CN210867710U

CN210867710U - 宽带微波信号光谱切片装置与宽带可调谐信道化接收机

Info

Publication number: CN210867710U
Application number: CN202020163464.5U
Authority: CN
Inventors: 严亚周; 闫新娟; 彭志强; 董恒; 肖冬瑞; 洪俊
Original assignee: Hunan Institute of Technology
Current assignee: Hunan Institute of Technology
Priority date: 2020-02-12
Filing date: 2020-02-12
Publication date: 2020-06-26
Anticipated expiration: 2030-02-12

Abstract

宽带微波信号光谱切片装置与宽带可调谐信道化接收机，其中，宽带微波信号光谱切片装置包括首尾依次连接的电光强度调制器、光延时线、光耦合器、光放大器、光电探测器、移相器，电光强度调制器连接有激光器，激光器提供光载波，光载波输入电光强度调制器并经输入的宽带微波信号强度调制后变成光信号，光信号经光延时线实现延时后部分耦合输出，剩余部分继续留在环路循环，通过光放大器实现损耗补偿后到达光电探测器还原成微波信号，经过移相器对其相位大小进行调控后返回至电光强度调制器，再次对光载波强度调制后进行第二次循环，每一次循环输入信号均进行一次延时与一次移相，并耦合出去部分能量，通过无数次叠加后最终实现稳定输出。

Description

宽带微波信号光谱切片装置与宽带可调谐信道化接收机

技术领域

本实用新型涉及微波技术与光通信技术的交叉领域，特别涉及一种宽带微波信号光谱切片装置与宽带可调谐信道化接收机。

背景技术

微波信道化接收机是用来将接收到的微波信号在频域上进行信道划分，将宽带信号分割为多个窄带，并行实时地对不同波段的信号进行感知接收的一种微波接收系统。随着电子对抗等军事环境的日趋苛刻，传统微波电路系统的诸多电子瓶颈越来越无法忽视，严重影响系统性能的提升。首先，当前的微波器件在高频段具有极大的损耗，且无法支持超宽带、多频段射频信号的处理，特别是同轴电缆作为射频的传输媒质，抗电磁干扰能力比较弱，受气候变化影响严重，对高频信号的长距离传输产生巨大的损耗，损耗高达 360dB/km@5.8GHz，还会随着射频频率的增大而增大，从而限制了系统的高频扩展；此外，直接采用数字化技术来处理超宽带信号时，信道化接收要求高保真的数字化带宽，利用数字信号处理从中挖掘目标信息，带宽的增加对高速处理芯片、高速率的采样模块和高存储内存也是极大的挑战，这些器件的低成本批量生产在短期内无法实现；最后，待接收信号载波中心频率的可变性与多载波间隔的时变性对传统信道化接收系统提出了更高的要求，而基于传统技术在微波频段实现信道中心频率与信道间隔的可调谐难度较大。综上所述，在传统电域上处理信号的宽带射频信道化接收系统性能受限，已难以应对当下复杂的电磁环境与军民事需求。

实用新型内容

本实用新型的目的之一是提供一种宽带微波信号光谱切片装置，通过该装置实现宽带微波信号的光谱切片，进而可以将微波宽带信号的信道化处理在光域完成，保证信号大带宽。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种宽带微波信号光谱切片装置，包括用于对宽带微波信号进行光谱切片的光电混合环路，在所述光电混合环路中包括首尾依次连接的电光强度调制器、光延时线、光耦合器、光放大器、光电探测器、移相器，所述电光强度调制器连接有激光器，由所述激光器提供光载波，所述光载波输入电光强度调制器并经输入的宽带微波信号强度调制后变成光信号，所述光信号通过光延时线实现延时后部分耦合输出，剩余部分继续留在环路循环，通过所述光放大器实现损耗补偿后到达光电探测器还原成微波信号，经过所述移相器对其相位大小进行调控后返回至电光强度调制器，再次对光载波强度调制后进行第二次循环，在上述光电混合环路中，每一次循环输入信号均进行一次延时与一次移相，并耦合出去部分能量，通过无数次叠加后最终实现稳定输出，即实现光谱切片输出，经过光谱切片后的光信号在频域成等间隔的光梳，位于光梳中心位置的为光载波，其它各波长均为电域各载波通过电光强度调制实现上变频，携带着通信消息。

其中，所述光延时线为可调光延时线，通过调节所述可调光延时线的长度调谐信道间隔，所述移相器为可调移相器，通过调节所述可调移相器调谐信道中心频率，由此实现输出信道的可调谐性。

基于上述宽带微波信号光谱切片装置，本实用新型还提供一种宽带可调谐信道化接收机，在前述宽带微波信号光谱切片装置中，所述光放大器为掺铒光纤放大器，该宽带可调谐信道化接收机还包括：

载波提取与解波分复用装置，用于对光谱切片后的光信号实行载波提取与解波分复用并行处理，所述载波提取与解波分复用装置包括设置在一条支路上的滤波器和耦合器以及设置在另一条支路上的解波分复用器，光谱切片输出的光信号分成两路，一路通过所述滤波器提取光载波，光载波再通过耦合器分裂成多束，另一路光信号经解波分复用器输出后与经耦合器分裂成多束的光载波形成一一对应的关系；

包络检波单元，用于构建耦合网络，所述包络检波单元包括光电探测器阵列，将解波分复用器输出的各信息波长的光信号分别与对应的光载波耦合进入光电探测器阵列，完成包络检波，最终实现多路微波信号输出。

进一步地，在所述载波提取与解波分复用单元中的滤波器为光窄带滤波器，在所述光窄带滤波器提取光载波的同时，所述解波分复用器分离其它各信息波长。

其中，所述激光器为半导体激光器，所述可调移相器为微波可调移相器。

与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：本实用新型基于光纤的大带宽、低损耗、抗电磁干扰等优点，将微波宽带信号在光域完成切片，进而可以将微波宽带信号的信道化处理在光域完成，保证信号大带宽。

附图说明

图1是本实用新型所涉宽带可调谐信道化接收机的微波宽带信号处理流程图；

图2是本实用新型所涉宽带微波信号光谱切片装置的结构图；

图3是光谱切片原理示意图；

图4光电混合环路不同光纤长度时的幅频响应；

图5光电混合环路不同移相角时的幅频响应；

图6是信道分割结构图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员更好地理解本实用新型相对于现有技术的改进之处，下面结合附图对本实用新型作更进一步的说明，应当理解的是，下面提及的具体实施方式仅用于对本实用新型进行说明，而非对本实用新型的具体限制。

在本实用新型涉及的宽带可调谐信道化接收机中，微波宽带信号处理的流程见图1所示，具体包括1.光谱切片2.载波提取与解波分复用3.包络检波三个部分，具体而言：

首先，基于光电混合环路对微波宽带信号进行“光谱切片”，包括“电光强度调制”与“循环切片”两部分。“电光强度调制”旨在基于电光强度调制器，将微波信号通过强度调制转变为光信号，实现电域到光域的上调制；“循环切片”旨在基于信号在光电混合环路的循环完成信号的“延时-叠加”功能，通过频谱切片实现多通道滤波，最终分离出多个信道。

然后，对“光谱切片”后的光信号实现“载波提取”与“解波分复用”并行处理。光谱切片后的光信号在频域成等间隔的“光梳”，位于光梳中心位置的为光载波，其它各波长均为电域各载波通过电光强度调制实现上变频，携带着通信消息。可通过光窄带滤波器提取光载波；同时，通过解波分复用器分离各信息波长。

最后，构建耦合网络，将各信息波长分别与光载波耦合进入光电探测器阵列，完成包络检波，最终实现多路微波信号输出。

下面对实现前述三个部分的具体结构及原理分别详细说明。

一、光谱切片

图2示出了一种宽带微波信号光谱切片装置的结构，该结构包括一个光电混合环路。在图示光电混合环路中包括首尾依次连接的电光强度调制器、光延时线、光耦合器、光放大器、光电探测器、移相器，电光强度调制器连接有激光器，由激光器提供光载波，光载波输入电光强度调制器并经输入的宽带微波信号强度调制后变成光信号，光信号通过光延时线实现延时后部分耦合输出，剩余部分继续留在环路循环，通过光放大器实现损耗补偿后到达光电探测器还原成微波信号，经过移相器对其相位大小进行调控后返回至电光强度调制器，再次对光载波强度调制后进行第二次循环，在上述光电混合环路中，每一次循环输入信号均进行一次延时与一次移相，并耦合出去部分能量，通过无数次叠加后最终实现稳定输出，即实现光谱切片输出，经过光谱切片后的光信号在频域成等间隔的光梳，位于光梳中心位置的为光载波，其它各波长均为电域各载波通过电光强度调制实现上变频，携带着通信消息。

图3是光谱切片原理图。如上文所述，该切片过程包括“电光强度调制”与“循环切片”两部分。“循环切片”旨在基于信号在光电混合环路的循环完成信号的“延时-叠加”功能，通过频谱切片实现多通道滤波，最终形成多个信道，并对信号外噪声与杂散信号进行抑制；“电光强度调制”旨在基于电光强度调制器，将微波信号通过强度调制转变为光信号，实现电域到光域的上调制，基于“双边带”强度调制原理，形成的光谱以光载波λ₀为中心，呈对称分布，对应的数学关系为

λ_n’＝λ₀-2πν/ω_n

λ_n＝λ₀+2πν/ω_n

λ_n与λ_n’为第n个对称边带对应的波长，ω_n为第n个信道对应的中心角频率，v为光在介质中的传输速率。

光谱切片工作原理在于：

设进入电光混合环路的信号为s₀＝Ae^jωt，其中，A为信号幅值，ω为信号的角频率；

经过一次循环后为

其中，α为单次循环的环路插损，τ为环路延时，其值由光延时线长度决定为：

其中l为光延时线长度，n为光延时线的折射率，c为光速，

为相移量，其大小由移相器决定；

经过第二次循环后为

经过第n次循环(n→+∞)后为

最终的输出信号为多次循环后的信号的叠加，即为：

其中β为耦合输出系数。由上所述，不难看出s₁...s_n为一等比数列，公比为

求和可得

即该系统得传递函数为

进而求得该系统的幅频响应为

由上述幅频响应不难看出，其幅值为光延时τ的周期函数，且其峰值取决于

取β＝0.5，α＝0.5，分析

与τ对幅频响应的影响。

一方面，固

分析τ对幅频响应，如图4所示，当光纤长度 l为0.25m与0.5m时，10-12GHz的信道间隔发生了变化。也就是说，如果采用可调光延时线，就可以通过调节可调光延时线的长度来调谐该信道化接收系统的信道间隔。

另一方面，固定光纤长度l为0.5m，分析

对幅频响应，如图5 所示，当相移角分别π/4、π/2与3π/4时，10-12GHz内的单信道的中心频率发生了变化随着相移角的增加，中心频率有向左移的趋势。也就是说，如果采用可调移相器，就可通过调节可调移相器来调谐信道中心频率。

综上所述，基于图2所示宽带微波信号光谱切片装置，可通过调节“可调光延时线”的长度来调谐该信道化接收系统的信道间隔，可通过调节“可调移相器”来调谐信道中心频率，最终实现信道化接收系统的可调谐性能。需要特别指出，该处理系统的频率受限于电光调制器，该器件为超宽带器件，40GHz的电光调制器已商用、普及，覆盖如此大的带宽采用微波技术很难实现。

二、载波提取与解波分复用

载波提取与解波分复用单元的结构参见图6，载波提取与解波分复用装置用于对光谱切片后的光信号实行载波提取与解波分复用并行处理，载波提取与解波分复用装置包括设置在一条支路(图中支路2)上的滤波器和耦合器以及设置在另一条支路(图中支路1)上的解波分复用器，光谱切片后的输出信号分为支路1与支路2信号流，支路1信号进入图6信道分割结构中的解波分复用器，进行解波分复用；支路2信号进入图6信道分割结构中的滤波器进行载波提取，提取后的光载波通过耦合器分裂成多束，与解波分复用输出的光信号形成一一对应的关系。

三、包络检波

包络检波单元，用于构建耦合网络，包络检波单元包括图6中的光电探测器阵列，载波提取与解波分复用后形成了一一对应的光束对，各光束对进入探测器阵列，实现包络检波后再分别输出，最终实现了信道的分割。具体而言，包络检波的原理为：

设通过解波分复用后的某个光束为

其中，Ω为光载波频率，ω_n为第n个信道对应的中心频率；通过载波提取处理后的光载波为e^jΩt，形成光束对后进入探测器进行包络检波。

进一步，输入信号可表示为两光束之和，可表示为

其强度为

结合上述两式可求得强度值为

J＝2+2cosω_nt

探测器只能感应到入射光的强度，对其进行包络检波，输出的信号光电流可表示为：

I_o＝ρ·J

其中ρ为探测器的响应度，结合上述两式可得：

I_o＝2ρ(1+cosω_nt)

输出光电流由直流项I_DC＝2ρ与交流项I_AC＝2ρcosω_nt所组成，交流项即为信号项，探测器一般内置一隔直器，故仅有交流项I_AC。

进一步，通过探测器阵列输出的各信道(C₁...C_n)的信号可表示为

即电域的超宽带信号经过光域处理后，最终通过光域的信号处理转换为电信号并实现了信道化输出。

上述宽带可调谐信道化接收机中，实施时，图2所示的宽带微波信号光谱切片装置可以采用以下型号的器件：激光器：EM4公司型号为AA1401的分布反馈型半导体激光器。电光强度调制器：Optilab公司型号为IM-1550-20-PM的铌酸锂调制器。光电探测器：Optilab公司型号为PD-30的光电探测器。可调光延时线：莱特索斯公司型号为LT-150-S9-2-FA的可调光延时线。光耦合器：THORLABS公司型号为TNQ1064AHF的光耦合器。光放大器：深圳市高光特光电科技有限公司型号为HLT-EDFA-D-C-40-35-1-0-FA的掺铒光纤放大器。可调移相器：PMI型号为PS-360-DC-3OPTION618-15D的微波可调移相器。图6所示的信道分割装置(包含载波提取与解波分复用单元和包络检波单元)可以采用以下型号的器件：解波分复用器：THORLABS公司型号为RGB46HA的解波分复用器。滤波器：唐领科技公司型号为WTF-200的窄带光滤波器。耦合器与探测器可以采用与图2所示宽带微波信号光谱切片装置中同样的器件型号，多个 PD-30的光电探测器组成探测器阵列。

上述实施例为本实用新型较佳的实现方案，除此之外，本实用新型还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本实用新型的保护范围之内。

为了让本领域普通技术人员更方便地理解本实用新型相对于现有技术的改进之处，本实用新型的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其它元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本实用新型的内容。

Claims

1.宽带微波信号光谱切片装置，其特征在于：包括用于对宽带微波信号进行光谱切片的光电混合环路，在所述光电混合环路中包括首尾依次连接的电光强度调制器、光延时线、光耦合器、光放大器、光电探测器、移相器，所述电光强度调制器连接有激光器，由所述激光器提供光载波，所述光载波输入电光强度调制器并经输入的宽带微波信号强度调制后变成光信号，所述光信号通过光延时线实现延时后部分耦合输出，剩余部分继续留在环路循环，通过所述光放大器实现损耗补偿后到达光电探测器还原成微波信号，经过所述移相器对其相位大小进行调控后返回至电光强度调制器，再次对光载波强度调制后进行第二次循环，在上述光电混合环路中，每一次循环输入信号均进行一次延时与一次移相，并耦合出去部分能量，通过无数次叠加后最终实现稳定输出，即实现光谱切片输出，经过光谱切片后的光信号在频域成等间隔的光梳，位于光梳中心位置的为光载波，其它各波长均为电域各载波通过电光强度调制实现上变频，携带着通信消息。

2.根据权利要求1所述的宽带微波信号光谱切片装置，其特征在于：所述光延时线为可调光延时线，通过调节所述可调光延时线的长度调谐信道间隔，所述移相器为可调移相器，通过调节所述可调移相器调谐信道中心频率，由此实现输出信道的可调谐性。

3.宽带可调谐信道化接收机，其特征在于，包括权利要求2所述的宽带微波信号光谱切片装置，在所述宽带微波信号光谱切片装置中，所述光放大器为掺铒光纤放大器，该宽带可调谐信道化接收机还包括：

4.根据权利要求3所述的宽带可调谐信道化接收机，其特征在于：在所述载波提取与解波分复用单元中的滤波器为光窄带滤波器，在所述光窄带滤波器提取光载波的同时，所述解波分复用器分离其它各信息波长。

5.根据权利要求3或4所述的宽带可调谐信道化接收机，其特征在于：所述激光器为半导体激光器，所述可调移相器为微波可调移相器。