CN115333629B - 微波光子变频装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微波光子变频装置及方法，涉及微波变频技术领域。本发明通过激光器、第一双平行调制器、光功分器、功分器、相位调制器、第二双平行调制器、光探测器和正交耦合器等部件，实现了基于相位平衡镜频抑制原理的变频输出，并只需在其中第一双平行调制器的直流偏置电压上进行调节，便可同时实现对色散效应(尤其是前后端长距离光传输中的色散效应)导致的射频信号周期性衰落现象的消除，所述该装置系统紧凑、可重构性强，功能强大，可满足变频系统性能的提升和工程化的应用需求。

Description

微波光子变频装置及方法

技术领域

本发明涉及微波变频技术领域，具体涉及一种微波光子变频装置及方法。

背景技术

随着雷达、精确制导、遥感和无线电通信行业的快速发展，对射频信号的工作频段的需求也越来越高，以往的微波工作频段已经变得拥挤不堪，因此需要选择更高频段的空间资源，特别是在导弹制导、电子对抗、和电子情报系统领域里准毫米波和毫米波频段的技术日趋成熟，应用愈加广泛。传统微波变频技术面临常规低频段频谱资源受限、工作带宽低、传输损耗大、信号隔离度差、抗电磁干扰能力弱等电子瓶颈，使其难以满足未来电子信息系统的发展。为了解决这些问题，微波光子变频技术被引入。

目前，大量的微波光子变频系统被提出用于宽带射频信号的变频，但是在实际应用场合中一般均是单边带工作的，即只在一个边带内有信号输入。另一个边带称为镜频，因为它处于输入信号相对于本振信号的镜像位置。对某些电子系统来说，镜频的存在会导致接收信号的误判，引起接收机的虚假报警，此外镜频噪声也会使得混频器的噪声系数恶化，导致单边带噪声系数比双边带噪声系数大3dB。为了抑制镜频噪声和干扰，最简单的方法就是在光域引入窄带的光滤波器可以阻止镜频信号进入变频系统参与混频，但是大量的对于宽带系统或捷变频系统，采用镜频抑制滤波器会很困难甚至不能实现，此时十分需要采用镜频抑制功能的变频系统器，来实现自适应镜频抑制。

同时，在实际应用场合中，考虑到前端的小型化，普遍存在着射频前端和后端分离的情况，通过光纤传输链路，将前端的射频调制信号通过光纤传输拉远至后端，再进行变频和信号处理。然而，由于光传输链路中色散效应的存在，经较长距离的光纤传输传输后，不同频率成分的边带会产生不同程度的相移，这些相位偏移最终会引起在光电转化后的射频信号发生干涉作用，导致微波信号输出功率的变化，即接收到的信号功率呈周期性的功率衰减，进而影响系统增益、降低转换效率，并限制链路传输距离。

因此，在考虑实现上述的微波变频功能和镜频抑制的同时，常常还需要对微波光子链路中的色散效应进行补偿，来保证系统的性能，但是这会导致系统复杂以及工程应用的困难。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种微波光子变频装置及方法，解决了变频系统性能尚待提升的技术问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种微波光子变频装置，包括激光器、第一双平行调制器、光功分器、功分器、相位调制器、第二双平行调制器、光探测器和正交耦合器；所述第一双平行调制器包括第一、第二和第三子调制器，所述第二双平行调制器包括第四、第五和第六子调制器；

所述第一子调制器的入光口、第二子调制器的入光口均与激光器的出光口相连接，所述第一子调制器的出光口、第二子调制器的出光口均与第三子调制器的入光口相连接，所述第三子调制器的出光口通过光纤与所述光功分器的输入端相连接；

其中，所述第一子调制器的射频输入端用于接收射频信号，所述第二子调制器的射频输入端接地；

所述光功分器的第一输出端与相位调制器的输入端相连接，所述相位器的输出端通过上路光电探测器与正交耦合器相连接；

所述光功分器的第二输出端分别与第四子调制器的入光口、第五子调制器的入光口相连接，所述第四子调制器的出光口、第五子调制器的出光口均与第六子调制器的入光口相连接，所述第六子调制器的出光口通过下路光电探测器与正交耦合器相连接；

所述功分器的输入端用于接收本振信号，所述功分器的第一输出端与相位调制器的射频输入端相连接；

其中，所述第四子调制器的射频输入端与功分器的第二输出端相连接，所述第五子调制器的射频输入端接地。

一种微波光子变频方法，采用上述微波光子变频装置，包括：

所述激光器的输出光信号输入到第一双平行调制器中；

所述第一双平行调制器的第一子调制器工作在载波抑制双边带调制模式，第二子调制器工作在最大光输出模式；并控制第三子调制器的直流偏压，进而控制第二子调制器的输出信号相对于第一子调制器的输出信号发生第一相位偏移；

经过所述第一双平行调制器的光信号通过光纤传输后输入到光功分器，所述光功分器进行不等功率分光，实现分光后两路光信号经过光电转换后对应的拍频输出信号的幅度相等；其中，经过所述光功分器分成上路光信号输入到相位调制器中，下路光信号输入到第二双平行调制器中；

本振信号经过所述功分器分成相等的两路信号，其中一路输入到所述相位调制器的射频输入口，另一路输入到第二双平行调制器的第四子调制器的射频输入口；

所述第二双平行调制器的第四子调制器工作在载波抑制双边带调制模式，第五子调制器工作在最大光输出模式，控制第六子调制器的直流偏压控制第五子调制器的输出信号相对于第四子调制器的输出信号发生第二相位偏移；

经过相位调制器和第二个双平行调制器的光信号分别输入到相应的光电探测器中进行光电转换，并经过正交耦合器输出。

优选的，定义所述第一相位偏移为θ，第二相位偏移为δ，设置

优选的，当还需要对微波光子链路中的色散效应进行补偿时，定义所述第一相位偏移为θ，第二相位偏移为δ，设置

且/>

其中，

λ为光信号在光纤中的波长，c为光在真空中传播的速度，D为光纤的色散系数，w_m为射频信号的频率，L为传输距离。

优选的，所述光功分器按照光功率1:8的比例将光信号分成两路。

(三)有益效果

本发明提供了一种微波光子变频装置及方法。与现有技术相比，具备以下有益效果：

本发明通过双平行调制器和相位调制器等实现了基于相位平衡镜频抑制原理的变频输出，并只需在其中一个双平行调制器的偏置电压上进行调节，便可同时实现对色散效应(尤其是前后端长距离光传输中的色散效应)导致的射频信号周期性衰落现象的消除，所述该装置系统紧凑、可重构性强，功能强大，可满足变频系统性能的提升和工程化的应用需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1本发明实施例提供的一种微波光子变频装置的结构示意图。

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，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。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。

本申请实施例通过提供一种微波光子变频装置及方法，解决了变频系统性能尚待提升的技术问题。

本申请实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

针对微波光子变频链路中镜像干扰和色散效应导致的周期性衰落现象，本发明实施例提出一种同时具有镜频抑制和色散补偿功能的微波光子变频方法及装置，通过双平行调制器和相位调制器来实现两路变频信号的90°的相位差，再通过相位平衡来实现镜频抑制，在其基础上同时通过调节双平行调制器中的偏压，来实现对前端射频信号拉远传输至后端进行变频的过程中色散效应导致的变频后的射频信号周期性衰落的现象，对系统性能的提升和工程化的应用具有重要的意义。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例1：

如图1所示，本发明实施例提供了一种微波光子变频装置，包括激光器、第一双平行调制器、光功分器、功分器、相位调制器、第二双平行调制器、光探测器和正交耦合器。

其中，所述第一双平行调制器(即图1中的双平行调制器1)包括第一、第二和第三子调制器(分别为双平行调制器1的子调制器1、2、3)，所述第二双平行调制器(即图1中的双平行调制器2)包括第四、第五和第六子调制器(分别为双平行调制器2的子调制器1、2、3)。

所述第一子调制器的入光口、第二子调制器的入光口均与激光器的出光口相连接，所述第一子调制器的出光口、第二子调制器的出光口均与第三子调制器的入光口相连接，所述第三子调制器的出光口通过光纤与所述光功分器的输入端相连接。

其中，所述第一子调制器的射频输入端用于接收射频信号，所述第二子调制器的射频输入端接地。

所述光功分器的第一输出端与相位调制器的输入端相连接，所述相位器的输出端通过上路光电探测器(即图1中的光电探测器1)与正交耦合器相连接。

所述光功分器的第二输出端分别与第四子调制器的入光口、第五子调制器的入光口相连接，所述第四子调制器的出光口、第五子调制器的出光口均与第六子调制器的入光口相连接，所述第六子调制器的出光口通过下路光电探测器(即图1中的光电探测器2)与同一个正交耦合器相连接。

所述功分器的输入端用于接收本振信号，所述功分器的第一输出端与相位调制器的射频输入端相连接。

其中，所述第四子调制器的射频输入端与功分器的第二输出端相连接，所述第五子调制器的射频输入端接地。

实施例2：

本发明实施例提供了一种微波光子变频方法，采用实施例1介绍的微波光子变频装置，包括：

所述激光器的输出光信号输入到第一双平行调制器中。

通过控制相应的直流偏压，使得所述第一双平行调制器的第一子调制器工作在载波抑制双边带调制模式，第二子调制器工作在最大光输出模式，从而得到两个调制器的输出光信号的场强分别表示为：

其中，w₀为光载波的频率，E₀为双平行调制器的输入光信号的幅度，w_m为射频信号的频率，β_m为射频信号的调制深度，t为时间变量。

上述两束光作为第三子调制器的两臂在进行合路输出，并控制第三子调制器的直流偏压，进而控制第二子调制器的输出信号相对于第一子调制器的输出信号发生第一相位偏移，即使得两臂间产生θ的相位差，其输出场强可表示为：

经过所述第一双平行调制器的光信号通过光纤传输后输入到光功分器，所述光功分器进行不等功率分光，实现分光后两路光信号经过光电转换后对应的拍频输出信号的幅度相等；其中，经过所述光功分器分成上路光信号输入到相位调制器中，下路光信号输入到第二双平行调制器中。

具体的：

上述输出的光信号经过光纤传输后，到达光功分器，该光功分器按照光功率1:8的比例将光信号分成两路，其中上路的光信号输入到相位调制器，下路光信号的功率是上路的8倍输入到双平行调制器2。

用于变频的本振信号经过所述功分器分成相等的两路信号，其中一路输入到所述相位调制器的射频输入口，另一路输入到第二双平行调制器的第四子调制器的射频输入口。

则上路经过相位调制器后，忽略高阶和边带的调制后的小信号，其输出信号的场强可表示为：

其中，w_l为本振信号的频率，a为经过功分器的损耗系数，其中β_l为本振信号的调制深度，由于β_l很小，因此J_o(β_l)可近似为1。

下路输入到第二双平行调制器中，与前述的输入到第一双平行调制器一样，第二双平行调制器的第四子调制器工作在载波抑制双边带，第五子调制器工作在最大工作点，第六子调制器引入的第二相位偏差为δ，忽略高阶项和边带的调制后的小信号，其输出光信号的场强可以表示为：

经过相位调制器和第二个双平行调制器的光信号分别输入到相应的光电探测器中进行光电转换，并经过正交耦合器输出。

具体而言：

上述上下两路的光信号分别进入到探测器进行光电转换，设光电探测器的转换系数为η，上路的光信号经过探测器之后输出拍频信号，对应输出的的电流信号的差频分量可以表示为：

w_m>w_l时

w_m<w_l时

下路的光信号经过探测器之后拍频输出的的电流信号的差频分量可以表示为：

w_m>w_l时

w_m<w_l时

从上式可以看出，取

其中k为整数后：

第一、w_m>w_l时：

从上式可以看出，w_m>w_l时，上下两路信号幅度相等，相位相差

第二、w_m<w_l时：

同样从上式可以看出，w_m<w_l时，上下两路信号幅度相等，相位相差

同时I_1-和I₁₊的相位相差π，因此根据相位平衡镜频抑制原理，可知两路信号转化后的射频信号经过正交耦合器引入90的相移再叠加，便可实现在变频的同时对镜频进行抑制。

特别的，当还需要对微波光子链路中的色散效应进行补偿时，尤其是考虑到当前端接收的射频信号经过长距离传输拉远至后端进行变频时，由于光的色散效应，其射频信号会发生周期性衰落现象。

对不同频率的光信号，其传播同样的距离后，其相位变化存在差异，即ψ(ω)＝β(ω)L，其中L为传播距离。

其中

β₀为光载波ω₀处的传播常数，/>

其他高阶项忽略不计。

当射频信号在双平行调制器1处产生的上下双边带经过长距离的光纤传输后，其相位变化可以表示为：

当该上下边带再分别与本阵信号经过相位调制器和双平行调制器2产生的上下边带拍频后，而引入的上下边带的相位差为：

从上式可以看出，输出信号上下边带产生的附加相位差会影响输出信号的幅度，其与传输距离L有关，其中

λ为光信号在光纤中的波长，c为光在真空中传播的速度，D为光纤的色散系数。

因此，针对上述该情况，进一步设置

且/>

即可在实现前述的镜频抑制下变频的同时，通过调谐双平行调制器1的直流偏压V₁₃来控制的值，便可实现对长距离光纤传输的色散效应的补偿，消除变频后的信号的周期性衰落现象。

综上所述，与现有技术相比，具备以下有益效果：

本发明实施例通过双平行调制器和相位调制器等实现了基于相位平衡镜频抑制原理的变频输出，并只需在其中一个双平行调制器的偏置电压上进行调节，便可同时实现对色散效应(尤其是前后端长距离光传输中的色散效应)导致的射频信号周期性衰落现象的消除，所述该装置系统紧凑、可重构性强，功能强大，可满足变频系统性能的提升和工程化的应用需求。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种微波光子变频装置，其特征在于，包括激光器、第一双平行调制器、光功分器、功分器、相位调制器、第二双平行调制器、光探测器和正交耦合器；所述第一双平行调制器包括第一、第二和第三子调制器，所述第二双平行调制器包括第四、第五和第六子调制器；

所述第一子调制器的入光口、第二子调制器的入光口均与激光器的出光口相连接，所述第一子调制器的出光口、第二子调制器的出光口均与第三子调制器的入光口相连接，所述第三子调制器的出光口通过光纤与所述光功分器的输入端相连接；

其中，所述第一子调制器的射频输入端用于接收射频信号，所述第二子调制器的射频输入端接地；

所述光功分器的第一输出端与相位调制器的输入端相连接，所述相位调制器的输出端通过上路光电探测器与正交耦合器相连接；

所述光功分器的第二输出端分别与第四子调制器的入光口、第五子调制器的入光口相连接，所述第四子调制器的出光口、第五子调制器的出光口均与第六子调制器的入光口相连接，所述第六子调制器的出光口通过下路光电探测器与正交耦合器相连接；

所述功分器的输入端用于接收本振信号，所述功分器的第一输出端与相位调制器的射频输入端相连接；

其中，所述第四子调制器的射频输入端与功分器的第二输出端相连接，所述第五子调制器的射频输入端接地；

所述第一双平行调制器的第一子调制器工作在载波抑制双边带调制模式，第二子调制器工作在最大光输出模式；并控制第三子调制器的直流偏压，进而控制第二子调制器的输出信号相对于第一子调制器的输出信号发生第一相位偏移；

经过所述第一双平行调制器的光信号通过光纤传输后输入到光功分器，所述光功分器进行不等功率分光，实现分光后两路光信号经过光电转换后对应的拍频输出信号的幅度相等；其中，经过所述光功分器分成上路光信号输入到相位调制器中，下路光信号输入到第二双平行调制器中；

所述第二双平行调制器的第四子调制器工作在载波抑制双边带调制模式，第五子调制器工作在最大光输出模式，控制第六子调制器的直流偏压控制第五子调制器的输出信号相对于第四子调制器的输出信号发生第二相位偏移。

2.一种微波光子变频方法，采用如权利要求1所述的微波光子变频装置，其特征在于，包括：

所述激光器的输出光信号输入到第一双平行调制器中；

所述第一双平行调制器的第一子调制器工作在载波抑制双边带调制模式，第二子调制器工作在最大光输出模式；并控制第三子调制器的直流偏压，进而控制第二子调制器的输出信号相对于第一子调制器的输出信号发生第一相位偏移；

经过所述第一双平行调制器的光信号通过光纤传输后输入到光功分器，所述光功分器进行不等功率分光，实现分光后两路光信号经过光电转换后对应的拍频输出信号的幅度相等；其中，经过所述光功分器分成上路光信号输入到相位调制器中，下路光信号输入到第二双平行调制器中；

本振信号经过所述功分器分成相等的两路信号，其中一路输入到所述相位调制器的射频输入口，另一路输入到第二双平行调制器的第四子调制器的射频输入口；

所述第二双平行调制器的第四子调制器工作在载波抑制双边带调制模式，第五子调制器工作在最大光输出模式，控制第六子调制器的直流偏压控制第五子调制器的输出信号相对于第四子调制器的输出信号发生第二相位偏移；

经过相位调制器和第二个双平行调制器的光信号分别输入到相应的光电探测器中进行光电转换，并经过正交耦合器输出。

3.如权利要求2所述的微波光子变频方法，其特征在于，定义所述第一相位偏移为θ，第二相位偏移为δ，设置

4.如权利要求2所述的微波光子变频方法，其特征在于，当还需要对微波光子链路中的色散效应进行补偿时，定义所述第一相位偏移为θ，第二相位偏移为δ，设置

且

其中，

λ为光信号在光纤中的波长，c为光在真空中传播的速度，D为光纤的色散系数，w_m为射频信号的频率，L为传输距离。

5.如权利要求2～4任一项所述的微波光子变频方法，其特征在于，所述光功分器按照光功率1:8的比例将光信号分成两路。

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