心频率f_ch1相同，定义n＝(f_ch2-f_ch1)/f_s2，k＝0， 其中，n的初值为0，k为载波抑制单边带调制器的调制模式，k＝0为下边带调 制，k＝1为上边带调制；所述的可调光滤波器输出的单根光频梳的频率由所述 的载波抑制单边带调制器被频率源调制，设频率源输出信号的频率为f_i；

4)通过信号处理模块将频率源的测试范围设置为0～f_s2/2，分辨率为△f； 当k＝0，令f_i＝f_s2/2，并调整载波抑制单边带调制器的偏置点使调制模式为下 边带调制；当k＝1，令f_i＝0，并调整载波抑制单边带调制器的偏置点使调制模 式为上边带调制；

5)计算n＝(f_ch2-f_ch1)/f_s2；所述的可调谐的微波光子频率产生模块输出单 频信号，该单频信号的频率为f₀＝f_i+(2n-1)f_s2/2，该单频信号被功分器分为 两路：一路输入光采样与数字化模块的参考支路调制器的射频输入端口，另一路 加载到所述的微波开关的输入端；

7)重复频率为f_s1的光脉冲序列经光耦合器的输出端(II)由所述的光耦合 器的第一输出端由光耦合器功分为三路，分别作为参考支路、第一测试支路、第 二测试支路的采样脉冲序列；参考支路调制器对功分器第一输出端输出的频率信 号直接采样；第一测试支路调制器、第二测试支路调制器分别对被测器件的反射 和透射的信号进行采样；三路采样信号经光电探测模块、电模数转换模块得到相 应的数字化采样结果送入所述的信号处理模块；

10)当k＝0,令f_i＝f_i-△f，当f_i≥0，返回步骤4)，否则当f_i<0，令k＝1， 返回步骤4)；当k＝1,令f_i＝f_i+△f，当f_i≤f_s2/2，返回步骤4)，否则当 f_i>f_s2/2，令k＝0，f_ch2＝f_ch2+f_s2返回步骤4)。

上述实施例通过自动控制各个模块中的器件参数，利用较低频率范围的频率 源，实现了频率大范围连续可调的单频微波信号的产生；

上述实施例分别采用不同的光脉冲重频转换与锁定模块结构，产生了两路重 复频率不同的同步光脉冲序列，输入可调谐的微波光子频率产生模块的光脉冲序 列大于或等于光滤波器的最小带宽，输入光采样与数字化模块的光脉冲序列的重 复频率较低，降低了对电模数转换器采样率和带宽的要求。

本发明利用基于光脉冲序列的光生微波技术，从光域上对生成的单频信号进 行幅度和频率调谐，突破了电子器件的限制的传统信号源频率范围，从发射端提 高了系统的测试带宽。本发明利用光采样技术直接接收，抛弃了超外差和/或直 接变频接收机结构，有效地降低了系统的功耗，直接避免了镜频抑制等问题。利 用收发同源的原理，从根本上解决了收发同步带来数字信号的频谱泄露问题，从 根本上提高了矢量网络的散射参数的测量精度。利用成熟的商用光电子器件，具 有成本较低、实现相对简单、易于集成的特点。

Claims (7)

1.一种全光型微波光子矢量网络分析装置，其特征在于，包括光脉冲序列发生模块(1)、光脉冲重频转换与锁定模块(2)、可调谐的微波光子频率产生模块(3)、信号加载模块(4)、光采样与数字化模块(5)和信号处理模块(6)，所述的光脉冲序列发生模块(1)和光脉冲重频转换与锁定模块(2)的输入端相连；所述的光脉冲重频转换与锁定模块(2)的第一输出端(I)和第二输出端(II)分别与所述的微波光子频率产生模块(3)和光采样与数字化模块(5)的光输入端相连；

所述的微波光子频率产生模块(3)的光输出端与所述的信号加载模块(4)的光输入端相连，该信号加载模块(4)的输出端与所述的光采样与数字化模块(5)的射频输入端相连，该光采样与数字化模块(5)的输出端与所述的信号处理模块(6)的输入端相连，信号处理模块(6)的输出端与可调谐的微波光子频率产生模块(3)的控制端相连，所述的信号加载模块(4)的两个测试端口与待测器件的两端相连。

2.根据权利要求1所述的全光型微波光子矢量网络分析装置，其特征在于，所述的光脉冲重频转换与锁定模块(2)的第一输出端(I)和二输出端(II)与该光脉冲重频转换与锁定模块(2)的输入同步锁定。

3.根据权利要求1所述的全光型微波光子矢量网络分析装置，其特征在于，所述的可调谐的微波光子频率产生模块(3)用于输出幅度和频率大范围连续可调的单频信号。

4.根据权利要求1或3所述的全光型微波光子矢量网络分析装置，其特征在于，所述的可调谐的微波光子频率产生模块(3)包括光分路器(3-1)、第一光滤波器(3-2)、第二光滤波器(3-3)、频率源(3-4)、光移频器(3-5)、光合路器(3-6)和光电探测器(3-7)；

所述的光分路器(3-1)的输入端与所述的光脉冲重频转换与锁定模块(2)的输出端相连，该光分路器(3-1)的输出端分别与第一光滤波器(3-2)和第二光滤波器(3-3)的输入端相连，第二光滤波器(3-3)的输出端与所述的光移频器(3-5)的光输入端相连，该光移频器(3-5)的射频输入端与所述的频率源(3-4)的输出端与相连；所述的第一光滤波器(3-2)的输出端和光移频器(3-5)的输出端分别与所述的光合路器(3-6)的两个输入端相连，该光合路器(3-6)的输出端与所述的光电探测器(3-7)的输入端相连，该光电探测器(3-7)的输出端与所述的信号加载模块(4)相连，

所述的可调谐的微波光子频率产生模块(3)的输入信号为光脉冲序列，该光脉冲序列的重复频率大于等于所述的第一光滤波器(3-2)和第二光滤波器(3-3)的最小带宽，所述的第一光滤波器(3-2)或第二光滤波器(3-3)的中心频率和带宽可调；

所述的频率源(3-4)的最大输出频率大于等于所述的第一光滤波器(3-2)和第二光滤波器(3-3)的最小带宽的二分之一；所述的光移频器(3-5)的移频范围大于等于所述的频率源(3-4)的最大输出频率。

5.根据权利要求4所述的全光型微波光子矢量网络分析装置，其特征在于，所述的光脉冲重频转换与锁定模块(2)将所述的光脉冲序列发生模块(1)产生的光脉冲序列进行重频转换与锁定，产生两路同步锁定的光脉冲序列，分别作为所述的光采样与数字化模块(5)与该可调的微波光子频率产生模块(3)的光脉冲源，实现信号源与接收的同步；

所述的信号处理模块(6)控制第一光滤波器(3-2)或第二光滤波器(3-3)的中心频率和带宽实现单音信号频率的大步长调谐，该信号处理模块(6)控制所述的频率源(3-4)的输出频率实现单音信号频率的小范围小步长调谐；该单音信号以信号处理模块(6)设定的频率分辨率在测量范围内进行频率扫描，由该信号处理模块(6)计算被测器件的特性参数。

6.根据权利要求1所述的全光型微波光子矢量网络分析装置，其特征在于，所述的信号加载模块(4)包括功分器(4-1)、微波开关(4-2)、第一定向耦合器(4-3)和第二定向耦合器(4-4)；

所述的光采样与数字化模块(5)包括第一光耦合器(5-1)、第二光耦合器(5-2)、参考支路调制器(5-3)、第一测试支路调制器(5-4)、第二测试支路调制器(5-5)、光电探测模块(5-6)、电模数转换器(5-7)和同步模块(5-8)；

所述的功分器(4-1)的输入端与所述的微波光子频率产生模块(3)的输出端相连，该功分器(4-1)的第一输出端与所述的所述的参考支路调制器(5-3)的射频输入端相连，该功分器(4-1)的第二输出端与微波开关(4-2)的输入端相连，该微波开关(4-2)的第一输出端①与第一定向耦合器(4-3)的输入端相连，该第一定向耦合器(4-3)的直通端与被测器件的一个端口相连，该第一定向耦合器(4-3)的耦合端与第一测试支路调制器(5-4)的射频输入端相连；所述的微波开关(4-2)的第二输出端②与第二定向耦合器(4-4)的输入端相连，该第二定向耦合器(4-4)的直通端与被测器件的另一个端口相连，该第二定向耦合器(4-4)的耦合端与所述的第二测试支路调制器(5-5)的射频输入端相连；所述的光脉冲重频转换与锁定模块(2)第二输出端II与第一光耦合器(5-1)的输入端相连，该第一光耦合器(5-1)的第一输出端与第二光耦合器(5-2)的输入端相连，该第二光耦合器(5-2)的三个输出端分别与所述的参考支路调制器(5-3)、第一测试支路调制器(5-4)和第二测试支路调制器(5-5)的光输入端相连，所述的参考支路调制器(5-3)、第一测试支路调制器(5-4)和第二测试支路调制器(5-5)的输出端分别与光电探测模块(5-6)中的各自所在支路的光电探测器的输入端相连，该光电探测模块(5-6)中的各光电探测器的输出端分别与所述的电模数转换器(5-7)中的各自所在支路的电模数转换器的输入端相连，所述的电模数转换器(5-7)在收到脉冲激励信号后开始采样，并在脉冲激励信号结束前停止采样，所述的电模数转换器的输出端分别与所述的信号处理模块(6)相连；所述的第一光耦合器(5-1)的第二输出端通过同步模块(5-8)与所述的电模数转换器(5-7)相连，使所述的电模数转模块(5-7)的采样率与所述的光脉冲序列发生模块(1)输出的光脉冲序列的重复频率相同。

7.利用权利要求4-6任一所述的全光型微波光子矢量网络分析装置对被测器件散射参数的测试方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)将被测器件的两个端口分别与所述的信号加载模块(4)的两个测试端口相连，向信号处理模块(6)输入所测的散射参数的频率范围为f_min～f_max和频率扫描步长Δf；

2)光脉冲序列发生模块(1)产生重复频率为f_s的光脉冲序列，输入光脉冲重频转换与锁定模块(2)，该光脉冲重频转换与锁定模块模块(2)的第一输出端(I)和第二输出端(II)分别输出重复频率为f₁和f₂的光脉冲序列；

3)信号处理模块(6)将第一光滤波器(3-3)或第二光滤波器(3-2)的带宽设置为最小值；若f_min＜f₁/2，将第一光滤波器(3-3)或第二光滤波器(3-2)的中心频率f_ch2设置为与第一光滤波器(3-3)或第二光滤波器(3-2)的中心频率f_ch1相同；否则，令f_ch2＝f_ch1+REM(f_min/f₁)或f_ch2＝f_ch1-REM(f_min/f₁)，其中REM(*)表示取余运算；

4)若|f_min-|f_ch2-f_ch1||＜f₁/2，信号处理模块(6)将频率源(3-4)的输出频率设置为f₀＝|f_min-|f_ch2-f_ch1||，否则，设置频率源(3-4)的输出频率为f₀＝|f_min-|f_ch2-f_ch1||-f₁/2；设置频率源(3-4)的频率扫描步长为Δf；

5)信号处理模块(6)获取光采样与数字化模块(5)输出的数据，计算被测器件在频率点f＝f_min处的散射参数；

6)若光移频器(3-5)为频率右移模式(取频率大于光移频器(3-5)输入光频率的光信号)，信号处理模块(6)设置频率源(3-4)的输出频率为f₀＝f₀+Δf，若f₀+|f_ch2-f_ch1|≥f_max，进入步骤8)，否则，判断f₀是否大于f₁/2，若是，光移频器(3-5)变为频率左移模式(取频率小于光移频器(3-5)输入光频率的光信号)，并修改第一光滤波器(3-3)或第二光滤波器(3-2)的中心频率为f_ch2＝f_ch2+f₁；若光移频器(3-5)为频率左移模式，信号处理模块(6)设置频率源(3-4)的输出频率为f₀＝f₀-Δf，若|f_ch2-f_ch1|-f₀≥f_max，进入步骤8)，否则，判断f₀是否小于0，若是，光移频器(3-5)变为频率右移模式，并修改第一光滤波器(3-3)或第二光滤波器(3-2)的中心频率为f_ch2＝f_ch2-f₁；

7)信号处理模块(6)获取光采样与数字化模块(5)输出的数据，计算被测器件在频率点f＝f+Δf处的散射参数；重复步骤6)；

8)测试结束，根据已知的校准参数及相应的校准方法对测得的散射参数进行校准。

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