CN115801120B - 一种微波源相位噪声测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微波源相位噪声测量装置，包括电功分器、电吸收调制激光器、单模光纤、可调光纤延时线、电环形器、电吸收调制器、光环形器、光纤布拉格光栅与信号分析装置。本发明利用电吸收调制激光器代替激光器与调制器，简化了装置结构，降低了装置成本；利用电吸收调制器实现全光域混频功能与光电转换，避免了电混频器的使用，拓展了测量带宽，避免了光电探测器、电放大器等有源器件对测量系统噪底的影响，提升了测量灵敏度；利用光纤布拉格光栅实现窄带滤波，避免光带通滤波器的使用，降低了装置损耗。本发明提供的微波源相位噪声测量装置结构简单、成本低廉、工作带宽大、响应平坦，降低了相位噪声测量系统噪底，提高了测量精度与灵敏度。

Description

一种微波源相位噪声测量装置及方法

技术领域

本发明涉及相位噪声测量技术领域，尤其是指一种微波源相位噪声测量装置及方法。

背景技术

微波源是现代雷达、通信、电子战、精密计量等系统的关键部件，其相位噪声对系统性能具有重要影响。随着宽带、超低相位噪声微波源技术的快速发展，基于单纯电子技术的微波信号相位噪声测量装置在工作带宽与灵敏度等方面受到极大挑战。因此，研究表征具有极低相位噪声的信号源的解决方案势在必行。

目前已有的相噪测量方案中，鉴相法的测量灵敏度与测量带宽受参考源的限制，互相关法虽然测量灵敏度较高，但是系统结构复杂且成本昂贵，传统的光延时鉴频法由于电混频器和电移相器的使用，测量带宽受到限制。为了解决这些问题，研究人员提出了一系列光子学辅助的相位噪声测量方案，包括基于偏振调制器和双驱马赫曾德尔调制器的微波光子移相器与基于级联调制器的微波光子变频器；并将前述微波光子移相器与微波光子变频器引入到光子延时线辅助相位噪声测量系统中，以实现相位噪声的宽带测量需求；然而，上述微波光子变频器中使用的光电探测器与上述微波光子移相器中使用的光带通滤波器与光电探测器等器件，使测量系统的结构变得复杂，成本变高。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中测量装置测量带宽有限、结构复杂、成本较高的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种微波源相位噪声测量装置，包括：

电功分器，输入端连接微波源来获取待测微波信号；

电吸收调制激光器，输入端连接所述电功分器的第一输出端，利用所述待测微波信号调制电吸收调制激光器产生的光载波信号，生成第一调制光信号；

单模光纤，其输入端连接所述电吸收调制激光器的输出端；

可调光纤延时线，其输入端连接所述单模光纤的输出端，接收经所述单模光纤的延时后的第一调制光信号，输出相移后的目标调制光信号；

电环形器，其第一端口连接所述电功分器的第二输出端，获取所述待测微波信号；

电吸收调制器，连接所述可调光纤延时线的另一端与所述电环形器第二端口，用于利用所述待测微波信号调制所述目标调制光信号，生成第二调制光信号；

光环形器，其第二端口连接所述电吸收调制器的输出端；

光纤布拉格光栅，其输入端连接所述光环形器第三端口，其输出端连接所述光环形器第一端口，用于获取所述第二调制光信号生成最终调制光信号输出，以便所述电吸收调制器获取所述最终调制光信号，并进行光电转换生成电信号输入到所述电环形器第二端口；

信号分析装置，连接所述电环形器第三端口，获取所述电信号进行分析得到所述待测微波信号的相位噪声。

本发明提供的一种微波源相位噪声测量装置，还包括低通滤波器，其输入端连接所述电环形器第三端口，其输出端连接所述信号分析装置。

在本发明的一个实施例中，所述电功分器为宽带电功分器。

在本发明的一个实施例中，所述电吸收调制激光器为宽带电吸收调制器，包括分布式反馈激光器与电吸收调制器；所述分布式反馈激光器用于产生所述光载波信号。

在本发明的一个实施例中，所述电环形器为宽带电环形器，电环形器第一端口的输入经电环形器第二端口输出，电环形器第二端口的输入经电环形器第三端口输出。

在本发明的一个实施例中，所述光环形器为宽带光环形器，光环形器第一端口的输入经光环形器第二端口输出，光环形器第二端口的输入经光环形器第三端口输出。

在本发明的一个实施例中，所述电吸收调制器为宽带电吸收调制器。

在本发明的一个实施例中，所述光纤布拉格光栅为窄带光纤布拉格光栅。

在本发明的一个实施例中，所述信号分析装置为快速傅里叶变换分析仪。

本发明提供了一种微波源相位噪声测量方法，包括：

电功分器获取待测微波信号，并将所述待测微波信号分为两路；

第一路待测微波信号输入电吸收调制激光器，调制光载波信号生成第一调制光信号，并经过单模光纤与可调光纤延时线，引入长延时与相移，生成目标调制光信号后，输入电吸收调制器；

第二路待测微波信号经电环形器输入电吸收调制器，调制所述目标调制光信号生成第二调制光信号；

所述第二调制光信号通过光环形器输入光纤布拉格光栅中，以便滤除所述第二调制光信号中心频率处的光信号，生成最终调制光信号，经光环形器反馈至电吸收调制器；

电吸收调制器对最终调制光信号进行拍频转化为电信号后，经电环形器输入低通滤波器中，以便滤除所述电信号中的高阶分量，得到低频电信号，输入至信号分析装置；

信号分析装置根据所述低频电信号的功率谱得到所述待测微波信号的相位噪声。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明所述的微波源相位噪声测量装置使用电吸收调制激光器代替激光器与调制器，简化了装置结构，降低了装置成本；利用电吸收调制器实现全光域混频功能与光电转换，避免了光电探测器等有源器件对测量系统噪底的影响，提升了测量灵敏度，拓展了装置测量带宽；利用光纤布拉格光栅实现窄带滤波，避免了光带通滤波器的使用，降低了装置损耗，提升了装置测量灵敏度与测量带宽。因此，本发明所述的微波源相位噪声测量装置具有结构简单、成本低廉、工作带宽大、响应平坦的优点，降低了相位噪声测量系统噪底，提高了测量精度与灵敏度。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明实施例所提供的微波源相位噪声测量装置示意图；

图2是本发明实施例所提供的微波源相位噪声测量方法的步骤示意图。

说明书附图标记说明：1、待测微波信号；2、电功分器；3、电吸收调制激光器；4、单模光纤；5、可调光纤延时线；6、电吸收调制器；7、电环行器；71、电环形器第一端口；72、电环形器第二端口；73、电环形器第三端口；8、光环行器；81、光环形器第一端口；82、光环形器第二端口；83、光环形器第三端口；9、光纤布拉格光栅；10、低通滤波器；11、信号分析装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

参照图1所示，本发明的微波源相位噪声测量装置包括：

电功分器，输入端连接微波源来获取待测微波信号；

电吸收调制激光器，输入端连接所述电功分器的第一输出端，利用所述待测微波信号调制电吸收调制激光器产生的光载波信号，生成第一调制光信号；

单模光纤，其输入端连接所述电吸收调制激光器的输出端；

可调光纤延时线，其输入端连接所述单模光纤的输出端，接收经所述单模光纤的延时后的第一调制光信号，输出相移后的目标调制光信号；

电环形器，其第一端口连接所述电功分器的第二输出端，获取所述待测微波信号；

电吸收调制器，连接所述可调光纤延时线的另一端与所述电环形器第二端口，用于利用所述待测微波信号调制所述目标调制光信号，生成第二调制光信号；

光环形器，其第二端口连接所述电吸收调制器的输出端；

光纤布拉格光栅，其输入端连接所述光环形器第三端口，其输出端连接所述光环形器第一端口，用于获取所述第二调制光信号生成最终调制光信号输出，以便所述电吸收调制器获取所述最终调制光信号，并进行光电转换生成电信号输入到所述电环形器第二端口；

信号分析装置，连接所述电环形器第三端口，获取所述电信号进行分析得到所述待测微波信号的相位噪声。

在本实施例中，微波源相位噪声测量装置还包括低通滤波器，其输入端连接所述电环形器的第三端口，其输出端连接所述信号分析装置，用于滤除电信号中的高频信号。

具体地，电功分器为宽带电功分器；电吸收调制激光器为宽带电吸收调制器，包括分布式反馈激光器与电吸收调制器，所述分布式反馈激光器用于产生所述光载波信号，电吸收调制器基于量子限制斯塔克效应，利用待测微波信号调制光载波信号产生第一调制光信号；电环形器为宽带电环形器，电环形器第一端口的输入经第二端口输出，第二端口的输入经第三端口输出；光环形器为宽带光环形器，光环形器第一端口的输入经第二端口输出，第二端口的输入经第三端口输出；电吸收调制器为宽带电吸收调制器；光纤布拉格光栅为窄带光纤布拉格光栅；信号分析装置为快速傅里叶变换分析仪。

在本实施例中，微波源相位噪声测量装置工作时，电吸收调制激光器在待测微波源的待测微波信号的驱动下产生第一调制光信号，通过单模光纤引入长延时τ，再通过可调光纤延时线引入相移θ，调节可调光纤延时线满足θ-ωτ＝π/2，其中ω为待测微波信号的角频率；引入长延时使得待测微波信号能自相干，快速傅里叶变换后即可测出待测信号的相噪，且延时越长，灵敏度越高；引入相移为了保证经长延时的待测微波信号与未经长延时的待测微波信号相位正交，保证测量的是相位噪声而不是幅度噪声。随后将引入了长延时与相移的目标调制光信号输入到电吸收调制器中，经待测微波源的待测微波信号进行调制，产生第二调制光信号；第二调制光信号通过光纤布拉格光栅滤波，滤除中心频率处的光信号，得到最终调制光信号；将最终调制光信号送入电吸收调制器中进行拍频，将最终调制光信号转化为电信号；经低通滤波器滤除电信号中的高阶分量，得到低频电信号；通过快速傅里叶变换分析仪对低频电信号进行分析得到待测微波信号的相位噪声。

基于上述实施例，参照图2所示，本实施例提供了一种微波源相位噪声测量方法，包括：

S1：电功分器获取待测微波信号，并将所述待测微波信号分为两路；

其中，V₁为待测微波信号的幅度，ω为待测微波信号的角频率，为待测微波信号的相位抖动；

S2：第一路待测微波信号输入电吸收调制激光器，调制光载波信号生成第一调制光信号，并经过单模光纤与可调光纤延时线，引入长延时与相移，生成目标调制光信号后，输入电吸收调制器；

光载波信号：E_cexp(jω_ct)，

第一调制光信号：E_o1＝E_c(1-ε)exp(jω_ct)exp[-V₁(t)V₀]

引入长延时与相移，生成目标调制光信号：

其中，E_c是光信号的电场幅度，ω_c是光信号的角频率，ε是电吸收调制激光器的最小消光比，V₀是其静态工作电压，τ为单模光纤引入的长延时，θ为可调光纤延时线引入的相移；

S3：第二路待测微波信号经电环形器输入电吸收调制器，调制所述目标调制光信号生成第二调制光信号：

其中，V₂为电吸收调制器的静态工作电压；

小信号调制下，根据第一类贝塞尔函数级数展开为：

E_o2∝E_cexp[jω_c(t-τ)][J₀(m₁)+J₁(m₁)e^jα1-J₁(m₁)e^-jα1+J₀(m₂)+J₁(m₂)e^jα2-J₁(m₁)e^-jα2]

其中，J_n(x)为n阶第一类贝塞尔函数，

S4：所述第二调制光信号通过光环形器输入光纤布拉格光栅中，以便滤除所述第二调制光信号中心频率处的光信号，生成最终调制光信号，经光环形器反馈至电吸收调制器：

S5：电吸收调制器对最终调制光信号进行拍频转化为电信号后，经电环形器输入低通滤波器中，以便滤除所述电信号中的高阶分量，得到低频电信号，输入至信号分析装置；

最终调制光信号进行拍频转化为电信号：

滤除所述电信号中的高阶分量，得到低频电信号：

为校准系数；

调节可调光纤延时线满足则低频电信号可表示为：

S6：信号分析装置根据所述低频电信号的功率谱得到所述待测微波信号的相位噪声：

低频电信号的功率谱可表示为：

其中，S_o(f)是待测微波信号的双边带相位噪声功率谱密度，则根据定义，单边带功率谱密度即相位噪声可以写成：

本发明所述的微波源相位噪声测量装置使用电吸收调制激光器代替激光器与调制器，简化了装置结构，降低了装置成本；利用电吸收调制器实现全光域混频功能，避免了电混频器的使用，拓展了装置测量带宽；利用电吸收调制器实现光电转换，避免了光电探测器，电放大器等有源器件对测量系统噪底的影响，提升了测量灵敏度；利用光纤布拉格光栅实现窄带滤波，避免了光带通滤波器的使用，降低了装置损耗，提升了装置测量灵敏度与测量带宽。综上所述，本发明所述的微波源相位噪声测量装置是基于电吸收调制激光器的紧凑型微波相位噪声测量装置，具有结构简单、成本低廉、工作带宽大、响应平坦的优点，降低了相位噪声测量系统噪底，提高了测量精度与灵敏度。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种微波源相位噪声测量装置，其特征在于，包括：

电功分器，输入端连接微波源来获取待测微波信号；

电吸收调制激光器，输入端连接所述电功分器的第一输出端，利用所述待测微波信号调制电吸收调制激光器产生的光载波信号，生成第一调制光信号；

单模光纤，其输入端连接所述电吸收调制激光器的输出端；

可调光纤延时线，其输入端连接所述单模光纤的输出端，接收经所述单模光纤的延时后的第一调制光信号，输出相移后的目标调制光信号；

电环形器，其第一端口连接所述电功分器的第二输出端，获取所述待测微波信号；

电吸收调制器，连接所述可调光纤延时线的另一端与所述电环形器第二端口，用于利用所述待测微波信号调制所述目标调制光信号，生成第二调制光信号；

光环形器，其第二端口连接所述电吸收调制器的输出端；

光纤布拉格光栅，其输入端连接所述光环形器第三端口，其输出端连接所述光环形器第一端口，用于获取所述第二调制光信号生成最终调制光信号输出，以便所述电吸收调制器获取所述最终调制光信号，并进行光电转换生成电信号输入到所述电环形器第二端口；

信号分析装置，连接所述电环形器第三端口，获取所述电信号进行分析得到所述待测微波信号的相位噪声。

2.根据权利要求1所述的微波源相位噪声测量装置，其特征在于，还包括低通滤波器，其输入端连接所述电环形器第三端口，其输出端连接所述信号分析装置。

3.根据权利要求1所述的微波源相位噪声测量装置，其特征在于，所述电功分器为宽带电功分器。

4.根据权利要求1所述的微波源相位噪声测量装置，其特征在于，所述电吸收调制激光器为宽带电吸收调制器。

5.根据权利要求1所述的微波源相位噪声测量装置，其特征在于，所述电环形器为宽带电环形器，电环形器第一端口的输入经电环形器第二端口输出，电环形器第二端口的输入经电环形器第三端口输出。

6.根据权利要求1所述的微波源相位噪声测量装置，其特征在于，所述光环形器为宽带光环形器，光环形器第一端口的输入经光环形器第二端口输出，光环形器第二端口的输入经光环形器第三端口输出。

7.根据权利要求1所述的微波源相位噪声测量装置，其特征在于，所述电吸收调制器为宽带电吸收调制器。

8.根据权利要求1所述的微波源相位噪声测量装置，其特征在于，所述光纤布拉格光栅为窄带光纤布拉格光栅。

9.根据权利要求1所述的微波源相位噪声测量装置，其特征在于，所述信号分析装置为快速傅里叶变换分析仪。

10.一种微波源相位噪声测量方法，其特征在于，应用于如权利要求1至9任一项所述的微波源相位噪声测量装置，测量方法包括：

电功分器获取待测微波信号，并将所述待测微波信号分为两路；

第一路待测微波信号输入电吸收调制激光器，调制光载波信号生成第一调制光信号，并经过单模光纤与可调光纤延时线，引入长延时与相移，生成目标调制光信号后，输入电吸收调制器；

第二路待测微波信号经电环形器输入电吸收调制器，调制所述目标调制光信号生成第二调制光信号；

所述第二调制光信号通过光环形器输入光纤布拉格光栅中，以便滤除所述第二调制光信号中心频率处的光信号，生成最终调制光信号，经光环形器反馈至电吸收调制器；

电吸收调制器对最终调制光信号进行拍频转化为电信号后，经电环形器输入低通滤波器中，以便滤除所述电信号中的高阶分量，得到低频电信号，输入至信号分析装置；

信号分析装置根据所述低频电信号的功率谱得到所述待测微波信号的相位噪声。