CN214538272U - 基于偏振复用的双通道微波源相位噪声测试装置 - Google Patents

Abstract

本申请提出基于偏振复用的双通道微波源相位噪声测试装置，该装置包括：垂直腔面激光器、用于产生所需的光载波信号，第一功分器用于将被测微波源发出的信号分成两路，一路送至第二功分器，经第二功分器分成2路，其中的一路经移相、混频器后通过低通滤波器A滤波，另一路送至第三功分器，经第三功分器分成2路，其中的一路经移相、混频器后通过低通滤波器B滤波，第二功分器及第三功分器分成另一路分别进入双偏振强度调制器，经偏振分束后的x偏振态的光经光电探测器A、y偏振态的光进入经光电探测器B，然后分别经放大器放大后的信号作为射频信号输入对应的混频器中，混频器输出端连接对应的低通滤波器滤除高频信号，低通滤波器A、低通滤波器B输出的信号输入信号分析仪中，经计算可得到被测微波源的相位噪声。

Description

基于偏振复用的双通道微波源相位噪声测试装置

技术领域

本申请涉及一种基于偏振复用的双通道微波源相位噪声测试装置，属于微波源相位噪声测试、微波光子学技术领域。

背景技术

相位噪声，是衡量微波源短期稳定性的重要指标。它能严重影响雷达系统，无线通信系统，多通道接收器等系统的性能。近年来，随着微波源性能的不断改善，相应的噪声值也不断减小。为了满足更高频率、更大谐调范围的微波源的极低相位噪声测试需求，研究人员们提出并实施了许多方法，例如直接频谱技术，鉴相法，鉴频法和双通道互关技术等。然而，这些技术都有着各自的缺点，例如，直接频谱技术不能区分幅度噪声和相位噪声，且测试精度较低；鉴相法可以区分幅度噪声与相位噪声，但这种方法需要一个比待测源噪声性能更佳的参考源，且两者频率不能相差太大；基于延时线的鉴频法虽然不需要参考源，但使用电缆带来的功率损耗限制了同轴电缆的可用长度，进而限制了测量精度；双通道互关技术通过消除系统中不相关噪声来提高测量噪底，但这种方案结构复杂，成本昂贵且测试速度缓慢。

最近，发展了数十年的微波光子技术已被运用到相位噪声测量领域。得益于光子技术的优势，与传统方案相比，基于微波光子学的相位噪声测量技术具有更低的传输损耗，更大的测量范围，更低的高频本底噪声等优势。为了克服同轴电缆带来的高损耗，在鉴频法中引入了光子延时线技术，获得了更长的时间延迟，从而实现了更高的测量精度[E.Rubiola,E.Salik,S.Huang,N.Yu,and L.Maleki,“Photonic-delay technique forphase-noise measurementof microwave oscillators,”J.Opt.Soc.Amer.B,vol.22,no.5,pp.987–997,May2005]。此外，分别基于偏振调制器[D.Zhu,F.Zhang,P.Zhou,D.Zhu,and S.Pan,“Wideband phase noise measurement using a multifunctional microwavephotonic processor,”IEEE Photon.Technol.Lett.,vol.26,no.24,pp.2434–2437,Dec.2014]和双驱动马赫曾德调制器[W.T.Wang,J.Guo,H.K.Mei,W.H.Sun,and N.H.Zhu,“Photonic-assisted wideband phase noise analyzer based on optoelectronichybrid units,”J.Lightw.Technol.,vol.34,no.14,pp.3425–3431,Jul.2016]的微波光子移相器，分别基于马赫曾德调制器[D.Zhu,F.Zhang,P.Zhou,and S.Pan,“Phase noisemeasurement of wideband microwave sources based on a microwave photonicfrequency down-converter,”Opt.Lett.,vol.40,no.7,pp.1326–1329,Apr.2015]和偏振调制器的微波光子下变频器[F.Zhang,D.Zhu,and S.Pan,“Photonic-assisted widebandphase noise measurement of microwave signal sources,”Electron.Lett.,vol.51,no.16,pp.1272–1274,Aug.2015]被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。除了这些单通道相位噪声测量系统，双光子延时线互相关测量系统也已被提出并得到了实验证明，该方案通过消除两个独立测量系统中的不相关噪声来降低相位噪声基底[E.Salik,N.Y u,L.Maleki,and E.Rubiola,“Dual photonic-delay linecross correlation method for phase noise measurement,”in Proc.IEEEInt.Freq.Control Symp.Exp.,pp.303–306,2004]。然而，该方案需要两套相同的光延时相噪测量系统，包括两个激光器、调制器、光纤等，结构复杂，成本高；且为了确保测量结果正确，两个通道中数公里光纤的延时必须相同，这在实验中是很难做到的。

实用新型内容

为克服上述缺陷点，本申请的目的在于：提供一种基于偏振复用的双通道微波源相位噪声测试方法及测试装置，提高测量系统精度的同时简化了系统结构，降低了测试系统的成本。

为实现上述目的，本申请采用的技术方案：

基于偏振复用的双通道微波源相位噪声测试装置，包括：沿光路方向依次连接的垂直腔面激光器、双偏振强度调制器及偏振分束器，所述垂直腔面激光器用于产生两个不同偏振态的光载波信号，所述双偏振强度调制器用于对不同偏振态的光进行电光调制，

第一功分器的输入端连接待测微波源，输出端分别与第二功分器和第三功分器相连，第二功分器的输出端连接双偏振强度调制器及移相器A，移相器A的输出端连接混频器A，第三功分器的输出端连接双偏振强度调制器及移相器B，移相器B的输出端连接混频器B，

所述双偏振强度调制器通过光纤连接偏振分束器，偏振分束器的第一输出端连接光电探测器A，光电探测器A的输出端连接所述混频器A的输入端，偏振分束器的第二输出端连接光电探测器B，光电探测器B的输出端连接所述混频器B的输入端，

所述混频器A输出端连接低通滤波器A，所述混频器B连接低通滤波器B，所述低通滤波器A的输出端及所述混频器B的输出端分别连接信号分析装置。

优选技术方案为：所述信号分析装置为快速傅里叶变换分析仪，所述快速傅里叶变换分析仪接收并分析分别经低通滤波器A及低通滤波器B滤波的低频信号。

优选：所述混频器A及所述混频器B为双平衡混频器。

所述第一功分器、第二功分器和第三功分器均为宽带一分二微波功分器。

所述移相器A、移相器B为宽带微波移相器。

所述光电探测器A、光电探测器B都为宽带光电探测器。

所述光纤为保偏光纤。

值得说明的是上述“A”、“B”、“第一”、“第二”、“第三”例如移相器A、移相器B、第一功分器、第二功分器和第三功分器仅是为了将多个同种部件便于区分而给出的编号，并不是对结构、形状、位置关系的具体限定，也不得理解为顺序的限定。

有益效果

与现有技术相比，本申请实施方式中提出的基于偏振复用的双通道微波源相位噪声测试方法及装置：

1)本实用新型采用了偏振复用技术，通过垂直腔面激光器产生两个不同偏振态的激光，用一个集成双偏振强度调制器对不同偏振态的光进行电光调制，后用分束器将不同偏振态的光分开，以形成双通道，节省了一个调制器和激光器的使用；两个通道共用长度为几公里的保偏光纤，这种结构使得两个通道之间更容易获得相同的延迟，并节省了一卷数公里的保偏光纤，提高了测试精度的同时优化了系统结构，降低了成本。

2)本实用新型使用了双通道互相关技术，能消除放大器，光电探测器等有源器件带来的背景噪声，降低系统噪底，提升测试精度。

3)利用延时线技术测试相位噪声不需要额外的参考源，只需待测微波源与自身延时后的信号混频，其中用于延时的延时线越长，即光纤越长，对相位噪声的测试精度越高。光纤具有低损耗、大带宽等优势，是最好的延时介质。

附图说明

图1为本实用新型微波源相位噪声测试装置的结构原理示意图；

图2为集成双偏振强度调制器的一种典型结构。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本申请而不限于限制本申请的范围。实施例中采用的实施条件可以如具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

本申请提供本申请提出基于偏振复用的双通道微波源相位噪声测试测试装置(下称测试装置)，该测试装置包括：垂直腔面激光器、用于产生所需的光载波信号，第一功分器用于将被测微波源发出的信号分成两路，一路送至第二功分器，经第二功分器分成2路，其中的一路经移相、混频器后通过低通滤波器A滤波，另一路送至第三功分器，经第三功分器分成2路，其中的一路经移相、混频器后通过低通滤波器B滤波，第二功分器及第三功分器分成另一路分别进入双偏振强度调整器，经偏振分束后的x偏振态的光经光电探测器A、y偏振态的光进入经光电探测器B，然后分别经放大器放大后的信号作为射频信号输入对应的混频器中，混频器输出端连接对应的低通滤波器滤除高频信号。来自两个独立相位噪声测量系统的两个低频信号分别被引入到双端口快速傅里叶变换分析仪中进行相位噪声计算，这样工作带宽大，测试精度高、结构简单，成本低廉。该装置利用一个集成双偏振强度调制器对不同偏振态的光进行电光调制，然后用偏振分束器将不同偏振态的光分开，以形成双通道，节省了一个调制器和激光器的使用；另外，两个通道共用长度为几公里的保偏光纤，这种结构使得两个通道之间更容易获得相同的延迟，并节省了一卷数公里的保偏光纤，提高了测试精度的同时优化了系统结构，降低了成本。该测试装置有时也称测量装置。

接下来结合附图来描述描述本申请提出的基于微波光子混频技术的微波源相位噪声测试装置。

如图1所示为基于微波光子混频技术的微波源相位噪声测试装置的结构示意图，该装置包括：

沿光路方向依次连接的垂直腔面激光器、双偏振强度调制器、保偏光纤、偏振分束器、与偏振分束器两输出端分别相连的两个光电探测器，以及

第一/第二/第三功分器(统称微波功分器)，两个移相器，两个电放大器，两个电混频器，两个低通滤波器；

第一功分器的输入端连接待测微波源，第一功分器的输出信号分别与第二功分器和第三功分器相连，

第二功分器的输出端连接双偏振强度调制器与移相器A，移相后的信号作为本振信号输入混频器A中，第三功分器的输出端连接双偏振强度调制器移相器B，移相后的信号作为本振信号输入混频器B中；

光电探测器A后接放大器A，经放大器A放大后的信号作为射频信号输入混频器A中，混频器A输出端连接低通滤波器A滤除高频信号，

光电探测器B后接放大器B，经放大器B放大后的信号作为射频信号输入混频器B中，混频器B输出端连接低通滤波器B滤除高频信号。

本实施方式中，垂直腔面激光器(VESEL)和微波源(待测微波源)分别用于产生所需的光载波信号和被测微波信号；一分二微波功分器用于将微波源输出的被测微波信号分成两路，双偏振强度调制器用于实现电光调制，偏振分束器用于将不同偏振态的光分开。

继续参考图1，待测微波信号被功分器1分成两路，任一支路又继续被功分器2/3分别分成两路，一路被引入微波光子链路，以实现电光调制与时间延迟，另一路经移相器(移相器A/B)实现精确的相位调整，后被发送到匹配的混频器中，以便与射频信号保持相位正交。微波光子链路中，将来自垂直腔面激光器的x偏振态和y偏振态的光引入双偏振强度调制器进行电光调制，其输出通过保偏光纤进行传输，保偏光纤的输出端连接偏振分束器，偏振分束器以将不同偏振态的光分开，如：将x偏振态的光进入上支路(经光电探测器A)，y偏振态的光进入下支路(经光电探测器B)，然后分别用光电探测器A/B进行光电转换。光电探测器A/B的输出信号通过匹配的电放大器放大，并与本振信号在对应的混频器中混合。输出的中频信号通过低通滤波器(低通滤波器A/B)滤除高频部分。最后，来自两个独立相位噪声测量系统的两个低频信号分别被引入到双端口快速傅里叶变换分析仪中进行相位噪声计算。在一较佳的实施方式中，微波功分器优选宽带微波功分器。在一较佳的实施方式中，移相器优选宽带微波移相器；电光调制器优选宽带电光调制器；光电探测器优选宽带光电探测器从而使系统的工作带宽提高。

为了使公众理解本实用新型技术方案，下面结合图1及图2来描述上述测试装置的测试机理：

图1示出了一种基于偏振复用的双通道微波源相位噪声测量方案的典型结构，它包括两个独立的光子辅助相位噪声测量系统，将来自垂直腔面激光器x偏振态和y偏振态的光引入双偏振强度调制器中进行电光调制，由于双偏振强度调制器为集成器件，且光载波输入端集成了偏振分束器，因而可以分别对输入的不同偏振态的光载波进行电光调制，以形成双通道结构。并且该器件末端集成了偏振合束器，因而可以将提供较长延迟时间的长光纤给两个通道同时使用，以获得相同的时间延迟。对于单一通道，首先，如图2所示，假设第一功分器输出微波信号为E₀(t)，第二微波功分器输出的两路微波信号分别为E₁(t)和E₂(t)，其中E₁(t)＝E₂(t)＝Vcos[ωt+φ(t)]，第三微波功分器输出信号与第二微波功分器输出信号相同，即E₄(t)＝E₅(t)＝E₁(t)。垂直腔面激光器输出的x偏振态与y偏振态的光载波E_x(t)＝E_y(t)＝E_cexp(jωt)。E₂(t)经过移相器移相后得到E₃(t)＝Vcos[ωt+φ(t)+φ]。第一分束器将x偏振态的光载波输入第一个马赫曾徳调制器，并由E₁(t)驱动，则第一个马赫曾徳调制器输出端的信号为：

其中，V_B为加在第一个马赫曾徳调制器的上直流偏压，V_π为第一个马赫曾徳调制器的半波电压。

使用合束器将x偏振态的光信号与y偏振态的光信号合束，通过保偏光纤对上述光信号延时τ后使用分束器将不同偏振态的光信号分开，x偏振态的光注入上支路中的光电探测器，则注入上支路光电探测器前的光信号为：

经过光电探测器以后，上支路输出的微波信号可表示为：

又经过微波移相器移相φ后的信号表示为：

E₃(t)＝V cos(ωt+φ(t)+φ) (4)

调节微波移相器，使混频器两个输入端信号保持正交，即

等式(3)和等式(4)中的信号在上支路的双平衡混频器中混频，并通过低通滤波器滤波后的电压信号可以表示为：

其中k为校准因子，待测微波源的相位噪声信息就包含于式(5)，则该输出信号的功率谱可表示为：

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

如图2所示，该结构中被测微波信号分成两路分别输入两个独立的光子辅助相位噪声测量系统，然后将低通滤波器A和低通滤波器B的输出信号输入一个双通道FFT分析仪进行互相关处理。假设两个通道的背景噪声分别为a(t)和b(t)，待测微波源的相位噪声为c(t)，则在两个通道的输出端被测噪声信号会加上各个通道的背景噪声。该系统的工作原理如下：

其中，A(f)、B(f)、C(f)、X(f)、Y(f)分别为a(t)、b(t)、c(t)、x(t)、y(t)的傅里叶变换形式，假设两个通道的背景噪声和待测微波源的相位噪声都是平稳的、各态历经过程，那么a(t)、b(t)和c(t)相互统计独立，所以两个通道输出端噪声信号的互功率谱S_xy为：

由于a(t)、b(t)和c(t)相互统计独立，所以等式(9)中的E{CB^*}＝0，E{AC^*}＝0，E{AB^*}＝0。因此，采用双通道互关技术可以把单个通道内的背景噪声消除，从而降低整个测量系统的噪声基底。

以上推导是在信号理想、连续的情况下的理论，实际信号处理都是在离散的情况下处理的。比如，双通道FFT分析仪测试到的数据、以及做快速傅里叶变换以及做互相关都是在离散的情况下处理的。下面把以上理论推导中的连续信号换为离散信号重新推导，过程如下：

等式(10)中的

代表整个测试系统的背景噪声，它是相关次数N的函数。随着相关次数N的增加，测试系统的背景噪声对相位噪声测试结果影响减小，即系统的噪声基底减小。

上述实施例只为说明本申请的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本申请的内容并据以实施，并不能以此限制本申请的保护范围。凡如本申请精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于偏振复用的双通道微波源相位噪声测试装置，其特征在于：包括：沿光路方向依次连接的垂直腔面激光器、双偏振强度调制器及偏振分束器，所述垂直腔面激光器用于产生两个不同偏振态的光载波信号，所述双偏振强度调制器用于对不同偏振态的光进行电光调制，

第一功分器的输入端连接待测微波源，输出端分别与第二功分器和第三功分器相连，第二功分器的输出端连接双偏振强度调制器及移相器A，移相器A的输出端连接混频器A，第三功分器的输出端连接双偏振强度调制器及移相器B，移相器B的输出端连接混频器B，

所述双偏振强度调制器通过光纤连接偏振分束器，偏振分束器的第一输出端连接光电探测器A，光电探测器A的输出端连接所述混频器A的输入端，偏振分束器的第二输出端连接光电探测器B，光电探测器B的输出端连接所述混频器B的输入端，

所述混频器A输出端连接低通滤波器A，所述混频器B连接低通滤波器B，所述低通滤波器A的输出端及所述混频器B的输出端分别连接信号分析装置。

2.根据权利要求1所述的基于偏振复用的双通道微波源相位噪声测试装置，其特征在于：所述信号分析装置为快速傅里叶变换分析仪，所述快速傅里叶变换分析仪接收并分析分别经低通滤波器A及低通滤波器B滤波的低频信号。

3.根据权利要求1所述的基于偏振复用的双通道微波源相位噪声测试装置，其特征在于：所述混频器A及所述混频器B为双平衡混频器。

4.根据权利要求1所述的基于偏振复用的双通道微波源相位噪声测试装置，其特征在于：

所述第一功分器、第二功分器和第三功分器均为宽带一分二微波功分器。

5.根据权利要求1所述的基于偏振复用的双通道微波源相位噪声测试装置，其特征在于：

所述移相器A、移相器B都为宽带微波移相器。

6.根据权利要求1所述的基于偏振复用的双通道微波源相位噪声测试装置，其特征在于：所述光电探测器A、光电探测器B都为宽带光电探测器。

7.根据权利要求1所述的基于偏振复用的双通道微波源相位噪声测试装置，其特征在于：所述光纤为保偏光纤。

8.根据权利要求1所述的基于偏振复用的双通道微波源相位噪声测试装置，其特征在于：还包括：放大器A及放大器B，

所述放大器A的输入端电性连接光电探测器A的输出端、所述放大器A的输出端电性连接所述混频器A的输入端，

所述放大器B的输入端电性连接光电探测器B的输出端、所述放大器B的输出端电性连接所述混频器B的输入端。

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