CN1839511A - 双向信号接口 - Google Patents

Abstract

一种双向信号接口，包括传播第一行波的第一波导管。第一波导管具有耦接到RF输入端口的一端，该RF输入端口接收RF发送信号，该第一波导管还具有耦接到RF双向端口的另一端，该RF双向端口接收RF接收信号并发送RF发送信号。第二波导管位于第一波导管相邻处。第二波导管具有耦接到传递所接收的RF接收信号的输出端口的一端。非互逆耦合器将场从第一波导管耦接到第二波导管，使得来自双向端口的RF接收信号以基本上非互逆方式从第一波导管耦接到第二波导管，然后通过该输出端口，并且来自RF输入端口的RF发送信号通过第一波导管而传递到RF双向端口。

Description

双向信号接口

相关申请的交叉引用

此申请要求2003年7月14日提交的标题为“Bi-directional AntennaInterface and Optical Link with Low Intrinsic Noise Figure(具有低固有噪声系数的双向天线接口和光学链路)”、序列号为60/488748的美国专利申请的优先权，通过引用而将其全部公开合并于此。

技术领域

本发明一般涉及例如天线信号接口的信号接口，其执行发送和接收功能两者。天线是可运送电流的传导结构。可使用天线来发送和接收电磁波。如果时变电流被电耦接到天线，则天线将发射电磁波。如果天线接收到时变电磁场，则天线将生成时变电流。

背景技术

使用信号接口来有效地传送功率。例如，使用天线信号接口来在天线和发送和/或接收电子器件之间有效地传送功率。将发送器天线接口设计为：将功率从电耦接到发送器的传输线有效地传送到天线。将接收器天线接口设计为：将功率从天线有效地传送到电耦接到接收器的传输线。收发器天线接口是双向接口，其被设计为将功率从电耦接到发送器的传输线有效地传送到天线，并还被设计为将功率从天线有效地传送到电耦接到接收器的传输线。

附图说明

图1A图解了本领域中公知的常规双向信号接口。

图1B图解了包括电子循环器(circulator)的公知的双向信号接口。

图1C图解了包括切换器的公知的双向信号接口。

图2A图解了根据本发明的双向信号接口。

图2B显示了说明图2A的双向信号接口的端口对之间的电磁耦合、以及如何实现耦合的表。

图3A图解了根据本发明的电子双向天线接口的一个实施例。

图3B图解了根据本发明的电子双向天线接口的另一个实施例。

图4A图解了提供全双工操作的、根据本发明的电光双向天线接口。

图4B图解了提供具有相对高的发送-接收端口绝缘(isolation)的半双工操作的、根据本发明的电光双向天线接口。

图4C图解了通过本地振荡器信号来调制连续波光束的、根据本发明的电光双向天线接口。

图4D图解了包括生成光载波的脉冲激光器的、根据本发明的电光双向天线接口。

图4E图解了根据本发明的电光单向天线接口。

图5图解了包括Mach-Zehnder(马赫-贞德)调制器的、根据本发明的双向电光天线接口的实施例。

图6图解了作为用于接收链路的平均链路光电检测器电流的函数的计算出的链路噪声系数图，其中所述接收链路包括与图5相结合而描述的激光器和MZ调制器、以及p-i-n光电二极管检测器。

图7A-C图解了计算出的增益和最小(即，RIN＝0)噪声系数相对于用于由CW激光器、具有行波电极的MZ调制器和p-i-n光电二极管检测器组成的链路的频率的图。

具体实施方式

图1A图解了本领域中公知的常规双向信号接口100。该信号接口100包括接收发送信号的输入端口102、以及传递接收信号的输出端口104。该信号接口100包括用于发送和接收信号的双向端口106。

在通信系统中，使用该信号接口100来在双向端口106和发送及接收电子器件之间传送功率。将公知的信号接口设计为将功率从电耦接到发送器的传输线有效地传送到双向端口106，并将功率从双向端口106有效地传送到电耦接到接收器的传输线。还将公知的信号接口设计为使接收器与发送器绝缘，以便实现较高的发送-接收信号绝缘。

图1B图解了包括电子循环器120(如铁氧体循环器)的公知的双向信号接口。该循环器120包括从发送器接收发送信号的输入端口122、以及将接收信号传递到接收器的输出端口124。该循环器120还包括用于发送和接收信号的双向端口126。将天线128电连接到双向端口126。

该循环器120允许全双工操作，其中，可同时出现发送和接收。循环器是本领域中公知的三端口非互逆(non-reciprocal)电子装置。将耦接到循环器的一个端口中的信号导向后续端口，但并非反之亦然。在操作中，来自发送器的发送信号传播到该循环器120的输入端口122中，并被导向电耦接到天线128的双向端口126。从天线128接收的信号传播到双向端口126中，并被导向连接到接收器的输出端口124。

理论上，将传播到输入端口122中的整个发送信号导向耦接到天线128的双向端口126；并且，将传播到双向端口126中的整个接收信号导向耦接到接收器的输出端口124。然而，在实践中，传播到输入端口122中的发送信号的一小部分泄漏到输出端口124。

循环器型双向电子天线接口经常与放大器结合使用。例如，可将循环器120的输入端口122耦接到用来增大发送信号的幅度的发送激励放大器(driver amplifier)。可将循环器120的输出端口124耦接到用来放大接收信号的低噪声放大器(LNA)。

对于很多应用来说，循环器120提供发送器和接收器之间不充分的绝缘。因为典型的发送功率电平可为1.0-10W，并且典型的LNA可被范围从1-10mW(取决于LNA的大小和带宽)的输入功率所破坏，所以，接收器-发送器绝缘是有必要的。由此，典型地，需要最小30dB的接收-发送绝缘。对于很多应用来说，接收-发送绝缘应大于100dB。商业可用的电子循环器在高达10GHz的频率、但仅在3∶1或更小的分数(fractional)带宽上提供约14dB的绝缘。然而，绝缘的大小随着分数带宽的增加而减小。由此，有时会使用例如二极管的输入功率限制器件来保护敏感的LNA不被破坏。此外，典型地，这样的宽带循环器具有可在1dB量级上的显著的损耗。此损耗加到最小接收器噪声系数中，并且，不能通过后续的放大级而恢复。

接收器-发送器绝缘也是有必要的，以便在相同或不同的频率上同时执行发送和接收。不良的接收器-发送器绝缘可导致某些“泄漏”或“渗通”，其中，发送信号传播到接收器信道中。较强的发送信号的渗通可阻碍接收器检测到较弱的期望接收信号。

另外，循环器是相对大且重的器件，这是因为它们包括在循环器材料中引发非互逆性能所需的永磁体。对于诸如相控阵天线应用和基于空间及机载应用的很多应用来说，循环器的大小和重量是不理想的。

图1C图解了包括电子切换器140的公知的双向信号接口。切换器140包括从发送器接收发送信号的输入端口142、以及将接收信号传递到接收器的输出端口144。切换器140还包括用于发送和接收信号的双向端口146。将天线148电连接到双向端口146。

切换器140执行半双工操作，其中，它可接收接收信号或发送发送信号，但不能同时接收接收信号和发送发送信号。因为发送和接收信号不能在时间上重叠，所以，同时发送和接收是不可能的。切换器140的输入端口142和输出端口144的绝缘通常为40dB，其大于循环器120(图1B)的输入端口122和输出端口124的绝缘。

其它公知的天线接口使用双工器。然而，双工器是窄带器件，并且，发送和接收信号频带不能在频率上重叠。双工器还具有相对高的损耗。再一个天线接口使用耦合器和/或分接头(tap)，但这样的接口具有相对高的损耗。

图2A图解了根据本发明的双向信号接口200。信号接口200包括从发送器接收发送信号的输入端口202、以及将接收信号传递到接收器的输出端口204。信号接口200还包括用于发送和接收信号的双向端口206。

信号接口200包括非互逆波导器件210，其具有第一212和第二行波波导管214，它们被定位为使得第一行波波导管212和第二行波波导管214之间的电磁场以非互逆方式耦合。术语“非互逆方式”在这里被定义为表示电磁场的非互逆耦合，其中，电磁场沿一个方向强耦合，而基本上防止在另一个方向上耦合。一种公知的非互逆(non-recipocal)器件是铁氧体循环器，如结合图1B而描述的循环器120。本发明的信号接口使用两种行波波导管之间的非互逆耦合，以实现输入和输出端口之间的绝缘。

在本发明的一个实施例中，非互逆波导器件210是光调制器。光调制器可提供连续的非互逆耦合。光调制器沿一个方向提供良好的耦合，这是因为电光材料在一个方向上具有有限的电光系数，而在另一个方向上基本上无耦合，其原因在于电光材料在所述另一个方向上具有可忽略或为0的光电系数。

在本发明的另一个实施例中，非互逆波导器件210是电子分布式放大器。分布式放大器可提供近似于连续非互逆耦合的集总元件(lumped element)。在此实施例中，将分布式放大器配置为使其在一个方向上具有增益，而在另一个方向上基本上是衰减。

在操作中，要发送的信号传播到输入端口202，并由第一行波波导管212传送到双向端口206，并且以非互逆方式与第二行波波导管214耦接。将由双向端口206接收的信号以非互逆方式从第一行波波导管212传送到第二行波波导管214，并随后传送到输出端口204。由于波导管212和214之间的非互逆耦合，大部分发送信号出现在双向端口206处，而非常少的发送信号耦接到输出端口204。

图2B示出了图解图2A的非互逆波导器件210的电磁耦合的表250。表250概括了双向信号接口200(图2A)的端口之间的各种连接、各种端口对之间的期望耦合、以及负责实现期望耦合的机制。例如，对于很多应用来说，期望实现从输入端口202到双向端口206的高耦合效率，而同时实现相反方向上的非特定的耦合。相反方向上的耦合可与此对端口202、206之间的前向方向中相同。可通过直接连接这两个端口202、206而在双向信号接口200中实现这样的性能。

表250表明了：双向信号接口200(图2A)可实现从输出端口204(图2A)到双向端口206(图2A)的低耦合效率，而同时实现从双向端口206到输出端口204的高耦合效率。表250还表明了：双向信号接口200可实现输入端口202和输出端口204之间任一方向上的低耦合效率。由于两个行波波导管212、214耦合的非互逆方式，双向信号接口200可实现这些结果。

图3A图解了根据本发明的电子双向天线接口300的一个实施例。天线接口300包括从发送器接收发送信号的输入端口302、以及将接收信号传递到接收器的输出端304。天线接口300还包括用于发送和接收信号的双向端口306。将天线308电连接到双向端口306。

另外，天线接口300包括行波放大器310。行波放大器310具有第一312和第二行波波导管314，它们通过多个相对低增益的放大器级316而以非互逆方式电耦合。行波放大器310中的连续的低增益放大器级316的输出通过沿第二行波波导管314放置的馈送抽头而被连接在一起。

输入端口302电连接到第一行波波导管312的输入318。双向端口306电连接到第二行波波导管314的输出320。输出端口304电连接到第二行波波导管314的输入322。第一行波波导管312的输出324通过其特性阻抗而被终止。

行波放大器在本领域中是公知的，并经常被用来在宽带宽(例如，1-20GHz)上提供高增益放大。行波放大器310利用多个低增益放大器级316、通过第一312和第二行波波导管314之间的非互逆耦合信号，在一个方向上提供高增益放大。

在操作中，随着发送信号沿第一行波波导管312行进，发送信号中的能量部分被抽出、并被馈送到低增益放大器级316，以便产生放大的输出信号。然而，因为各个低增益放大器级316的输出生成在沿第二行波波导管314的全部两个方向行进的信号，所以，发送功率的一半被传送到输出端口304。在一些应用中，如当接收器件是LNA且使用了高发送功率时，有必要从输出端口304阻断一些发送信号。

图3B图解了根据本发明的电子双向天线接口350的另一个实施例。天线接口350类似于图3A的天线接口300。然而，在天线接口350中，有所不同地配置分布式放大器316。在接口350中，输入端口302电连接到第一行波波导管312的输出324。天线308连接到第一行波波导管312的输入318。输出端口304电连接到第二行波波导管314的输出320。

在全双工操作中，接收信号传播通过行进波放大器310，在其中该信号被放大。发送信号沿第一行波波导管312而被“反向”馈送到天线308。发送功率出现在低增益放大器级316的每一级的输入端，于是，可能需要一些输入保护。可通过将电源切换到分布式放大器316而实现半双工操作。

结合图3B描述的电子双向天线接口350可提供相对低的噪声系数，这是因为双向端口306上的接收信号将输入馈送到分布式放大器310。然而，电子双向天线接口300、350的带宽小于光子器件的带宽。对于需要极宽带宽的双向信号接口的应用，例如具有100∶1量级的分数带宽的应用来说，可使用双向信号接口的光子实施例。

图4A图解了提供全双工操作的根据本发明的电光双向天线接口400。天线接口400包括光输入端口402、RF输入端口404、RF双向端口406、以及光输出端口408。将天线410电耦接到RF双向端口406。将例如光电二极管的光电检测器412的输出电耦接到RF输入端口404。

天线接口400还包括电光调制器414，其具有光波导管416、以及被定位为与光波导管416进行电光通信的电波导管418。术语“电光通信”在这里被定义为表示经由光波导材料的电光系数、在RF和光场之间的耦合。当RF场经由电光(e-o)系数而改变折射光学指数(optical index)时，出现电光通信。

光波导管416的一端光耦接到生成CW光束的连续波(CW)激光器420。光波导管416的另一端光耦接到光输出端口408。电波导管418的一端电耦接到RF输入端口404。电波导管418的另一端电耦接到RF双向端口406。

在操作中，接收信号被天线410接收，并随后通过RF双向端口406而传播到电波导管418中。随后，将接收信号以相对于在TW电极结构418中传播的发送信号的非互逆方式而耦接到在光波导管416中传播的CW光束。调制后的CW光束传播通过光输出端口408。

可通过引入通过第二行波波导管传播的第二电磁波，而增强结合双向信号接口200讨论的两个波导管之间的非互逆耦合。当电波导管418和光波导管414中的传播速度匹配时，可实现所述两个波导管之间的有效耦合，其是所谓的速度匹配条件。这是当电行进波波导管418上的接收信号与波导管414中的光波共同传播时的情况。反之，当传播速度失配时，在所述两个波导管之间将会存在无效率的耦合。当电行进波波导管418上的信号沿与光波波导管414的传播方向相反的方向传播时，会出现传播速度失配的极端情况。这是当电行进波波导管418上的发送信号与波导管414中的光波相反传播(counter-propagate)时的情况。

被调制到光载波上的RF发送信号传播到光电检测器412中，其中，它被转换回为RF发送信号。RF发送信号传播到电波导管418中，并随后通过RF双向端口406而传播到天线410，其中，天线410发射该信号。由于电光双向天线接口400可同时接收接收信号和发送发送信号，所以，它可提供全双工操作。

因为天线接口是线性网络，并且由此，场在线性网络中被叠加，所以，实现了全双工操作。因此，天线接口400对多重激励的响应等价于：天线接口400对在所有其它激励均等于0的情况下各自施加的每个激励的响应的和。例如，当正在传播发送信号、且接收信号等于0时，电波导管418仅将天线的输出阻抗视为终止(termination)负载。并且，当正在传播接收信号、且发送信号等于0时，电波导管418仅将发送激励器(driver)的输出阻抗视为终止负载。

图4B图解了提供具有相对高的发送-接收端口绝缘的半双工操作的、根据本发明的电光双向天线接口430。天线接口430类似于图4A的天线接口400。然而，天线接口430包括光切换器432，其被光耦接在CW激光器420和光输入端口402之间。

天线接口430的操作类似于图4A的天线接口400的操作。然而，光切换器432在发送期间断开，以消除CW光束，以便防止信号在发送期间出现在光输出端口408。在发送期间消除CW光束增加了发送-接收端口绝缘。在其它实施例中，控制在CW激光器420中激励光发射的电或光泵，以便消除CW光束。在其它实施例中，控制电光调制器414，以使接口的输出端口408处的功率最小。

图4C图解了通过本地振荡器来调制CW光束的、根据本发明的电光双向天线接口440。天线接口440类似于图4A的天线接口400。然而，天线接口440包括电光调制器442，其被光耦接在CW激光器420和光输入端口402之间。天线接口440还包括本地振荡器444，其具有电连接到电光调制器442的RF输入的输出。

天线接口440的操作也类似于图4A的天线接口400的操作。然而，天线接口440中的电光调制器442通过单频本地振荡器信号来调制CW光束。电光调制器414将接收信号调制到通过单频本地振荡器信号调制的CW光束上。所得到的输出端口408处的光信号是在双向端口406处接收的接收信号，其频率通过由本地振荡器444生成的信号的频率而被转换，并被调制到CW光束上。

图4D图解了包括生成光载波的脉冲激光器452的、根据本发明的电光双向天线接口450。天线接口450类似于图4A的天线接口400。然而，天线接口450包括生成脉冲光束的脉冲激光器452。

天线接口450的操作也类似于图4A的天线接口400的操作。然而，接收信号调制由脉冲激光器452生成的脉冲光束。当从天线410传播到双向端口406中的接收信号作用于脉冲光束时，在光输出端口408上生成周期采样形式的接收信号。

可将图4A-D中示出的电光双向天线接口配置为发送和接收数据的收发器。根据本发明的收发器包括光数据源454，其被光耦接到光电检测器412的光输入。光数据源454生成用于由收发器发送的数据。收发器还包括解调器456，其被光耦接到光输出端口408。例如，解调器456可包括将光信号转换为RF接收信号的光电检测器、以及对RF接收信号解调的电解调器。

图4E图解了根据本发明的电光单向信号接口460。信号接口460类似于图4A的天线接口400。然而，信号接口460包括单向端口462，其被设计为仅接收接收信号(reception signal)而不发送发送信号(transmission signal)。另外，通过例如电波导管418的特性阻抗的阻抗464来终止RF电输入端口404。

信号接口460的操作也类似于图4A的天线接口400的操作。然而，以与在天线接口400中将发送信号与接收信号绝缘相同的方式，在操作频率的范围上，将接收信号路径与由终止阻抗464生成的任何噪声有效地绝缘。使光输出408处的噪声最小化改善了连接到信号接口460的接收器的信噪比。

使光输出408处的噪声最小化对于根据本发明的双向信号接口的电光实施例来说是重要的，这是因为这些接口不能在天线和RF双向端口之间包括LNA。因为发送信号也沿着天线和RF双向端口之间的信号路径行进，所以，不能使用LNA。由此，对于本发明的信号接口的很多应用来说，期望在不使用传统的电子LNA的情况下实现低噪声系数。

在不使用LNA的很多实际通信系统中实现最小噪声系数需要使例如激光器RIN的链路中的噪声源最小化。另外，调制器必须具有足够低的切换电压，以变得充分灵敏。目前正在开发具有所需灵敏度和带宽的调制器。例如，本申请的受让人正在开发具有＜0.3V的V_π的Mach-Zehnder调制器。当这样的调制器与低噪声激光器相结合时，可实现在50GHz的带宽上具有5dB噪声系数的纤维光学(fiber-optic)链路。

图5图解了包括Mach-Zehnder(MZ)干涉测量调制器502的、根据本发明的双向电光天线接口500的实施例。天线接口500包括光输入端口504、光发送信号输入端口506、RF双向端口508、以及光输出端口510。将天线512电耦接到RF双向端口508。光发送信号输入端口506光连接到例如光电二极管的光电检测器514的输入。光电检测器514的输出电连接到激励放大器516的输入515。在一些实施例中，如图5中通过点状线示出的，将RF发送信号直接馈送到激励放大器516的输入515。CW激光器518光耦接到光输入端口504。

MZ调制器502具有光耦接到光输入端口504的光输入，并具有光耦接到光输出端口510的光输出。MZ调制器502包括行进波(TW)电极结构518和光波导管520。激励放大器516的输出电连接到TW电极结构518。激励放大器516的输出阻抗终止TW电极结构518的一端。天线512的阻抗终止TW电极结构518的另一端。在一个实施例中，将MZ调制器502的TW电极结构518设计为通过CW光束中的光场而与接收信号速度匹配。速度匹配可改善MZ调制器的灵敏度，同时维持MZ调制器502的带宽。

在一个实施例中，MZ调制器502的TW电极结构518相对较厚。在此实施例中，将TW电极结构518的厚度选择为：足以在无过热或电损耗的情况下发送由激励放大器516放大的信号。在一个实施例中，将TW电极结构518的厚度选择为：实现低切换电压、以及由此的低链路噪声系数。在一个实施例中，将电极结构选择为：提供在适中的发送功率(例如，小于10瓦)下具有相对低的损耗的相对冷的操作。这样的天线接口对于典型的相控阵的各个天线元件来说是足够的。

在操作中，接收信号被天线512接收，并随后通过RF双向端口508而传播到TW电极结构518中。随后，将接收信号以非互逆方式而耦接到在MZ调制器光波导管520中传播的CW光束。在CW光束上调制接收信号。随后，调制后的CW光束传播通过光输出端口510。

在光纤、波导管、或自由空间中传播的光发送信号被光发送信号输入端口506接收，并随后被馈送到光电检测器514的输入。光电检测器514生成RF发送信号。激励放大器516将RF发送信号放大到适于由天线512发射的电平。放大后的发送信号沿与速度匹配方向相反的方向传播通过TW电极结构518。由此，在调制光波时，天线接口500中的发送信号是相对无效率的。然而，调制效率的减小增加了天线接口500的发送-接收绝缘。

发送-接收绝缘是几个参数的函数。发送-接收绝缘是传播方向的函数。例如，MZ调制器502对沿与光信号相反的方向传播的电信号的灵敏度比MZ调制器502对沿光信号的方向传播的电信号的灵敏度低。

发送-接收绝缘也是CW光信号的光功率的函数。在不需要同时发送和接收的实施例中，可通过减小发送期间的光功率而增大发送-接收绝缘。例如，在CW激光器518无效的限定中，发送-接收绝缘将为无限。由此，通过启动或关断CW激光器518，本发明的天线接口500可实现接收和发送模式之间的理想的电子切换(即，在关断模式中具有无限绝缘)的等价形式。

图6图解了作为用于接收链路的平均链路光电检测器电流的函数的计算出的链路噪声系数图600，其中所述接收链路包括与图5相结合而描述的激光器518和MZ调制器502、以及p-i-n光电二极管检测器。对于调制器V_π的各种值和激光器的相对强度噪声(RIN)而显示所述图。

图600指明了：在连接到接收链路的输出的光电检测器具有＞10mA的电流时、以及在激光器的相对强度噪声(RIN)充分低时，满足V_π＜0.3V的需要的调制器将使能具有小于5dB的噪声系数的链路。在本发明的天线接口中使用这样的调制器会产生低噪声系数天线接口。由此，可将本发明的天线接口构造为在不需要LNA的情况下具有低噪声系数。并且，本发明的天线接口不包括电子循环器，于是不存在由电子循环器导致的噪声系数的增大。

可使用本发明的天线接口来构造相对低噪声系数的通信链路。在使用本发明的电光双向天线接口的通信链路中存在三种主要的噪声源。第一种噪声源是由CW激光器420(图4E)生成的相对强度噪声(RIN)。第二种噪声源是由终止阻抗464生成的噪声。第三种噪声源是由电发送线路418生成的热噪声。

可通过选择具有低RIN的激光器，例如固态激光器，而将由CW激光器420产生的RIN减小到可忽略的水平。在天线接口的期望带宽中的最低频率以上的频率处，由终止阻抗464生成的噪声是微不足道的，这是因为该噪声在调制光载波时是无效的。因为由终止阻抗生成的噪声沿非匹配方向传播(即，沿与速度匹配方向相反的方向传播)，所以会出现无效调制。由行进波电极中的欧姆损耗生成的热噪声沿电极的长度而被积分(integrate)。

具有小于2dB的噪声系数的宽带低噪声放大器在商业上是可获得的。典型地，无源纤维光学链路(即，无有源电子或光学放大器的链路)具有相对高的噪声系数，其对于宽带宽的链路来说可为20至30dB的量级。如果调制器的集总元件电极的阻抗与输入阻抗适当地匹配，那么，对于无源光学链路(即，无LNA的链路)的噪声系数极限等于3dB。例如，参见C.Cox等人的“Relationship Between Gain and Noise Figure of an Optical Analog Link(光学模拟链路的增益和噪声系数之间的关系)，”IEEE MTT-S Int.Microwave Symp.Dig.，San Francisco，California，pp.1551-1554，June 1996。

在无源光学链路中，可使用噪声系数减小技术而将噪声系数减小至3dB以下。例如，可使用调制器的集总元件电极结构的源和输入之间的阻抗失配来减小噪声系数。例如，参见E.Ackerman等人的“Input Impedance Conditionsfor Minimizing the Noise Figure of an Analog Optical Link(用于使模拟光学链路的噪声系数最小化的输入阻抗条件)，”IEEE MTT-S Int.Microwave Symp.Dig.，Denver，Colorado，pp.237-240，June 1997。使用在此论文中描述的技术来实现2.5dB的记录噪声系数。

然而，阻抗失配技术具有一些限制。例如，阻抗失配技术在本质上是低频和/或窄带宽技术。此外，引入到系统中的阻抗失配可能具有不理想副作用。例如，阻抗失配可引起天线方向图的恶化。

可将对于具有行进波调制器的链路来说的、作为可在链路增益充分高且激光器RIN充分低时实现的噪声系数的最小可实现噪声系数如下写出：

NF_min＝10log[1+x]

其中，可将x表示为：

$x=\frac{{\sin }^2(2\mathrm{\πfn}{L}_{\mathrm{electrode}}/c)}{{(2\mathrm{\πfn}{L}_{\mathrm{electrode}}/c)}^2}+{\left[\frac{\mathrm{\α}{L}_{\mathrm{electrode}}}{1-e^{-{\mathrm{\αL}}_{\mathrm{ecectrode}}}}(1+\frac{2}{\mathrm{\α}{L}_{\mathrm{electrode}}}[\ln (1+\sqrt{1-e^{-{\mathrm{\αL}}_{\mathrm{electrode}}}})-\sqrt{1-e^{\mathrm{\α}{L}_{\mathrm{electrode}}}}\left]\right)\right]}^2$

“[sin(x)/x]²”项表示由终止阻抗生成的相反传播噪声的影响。其余项表示由导致每单位长度α的一些微波衰减的电极的欧姆损耗生成的热噪声的影响。

图7A-C图解了计算出的增益和最小(即，RIN＝0)噪声系数数据相对于用于由CW激光器、具有行波电极的MZ调制器和p-i-n光电二极管检测器组成的链路的频率的图700。该数据呈现了使链路增益在100MHz的频率下等于30dB的V_π的值和平均光电检测器电流。在图700中对于电极长度的两个值而示出了计算出的结果。用点状线表示两厘米电极的数据，而用短划线表示四厘米电极长度的数据。对于所有图，α₁的值呈现为等于0.0015GHz^-1cm^-1。图702表示α₀等于0GHz^-1/2cm^-1的数据。图704表示α₀等于0.010GHz^-1/2cm^-1的数据。图706表示α₀等于0.043GHz^-1/2cm^-1的数据。

图702、704和706指明了：对于在相对宽的带宽上的无源匹配的光学链路来说，有可能打破3dB的噪声系数极限。直观上，此结果的原因在于：正在提供发送-接收绝缘的相同效果也正在提供与由电波导管418(图4E)处的终止阻抗464生成的噪声的绝缘。典型地，由终止阻抗464生成的噪声负责产生3dB噪声系数极限。因此，消除(或至少显著减小)由终止阻抗464生成的噪声允许实现小于3dB的链路噪声系数。

本发明的电光信号和天线接口具有大量重要特征。例如，本发明的天线接口不包括LNA。消除LNA会产生显著更为简化的天线接口，并消除了可由高发送功率导致的可能的放大器损坏。并且，本发明的电光天线接口不包括电子循环器。消除电子循环器减小了接口的重量，并可增大发送-接收绝缘和/或操作带宽。

此外，可将本发明的电光天线接口设计为提供窄带或宽带操作。并且，本发明的电光天线接口可提供具有相对低的噪声系数的接收器天线接口，并可提供具有适中功率电平的发送器接口。此外，本发明的电光天线接口具有相对低的损耗和高的发送-接收绝缘。

本发明的信号和天线接口具有大量其它特征。例如，如在这里所描述的，本发明的信号和天线接口本质上是宽带的，并可将带宽扩展到相对高的频率。如在这里所描述的，本发明的信号和天线接口还具有相对小的尺寸和轻的重量。例如，需要物理安装于天线元件上的仅有的组件是调制器502和发送激励器516。如果需要更高的发送功率，则引入功率放大器。CW激光器518可位于远程位置，并可经由光纤而被耦接到天线接口。如果到天线接口的发送信号经由光纤而耦接，则可完全消除到天线接口中的传统的电子馈送。

本发明的天线接口具有大量应用。例如，本发明的天线接口可用于用在共形天线阵列的细孔径天线。并且，本发明的天线接口尤其适于机载和太空平台，这是因为它具有相对小的尺寸和轻的重量。例如，包括本发明的天线接口的发送-接收模块的重量可小于传统的发送/接收模块的重量的10％。

等价物

尽管已通过参照特定优选实施例而具体地示出和描述了本发明，但本领域的技术人员应理解，其中可做出形式和细节上的各种改变，而不背离如在这里定义的本发明的精神和范围。

Claims (47)

1、一种双向信号接口，包括：

第一波导管，其具有耦接到RF输入端口的一端，该RF输入端口接收RF发送信号，第一波导管还具有耦接到RF双向端口的另一端，该RF双向端口接收RF接收信号并发送RF发送信号，该第一波导管传播第一行波；

第二波导管，其具有耦接到传递所接收的RF接收信号的输出端口的一端，该第二波导管传播第二行波；以及

非互逆耦合器，其将场从第一波导管耦接到第二波导管，其中，来自RF双向端口的RF接收信号以基本上非互逆方式从第一波导管耦接到第二波导管，并随后通过输出端口，并且，来自RF输入端口的RF发送信号通过第一波导管而传递到RF双向端口。

2、如权利要求1所述的信号接口，其中，基本上所有来自RF输入端口的RF发送信号都通过第一波导管而传递到RF双向端口。

3、如权利要求1所述的信号接口，其中，基本上所有来自RF双向端口的RF接收信号都以基本上非互逆的方式从第一波导管耦接到第二波导管。

4、如权利要求1所述的信号接口，其中，第一和第二波导管以及非互逆耦合器包括电光调制器。

5、如权利要求1所述的信号接口，其中，第一和第二波导管以及非互逆耦合器包括电子分布式放大器。

6、如权利要求1所述的信号接口，其中，非互逆耦合器包括电极结构，其将RF接收信号和RF发送信号中的至少一个与第一和第二行波中的至少一个进行速度匹配。

7、如权利要求1所述的信号接口，其中，RF双向端口通过全双工操作而接收RF接收信号和传递RF发送信号。

8、如权利要求1所述的信号接口，其中，RF双向端口通过半双工操作而接收RF接收信号和传递RF发送信号。

9、如权利要求1所述的信号接口，还包括光电检测器，其具有接收光发送信号的光输入、以及连接到RF输入端口的电输出，该光电检测器将所接收的光发送信号转换为在电输出处的RF发送信号。

10、如权利要求1所述的信号接口，还包括电连接到RF双向端口的天线。

11、一种对接接收信号和发送信号的方法，该方法包括：

通过第一波导管传播第一行波，并通过第二波导管传播第二行波；

在不将RF发送信号的有效部分耦接到第二波导管的情况下，通过第一波导管将RF发送信号传播到双向端口；

将RF接收信号从双向端口传播到第一波导管；

将RF接收信号从第一波导管耦接到第二波导管；以及

将RF接收信号从第二波导管传播到输出端口。

12、如权利要求11所述的方法，其中，耦接RF接收信号包括：将基本上所有来自第一波导管的RF接收信号耦接到第二波导管。

13、如权利要求11所述的方法，其中，从天线接收RF接收信号。

14、如权利要求11所述的方法，其中，第一和第二行波具有与RF接收信号和RF发送信号中的至少一个基本上速度匹配的场。

15、如权利要求11所述的方法，其中，基本上同时执行从双向端口传播RF接收信号、以及将RF发送信号通过第一波导管传播到双向端口。

16、如权利要求11所述的方法，还包括：将所接收的光发送信号转换为RF发送信号。

17、一种电光双向信号接口，包括电光调制器，其具有接收光束的光输入、接收RF发送信号的RF输入端口、接收RF接收信号并发送RF发送信号的RF双向端口、以及光输出端口，该电光调制器在光输出端口处生成被RF接收信号调制的光信号，并将RF发送信号传递到RF双向端口。

18、如权利要求17所述的信号接口，其中，光束包括连续波光束。

19、如权利要求17所述的信号接口，其中，光束包括脉冲光束。

20、如权利要求17所述的信号接口，其中，电光调制器包括Mach-Zehnder干涉测量调制器。

21、如权利要求17所述的信号接口，其中，电光调制器包括电极结构，其将RF接收信号与光束的光场进行速度匹配。

22、如权利要求17所述的信号接口，还包括光电检测器，其具有接收光发送信号的光输入、以及连接到RF输入端口的电输出，该光电检测器将所接收的光发送信号转换为在电输出处的RF发送信号。

23、如权利要求22所述的信号接口，还包括放大器，其具有电连接到光电检测器的输出的输入、以及电连接到RF输入端口的输出，该放大器对RF发送信号进行电子放大。

24、如权利要求17所述的信号接口，其中，RF双向端口同时接收RF接收信号和传递RF发送信号。

25、如权利要求17所述的信号接口，还包括电连接到双向端口的天线。

26、如权利要求17所述的信号接口，其中，通过阻抗终止RF输入端口，以便减小与使用该信号接口的系统相关联的噪声系数。

27、一种发送和接收信号的方法，该方法包括：

在RF双向端口处接收RF接收信号；

在RF输入端口处接收RF发送信号；

生成光束；

通过RF接收信号来调制光束，并将调制后的光束传递到输出端口；和

将RF发送信号传递到RF双向端口。

28、如权利要求27所述的方法，其中，基本上同时执行在RF双向端口处接收RF接收信号、以及将RF发送信号传递到RF双向端口。

29、如权利要求27所述的方法，还包括：将所接收的RF接收信号与光束的光场进行速度匹配。

30、如权利要求27所述的方法，还包括：根据由光数据信号源生成的光发送信号而生成RF发送信号。

31、一种电子双向信号接口，包括分布式放大器，其具有接收RF发送信号的RF输入端口、接收RF接收信号并发送RF发送信号的RF双向端口、以及RF输出端口，该分布式放大器以基本上非互逆方式将RF接收信号耦接到RF输出端口，并将RF发送信号传递到RF双向端口。

32、如权利要求31所述的信号接口，其中，基本上所有RF发送信号传递到RF双向端口。

33、如权利要求31所述的信号接口，其中，RF双向端口同时接收RF接收信号和传递RF发送信号。

34、如权利要求31所述的信号接口，还包括电连接到RF双向端口的天线。

35、一种发送和接收信号的方法，该方法包括：

在RF双向端口处接收RF接收信号；

在RF输入端口处接收RF发送信号；以及

将RF接收信号以非互逆方式电耦接到RF输出端口，并将RF发送信号传递到RF双向端口。

36、如权利要求35所述的方法，其中，基本上同时执行在RF双向端口处接收RF接收信号、以及将RF发送信号传递到RF双向端口。

37、如权利要求35所述的方法，其中，将RF接收信号电耦接到RF输出端口包括：放大RF接收信号。

38、一种收发器，包括：

天线，其接收RF接收信号并发送RF发送信；

激光器，其在输出处生成光束；以及

电光调制器，其包括光耦接到激光器的输出的光输入端口、RF输入端口、电连接到天线的RF双向端口口，该电光调制器接收来自激光器的光束、来自天线的RF接收信号、以及RF输入端口处的RF发送信号，该电光调制器在光输出端口处生成由RF接收信号调制的光信号，并利用天线发送RF发送信号。

39、如权利要求38所述的收发器，其中，电光调制器包括Mach-Zehnder干涉测量调制器。

40、如权利要求38所述的收发器，其中，电光调制器包括电极结构，其将RF接收信号与光束的光场进行速度匹配。

41、如权利要求38所述的收发器，其中，电光调制器的RF双向端口同时从天线接收RF接收信号和将RF发送信号传递到天线。

42、如权利要求38所述的收发器，还包括光电检测器，其具有从光数据源接收光发送信号的光输入、以及连接到电光调制器的RF输入端口的电输出，该光电检测器将所接收的光发送信号转换为在电输出处的RF发送信号。

43、如权利要求42所述的收发器，还包括放大器，其具有连接到光电检测器的电输出的电输入、以及连接到电光调制器的RF输入端口的电输出，该放大器对RF发送信号进行电子放大。

44、如权利要求38所述的收发器，还包括解调器，其耦接到电光调制器的光输出，解调器对RF接收信号进行解调。

45、如权利要求42所述的收发器，还包括生成光发送信号的光数据源。

46、一种低噪声单向信号接口，包括电光调制器，其具有通过阻抗在一端终止的行波电极结构、接收光束的光输入、接收RF接收信号的RF输入端口、以及光输出端口，该电光调制器在光输出端口处生成被RF接收信号调制的光信号，其中，该行波电极结构减小与该信号接口相关联的噪声系数。

47、一种双向信号接口，包括：

用于通过第一波导管传播第一行波、并通过第二波导管而传播第二行波的部件；

用于在不将发送信号的有效部分耦接到第二波导管的情况下、通过第一波导管将发送信号传播到双向端口的部件；

用于将接收信号从双向端口传播到第一波导管的部件；

用于将接收信号从第一波导管耦接到第二波导管的部件；以及

用于将接收信号从第二波导管传播到输出端口的部件。

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