一种Ka波段光学相位均衡系统的制作方法

本实用新型涉及光通信技术，具体为一种Ka波段光学相位均衡系统。

背景技术：

近十多年来，微波通信用户剧增，使微波频谱出现拥挤。加之精确武器系统的发展要求，促使人们把系统的工作频率向上延伸，如相控阵雷达系统的工作频段已提高到了Ka波段(频率为26.5～40GHz)甚至是W波段(频率为75～110GHz)。

在多信道微波通信系统中，由于各物理信道的非理想性，微波信号经过传输后相位的变化不一致，因此通常需要对各信道中的微波信号的相位进行均衡，光延迟线具有体积小、重量轻、带宽宽，损耗低、抗干扰能力强等优点，并且不存在传统电学延时装置的波束偏斜现象，是光学相位均衡系统的主要部件，被广泛应用到光控相控阵雷达、卫星天线以及通信等领域。但目前可调光延迟线存在三个主要的技术问题。首先，当前常用的光延迟线是增量可调而非连续可调，增量可调延迟线虽然能达到较大的延迟动态范围，但其精度只能达到数十皮秒量级，极大的限制了其应用范围，其次，雷达系统的工作频段逐渐提高到了Ka波段甚至是W波段，而现有的光延迟线信号调制频率一般在Ku频段(频率为12～18GHz)以下，难以满足先进雷达系统的使用要求。另外，为保证光延迟线能稳定传输宽带微波信号，需要使马赫-增德尔调制器(MZM)偏置在正交偏置点，但是热效应会导致MZM的传输函数随着时间而出现偏移。

在通信接口部分，现有的光延迟线设备的控制接口大多为RS232串行通信，难以实现控制中心点对多的控制需求。虽然少数光延迟线设备采用RS422/485的串行总线作为通信方式，也能实现单主多从的控制方式，但这种通信链路的可靠性较低，缺少有效的错误应对机制，一旦任意节点出现故障，很容易就导致整个控制网络瘫痪，即存在单点失效的风险。面向相控阵雷达系统的应用，其电磁干扰、环境应力的条件较为恶劣，同时节点数量较大，现有的光延迟线设备难以满足要求。

因此亟需一种可用于高频率Ka波段的带宽高、允许输入微波信号功率大、可调延迟、精度高且环境适应性强的光学相位均衡系统。

技术实现要素：

本实用新型的目的是设计一种Ka波段光学相位均衡系统，顺序连接的光源、电光调制单元、可调延迟单元和光电解调单元形成光链路，电光调制单元为MZM调制器，微控制器连接控制偏置控制单元和调谐控制单元，偏置控制单元输出的直流偏置电压接入MZM调制器，作为其偏置电压，控制其偏置点位于正交点上，调谐控制单元输出的驱动脉冲控制可调延迟单元的调谐步进电机的转速和位置，使之按要求对输入的Ka波段的微波信号进行相位延迟，以实现相位均衡。所述微控制器经CAN总线与上位机连接，接受上位机指令。微控制器按上位机指令要求控制偏置控制单元和调谐控制单元，对输入的Ka波段的微波信号进行相位延迟，实现相位均衡。

本实用新型设计的一种Ka波段光学相位均衡系统包括光源、电光调制单元、可调延迟单元和光电解调单元，Ka波段的微波信号接入电光调制单元，顺序连接的光源、电光调制单元、可调延迟单元和光电解调单元形成光链路，光电解调单元输出的相位均衡的Ka波段的微波信号为本系统的输出。本实用新型的电光调制单元为马赫-增德尔(MZM)调制器，以下简称为MZM调制器，偏置点处于正交偏置点，所述电光调制单元为PIN光电探测器，所述可调延迟单元为配有调谐步进电机的光延迟模块，本系统还有微控制器连接控制的偏置控制单元和调谐控制单元，偏置控制单元输出的直流偏置电压接入MZM调制器，作为MZM调制器的偏置电压，控制其偏置点位于正交点上；调谐控制单元输出的驱动脉冲控制调谐步进电机的转速和位置，所述微控制器经CAN总线与上位机连接。

所述MZM调制器的偏置电压直接决定其输出的非线性或线性度，为保证MZM调制器能传输Ka波段宽带微波信号，MZM调制器的偏置需控制在正交偏置点上。当基频微波信号的功率最大时，二次谐波的功率最小，此时对应的MZM调制器的偏置就是处于正交偏置点。虽然MZM调制器的设计、制作和封装均考虑到尽量使偏置点偏移最小化，但是其工作过程中的热效等会导致MZM调制器的偏置点出现偏移，故本实用新型设计了偏置控制单元使以精确控制偏置电压，以确保偏置点稳定于正交偏置点。

所述偏置控制单元包括直流偏置电路、信号发生器、光电探测器，第一带通滤波器、第二带通滤波器和对数放大器。直流偏置电路产生的偏置电压接入MZM调制器，MZM调制器输出的加载Ka信号的光一部分输入偏置控制单元的光电探测器，光电探测器将其转换为电信号，送入第一带通滤波器和第二带通滤波器，两个带通滤波器分别筛选出其中基波频率f_m处的电流信号和二次谐波频率2f_m处的电流信号，并将所得的两个电流信号输入对数放大器，对数放大器输出的信号经过A/D转换器，模拟信号轮换为数字信号，接入微控制器，作为MZM调制器偏置点的反馈信号。微控制器根据当前该反馈信号，计算当前MZM调制器输出光功率的测试值T₀，微控制器存储有MZM调制器输出光功率的设置值S₀，微控制器将T₀与S₀进行对比，计算当前偏置点与正交偏置点的偏移量，得到直流偏置电压的调整控制指令，通过D/A转换器接入直流偏置电路，信号发生器产生的低频信号也接入直流偏置电路，该低频信号作为导频信号和微控制器转换为模拟信号的直流电压控制信号一起，使直流偏置电路产生适当的直流偏置电压接入MZM调制器，微控制器根据MZM调制器输出的反馈信号，不断调整MZM调制器的直流偏置电压使得测试值T₀尽量接近设置值S₀。

所述调谐控制单元包括功率驱动器、脉冲分配器和电流控制器，微控制器的输出端通过D/A转换器连接脉冲分配器和电流控制器。微控制器根据上位机的相位延迟指令，向脉冲分配器和电流控制器发出相关信号，脉冲分配器和电流控制器根据微控制器的指令产生驱动脉冲频率和驱动电流接入功率驱动器，功率驱动器连接可调延迟单元的调谐步进电机，控制其转动速度和停止位置，调谐步进电机连接带动光延迟模块，实现上位机要求的相位延迟。

所述电流控制器将当前控制电流值通过A/D转换器反馈回微控制器，微控制器据此监测功率驱动器当前输出的电流值。

所述调谐控制单元还配有过流保护电路，其连接功率驱动器，检测功率驱动器输出的电流值，当电流大于设定的最大值时，过流保护电路断开功率驱动器，以保护调谐控制单元。

所述可调延迟单元的光延迟模块还配有限位传感器，限位传感器经D/A转换器与微控制器连接，当延迟量达到最小值零时，限位传感器发送信号到微控制器，微控制器限制光延迟模块延迟零点的位置。

本系统还包括CAN总线通信单元，所述微控制器经CAN总线通信单元与上位机连接，其将上位机与本系统的微控制器连接，接受上位机指令，据此调节本系统的偏压和调谐控制范围。所述CAN总信通信单元包括两个CAN总线通信模块，分别通过CAN总线串行接口与上位机连接，构成双CAN冗余的通信结构，在主链路出现故障时，可立即切换至备链路继续工作，最大程度上保障了通信网络的完整性。

所述上位机通过CAN总线同时连接一个或多个本Ka波段光学相位均衡系统。

本实用新型设计的Ka波段光学相位均衡系统运行时，开机上电后，CAN总线通信单元、偏置控制单元和调谐控制单元初始化；可调延迟单元的相位延迟时间为零；检测此时的延迟值是否与上次断电前控制器存储的延迟量值相同，若发现不同，视为异常，重新初始化；否则进入待机状态、等待上位机指令，并向上位机汇报本机启动完成处于待机状态；CAN总线通信单元接收上位机指令，并传送给微控制器，微控制器检测指令有效，根据上位机指令微控制器经D/A转换器向偏置控制单元发送直流偏置电压的调整控制指令，经D/A转换器向调谐控制单元发送驱动脉冲和驱动电流，控制电光调制单元的MZM调制器的偏置点稳定于正交偏置点，控制可调延迟单元实现上位机要求的相位延迟；微控制器经CAN总线通信单元将本系统当前状态汇报上位机，汇报内容包括当前本系统的相位延迟位置；之后再次进入待机状态；

所述上位机连接屏幕，上位机在屏幕上实时显示其所连接的一个或多个本系统的当前状态，显示内容包括各系统当前的延迟位置和延迟量。

在待机状态，微控制器控制本系统定期自检，即检测当前的延迟值是否与控制器存储的延迟量值相同，自检情况正常，继续待机；发现异常时将自检情况向上位机汇报，继续待机。

与现有技术相比，本实用新型一种Ka波段光学相位均衡系统的优点为：1、采用偏置点位于正交点上的马赫-增德尔调制器和PIN光电探测器组成强度调制的光链路结构，使光延迟模块的应用范围扩展到了Ka波段，其允许输入射频/微波信号覆盖了10MHz～40GHz的K波段带宽范围，包括了K_a波段的26.5～40GHz；2、通过微控制器控制的调谐步进电机，使光延迟模块的延迟精度达到0.1皮秒，可调延迟范围为0～300ps，实现了高精度连续可调；3、上位机通过CAN总线通信单元可实现单台主机上对多台本系统设备的远程协调控制，控制界面简单友好，不需要工程人员掌握具体的通信协议就可以完成光信号延迟的调整和设备工作状态的监控；4、CAN总线通信单元的双CAN冗余的通信结构使本系统可工作于多主方式，网络中具有访问权限的任意节点均可向本系统CAN总线发送数据，上位机不再需要以轮询的方式获取各节点设备的实时信息；此外本CAN总线通信单元在物理层和数据链路层均实现了有效的错误应对机制，提高系统的可靠性和抗干扰性；4、本实用新型系统具有体积小、功耗低、重量轻、精度高且易于操作使用等特点，适合于精确武器系统、雷达系统等实际系统应用。

附图说明

图1为本Ka波段光学相位均衡系统实施例总体结构框图；

图2为图1中偏置控制单元结构框图；

图3为图1中调谐控制单元和可调延迟单元结构框图。

具体实施方式

本Ka波段光学相位均衡系统实施例的总体结构框图如图1所示，包括光源、电光调制单元、可调延迟单元和光电解调单元形成的光链路，以及微控制器连接控制的偏置控制单元和调谐控制单元。

本例电光调制单元为MZM调制器，偏置点处于正交偏置点，所述电光调制单元为PIN光电探测器，可调延迟单元为配有调谐步进电机的光延迟模块。

Ka波段的微波信号接入顺序连接的光源、电光调制单元、可调延迟单元和光电解调单元形成的光链路，光电解调单元输出的相位均衡的Ka波段的微波信号为本系统的输出。偏置控制单元输出的直流偏置电压接入MZM调制器，作为MZM调制器的偏置电压，控制其偏置点位于正交点上；调谐控制单元输出的驱动脉冲控制调谐步进电机的转速和位置，所述微控制器经CAN总线通信单元与上位机连接。

本例偏置控制单元如图2所示包括直流偏置电路、信号发生器、光电探测器，第一带通滤波器、第二带通滤波器和对数放大器。直流偏置电路产生的偏置电压接入MZM调制器，MZM调制器输出的加载Ka信号的光一部分输入偏置控制单元的光电探测器，光电探测器将其转换为电信号，送入第一带通滤波器和第二带通滤波器，两个带通滤波器分别筛选出其中基波频率f_m处的电流信号和二次谐波频率2f_m处的电流信号，并将所得的两个电流信号输入对数放大器，对数放大器输出的信号经过A/D转换器，模拟信号轮换为数字信号，接入微控制器，作为MZM调制器偏置点的反馈信号。微控制器根据当前该反馈信号，计算当前MZM调制器输出光功率的测试值T₀，微控制器存储有MZM调制器输出光功率的设置值S₀，微控制器将T₀与S₀进行对比，计算当前偏置点与正交偏置点的偏移量，得到直流偏置电压的调整控制指令，通过D/A转换器接入直流偏置电路，信号发生器产生的低频信号也接入直流偏置电路，该低频信号作为导频信号和微控制器转换为模拟信号的直流电压控制信号一起，使直流偏置电路产生适当的直流偏置电压接入MZM调制器，微控制器根据MZM调制器输出的反馈信号，不断调整MZM调制器的直流偏置电压使得测试值T₀尽量接近设置值S₀。

本例调谐控制单元如图3所示，包括功率驱动器、脉冲分配器、电流控制器和过流保护电路，微控制器的输出端通过D/A转换器连接脉冲分配器和电流控制器。微控制器根据上位机的相位延迟指令，向脉冲分配器和电流控制器发出相关信号，脉冲分配器和电流控制器根据微控制器的指令产生驱动脉冲频率和驱动电流接入功率驱动器，功率驱动器连接可调延迟单元的调谐步进电机，控制其转动速度和停止位置，调谐步进电机连接带动光延迟模块，实现上位机要求的相位延迟。

所述电流控制器将当前控制电流值通过A/D转换器反馈回微控制器，微控制器据此监测功率驱动器当前输出的电流值。

所述过流保护电路与功率驱动器连接，检测其输出的电流值，当电流大于设定的最大值时，过流保护电路断开功率驱动器。

本例可调延迟单元的光延迟模块还配有限位传感器，限位传感器经D/A转换器与微控制器连接，当延迟量达到最小值零时，限位传感器发送信号到微控制器，微控制器限制光延迟模块延迟零点的位置。

本例的CAN总线通信单元包括两个CAN总线通信模块，分别通过CAN总线串行接口与上位机连接，构成双CAN冗余的通信结构。

本例上位机通过CAN总线同时连接三个本Ka波段光学相位均衡系统。

上述实施例，仅为对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本实用新型并非限定于此。凡在本实用新型的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围之内。