CN117768033A - 微波光子变频装置及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种微波光子变频装置及方法，包括：光源组件，适用于产生具有相同频率的第一光信号和第二光信号；射频调制通路，包括：第一分束器，适用于将第一光信号分成第一支路光信号和第二支路光信号；第一调制器，适用于基于第一射频信号调制第一支路光信号，获得第一调制光信号；第二调制器，适用于基于第二射频信号调制第二支路光信号，获得第二调制光信号；第一合束器，适用于将第一调制光信号和第二调制光信号进行合束，获得射频调制光信号；第三调制器，适用于基于本振调制信号调制第二光信号，获得本振调制光信号；以及光电转换装置，适用于基于射频调制光和本振调制光输出中频微波信号。

Description

微波光子变频装置及方法

技术领域

本公开涉及微波技术和光通信技术领域，更具体地涉及一种微波光子变频装置及方法。

背景技术

在通信系统中，变频装置是微波接收机的核心设备。由于数模转换装置对高频信号无法有效处理，因此需要利用下变频技术将空间射频信号先搬移至固定的中频频点，以便更容易地将其数字化。近些年来，雷达、无线通信、卫星通信等通信系统正朝着高频段，大带宽和高速率方向发展，微波接收机作为通信系统中不可或缺的组成部分，也因此面临着更高性能的挑战。

微波链路的一个关键特性是无杂散动态范围(Spurious-free Dynamic Range，SFDR)，它是用来衡量雷达系统对微波信号功率的容忍范围的重要指标。在传统的微波接收机中，下变频由电混频器实现。虽然传统电学变频技术成熟、转换精度高，但它的本振/射频隔离度较低(15dB)、本振驱动功率较高(10dBm)，并且存在带宽限制和较大的插入损耗，同时这些缺点会进一步导致链路的损耗和非线性失真，这些问题限制了传统电学变频的应用。

而微波光子技术以其大带宽、低损耗、多频段、抗电磁干扰等优势，逐渐广泛应用于通信系统。微波光子变频技术融合了微波和光纤通信的优势，解决了宽带无线通信系统中信号频率及带宽受限的问题，但是微波光子变频器使用马赫曾德尔调制器进行光电转换，其非线性传递函数固有地引入三阶交调失真(3rd Order IntermodulationDistortion，IMD3)，制约微波光子变频器的无杂散动态范围，导致微波光子变频器的无杂散动态范围较小。

发明内容

为解决现有技术中的所述以及其他方面的至少一种技术问题，本公开提供了一种微波光子变频装置及方法，能够抑制三阶交调信号，提高了变频系统的无杂散动态范围。

根据本公开的一个方面的实施例，提供了一种微波光子变频装置，包括：

光源组件，适用于产生具有相同频率的第一光信号和第二光信号；

射频调制通路，包括：

信号发生装置，适用于产生功率不同的第一射频信号和第二射频信号；

第一分束器，适用于将上述第一光信号分成第一支路光信号和第二支路光信号；

第一调制器，适用于基于上述第一射频信号调制上述第一支路光信号，获得第一调制光信号；

第二调制器，适用于基于上述第二射频信号调制上述第二支路光信号，获得第二调制光信号；

第一合束器，适用于将上述第一调制光信号和第二调制光信号进行合束，获得射频调制光信号；

本振调制通路，包括：

本振信号源，适用于产生本振信号；

第三调制器，适用于基于上述本振信号调制上述第二光信号，获得本振调制光信号；以及

光电转换装置，适用于基于上述射频调制光和本振调制光输出中频微波信号。

根据本公开实施例的微波光子变频装置，上述第一调制器与第二调制器的半波电压不同，并且上述第一调制器与第二调制器工作的正交偏置点相反。

根据本公开实施例的微波光子变频装置，上述信号发生装置包括：

射频信号源，适用于提供初始射频信号；

功分器，适用于将上述初始射频信号等分为第一射频信号和射频子信号；以及

衰减器，适用于将上述射频子信号进行功率衰减，以得到上述第二射频信号，其中，上述第一射频信号和第二射频信号的功率比为β²：(1-β²)。

根据本公开实施例的微波光子变频装置，光源组件包括：

激光源，适用于产生初始激光；以及

第二分束器，适用于将上述初始激光分成第一光信号和第二光信号。

根据本公开实施例的微波光子变频装置，上述光电转换装置包括：

第二合束器，适用于将上述射频调制光信号和本振调制光信号进行合束，以得到调制光信号；以及

探测器，适用于基于上述调制光信号进行拍频，得到中频光信号，并基于上述中频光信号实现光电转换，以得到初始中频微波信号。

根据本公开实施例的微波光子变频装置，上述光电转换装置还包括：

光放大器，适用于将来自于上述第二合束器的调制光信号放大后输送到上述探测器；以及

滤波器，适用于对上述初始中频微波信号进行滤波，滤除由上述探测器下变频后的上述初始中频微波信号中的杂散信号，以输出上述中频微波信号。

根据本公开的第二方面的实施例，提供了一种微波光子变频方法，包括：

利用光源组件产生具有相同频率的第一光信号和第二光信号；

利用第一分束器将上述第一光信号分成第一支路光信号和第二支路光信号；

利用信号发生装置产生功率不同的第一射频信号和第二射频信号；

利用第一调制器基于上述第一射频信号调制上述第一支路光信号，获得第一调制光信号；

利用第二调制器基于上述第二射频信号调制上述第二支路光信号，获得第二调制光信号；

利用第一合束器将上述第一调制光信号和第二调制光信号进行合束，获得射频调制光信号；

利用本振信号源产生本振信号；

利用第三调制器基于上述本振信号调制上述第二光信号，获得本振调制光信号；

利用光电转换装置基于上述射频调制光和本振调制光输出中频微波信号。

根据本公开实施例的微波光子变频方法，利用光源组件产生具有相同频率的第一光信号和第二光信号包括：

利用激光源产生初始激光；

利用第二分束器将上述初始激光分成第一光信号和第二光信号。

根据本公开实施例的微波光子变频方法，利用信号发生装置产生功率不同的第一射频信号和第二射频信号包括：

利用射频信号源提供初始射频信号；

利用功分器将上述初始射频信号等分为第一射频信号和射频子信号；

利用衰减器将上述射频子信号进行功率衰减，以得到上述第二射频信号，其中，上述第一射频信号和第二射频信号的功率比为β²：(1-β²)。

根据本公开实施例的微波光子变频方法，利用光电转换装置基于上述射频调制光和本振调制光输出中频微波信号包括：

利用光放大器将来自于上述第二合束器的调制光信号放大；

利用探测器基于上述调制光信号进行拍频，得到中频光信号，并基于上述中频光信号实现光电转换，以得到初始中频微波信号；

利用滤波器对上述初始中频微波信号进行滤波，滤除由上述探测器下变频后的上述初始中频微波信号中的杂散信号，以输出上述中频微波信号。

根据本公开实施例的微波光子变频装置及方法，通过采用射频调制通路获得射频调制光信号，采用本振调制通路获得本振调制光信号，利用光电转换装置基于射频调制光信号和本振调制光信号输出中频微波信号，实现射频信号的变频，通过调节第一调制器、第二调制器及第三调制器的直流偏置电压调节调制器的工作点、第一支路光信号与第二支路光信号的比例、第一射频信号与第二射频信号的功率占比，实现了变频时对三阶交调信号的抑制，提高了变频系统的无杂散动态范围。

附图说明

通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述内容以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示意性示出了根据本公开实施例的微波光子变频装置的原理性示意图；

图2示意性示出了根据本公开实施例的调制器工作点曲线图；

图3示意性示出了根据本公开实施例的微波光子变频装置的第一调制器的结构放大图；

图4示意性示出了根据本公开实施例的微波光子变频装置的第二调制器的结构放大图；

图5示意性示出了根据本公开实施例的微波光子变频装置的第三调制器的结构放大图；

图6示意性示出了根据本公开实施例的微波光子变频方法操作流程图；

图7示意性示出了根据本公开实施例的微波光子变频方法中利用光源组件产生具有相同频率的第一光信号和第二光信号的操作流程图；

图8示意性示出了根据本公开实施例的微波光子变频方法中利用信号发生装置产生功率不同的第一射频信号和第二射频信号的操作流程图；

图9示意性示出了根据本公开实施例的微波光子变频方法中利用光电转换装置基于所述射频调制光和本振调制光输出中频微波信号的操作流程图；

图10示意性示出了根据本公开实施例的微波光子变频装置及方法的输出频谱图；

图11示意性示出了单调制器微波光子变频装置及方法的输出频谱图；

图12示意性示出了根据本公开实施例的微波光子变频装置及方法的无杂散动态范围；

图13示意性示出了单调制器微波光子变频装置及方法的无杂散动态范围。

上述附图中，附图标记含义具体如下：

1-射频调制通路；

11-第一分束器；

12-信号发生装置；

121-射频信号源；

122-功分器；

123-衰减器；

13-第一调制器；

14-第二调制器；

15-第一合束器；

2-本振调制通路；

21-本振信号源；

22-第三调制器；

3-光源组件；

31-激光源；

32-第二分束器；

4-光电转换装置；

41-第二合束器；

42-光放大器；

43-探测器；

44-滤波器；

①-负的正交偏置点；

②-正的正交偏置点；

③-最小偏置点；

④-最大偏置点。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。

现有技术中，微波光子变频器中采用马赫曾德尔调制器进行光电转换，其非线性传递函数固有地引入三阶交调失真(IMD3)，三阶交调失真(IMD3)影响微波光子变频器的无杂散动态范围，微波光子变频器的无杂散动态范围较小。

有鉴于此，本公开提供了一种微波光子变频装置及方法，通过采用射频调制通路获得射频调制光信号，采用本振调制通路获得本振调制光信号，利用光电转换装置基于射频调制光信号和本振调制光信号输出中频微波信号，实现射频信号的变频，通过调节第一调制器、第二调制器及第三调制器的直流偏置电压调节调制器的工作点、第一支路光信号与第二支路光信号的比例、第一射频信号与第二射频信号的功率占比，实现了变频时对三阶交调信号的抑制，提高了变频系统的无杂散动态范围。

图1示意性示出了根据本公开实施例的微波光子变频装置的原理性示意图。

根据本公开的一些实施例，如图1所示，该微波光子变频装置包括：射频调制通路1、本振调制通路2、光源组件3以及光电转换装置4。光源组件3适用于产生具有相同频率的第一光信号和第二光信号。射频调制通路1包括第一分束器11、信号发生装置12、第一调制器13、第二调制器14以及第一合束器15。第一分束器11适用于将第一光信号分成第一支路光信号和第二支路光信号；信号发生装置12适用于产生功率不同的第一射频信号和第二射频信号；第一调制器13适用于基于第一射频信号调制第一支路光信号，获得第一调制光信号；第二调制器14适用于基于第二射频信号调制第二支路光信号，获得第二调制光信号；第一合束器15适用于将第一调制光信号和第二调制光信号进行合束，获得射频调制光信号。本振调制通路2包括本振信号源21以及第三调制器22，本振信号源21适用于产生本振信号；第三调制器22适用于基于本振信号调制第二光信号，获得本振调制光信号。光电转换装置4适用于基于射频调制光和本振调制光输出中频微波信号。

在本实施例中，通过设置光源组件3提供具有相同频率的第一光信号和第二光信号，采用射频调制通路1将第一光信号调制为射频调制光信号并输出，采用本振调制通路2将本振信号调制为本振调制光信号并输出，采用光电转换装置4基于射频调制光信号和本振调制光信号输出中频微波信号，实现了射频信号的变频，并通过调节第一支路光信号与第二支路光信号的比例与第一射频信号与第二射频信号的功率占比，以抑制变频时对三阶交调信号，提高变频系统的无杂散动态范围。

根据本公开的一些实施例，第一光信号与第二光信号频率相同，第一分束器11将第一光信号分成第一支路光信号和第二支路光信号，第一支路光信号的功率与第二支路光信号的功率成一定比例，例如：其功率占比为α²：(1-α²)。第一射频信号与第二射频信号的功率不同，即α²≠(1-α²)。

根据本公开的一些实施例，第一光信号、第二光信号、第一支路光信号和第二支路光信号均为光载波信号，载波是指被调制以传输信号的波形，一般为正弦波。载波信号是将原始信号调制到其他频率上去，也称承载信号，原始信号包括射频信号、本振信号等，载波信号可使得源信号传播的距离更远。

根据本公开的一些实施例，本振信号与初始射频信号分别加在至本振调制通路2和射频调制通路1，可防止本振信号与初始射频信号之间的串扰，提高微波光子变频装置的隔离度。

根据本公开的一些实施例，第一调制器13与第二调制器14的半波电压不同，并且第一调制器13与第二调制器14工作的正交偏置点相反。

在本实施例中，采用半波电压不同的第一调制器13和第二调制器14，并且第一调制器13与第二调制器14工作的正交偏置点相反，以抑制调制器调制光信号时产生的三阶交调信号。

图2示意性示出了根据本公开实施例的调制器工作点曲线图。

根据本公开的实施例，如图2所示，横坐标表示加载在调制器上的直流偏置电压V_dc，纵坐标表示调制器输出的光电流I_out，光电流I_out与电场强度绝对值的平方|E_out|²成正比。图2中V_π为半波电压，半波电压是指光的相位改变量为π所需要的电压。半波电压为调制器的一个重要参数。

根据本公开的实施例，调制器的工作点是指通过外部电路的设置使得调制器处于所要求的电位，通过调节调制器的直流偏置电压，使其工作在所要求的工作点，以调制光信号。图2中的①和②互为相反的正交偏置点，①点所在的切线斜率为负，因此①为负的正交偏置点，②所在的切线斜率为正，因此为正的正交偏置点，③为最小偏置点，④为最大偏置点。①和②为线性工作点，③和④为非线性工作点。

根据本公开可选的一些实施例，第一调制器13的工作点包括①和②中的任一种，若第一调制器13的工作点为①，那么第二调制器14的工作点为②；若第一调制器13的工作点为②，那么第二调制器14的工作点为①。第三调制器22工作在非典型偏置点，非典型偏置点是指除①、②、③、④以外其它的工作点。当第一调制器13与第二调制器14工作在相反的正交偏置点时，第一调制器13与第二调制器14调制时产生的两路三阶交调信号的相位相反，可通过调节第一支路光信号和第二支路光信号的功率占比，使得第一调制器13与第二调制器14调制时产生的两路三阶交调信号的幅度相同。由于两路三阶交调信号的幅度相同，但其相位相反，因此可抑制调制器调制光信号时产生的三阶交调信号。

图3示意性示出了根据本公开实施例的微波光子变频装置的第一调制器13的结构放大图；图4示意性示出了根据本公开实施例的微波光子变频装置的第二调制器14的结构放大图；图5示意性示出了根据本公开实施例的微波光子变频装置的第三调制器22的结构放大图。

根据本公开可选的一些实施例，如图3、图4和图5所示，第一调制器13、第二调制器14和第三调制器22均为马赫曾德尔调制器，马赫曾德尔调制器由Y型分支器、光波导和电极组成，Y型分支器将输入的光信号分成振幅和相位完全相同的两束光，并且随着光波导在上下两支路上进行传输，通过改变施加在电极上的电压以改变光波导的折射率，进而使得两束光的相位发生改变，实现光信号的调制。图3、图4和图5中G(Ground)、S(Signal)为调制器的电源接口，G端为接地端，S为信号端，S端连接电源正极及信号。

根据本公开的一些实施例，信号发生装置12包括射频信号源121、功分器122以及衰减器123。射频信号源121适用于提供初始射频信号；功分器122适用于将初始射频信号等分为第一射频信号和射频子信号；衰减器123适用于将射频子信号进行功率衰减，以得到第二射频信号，其中，第一射频信号和第二射频信号的功率比为β²：(1-β²)。

在本实施例中，采用射频信号源121提供初始射频信号，采用功分器122将初始射频信号等分为第一射频信号和射频子信号。采用衰减器123将射频子信号进行功率衰减得到第二射频信号，以对第一射频信号和第二射频信号分别输入第一调制器13与第二调制器14中，通过调节第一射频信号和第二射频信号的功率占比，抑制调制器调制光信号时产生的三阶交调信号。

根据本公开可选的一些实施例，衰减器123包括可变电阻、固定电阻中的任一种，通过调节电阻的阻值以减小信号的幅度或功率。

根据本公开的一些实施例，光源组件3包括激光源31以及第二分束器32，激光源31适用于产生初始激光；第二分束器32适用于将初始激光分成第一光信号和第二光信号。

在本实施例中，采用第二分束器32将激光源31产生的初始激光分成第一光信号和第二光信号，以分别传输至射频调制通路1和本振调制通路2中，提供调制器调制信号时需要的光载波信号。

根据本公开可选的一些实施例，第一光信号和第二光信号的频率相同，第一光信号和第二光信号的功率大小成一定比例。例如：第一光信号的功率占比为初始激光功率的30％，第二光信号的功率占比为初始激光功率的70％。

根据本公开的一些实施例，光电转换装置4包括第二合束器41以及探测器43，第二合束器41适用于将射频调制光信号和本振调制光信号进行合束，以得到调制光信号；探测器43适用于基于调制光信号进行拍频，得到中频光信号，并基于所述中频光信号实现光电转换，以得到初始中频微波信号。

在本实施例中，采用第二合束器41将射频调制光信号和本振调制光信号进行合束得到调制光信号，采用探测器43进行拍频、光电转换，得到初始中频微波信号，最终实现初始射频信号频率的改变，即实现变频。

根据本公开的一些实施例，拍频是指射频调制光信号与本振调制光信号叠加产生的中频光信号的现象，中频光信号的频率为本振调制光信号频率与射频调制光信号频率的差，因此中频光信号又可称为差频信号。拍频的目的是将频率较高信号中的频率信息和位相信息转移到差频信号中，使得频率较高信号中的频率信息和位相信息变得容易测量。

根据本公开的一些实施例，光电转换装置4还包括光放大器42以及滤波器44。光放大器42适用于将来自于第二合束器41的调制光信号放大后输送到探测器43；滤波器44适用于对初始中频微波信号进行滤波，滤除由探测器43下变频后的初始中频微波信号中的杂散信号，以输出中频微波信号。

在本实施例中，采用光放大器42放大调制光信号，采用滤波器44对初始中频微波信号进行滤波，滤除杂散信号，可降低杂散信号的影响，提高最终输出的中频微波信号的质量。

根据本公开的一些实施例，杂散信号是指与初始中频微波信号不相干的干扰信号和噪声。杂散信号可能会导致初始中频微波信号的非线性失真，降低整个微波光子变频装置的整体性能和可靠性。

本公开还提供了一种微波光子变频方法，包括：操作S101～操作S109。

在操作S101中，利用光源组件3产生具有相同频率的第一光信号和第二光信号；

在操作S102中，利用第一分束器11将第一光信号分成第一支路光信号和第二支路光信号；

在操作S103中，利用信号发生装置12产生功率不同的第一射频信号和第二射频信号；

在操作S104中，利用第一调制器13基于第一射频信号调制第一支路光信号，获得第一调制光信号；

在操作S105中，利用第二调制器14基于第二射频信号调制第二支路光信号，获得第二调制光信号；

在操作S106中，利用第一合束器15将第一调制光信号和第二调制光信号进行合束，获得射频调制光信号；

在操作S107中，利用本振信号源21产生本振信号；

在操作S108中，利用第三调制器22基于本振信号调制第二光信号，获得本振调制光信号；

在操作S109中，利用光电转换装置4基于射频调制光和本振调制光输出中频微波信号。

在一种示意性实施例中，第一调制器13和第二调制器14的直流偏置电压分别为V_dc1与V_dc2，第一调制器13工作在切线斜率为正的正交偏置点，第二调制器14工作在切线斜率为负的正交偏置点。

根据本公开的一些实施例，利用光源组件3产生具有相同频率的第一光信号和第二光信号包括：操作S201～操作S202。

在操作S201中，利用激光源31产生初始激光；

在操作S202中，利用第二分束器32将初始激光分成第一光信号和第二光信号。

在一种示意性实施例中，初始激光、第一光信号和第二光信号的幅度均为E₀、频率均为f_c。

根据本公开的一些实施例，利用信号发生装置12产生功率不同的第一射频信号和第二射频信号包括：操作S301～操作S303。

在操作S301中，利用射频信号源121提供初始射频信号；

在操作S302中，利用功分器122将初始射频信号等分为第一射频信号和射频子信号；

在操作S303中，利用衰减器123将射频子信号进行功率衰减，以得到第二射频信号。

根据本公开的一些实施例，第一射频信号和第二射频信号的功率比为β²：(1-β²)。

在一种示意性实施例中，初始射频信号、第一射频信号和第二射频信号均为幅度为V₀、频率为f₁、f₂的射频双音信号。

根据本公开的一些实施例，双音信号是指一种包含两个频率的信号，也称为二进制音信号或多频信号。它是通过在发射器中同时产生两个具有不同频率的正弦波信号来生成的。

根据本公开的一些实施例，利用光电转换装置4基于射频调制光和本振调制光输出中频微波信号包括：操作S401～操作S403。

在操作S401中，利用光放大器42将来自于第二合束器41的调制光信号放大；

在操作S402中，利用探测器43基于调制光信号进行拍频，得到中频光信号，并基于中频光信号实现光电转换，以得到初始中频微波信号；

在操作S403中，利用滤波器44对初始中频微波信号进行滤波，滤除由探测器43下变频后的初始中频微波信号中的杂散信号，以输出中频微波信号。

在一种示意性实施例中，对于第一调制器13，如图3所示，其第一输入光场信号E_in1可表示为公式(1)：

其中，E_in1为第一输入光场信号的电场强度，输入光场信号包括第一射频调制信号和第一支路光信号，E₀为初始激光的电场强度，α为初始激光的光功率占比，α为变量。

第一调制器13的上、下两臂的电压V₁₁和V₁₂可分别表示为公式(2)和(3)：

V₁₁＝V_dc1+βV₀(cosω₁t+cosω₂t) (2)

V₁₂＝-βV₀(cosω₁t+cosω₂t) (3)。

其中，V₁₁为第一调制器13的上臂电压，V₁₂为第一调制器13的下臂电压，V_dc1为第一调制器13的直流偏置电压，β为射频双音信号的功率占比，β为变量，V₀为射频双音信号的幅度，cosω₁t和cosω₂t分别表示为射频双音信号中两个不同频率的信号。

第一调制器13的上、下两臂的电场强度E₁₁和E₁₂可分别表示为公式(4)和(5)：

其中，E₁₁为第一调制器13的上臂的电场强度，E₁₂为第一调制器13的下臂的电场强度，j为复数，x₀为射频双音信号的调制系数，x_dc1为直流偏置电压的调制系数，x₀与x_dc1可分别表示为公式(6)和(7)：

其中，V₀为射频双音信号的幅度，V_dc1为第一调制器13的直流偏置电压，V_π为半波电压。

将公式(4)和(5)分别用贝塞尔函数(Bessel)展开可得到公式(8)和(9)：

其中，E₁₁为第一调制器13的上臂的电场强度，E₁₂为第一调制器13的下臂的电场强度，E₀为初始激光的电场强度，j为复数，m和n均为级数，α为初始激光的光功率占比，β为射频双音信号的功率占比，α和β均为变量，x₀为射频双音信号的调制系数，x_dc1为第一调制器13直流偏置电压的调制系数。

由公式(8)和(9)可以看出，在对射频双音信号的调制过程中，第一调制器13与第二调制器14会产生一系列ω₁与ω₂的频率组合。为简化计算，将输入电场强度归一化，即令E₀＝1。

以[ω]表示exp(jωt)，将忽略3阶及以上分量，得到公式(10)和(11)：

其中，E₁₁为第一调制器13的上臂的电场强度，E₁₂为第一调制器13的下臂的电场强度，α为初始激光的光功率占比，β为射频双音信号的功率占比，α和β均为变量，j为复数，x₀为射频双音信号的调制系数，x_dc1为直流偏置电压的调制系数。

只考虑调制与探测器43拍频过程中与基频(fundamental frequency，FH)、IMD3、二次谐波失真(Second Harmonic Distortion，SHD)有关的项，并忽略高阶项，此时需要考虑的频率分量为[±ω₁，±ω₂]，[±(2ω₁-ω₂)，±(2ω₂-ω₁)]，[±(ω₁-ω₂)]，[±2ω₁，±2ω₂]，则第一调制器13输出的第一调制光信号E_out1可表示为公式(12)：

其中，E_out1为第一调制器13输出的第一调制光信号，E₁₁为第一调制器13的上臂的电场强度，E₁₂为第一调制器13的下臂的电场强度。

由公式(11)、(12)和(13)得到第一调制光信号的每种分量的系数，可分别表示为公式(13)、(14)、(15)、(16)和(17)：

其中，α为初始激光的光功率占比，β为射频双音信号的功率占比，α和β均为变量，x₀为射频双音信号的调制系数，x_dc1为直流偏置电压的调制系数，j为复数。

公式(13)、(14)、(15)、(16)和(17)表示的五个系数分别记为A₀、A₁、A₂、A₃、A₄。

对于第二调制器14，如图4所示，可得到第二调制光信号的每种分量的系数，可分别表示为公式(18)、(19)、(20)、(21)和(22)：

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其中，α为初始激光的光功率占比，β为射频双音信号的功率占比，α和β均为变量，x₀为射频双音信号的调制系数，x_dc1为直流偏置电压的调制系数，j为复数。

公式(18)、(19)、(20)、(21)和(22)表示的五个系数分别记为B₀、B₁、B₂、B₃、B₄。

第一调制光信号与第二调制光信号经第一合束器15进行合束，获得射频调制光信号的电场强度(E_out-RF)，可表示为公式(23)：

其中，E_out-RF为射频调制光信号的电场强度，E_out1为第一调制器13输出的第一调制光信号的电场强度，E_out2为第二调制器14输出的第二调制光信号的电场强度。

本振信号源21输出幅度为V_LO、频率为f_LO的本振信号(LO)，第三调制器22的直流偏置电压为V_dc3，且工作在非典型偏置点。

对于第三调制器22，如图5所示，可得到本振调制光信号的每种分量的系数，分别表示为公式(24)、(25)和(26)：

其中，x_LO为本振信号的调制系数，j为复数，x_dc3为第三调制器22直流偏置电压的调制系数。

公式(24)、(25)和(26)表示的五个系数分别记为C₀、C₁、C₂。

本振调制光信号的电场强度(E_out-LO)可表示为公式(27)：

射频调制通路1与本振调制通路2输出的本振调制光信号经第二合束器41合束，得到调制光信号，调制光信号的电场强度(E_out)可表示为公式(28)：

其中，E_out为调制光信号的电场强度，E_out-RF为射频调制光信号的电场强度，E_out-LO为本振调制光信号的电场强度。

调制光信号经光放大器42放大后经探测器43光电转换并实现拍频，可表示为公式(29)：

I_PD∝|E_out|² (29)。

其中，I_PD代表经探测器光电转换后获得的初始中频微波信号的电流，E_out为调制光信号的电场强度。由公式(29)可知，初始中频微波信号与调制光信号的电场强度绝对值的平方成正比。

对于微波光子变频装置，基频(FH)与三阶交调信号(IMD3)可分别表示为公式(30)和(31)：

FH：±(ω_LO-ω₁)；±(ω_LO-ω₂) (30)

IMD3：±[ω_LO-(2ω₁-ω₂)]；±[ω_LO-(2ω₂-ω₁)] (31)。

由公式(29)、(30)和(31)可得到公式(32)和(33)：

调节第三调制器22的直流偏置电压V_dc3，以满足I_IMD3＝0，同时调解衰减器123的衰减系数，使得I_FH的值最大，此时三阶交调信号被抵消，提高了变频系统的无杂散动态范围。

分别对本申请的微波光子变频装置和具有单个调制器的微波光子变频装置进行了仿真测试。

对于本申请的微波光子变频装置，仿真设置第一调制器13与第三调制器22的半波电压均为6V，第二调制器14的半波电压为4.5V，第一调制器13工作在切线斜率为正的正交偏置点，其直流偏振电压V_dc1为3V，第二调制器14工作在切线斜率为负的正交偏置点，其直流偏置电压V_dc2为-2.25V，第三调制器22工作在非典型偏置点，其直流偏置电压为V_dc3为1.5V。

对于具有单个调制器的微波光子变频装置，仿真设置调制器的半波电压为6V，工作在最小偏置点，其直流偏置电压V_dc＝6V。

图10示意性示出了根据本公开实施例的微波光子变频装置及方法的输出频谱图；图11示意性示出了单调制器微波光子变频装置及方法的输出频谱图。

如图10和图11所示，横坐标表示频率(Frequency)，单位为GHz，纵坐标代表输出功率。由图10中可以看出，本申请微波光子变频装置及方法的输出频谱图的基频信号功率为-26.14dBm，三阶交调信号功率较小，约为-102.65dBm。从图11中可以看出，单调制器微波光子变频装置及方法的基频信号功率为-27.75dBm，三阶交调信号功率为-85.64dBm。通过对比两者的三阶交调信号功率的大小，-102.65dBm小于-85.64dBm，可知本申请实现了三阶交调信号的抑制，具有较低的非线性失真，提高了微波链路的线性度。

图12示意性示出了根据本公开实施例的微波光子变频装置及方法的无杂散动态范围；图13示意性示出了单调制器微波光子变频装置及方法的无杂散动态范围。

如图12和图13所示，横坐标表示初始射频信号的功率，纵坐标表示最终输出的中频微波信号的功率，带有方框的线为基频，带有小圆形的线为三阶交调信号。从图12中可以看出，本申请的微波光子变频装置及方法的无杂散动态范围为104.19dB·Hz^2/3，从图13可以看出，单调制器微波光子变频装置及方法的无杂散动态范围为92.41dB·Hz^2/3。可见，104.19dB·Hz^2/3要大于92.41dB·Hz^2/3，通过对比两者的无杂散动态范围的大小，可知本申请提供的微波光子变频装置及方法提高了无杂散动态范围，由无杂散动态范围可看出微波光子变频装置的线性度的高低，由于无杂散动态范围的提高，微波光子变频装置的线性度也有所提高。

本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。

以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (10)

1.一种微波光子变频装置，包括：

光源组件，适用于产生具有相同频率的第一光信号和第二光信号；

射频调制通路，包括：

信号发生装置，适用于产生功率不同的第一射频信号和第二射频信号；

第一分束器，适用于将所述第一光信号分成第一支路光信号和第二支路光信号；

第一调制器，适用于基于所述第一射频信号调制所述第一支路光信号，获得第一调制光信号；

第二调制器，适用于基于所述第二射频信号调制所述第二支路光信号，获得第二调制光信号；

第一合束器，适用于将所述第一调制光信号和第二调制光信号进行合束，获得射频调制光信号；

本振调制通路，包括：

本振信号源，适用于产生本振信号；

第三调制器，适用于基于所述本振信号调制所述第二光信号，获得本振调制光信号；以及

光电转换装置，适用于基于所述射频调制光和本振调制光输出中频微波信号。

2.根据权利要求1所述的微波光子变频装置，其中，所述第一调制器和第二调制器的半波电压不同，并且所述第一调制器与第二调制器工作的正交偏置点相反。

3.根据权利要求2所述的微波光子变频装置，其中，所述信号发生装置包括：

射频信号源，适用于提供初始射频信号；

功分器，适用于将所述初始射频信号等分为第一射频信号和射频子信号；以及

衰减器，适用于将所述射频子信号进行功率衰减，以得到所述第二射频信号，其中，所述第一射频信号和第二射频信号的功率比为β²：(1-β²)。

4.根据权利要求1-3中的任一项所述的微波光子变频装置，其中，光源组件包括：

激光源，适用于产生初始激光；以及

第二分束器，适用于将所述初始激光分成第一光信号和第二光信号。

5.根据权利要求1-3中的任一项所述的微波光子变频装置，其中，所述光电转换装置包括：

第二合束器，适用于将所述射频调制光信号和本振调制光信号进行合束，以得到调制光信号；以及

探测器，适用于基于所述调制光信号进行拍频，得到中频光信号，并基于所述中频光信号实现光电转换，以得到初始中频微波信号。

6.根据权利要求5所述的微波光子变频装置，其中，所述光电转换装置还包括：

光放大器，适用于将来自于所述第二合束器的调制光信号放大后输送到所述探测器；以及

滤波器，适用于对所述初始中频微波信号进行滤波，滤除由所述探测器下变频后的所述初始中频微波信号中的杂散信号，以输出所述中频微波信号。

7.一种微波光子变频方法，采用权利要求1-6中的任一项所述的微波光子变频装置，包括：

利用光源组件产生具有相同频率的第一光信号和第二光信号；

利用第一分束器将所述第一光信号分成第一支路光信号和第二支路光信号；

利用信号发生装置产生功率不同的第一射频信号和第二射频信号；

利用第一调制器基于所述第一射频信号调制所述第一支路光信号，获得第一调制光信号；

利用第二调制器基于所述第二射频信号调制所述第二支路光信号，获得第二调制光信号；

利用第一合束器将所述第一调制光信号和第二调制光信号进行合束，获得射频调制光信号；

利用本振信号源产生本振信号；

利用第三调制器基于所述本振信号调制所述第二光信号，获得本振调制光信号；

利用光电转换装置基于所述射频调制光和本振调制光输出中频微波信号。

8.根据权利要求7所述的微波光子变频方法，其中，利用光源组件产生具有相同频率的第一光信号和第二光信号包括：

利用激光源产生初始激光；

利用第二分束器将所述初始激光分成第一光信号和第二光信号。

9.根据权利要求7-8中的任一项所述的微波光子变频方法，其中，利用信号发生装置产生功率不同的第一射频信号和第二射频信号包括：

利用射频信号源提供初始射频信号；

利用功分器将所述初始射频信号等分为第一射频信号和射频子信号；

利用衰减器将所述射频子信号进行功率衰减，以得到所述第二射频信号，其中，所述第一射频信号和第二射频信号的功率比为β²：(1-β²)。

10.根据权利要求7-9中的任一项所述的微波光子变频方法，其中，利用光电转换装置基于所述射频调制光和本振调制光输出中频微波信号包括：

利用光放大器将来自于所述第二合束器的调制光信号放大；

利用探测器基于所述调制光信号进行拍频，得到中频光信号，并基于所述中频光信号实现光电转换，以得到初始中频微波信号；

利用滤波器对所述初始中频微波信号进行滤波，滤除由所述探测器下变频后的所述初始中频微波信号中的杂散信号，以输出所述中频微波信号。