微波信号产生装置

1.本发明涉及微波光子学技术领域，具体涉及一种微波信号产生装置。


背景技术：

2.现代雷达系统中，为了同时得到大探测距离以及高分辨率，需要应用具有大时间宽带积的微波信号，例如相位编码信号以及双啁啾信号。传统地，相位编码信号以及啁啾信号是通过电子回路产生的，然而，电子器件往往有着较低的中心频率和带宽，限制了这些的方案的应用范围。同时，现有的产生相位编码或者双啁啾信号的方案大多围绕着连续波模式产生展开，存在背景噪声干扰的问题。
3.在通信和传感领域，由联邦通信协会(federal communicationcommission，fcc)规定的超宽带信号有着极大的应用。传统的用来产生超宽带信号的微波光子学方案，也会被背景噪声干扰。


技术实现要素：

4.(一)要解决的技术问题
5.本发明为了解决上述问题，提出了一种微波信号产生装置，用于产生无背景噪声干扰的相位编码信号、超宽带信号以及双啁啾信号。
6.(二)技术方案
7.本发明提出了一种微波信号产生装置，包括：激光器1，用于产生线性偏振光信号；偏振复用双驱动马赫曾德尔调制器2，用于将所述线性偏振光信号分束为第一线性偏振光信号及第二线性偏振光信号，将基带信号及射频信号调制到所述第一线性偏振光信号上，并分别在所述第一线性偏振光信号与所述第二线性偏振光信号上引入相位差；将所述第一线性偏振光信号与所述第二线性偏振光信号的其中之一的偏振态旋转；以及将处理后的第一线性偏振光信号及第二线性偏振光信号合束为一束正交偏振光信号；偏振控制器3，用于将所述正交偏振光信号中的两个正交的偏振态之间引入预设相位差；起偏器4，用于将处理后的所述正交偏振光信号转换为单一偏振态的偏振光信号；光电探测器5，将所述单一偏振态的偏振光信号转换为对应的微波信号。
8.可选地，所述偏振复用双驱动马赫曾德尔调制器2包括：耦合器21，用于将所述线性偏振光信号分束为第一线性偏振光信号及第二线性偏振光信号，其中，所述第一线性偏振光信号与第二线性偏振光信号的功率相等；第一双驱动马赫曾德尔调制器22，用于分束所述第一线性偏振光信号为偏振态一致的第一光信号和第二光信号，将基带信号及射频信号分别调制所述到第一光信号和第二光信号上，在第一光信号和第二光信号之间引入相位差，合束所述第一光信号和第二光信号为处理后的第一线性偏振光信号；第二双驱动马赫曾德尔调制器23，用于分束所述第二线性偏振光信号为偏振态一致的第三光信号和第四光信号，在第三光信号和第四光信号之间引入相位差，合束所述第三光信号和第四光信号为处理后的第二线性偏振光信号；偏振旋转器24，用于将所述第一线性偏振光信号与所述第
二线性偏振光信号的其中之一的偏振态旋转π/2；偏振合束器25，用于将处理后的第一线性偏振光信号及第二线性偏振光信号合束为一束正交偏振光信号。
9.可选地，所述第一双驱动马赫曾德尔调制器22包括：第一支路臂，用于将基带信号调制到所述第一光信号上；第二支路臂，用于将射频信号调制到所述第二光信号上；所述第一支路臂与所述第二支路臂还用于输入第一双驱电压，以在所述第一光信号和第二光信号之间引入第一相位差；所述第二双驱动马赫曾德尔调制器23包括：第三支路臂及第四支路臂，用于输入第二双驱电压，以在所述第三光信号和第四光信号之间引入第二相位差。
10.可选地，所述微波信号产生装置还包括：任意波形发生器6，接入所述第一支路臂的射频输入端口，用于产生不同格式的所述基带信号。
11.可选地，所述微波信号产生装置还包括：微波源7，接入所述第二支路臂的射频输入端口，用于产生所述射频信号。
12.可选地，所述微波信号产生装置还包括：电压源8，分别接入所述第一支路臂、第二支路臂、第三支路臂及第四支路臂上的偏置电压输入端口，用于提供直流偏置电压，以作为所述第一双驱电压或所述第二双驱电压。
13.可选地，所述第一相位差为π。
14.可选地，所述第二相位差为2π/3。
15.可选地，所述偏振控制器3相对于所述起偏器4的主轴旋转预设角度，以在所述正交偏振光信号中的两个正交的偏振态之间引入预设相位差，其中，所述预设角度为π/2，所述预设相位差为π/6。
16.可选地，所述基带信号包括三电平信号、两电平信号或单啁啾信号。
17.(三)有益效果
18.本发明提出了一种微波信号产生装置，能根据不同的基带信号，产生对应格式的微波信号，满足多种场景的使用，降低使用成本。且产生的微波信号不包含背景噪声，有着良好的调谐能力。同时，本发明微波信号产生装置不受光滤波器或者电滤波器的限制，具有更高中心频率和带宽，应用范围更广泛。
附图说明
19.图1示意性示出了本发明实施例提供的微波信号产生装置。
20.图2示出了仿真得到的三电平基带信号波形图。
21.图3示出了仿真得到的在较长时间宽度内的三电平基带信号对应相位编码信号波形图。
22.图4示出了在较短时间尺度内三电平基带信号对应相位编码信号波形图。
23.图5示出了通过希尔伯特变化得到的图4对应的相位跳变的信息。
24.图6示出了相位编码信号的频谱图。
25.图7示出了仿真得到的两电平基带信号波形图。
26.图8示出了两电平基带信号对应的符合fcc的超宽带信号在较长时间尺度的波形图。
27.图9示出了两电平基带信号对应的符合fcc规定的超宽带信号在较短时间尺度内的时域波形图。
28.图10示出了两电平基带信号对应的超宽带信号的频谱图。
29.图11示出了仿真得到的单啁啾信号波形图。
30.图12示出了通过短时傅里叶变换得到的单啁啾信号的频率时间分布图。
31.图13示出了单啁啾信号对应的双啁啾信号的时域波形图。
32.图14示出了通过短时傅里叶变换得到的单啁啾信号对应的双啁啾信号的频率时间分布图。
33.【附图标记说明】
[0034]1‑
激光器；
[0035]2‑
偏振复用双驱动马赫曾德尔调制器；
[0036]
21
‑
耦合器；22
‑
第一双驱动马赫曾德尔调制器；23
‑
第二双驱动马赫曾德尔调制器；24
‑
偏振旋转器；25
‑
偏振合束器；
[0037]3‑
偏振控制器；
[0038]4‑
起偏器；
[0039]5‑
光电探测器；
[0040]6‑
任意波形发生器；
[0041]7‑
微波源；
[0042]8‑
电压源。
具体实施方式
[0043]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0044]
参阅图1，本发明公开了一种基于微波光子学的微波信号产生装置，包括：激光器1、偏振复用双驱动马赫曾德尔调制器2、偏振控制器3、起偏器4、光电探测器5。
[0045]
激光器1，用于产生线性偏振光信号。该线性偏振光信号的光场可表示为：
[0046]
e0exp(j2πf0t)
[0047]
其中，e0和f0分别为线性偏振光的强度和频率。
[0048]
在本发明一实施例中，可采用光纤激光器产生线性偏振光信号，其具有结构紧凑、效率高、光束质量好、稳定性好的优点。
[0049]
偏振复用双驱动马赫曾德尔调制器2，用于将线性偏振光信号分束为第一线性偏振光信号及第二线性偏振光信号，将基带信号及射频信号调制到第一线性偏振光信号上，并分别在第一线性偏振光信号与第二线性偏振光信号上引入相位差；将第一线性偏振光信号与第二线性偏振光信号的其中之一的偏振态旋转；以及将处理后的第一线性偏振光信号及第二线性偏振光信号合束为一束正交偏振光信号。
[0050]
在本发明一实施例中，继续参阅图1，偏振复用双驱动马赫曾德尔调制器2可以包括：耦合器21、第一双驱动马赫曾德尔调制器22、第二双驱动马赫曾德尔调制器23、偏振旋转器24、偏振合束器25。
[0051]
线性偏振光信号经耦合器21分束为第一线性偏振光信号及第二线性偏振光信号。耦合器21能将光信号分成功率相等、偏振态相同的两束光信号。
[0052]
进一步地，本发明一实施例中，第一线性偏振光信号及第二线性偏振光信号的光
场都可表示为：
[0053][0054]
在本发明一实施例中，双驱动马赫曾德尔调制器包含两个支臂，每个支臂包含射频输入端口和偏置电压输入端口。本发明采用两个双驱动马赫曾德尔调制器对光信号直接进行调制，即用来调制的射频信号以及基带信号都是直接加载到其中一个双驱动马赫曾德尔调制器上不同的射频输入端口，不用通过电功分器、90
°
移相器或者180
°
移相器，因此本发明结构较简单，便于集成使用。
[0055]
第一双驱动马赫曾德尔调制器22，用于分束第一线性偏振光信号为偏振态一致的第一光信号和第二光信号，将基带信号及射频信号分别调制到第一光信号和第二光信号上，在第一光信号和第二光信号之间引入相位差，合束第一光信号和第二光信号为处理后的第一线性偏振光信号。
[0056]
在本发明一实施例中，第一双驱动马赫曾德尔调制器22包括：
[0057]
进一步地，第一支路臂上接入基带编码控制信号v2s(t)，第二支路臂接入频率为f，幅度为v1的射频信号v1cos(2πft)；控制第一相位差为π；则调制处理后的第一线性偏振光信号可表示为：
[0058][0059]
其中，e
x
(t)表示调制处理后的第一线性偏振光信号，β1和β2分别为射频信号和编码信号对应的调制系数。
[0060]
第二双驱动马赫曾德尔调制器23，用于分束第二线性偏振光信号为偏振态一致的第三光信号和第四光信号，在第三光信号和第四光信号之间引入相位差，合束第三光信号和第四光信号为处理后的第二线性偏振光信号。
[0061]
在本发明一实施例中，第二双驱动马赫曾德尔调制器23包括：第三支路臂及第四支路臂，用于输入第二双驱电压，以在第三光信号和第四光信号引入第二相位差2π/3。
[0062]
进一步地，第三支路臂及第四支路臂不接收任何射频信号，仅控制第二相位差为2π/3；则调制处理后的第二线性偏振光信号可表示为：
[0063][0064]
其中，e
y
(t)表示调制处理后的第二线性偏振光信号。
[0065]
偏振旋转器24，用于将第一线性偏振光信号与第二线性偏振光信号的其中之一的偏振态旋转π/2。
[0066]
在本发明一实施例中，第一线性偏振光信号或第二线性偏振光信号的偏振态旋转π/2，二者构成相互为正交关系的偏振态；该旋转处理既可用于调制处理之前，也可用于调制处理之后。
[0067]
偏振控制器3，用于将正交偏振光信号中的两个正交的偏振态之间引入预设相位
差。
[0068]
在本发明一实施例中，偏振控制器3相对于起偏器4的主轴旋转预设角度，以在正交偏振光信号中的两个正交的偏振态之间引入预设相位差，其中，预设角度为π/2，预设相位差为π/6。
[0069]
起偏器4，用于将处理后的正交偏振光信号转换为单一偏振态的偏振光信号。
[0070]
在本发明一实施例中，经起偏器4转换为单一偏振态的偏振光信号可表示为：
[0071][0072]
光电探测器5，将单一偏振态的偏振光信号转换为对应的微波信号。
[0073]
在本发明一实施例中，该单一偏振态的偏振光信号通过光电探测器5 后，其光电流可表示为：
[0074]
i(t)
∝
e(t)
·
e(t)
*
[0075]
∝
dc1‑
2cos[β1cos(2πft)]cos[β2s(t)]
‑
2sin[β1cos(2πft)]sin[β2s(t)]
[0076]
+2cos[β1cos(2πft)]
‑
2cos[β2s(t)]
[0077]
其中dc1是直流项，观察上式，我们可以发现β2非常小，所以cos[β2s(t)] 可以被当做一个常数项来处理，即直流项来处理。
[0078]
上式代入后整理化简可重新表示为：
[0079]
i(t)
∝
dc2‑
4j1(β1)cos(2πft)sin[β2s(t)]
[0080]
其中，dc2用来表示直流项，j1(β1)是应用贝塞尔展开后对应的一阶系数。
[0081]
在本发明一实施例中，参阅图1，微波信号产生装置还可以包括：任意波形发生器6、微波源7、电压源8。
[0082]
任意波形发生器6，接入第一支路臂的射频输入端口，用于产生不同格式的基带信号。在本发明一实施例中，当基带信号s(t)是一个三电平信号时，即s(t)＝{
‑
1，0，+1}时。当s(t)等于0，光电流中只包含直流项，没有微波信号的产生。当s(t)在+1和
‑
1之间变化时，产生了具有π相移的微波信号。精确的π的相移依赖的是基带信号的极性而不是它的幅度。因此，本发明可用来产生无背景噪声的相位编码信号。图2为任意波形发生器给出的三电平基带信号，具体的格式为13巴克码(
‑
1，
‑
1，
‑
1，
‑
1，
‑
1，+1，+1，
ꢀ‑
1，
‑
1，+1，
‑
1，+1，
‑
1)，后面接跟着39
‑
bit的0，该三电平信号的编码率为1gb/s。图3为仿真得到的在较长时间尺度内的中心频率为12ghz 相位编码信号波形图。图4为在较短时间尺度内相位编码信号波形图。图 5为图4对应的相位跳变的信息。图6为相位编码信号的频谱图。
[0083]
在本发明一实施例中，当基带信号s(t)是两电平信号时，即s(t)＝{1，0} 时。当s(t)等于0时，光电流中不包含微波信号，即没有背景噪声的影响。当s(t)等于1时，存在微波信号，通过控制基带信号的占空比，可以实现满足 fcc指定的超宽带信号。因此，本发明可用来产生无背景噪声的超宽带信号。图7为任意波形发生器给出的两电平基带信号，图8为符合fcc规定的超宽带信号的在较长时间尺度内的波形图。图9为符合fcc规定的超宽带信号的在较短时间尺度内的波形图。图10为超宽带信号的频谱图。
[0084]
在本发明一实施例中，当基带信号s(t)是一个单啁啾基带信号时，即s(t) ＝cos(kt2)时。光电流在小信号调制的条件下可以改写如下
[0085]
i(t)
∝
dc2‑
4j1(β1)cos(2πft)sin[β2cos(kt2)]
[0086]
≈dc2‑
4j1(β1)j1(β2)cos(2πft)cos(kt2)
[0087]
＝dc2‑
2j1(β1)j1(β2)[cos(2πft+kt2)+cos(2πft
‑
kt2)].
[0088]
因此，光电流只包含直流项和双啁啾信号，本发明可用来产生无背景噪声的双啁啾信号。图11为任意波形发生器给出的单啁啾信号波形，该波形具有1ghz的带宽和1μs的周期。图12为单啁啾信号的频率时间分布图。图13为中心频率为12ghz的双啁啾信号的时域波形图。图14为双啁啾信号的频率时间分布图。
[0089]
在本发明一实施例中，微波源7，接入第二支路臂的射频输入端口，用于产生射频信号。
[0090]
在本发明一实施例中，电压源8分别接入第一支路臂、第二支路臂、第三支路臂及第四支路臂上的偏置电压输入端口，用于提供直流偏置电压，以作为第一双驱电压或第二双驱电压，最终用于控制第一相位差或第二相位差。
[0091]
本发明提供了一种微波信号产生装置，通过提供三电平信号、两电平信号以及单啁啾三种基带信号可产生无背景噪声干扰的相位编码信号、超宽带信号以及双啁啾信号，各自不同的微波信号可应用于各种不同的场景，降低了使用成本。无背景噪声干扰说明本发明不受光滤波器或者电滤波器的限制，具有良好的调谐能力和广泛的适用性。本发明提供的装置基于微波光子学的方案产生微波信号，与传统电子回路的方案相比，本发明装置有着较高的中心频率和带宽，扩展了本发明装置的应用范围，还具有有低损耗、大带宽、良好的重构能力以及抗电磁干扰的优势。
[0092]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。