基于微波光波相干转换的无线数字通信接收天线及其方法与流程

本发明涉及一种天线及其通信方法，尤其涉及一种基于微波光波相干转换的无线数字通信接收天线及基于微波光波相干转换的无线数字通信方法。

背景技术：

2012年，美国oklahoma大学的shaffer研究组与德国stuttgart大学的pfau研究组合作首次利用热里德堡原子eit和at分裂，将微波电场强度的测量转化为光学频率测量，实验上实现了微波电场测量，测到的最小电场强度为8μvcm^-1，灵敏度为30μvcm^-1hz^-12。2018年美国maryland大学的davidh.研究组利用热原子eit-at分裂现象进行数字通信，信道容量为8.2mbit/s。同年，新加坡国立大学的李文辉研究组首次通过里德堡原子的六波混频过程实现了从微波到光波的相干转换，转换带宽约6mhz，且转换过程不受强度限制，原理上可工作在微波单光子的水平。

目前，实验测量和理论分析表明，基于热原子eit-at分裂现象的数字通信只能通过幅值调制进行，无法通过相位调制进行信息的传输；同时信道容量受激光线宽、渡越展宽、散粒噪声以及里德堡原子退相干等因素限制。本发明在原理上不受原子体系量子测量极限的限制，接收灵敏度可接近单光子水平，大为提高数字通信的信道容量。此外本发明既可通过幅值调制也可通过相位调制来进行信息的传递，有望拓展至相控技术。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术的缺陷，本发明之目的在于提供一种结构简单、灵敏度高、带宽大、可行性强且易于实用化的基于微波光波相干转换的无线数字通信接收天线及其方法。

一种基于微波光波相干转换的无线数字通信接收天线，包括激光器、数字信号制调器、铯泡、合束器、光电探测器和数字信号解调器，其中：

激光器用于产生光外差探测中所需的本振光；

数字信号解调器将数字信号调制至微波；

铯泡将微波调制转换为已调制光波；

合束器将上述本振光和上述已调制光波进行叠加，产生光外差信号；

光电探测器接受光外差信号；

数字信号解调器用于从上述光外差信号中恢复为数字信号。

进行通信时，利用数字信号调制器将数字信号调制至微波，作为接收探头的铯泡接收到已调制微波后，其内的铯原子在发生六波混频过程将已调制微波相干地转换为已调制光波，通过合束器对已调制光波进行光外差探测，光电探测器将所探测到的光外差信号送至数字信号解调器进行解调，由数字信号解调器恢复数字信号，最后完成通信。

优选地，铯泡内提供室温饱和蒸汽下的铯原子气体，铯原子气体在里德堡六波混频过程中将微波调制成已调制光波。

优选地，数字信号调制器通过相移键控调制将数字信号调制至微波信号上。相移键控调制包括bpsk调制、qpsk调制和8psk调制，通过iq调制使得微波的不同相位代表不同的数字信号。

数字信号解调器由乘法电路、低通滤波电路和采样判决电路组成，利用乘法电路分别将正弦模式和余弦模式的射频信号与光外差信号相乘，通过低通滤波器恢复iq信号波形，最后通过采样判决电路恢复数字信号。

乘法电路进行了iq信号与正弦模式和余弦模式的射频信号在时域的相乘运算。正弦模式和余弦模式的射频信号是指该正弦波和余弦波的频率和光外差信号的频率一致。

低通滤波电路只允许低频的iq信号通过，从而恢复iq信号波形；采样判决电路实现iq信号幅值与数字信号的对应，完成数字信号的恢复。

本发明还提供了一种基于微波光波相干转换的无线数字通信方法，包括以下步骤：

1)利用数字信号调制器通过相移键控调制把数字信号调制至微波上；

2)该微波通过喇叭发射至铯泡内；

3)铯泡内提供温饱和蒸汽下的铯原子气体，铯原子气体在里德堡六波混频过程中将微波调制成已调制光波；

4)通过光外差相干解调法对已调制光波进行解调，恢复为数字信号。

其中，步骤4)中光外差相干解调法包括以下步骤：通过合束器产生光外差信号，光电探测器将探测到的光外差信号送至数字信号解调器进行解调，由数字信号解调器恢复数字信号。

优选地，合束器产生光外差信号的步骤包括：通过激光器产生光外差探测中所需的本振光，合束器对本振光和已调制光波进行叠加后产生光外差信号。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明基于微波光波相干转换的无线数字通信接收天线及其方法，其接收端使用了原子接收端，相对于采用金属接收端的接收天线而言，原子接收端避免了热噪声。

2、本发明基于微波光波相干转换的无线数字通信接收天线及其方法，其方法结合了里德堡原子六波混频过程，信道频段为1ghz-1thz，信道带宽约为6mhz。由香农公式可知当带宽越大，信噪比越高时，信道容量越大。因而采用基于里德堡原子六波混频过程的接收天线大大提高了无线信道的信道容量，且可用于多路复用技术，进行多路、快速的并行通信。

3、本发明基于微波光波相干转换的无线数字通信接收天线及其方法，既可对幅值调制的微波也可对相位调制的微波进行解调，且接收灵敏度原则上可接近微波单光子水平。

4、本发明基于微波光波相干转换的无线数字通信接收天线及其方法，作为接收端的铯泡，其尺寸减小并不会降低信道容量，因而易于进行小型化和集成化，对于当前器件小型化时代，具有广阔的应用前景和科研价值。

附图说明

图1为本发明基于微波光波相干转换的无线数字通信接收天线结构示意图。

图2为本发明基于微波光波相干转换的无线数字通信接收天线能级结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的基于微波光波相干转换的无线数字通信接收天线，包括包括激光器4、数字信号制调器18、铯泡2、合束器5、光电探测器6和数字信号解调器7。数字信号制调器18将数字信号调制至微波1，喇叭19将已调制的微波发射至铯泡2内。铯泡2，用于提供室温饱和蒸汽压下的铯原子气体，该铯原子气体用于在里德堡六波混频过程，使已调制微波1转化为已调制光波3。激光器4用于产生光外差探测中所需的本振光，合束器5将本振光和已调制光波3进行叠加，产生光外差信号；光电探测器6接收光外差信号；数字信号解调器7用于从上述光外差信号中恢复为数字信号。

进行通信时，利用数字信号调制器18将数字信号调制至微波1，作为接收探头的铯泡2接收到已调制微波1后，其内的铯原子在发生里德堡六波混频过程中将已调制微波1相干地转换为已调制光波3，通过合束器5对已调制光波3进行光外差探测，光电探测器6将所探测到的光外差信号送至数字信号解调器7进行解调，由数字信号解调器恢复数字信号，最后完成通信。

其中，数字信号调制器18通过相移键控调制、即psk调制将数字信号调制至微波信号上。上述psk调制，包括bpsk调制、qpsk调制和8psk调制等，主要通过iq调制使得微波的不同相位代表不同的数字信号。

如图2所示为原子探头铯泡2内原子发生里德堡原子六波混频过程的能级结构图。在能级中，8(6s1/2,f＝4)为铯原子的基态，9(6p3/2,f＝4)和13(6p3/2,f＝5)分别为铯原子的两个中间激发态，10(25d5/2)、11(25p3/2)和12(25d3/2)分别为铯原子的三个里德堡态，通过选择相干场的拉比频率和失谐量使得已调制微波1在光学跃迁6p3/2→6s1/2上产生相干，从而实现共振六波混频环路；14为波长852nm的驱动光，15、17分别为波长510nm的耦合光和辅助光，它们的作用是将原子的基态与里德堡态耦合，当已调制微波照射到原子系综时，施加辅助微波场16和辅助光在原子介质构成混频过程，将已调制微波1相干转换为已调制光波3；所谓相干转换即六波混频过程中产生的光波3的幅值和相位与铯泡2所接收到的微波1的幅值和相位相联系，因而可以把数字信号对微波1的调制转换为对光波3的调制；上述s、p和d表示轨道角动量量子数分别为0、1、2的原子能级。

通过合束器5对已调制光波3进行光外差探测，主要为利用合束器5将激光器4所产生的波长为852nm的本振光ωlo与里德堡原子六波混频过程所产生的已调制光波ωm进行叠加，叠加所得的光外差信号频率为(ωlo-ωm)，由于光外差信号同时携带了已调制光波的幅值和相位信息，因而可对光外差信号进行解调来恢复数字信号。

数字信号解调器7由乘法电路、低通滤波电路和采样判决电路组成，利用乘法电路分别将正弦模式和余弦模式的射频信号与光外差信号相乘，通过低通滤波器恢复iq信号波形，最后通过采样判决电路恢复数字信号。

其中，乘法电路进行了iq信号与正弦模式和余弦模式的射频信号在时域的相乘运算。正弦模式和余弦模式的射频信号是指该正弦波和余弦波的频率和光外差信号的频率一致。低通滤波电路只允许低频的iq信号通过，从而恢复iq信号波形。采样判决电路实现iq信号幅值与数字信号的对应，完成数字信号的恢复。

一种基于微波光波相干转换的无线数字通信方法，包括以下步骤：

1)利用数字信号调制器18通过相移键控调制把数字信号调制至微波上；

2)微波通过喇叭19发射至铯泡2内；

3)铯泡2内提供温饱和蒸汽下的铯原子气体，铯原子气体在里德堡六波混频过程中将微波1调制成已调制光波3；

4)通过光外差相干解调法对已调制光波3进行解调，恢复为数字信号。

其中，步骤4)中光外差相干解调法包括以下步骤：

a.通过激光器4产生光外差探测中所需的本振光；

b.合束器5对本振光和已调制光波进行叠加后产生光外差信号；

c.光电探测器6将探测到的光外差信号送至数字信号解调器；

d.数字信号解调器进行解调，由数字信号解调器恢复数字信号。

本发明的基于微波光波相干转换的无线数字通信接收天线及其方法，结合了微波光波相干转换过程而大大提高了无线信道的信道容量，且可用于多路复用技术，进行多路、快速的并行通信；同时由于使用原子接收端，避免了热噪声且易于小型化和集成化。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，如原子气体还可以为原子团，相位调制还可以采用幅值调制，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。