一种产生高稳定性微波毫米波源的方法与装置与流程

本发明涉及光电子与微波毫米波
技术领域：
，特别涉及一种产生高稳定性微波毫米波源的方法及装置。
背景技术：
：高稳定性的微波毫米波信号源是电子通信系统的核心器件。高质量的微波毫米波信号源在光通信、卫星通信、微波通信以及高精度测量等方向起着重要的作用。对于单频点信号源，常用相位噪声(相噪)来衡量微波毫米波信号源短期稳定性的好坏。传统的微波毫米波源产生技术包括晶振倍频、光学拍频与光电振荡三种方案。晶振倍频技术产生微波毫米波源是指通过晶振的多次倍频产生微波毫米波，但随着倍频次数的增加，相噪会越来越大，也就是说，相噪会随着载波频率的增加而增加；光学拍频技术是将两个单频激光信号输入光电探测器进行“平方律”检波，实现拍频得到微波毫米波信号，该技术对两激光器相噪要求特别苛刻，而且要求两激光信号的相位信息必须“同步”，且可调性差；光电振荡器是产生低相噪微波毫米波单频点信号的有效方式，但振荡信号频率受限于光电器件(主要是电光调制器)的工作频率。综上所述，传统的微波毫米波源产生技术存在稳定性不好及频段可调性差的缺点。技术实现要素：本发明要解决的技术问题是提供一种用于产生高稳定性且全频段可调的微波毫米波源的方法及装置。为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种产生高稳定性微波毫米波源的装置，包括：同源双波长模块，用于产生同源双波长激光并将其分流至第一光电混合环路与第二光电混合环路；所述同源双波长模块包括宽带光谱源、光纤光栅与解波分复用器，所述宽带光谱源提供宽带光信号源，所述光纤光栅具有双峰窄带滤波性，用于对宽带光谱进行双频段切割,产生同源双波长激光，所述解波分复用器连接第一光电混合环路与第二光电混合环路并将所述同源双波长激光分流至所述第一光电混合环路与第二光电混合环路；第一光电混合环路和第二光电混合环路，用于对激光谱实现拓展，产生离散等距光谱簇；所述第一光电混合环路包括电/光强度调制器1、光耦合器1、光延时单元1、光电探测器1、电窄带滤波器1与电放大器1；所述第二光电混合环路包括电/光强度调制器2、光电耦合器2、光延时单元2、光电探测器2、电窄带滤波器2与电放大器2，所述电窄带滤波器1和电窄带滤波器2对应配合光延时单元1和光延时单元2用于选频，所述电/光强度调制器1和电/光强度调制器2用于实现电光转换，所述光电探测器1和光电探测器2用于实现光电转换，所述光耦合器1和光耦合器2用于光信号分流，所述电放大器1和电放大器2用于补偿环路内的电光传输与转换损耗，所述第一光电混合环路和第二光电混合环路内的噪声在环路内部不断实现光电/电光转换与循环，满足巴克豪森准则的电信号最终实现振荡，并在光耦合器端输出，完成对光载波的强度调制，实现以载波为中心的离散等距拓展；光窄带滤波器1与光窄带滤波器2，分别用于对所述第一光电混合环路及第二光电混合环路的离散等距光谱簇进行选频；光耦合器3，用于对从所述第一光电混合环路和第二光电混合环路选取的离散等距光谱簇进行合波；光电探测器3，用于对输入的光信号进行平方律检波，完成光拍频并输出微波毫米波信号；电窄带滤波器3，用于选频，对杂波进行抑制，最终获取目标微波毫米波单频点信号。作为本发明的另一方面，一种产生高稳定性微波毫米波源的方法，包括以下步骤：步骤1、产生同源双波长激光；步骤2、分离双波长激光；步骤3、对激光谱实现拓展，产生两分支的离散等距光谱簇；步骤4、基于两分支的离散等距光谱簇，选取待拍频等距分量；步骤5、基于平方律检波实现光谱拍频，滤波后实现输出。其中，步骤1中采用传输型光纤光栅对宽带光谱源的宽带光谱进行双频段切割，从而得到同源双波长激光。其中，步骤2中采用解波分复用器对同源双波长单路激光进行分离。其中，步骤3中先采用电/光强度调制器对分离得到的光载波噪声进行幅度调制，然后通过光耦合器分流后进入光延时单元实现延时，延时后光信号通过光电探测器进行平方律检波，还原电信号，电信号再通过窄带滤波器进行选频，并通过电放大器实现损耗补偿，最终输入至电/光强度调制器的电输入端，再次对光载波进行调制并进行下一次循环，最终产生稳定的振荡信号，振荡信号越来越大造成环路的非线性越来越明显，对开环增益实现压缩，当增益被压缩至1时振荡信号功率不再增加，最终实现稳定输出。其中，步骤4中使用光窄带滤波器分别对两分支的离散等距光谱簇进行窄带选频，并通过光耦合器进行合波。其中，步骤5中采用光电探测器对输入光信号进行平方律检波，还原电信号，最终通过窄带滤波器实现微波毫米波信号输出。上述方法及装置产生的微波毫米波源存在以下优点：(1)低相噪。由于两光载波源于同一光源，通过拍频输出后光载波相位噪声能够相互抵消，克服了光载波相噪对输出信号相噪的负面影响；且光谱拓展基于光电混合环路，在拓展光谱的同时引入极低的相位噪声，保证了微波毫米波输出信号具有极低的相噪；(2)全频段可调。基于本发明所涉结构，可以通过调节光纤光栅的双波长间隔来对输出信号实现光域调节；还可以通过调节光电混合环路内置窄带滤波器通带的中心频率与内置光延时单元的延时量大小来对输出信号实现电域调节，基于光域与电域的双重调节，可实现微波毫米波、甚至太赫兹波段的全频段覆盖与调节。附图说明图1是本发明所涉产生高稳定性微波毫米波源方法的实施步骤图；图2是本发明所涉产生高稳定性微波毫米波源装置的基本结构图；图3是本发明输出微波信号功率谱密度图；图4是光电混合环路振荡电信号与输出微波毫米波信号的实测相噪数据图。具体实施方式为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。需要提前说明的是，在本发明的描述中，术语“同源”是指两个不同波长激光源于同一光源，也就是说，两激光相位几乎同步，便于实现拍频后两相位寄生噪声的相互抵消，从而避免光载波相噪对微波毫米波信号相噪的影响。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。本发明主要基于以下构思：采用光纤光栅对宽带光谱源信号进行光域切割得到同源双波长激光；然后采用光电混合环路分别对两激光信号进行频谱拓展，实现以光载波为中心的离散等距光谱簇；最后再选取目标离散光谱簇进行平方律检波，进行拍频后经过窄带滤波，最终实现低相噪微波毫米波单频点信号的输出。本发明所涉及的新装置主体结构见图2所示，包括：一、宽带光谱源、光纤光栅与解波分复用器，上述三个器件实现“同源双波长”模块，并传送给上下两支路光电混合环路。具体而言，宽带光谱源提供宽带光信号源；光纤光栅具有双峰窄带滤波性，用于对宽带光谱的进行双频段切割后产生“同源双波长”激光；解波分复用器用于对该双波长光源实现分流，分别连接上下两支路光电混合环路。二、电光强度调制器1、光耦合器1、光延时单元1、光电探测器1、电窄带滤波器1与电放大器1构成的第一光电混合环路；电光强度调制器2、光电耦合器2、光延时单元2、光电探测器2、电窄带滤波器2与电放大器2构成的第二光电混合环路。具体而言，在第一光电混合环路和第二光电混合环路中，电窄带滤波器配合光延时单元用于选频，电光强度调制器用于实现电光转换，光电探测器用于实现光电转换，光耦合器用于光信号分流，电放大器用于补偿环路内的电光传输与转换损耗。光电混合环路内的噪声(包括有源光器件与电器件产生的总噪声)在环路内部不断实现光电/电光转换与循环，满足“巴克豪森”条件(对应频点开环增益大于1，相移为2π的整数倍)的电信号最终实现振荡，并在光耦合器端输出，完成对光载波的强度调制，实现以载波为中心的离散等距拓展。三、光窄带滤波器1、光窄带滤波器2、光耦合器3、电窄带滤波器3；光窄带滤波器1和光窄带滤波器2分别用于对第一光电混合环路与第二光电混合环路输出的离散等距光谱簇进行选频；光耦合器3用于对两支路的光波进行合波；光电探测器3用于对输入光信号进行“平方律”检波，完成光拍频并输出微波毫米波信号；电窄带滤波器3用于选频，对杂波进行抑制，最终获取目标微波毫米波单频点信号。本发明所涉及的新方法见图1所示，包括以下步骤：步骤1、产生同源双波长激光。上述步骤中可以采用宽带光谱源作为双波长激光的“种子源”，采用具有双峰窄带滤波性能的光纤光栅对其宽带光谱进行双频段切割，最终获得双波长激光。步骤2、分离双波长激光，为两光电混合环路提供光源。采用解波分复用器对双波长单路激光进行分路，分别传送给上下两支路光电混合环路。步骤3、采用光电混合环路对激光谱实现拓展，产生离散等距光谱簇。光载波通过光电强度调制器对噪声进行幅度调制，通过光耦合器分流后进入光延时单元实现延时，延时后光信号通过光电探测器进行“平方律”检波，还原电信号，电信号通过窄带滤波器进行选频，并通过电放大器实现损耗补偿，最终输入至电光强度调制器的电输入端，再次对光载波进行调制并进行下一次循环。对于某些特殊频点，如果其环路延时对应的相移量为2π的整数倍且开环增益大于1，那么该频率信号经过多次循环后在输出端口实现同相位叠加，信号越来越大，最终能够产生稳定的振荡信号。振荡信号越来越大会造成环路的非线性越来越明显，对开环增益实现压缩，当增益被压缩至1时振荡信号功率不再增加，最终实现稳定输出。设电/光强度调制器的输出光功率为Pout=12Pinα[1+ηcos(VDCπVπ+VinπVπ)]]]>α为电/光强度调制器的插损系数，π为圆周率常数，η决定着电/光强度调制器的消光比ξ＝(1+η)/(1-η)，VDC为电/光强度调制器偏置电压，Vπ为电/光强度调制器的半波电压，Vin为输入电信号，Pin与Pout分别为输入、输出光功率。探测器输出的电信号经过滤波、放大，在进入电/光强度调制器前表达式为Vout=12ρRGAPinα[1+ηcos(VDCπVπ+Vin(t-τ)πVπ)]]]>上式中ρ为探测器的响应度，R为探测器输出端的匹配阻抗，τ为环路的延时，GA为电放大器的幅度增益。定义开环增益为Gs=dVoutdVin|Vin=0=-12ρRGAPinαπVπηsin(VDCπVπ)]]>其值须大于1循环信号才能起振。令η为1，输入信号为Vin＝V0sinωt，将上式泰勒展开，保留至四阶为Vout=G(V0)Vin(t-τ)=-12ρRGAPinαsin(VDCπVπ)[πVπ-18(πVπ)3V02+1192(πVπ)5V04]Vin(t-τ)]]>当环路增益为1的时候，系统达到稳定，产生稳定输出信号，此时|G(V0)|＝1求解输出信号幅值为V0=22Vππ1-2ρRGAPinαπVπη]]>振荡功率Posc为Posc=V022R]]>综合以上两式可得到振荡电信号的稳定输出功率为Posc=4Vπ2Rπ2(1-2ρRGAPinαπVπη)]]>G(V0)不仅仅是V0的函数，也是频率的函数。引入相位因子F(ω)，系统传递函数修正为Vout＝F(ω)G(V0)Vin经过多次循环后频点ω对应的最终输出信号为为环路的附加相移，对于不同的谐振频点，其值不同，为频率的函数。将上式转换为功率表达式由上式可知，当谐振信号频率满足对应频点出现功率峰值，即振荡信号的谐振峰，两峰值频程即所谓的自由谱范围(FreeSpectrumRange，FSR)FSR=1τ]]>对于长光纤延时，一般有则单边带相位噪声为S(f)=P(f)Posc=ρNGA2/Posc1+|F(f)G(V0)|2-2|F(f)G(V0)|cos(2πfτ)]]>ρN为噪声的功率谱密度，环内的高斯噪声主要包括热噪声、激光器的相对强度噪声以及探测器的散弹噪声，Posc为振荡功率。步骤4、基于两分支离散等距光谱簇，选取待拍频等距分量。使用光窄带滤波器1与光窄带滤波器2分别对第一光电混合环路与第二光电混合环路输出的两等距光谱簇进行窄带选频，并通过光耦合器3进行合波。设输入至两光电混合环路的激光信号分别为与其中A1与A2分别为两支路光信号幅度值，Ω1与Ω2为两支路光信号频率，与为两支路光信号对应的相位。如果调整光电混合环内滤波器与延时量，使得循环电信号为单频点振荡信号，分别为与其中a1与a2分别为两循环电信号幅度值，ω1与ω2为两循环电信号频率，θ1与θ2为两循环电信号对应的相位。光谱通过拓展后，基于幅度调制理论，上下支路可分别表示为与其中与分别为拓展系数，由上述两式不难看出，通过光谱拓展后，上下两支路均呈现出以光载波频率为中心的离散等距光谱簇。步骤5、基于“平方律”检波实现光谱拍频，滤波后实现输出。采用光电探测器对输入光信号进行平方律检波，还原电信号，最终通过窄带滤波器实现微波毫米波信号输出。具体而言，平方律检波是一种非线性过程，检波器输出信号与输入信号的振荡包络的瞬时值的平方近似的成正比。实施例1：参照图1所涉方法产生20GHz微波源，并对其相位噪声进行测量。基于图2搭建所涉装置基本结构。采用EM4公司型号为EM650-193500-100-PM900-FCA-NA的分布反馈型半导体激光器(输出功率为100mW)，鉴于激光器的高功率输出对应低的相对强度噪声的考虑，实验中让激光器工作在饱和输出功率下，后接一个可调光衰减器来改变注入调制器端的光功率；采用Optilab公司的型号为IM-1550-12-PM的马赫-增德尔型强度调制器；采用Optilab公司的型号为PD-30的光电探测器(最高相应频率为30GHz)；采用Hittite公司型号为HMC406的低噪声微波放大器；使用6kmSMF-28通信光纤作为延时线；其他无源器件均采用国产器件。光纤光栅双窄带中心波长分别为1552.52nm与1552.62nm(间隔为0.1nm，在光通信C波段对应频率为12.5GHz)。步骤1、产生同源双波长激光。采用宽带光谱源作为双波长激光的“种子源”，采用光纤光栅对其宽带光谱进行切割，双通带的中心波长分别为1552.52nm与1552.62nm，即经过切片后最终实现的双波长激光光源对应波长分别为1552.52nm与1552.62nm。步骤2、分离双波长激光，为两光电混合环路提供光源。采用符合ITU-TG.692标准的解波分复用器对双波长单路激光进行分路，分别传送给上下两支路光电混合环路。步骤3、采用光电混合环路对激光谱实现拓展，产生离散等距光谱簇。光载波通过电/光强度调制器后，经过光电混合环路后级光谱被拓展成离散等距光谱簇，如上文所述上下支路可分别表示为与其中两光载波(对应中心波长为1552.52nm与1552.62nm)对应的光谱频率分别为Ω1＝193.1THz与Ω2＝193.0875THz。两光电混合环路内置窄带滤波器中心波长为7.5GHz，如果电信号在环内单频振荡，那么ω1＝ω2＝7.5GHz。综上所述，上支路通过光谱拓展后，形成以193.1THz频率为中心，频谱间距为7.5GHz的离散等距光谱簇；下支路通过光谱拓展后，形成以193.0875THz频率为中心，频谱间距为7.5GHz的离散等距光谱簇。步骤4、基于两分支离散等距光谱簇，选取待拍频等距分量。使用光窄带滤波器可选区待拍频的等距分量。由于上述光谱拓展方案基于强度调制，实施过程中电光调制器处于正交工作状态，功率大部分集中在光载波与一阶信号分量，所以在采用光窄带滤波器选取待拍频光谱时，作为被选取对象，上支路备选频点光谱分量包括与(其中Ω1＝193.1THz，ω1＝7.5GHz)；下支路包括与(其中Ω2＝193.0875THz，ω2＝7.5GHz)。步骤5、基于“平方律”检波实现光谱拍频，滤波后实现输出。采用光电探测器对输入光信号进行“平方律”检波，还原电信号。进一步，选择两个单频点光谱进行拍频，如待拍频信号为与根据“平方律”检波原理，输出光电流与光强成正比，即为Y∝|e-j(Ω1t+φ1)+e-j[(Ω2+ω2)t+(φ2+θ2)]|2]]>化简得：Y∝(e-j(Ω1t+φ1)+e-j[(Ω2+ω2)t+(φ2+θ2)])×(e-j(Ω1t+φ1)+e-j[(Ω2+ω2)t+(φ2+θ2)])*]]>求解可得：Y∝{1+cos[(Ω1-Ω2-ω2)t+(φ1-φ2-θ2)]}(对应频率5.0GHz)。同理，如待拍频信号为与求解可得：Y∝{1+cos[(Ω1-Ω2)t+(φ1-φ2)]}(对应频率12.5GHz)。同理，如待拍频信号为与求解可得：Y∝{1+cos[(Ω1-Ω2+ω2)t+(φ1-φ2+θ2)]}(对应频率20.0GHz)。同理，如待拍频信号为与求解可得：Y∝{1+cos[(Ω1-Ω2+ω1)t+(φ1-φ2+θ1)]}(对应频率20.0GHz)。同理，如待拍频信号为与求解可得：Y∝{1+cos[(Ω1-Ω2+ω1-ω2)t+(φ1-φ2+θ1-θ2)]}(对应频率12.5GHz)。同理，如待拍频信号为与求解可得：Y∝{1+cos[(Ω1-Ω2+ω1+ω2)t+(φ1-φ2+θ1+θ2)]}(对应频率27.5GHz)。同理，如待拍频信号为与求解可得：Y∝{1+cos[(Ω1-Ω2-ω1)t+(φ1-φ2-θ1)]}(对应频率5.0GHz)。同理，如待拍频信号为与求解可得：Y∝{1+cos[(Ω1-Ω2-ω1-ω2)t+(φ1-φ2-θ1-θ2)]}(对应频率2.5GHz)。同理，如待拍频信号为与求解可得：Y∝{1+cos[(Ω1-Ω2-ω1+ω2)t+(φ1-φ2-θ1+θ2)]}(对应频率12.5GHz)。进一步，如上所述，如果从上下分支各选任意一单频点光谱分量进行拍频，共有九个组合，分别得到2.5GHz、5.0GHz、12.5GHz、20.0GHz与27.5GHz共计五个单频点电信号。实施例旨在产生20.0GHz微波信号，故可选方案为与或是选择与进行拍频，本实验选择与进行拍频，最终得出的输出微波信号表示为Y＝2cos[(Ω1-Ω2+ω1)t/2+(φ1-φ2+θ1)/2]。其一，上式充分体现本发明所涉方案产生微波毫米波信号的“低相噪”性。由上式可知，输出信号的相位为(φ1-φ2+θ1)/2，由于上下支路的光载波源于同一光源，上支路载波信号相位φ1与下支路载波信号相位φ2的“扰动”基本一致，故φ1-φ2接近一固定值，不会引起输出微波信号相位的功率谱展宽；光电混合环路属于典型的反馈延时型振荡器，基于长光纤延时具有极低的相位噪声，θ1源于循环电信号相位，故最终输出微波信号具有极低相位噪声(由θ1决定)。其二，上式充分体现本发明所涉方案产生微波毫米波信号的“全频域可调谐”性。由上式可知，输出信号的频率为(Ω1-Ω2+ω1)/2，Ω1与Ω2的差值可通过上下支路的光载波的波长进行调谐，ω1值为光电混合环路振荡电信号的频率，可通过环内窄带滤波器与延时量大小进行调谐，采用“光域”与“电域”搭配调谐的方式可实现微波毫米波信号的“全频域可调谐”性。图3给出了本实施例所产生微波毫米波输出信号的功率谱密度，实现了20.0GHz微波毫米波信号的输出，证实了本实施例的有效性。图4给出了本实施例所产生微波毫米波输出信号的实测相噪数据，为体现本发明所涉方案的先进性，同时给出了上支路光电混合环路振荡电信号(7.5GHz)的实测相噪数据。基于图中数据不难看出，本方案不仅将振荡信号的频率从7.5GHz提高到20.0GHz，而且较好地降低了相噪，在10Hz附近接近降低了10dB，在100Hz与1kHz附近降低了20dB，使得输出信号相噪指标得到明显改善，即本发明所涉方案产生的微波毫米波信号源具备高稳定性。为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明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发明的内容。当前第1页1 2 3