技术领域
[0001] 本
发明属于微波
信号处理技术领域，具体涉及一种光子微波下变频装置及方法。
背景技术
[0002] 微波下变频是微波
信号处理的关键技术之一，其作用是对天线接收到的微波信号进行频域上的改变，
频率下降至可处理的中频频段。微波下变频技术在卫星通信、无线通信、雷达等领域具有广泛且重要的应用。传统基于电学方法的微波下变频技术，主要通过
二极管或者场效应管等
电子器件的非线性特性来实现，变频处理的频段范围、带宽等均受到电学器件性能的限制，随着微波频率的升高，电学方法的变频效率降低、
相位噪声增大，极大影响了下变频信号的
质量。
[0003] 光子技术与微波技术优势互补、交叉融合而产生的微波光子技术为微波下变频处理提供了良好的解决方案。光子微波下变频技术可以充分发挥光子技术的大带宽、低损耗、可调谐、可复用等优势，具有良好的抗
电磁干扰能
力，同时在减小下变频系统体积、降低功耗、提升变频性能等方面极具潜力。
[0004] 在先技术[1](M.M.Howerton,R.P.Moeller,G.K.Gopalakrishnan,and W.K.Burns“. Low-biased fiber-optic link for microwave downconversion”,IEEE Photonics Technology Letters,Vol.8,No.12,pp.1692-1694,Dec.1996)研究了基于级联铌酸锂
调制器的光子微波下变频方案，外部电
本振信号和
射频信号分别经两个级联的铌酸锂强度调制器加载到
激光器输出的光波上，最后加载了电本振信号和射频信号的光波在光电探测器中
拍频得到中频信号。该方案需要额外的电本振信号源、两个铌酸锂强度调制器，增加了系统的复杂性；另外，两个调制器之间的光纤连接增加了光传输损耗，劣化了下变频的增益特性。
[0005] 在先技术[2](Erwin H.W.Chan and Robert A.Minasian.“Microwave photonic downconverter with high conversion efficiency”,IEEE Journal of Lightwave Technology,Vol.30,No.23,pp.3580-3585,Dec.2012)研究了基于单个集成双平行
马赫-曾德调制器(DP-MZM)的光子微波下变频方案。DP-MZM由嵌在主马赫-曾德干涉臂上的两个子马赫-曾德调制器(MZM1和MZM2)构成。外部电本振信号和射频信号分别经MZM1和MZM2加载到激光器输出的光波上。与在先技术[1]相比，该方案在一个集成器件中分别进行两次独立的强度调制，集成化的光
波导缩短了分立器件间的传输间隔，减少了光纤耦合次数，降低了
光信号在传输中的损耗，系统结构得到简化、有利于提升下变频增益。然而，该方案仍需外部的电本振信号源，并且MZM1和MZM2需要外部的直流偏置点控制装置，使其工作在载波抑制工作点，这些都增加了系统的复杂性。
[0006] 在先技术[3](Zhenzhou Tang,Fangzheng Zhang,and Shilong Pan“. Photonic microwave downconverter based on an optoelectronic oscillator using a single dual-drive Mach-Zehnder modulator”,Optics Express,Vol.22,No.1,pp.305-310,Jan.2014)研究了基于单个集成的双驱动马赫-曾德调制器(DD-MZM)构成光电
振荡器的光子微波下变频方案。该方案利用DD-MZM的一个射频输入端口、传输光纤、光电探测器和电
滤波器构成光电振荡器，产生本振信号。天线接收的射频信号通过DD-MZM的另一个射频输入端口加载到激光器输出的光波上。射频信号和光电振荡器产生本振信号经第二个光电探测器拍频得到下变频的中频信号。该方案无需外部的电本振信号源，单个集成的DD-MZM实现了环路产生的本振信号与天线接收的射频信号的加载功能，简化了系统结构。然而该方案通过电滤波器来选择产生本振信号，本振信号频率难以进行灵活调谐，且光电探测后射频信号也被恢复出来，无法实现完全的射频隔离。
发明内容
[0007] 本发明提供一种光子微波下变频装置及方法，有效解决背景技术中微波下变频系统结构复杂、射频隔离度差、难以灵活调谐等问题。
[0008] 本发明的技术方案：
[0009] 一种光子微波下变频装置，包括
波长可调激光器1、电光调制器2、光学窄带陷波滤波器3、光分路器4、第一光电探测器5、电合路器6、第二光电探测器7和电
低通滤波器8；
[0010] 所述的波长可调激光器1、电光调制器2、光学窄带陷波滤波器3、光分路器4和第一光电探测器5依次通过光纤连接；
[0011] 所述的第一光电探测器5和电合路器6通过
电缆连接；
[0012] 所述的电光调制器2、光学窄带陷波滤波器3、光分路器4、第一光电探测器5、电合路器6依次连接构成振荡环路；
[0013] 所述的光分路器4和第二光电探测器7通过光纤连接；
[0014] 所述的第二光电探测器7和电低通滤波器8通过电缆连接。
[0015] 所述的光分路器4与第一光电探测器5是单路光纤连接、双路光纤连接或是多路光纤连接。
[0016] 所述的电光调制器2是具有相位调制功能的电光调制器。
[0017] 所述的电光调制器2、光学窄带陷波滤波器3、光分路器4、第一光电探测器5、电合路器6依次连接构成的振荡环路，具有产生本振信号的功能，产生本振信号的频率fLO由波长可调激光器1的光波频率fC和光学窄带陷波滤波器3的陷波中心频率为fN决定，满足以下关系：
[0018] fLO＝fC-fN (1)。
[0019] 一种光子微波下变频方法，步骤如下：
[0020] 波长可调激光器1输出频率为fC的光载波输入至电光调制器2的光输入端口，天线接收的射频信号fRF和由第一光电探测器5输出的环路返回微波本振信号经电合路器6输入至电光调制器2的射频输入端口，在电光调制器2中射频信号和本振信号调制到光载波上；电光调制器2输出相位调制光载微波信号；相位调制光载微波信号进入光学窄带陷波滤波器3；光学窄带陷波滤波器3滤除光载本振信号的右边带；光载微波信号经光分路器4分为两路，第一支路进入第一光电探测器5，第二支路进入第二光电探测器7；
[0021] 光载微波信号经第一光电探测器5进行光电转换，光载本振信号的左边带与光载波拍频输出本振信号，本振信号的频率为fLO＝fC-fN；光载射频信号的左右两个边带由于相位调制具有π
相位差，因此光载射频信号的左右两个边带与光载波拍频后，相互抵消，无射频信号输出；第一光电探测器5输出的本振信号经电合路器6输入至电光调制器2的射频输入端口，从而本振信号在环路中往返循环振荡，产生低
相位噪声、高品质的本振信号；本振信号的频率fLO可以通过改变波长可调激光器1输出光载波的频率fC进行调谐；
[0022] 光分路器4分出的第二支路光载微波信号由第二光电探测器7进行光电转换，光载射频信号的左右两个边带由于相位调制具有π相位差，因此光载射频信号的左右两个边带与光载波拍频后，相互抵消，第二光电探测器7无射频信号输出，实现完全的射频隔离；
[0023] 在第二光电探测器7中，光载本振信号的左边带与光载射频信号的左边带进行拍频，产生中频信号，中频信号的频率为：
[0024] fIF＝fRF-fLO (2)；光载本振信号的左边带与光载波拍频产生本振信号；第二光电探测器7输出的中频信号和本振信号，经电低通滤波器8滤波后，滤除本振信号得到中频信号；下变频的中频信号频率fIF可以通过改变本振信号的频率fLO，即改变波长可调激光器1输出光载波的频率fC进行调节，实现可调谐的下变频功能。
[0025] 本发明的有益效果：
[0026] (1)本发明光子微波下变频装置及方法，采用电光调制器、光学窄带陷波滤波器、光分路器、第一光电探测器、电合路器构成光电振荡环路，装置自身产生本振信号，无需外部本振源，而且产生本振信号的频率可以通过改变波长可调激光器输出光载波的频率进行灵活调节。
[0027] (2)本发明光子微波下变频装置及方法，采用具有相位调制功能的电光调制器，射频信号加载到光波上，在下变频的光电探测器输出端无射频信号输出，具有完全的射频隔离优势。
[0028] (3)本发明光子微波下变频装置及方法，根据应用需求，既能把不同频率的射频信号下变频至同一频率的中频信号，也能把同一射频信号下变频至不同频率的中频信号，具有灵活调控优势。
附图说明
[0029] 图1是本发明光子微波下变频装置结构图。
[0030] 图2是本发明
实施例光子微波下变频装置系统
框图。
[0031] 图3是本发明实施例中的光学窄带陷波滤波器的滤波响应
频谱图。
[0032] 图4是本发明实施例中产生的不同频率本振信号的测试频谱图。
[0033] 图5(a)是本发明实施例中产生的一定频率下的本振信号频谱，图5(b)是本发明实施例中产生的一定频率下的相位噪声测试结果。
[0034] 图6(a)是本发明实施例中进入光学窄带陷波滤波器之前的光载微波信号频谱图，图6(b)是本发明实施例中进入光学窄带陷波滤波器之后的光载微波信号频谱图。
[0035] 图7是本发明实施例中不同频率的射频信号下变频至同一频率中频信号的测试频谱图。
[0036] 图8是本发明实施例中同一频率射频信号下变频至不同频率的中频信号的测试频谱图。
[0037] 图中：1波长可调激光器；2电光调制器；3光学窄带陷波滤波器；4光分路器；5第一光电探测器；6电合路器；7第二光电探测器；8电低通滤波器。
具体实施方式
[0038] 以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
[0039] 图2是本发明实施例光子微波下变频装置系统框图，包括波长可调激光器、电光调制器、光学窄带陷波滤波器、光分路器、偏振分束器、光纤a、光纤b、偏振合束器、第一光电探测器、电合路器、第二光电探测器。
[0040] 所述的波长可调激光器、电光调制器、光学窄带陷波滤波器、光分路器、偏振分束器、光纤a、光纤b、偏振合束器和第一光电探测器依次通过光纤连接。
[0041] 所述的光纤a和光纤b长度不同；
[0042] 所述的偏振分束器、光纤a、光纤b和偏振合束器构成双链路；
[0043] 所述的光分路器与第一光电探测器是由偏振分束器、光纤a、光纤b和偏振合束器构成的双链路连接；
[0045] 所述的第一光电探测器和电合路器通过电缆连接；
[0046] 所述的光分路器和第二光电探测器通过光纤连接；
[0047] 所述的电光调制器、光学窄带陷波滤波器、光分路器、偏振分束器、光纤a、光纤b、偏振合束器、第一光电探测器、电合路器依次连接构成振荡环路，该振荡环路具有产生本振信号的功能。所述的偏振分束器、光纤a、光纤b和偏振合束器构成的双链路，用于抑制光电振荡产生的本振信号的边模，提升本振信号的稳定度。
[0048] 图3是本发明实施例中的光学窄带陷波滤波器的滤波响应频谱图，在
带通滤波响应带宽中间
位置具有一个窄带陷波。振荡环路产生本振信号的频率fLO由波长可调激光器的光波频率fC和光学窄带陷波滤波器的陷波中心频率为fN决定，满足关系：fLO＝fC-fN。通过改变波长可调激光器的光波频率fC，可以调节产生的本振信号的频率。图4给出了改变波长可调激光器的光波频率fC，产生不同频率本振信号的测试频谱图，可以看出该装置能够在3.5GHz至7GHz范围内产生可调的微波本振信号。图5(a)和(b)分别给出了产生的4.03GHz频率下本振信号的频谱和相位噪声测试结果，可以看出产生微波本振的功率为-14.1dBm，相位噪声为-107.9dBc/Hz@10kHz。以上结果表明该装置自身可以产生频率可调、高品质的微波本振信号，无需外部本振信号源。
[0049] 光子微波下变频过程如下：
[0050] 波长可调激光器输出频率为fC的光载波输入至电光调制器的光输入端口，天线接收的射频信号fRF和由第一光电探测器输出的环路返回微波本振经电合路器输入至电光调制器的射频输入端口，在电光调制器中射频信号和本振信号调制到光载波上，电光调制器输出相位调制光载微波信号。图6(a)和图6(b)分别是进入光学窄带陷波滤波器之前和之后的光载微波信号频谱图。对比图6(a)和图6(b)可以看出，光载本振的右边带被光学窄带陷波滤波器滤除。
[0051] 光载微波信号经光分路器分为两路，第一支路进入由偏振分束器、光纤1、光纤2和偏振合束器构成的双环路，第二支路进入第二光电探测器。双环路输出的光载微波信号经第一光电探测器进行光电转换，光载本振的左边带与光载波拍频输出本振信号，本振信号的频率为fLO＝fC-fN；光载射频信号的左右两个边带由于相位调制具有π相位差，因此射频信号的左右两个边带与光载波拍频后，相互抵消，无射频信号输出。第一光电探测器输出的本振信号经电合路器输入至电光调制器的射频输入端口，作为光子微波下变频过程中所需的本振信号。
[0052] 光分路器分出的第二支路光载微波信号由第二光电探测器进行光电转换，光载射频信号的左右两个边带由于相位调制具有π相位差，因此射频信号的左右两个边带与光载波拍频后，相互抵消，第二光电探测器无射频信号输出，实现完全的射频隔离。
[0053] 在第二光电探测器中，本振信号的左边带与射频信号的左边带进行拍频，产生中频信号，本振信号的左边带与光载波拍频产生本振信号，第二光电探测器输出中频信号和本振信号。
[0054] 下变频的中频信号频率fIF可以通过改变本振信号的频率fLO，即改变波长可调激光器输出光载波的频率fC进行调节。图7是频率分别为4.5GHz,5GHz,5.48GHz,6.06GHz,6.56GHz，6.9GHz,7.54GHz和7.94GHz的RF信号，下变频至同一频率(1GHz)中频信号的测试频谱图，从图7可以看出，测试频谱中无射频信号，实现了完全的射频隔离。图8是频率为
8GHz的RF信号，下变频至1GHz,1.32GHz,1.94GHz,2.46GHz,2.96GHz和3.28GHz的中频信号的测试频谱图。以上结果表明该装置既能把不同频率的射频信号下变频至同一频率的中频信号，也能把同一射频信号下变频至不同频率的中频信号，实现了灵活可调的下变频功能。
[0055] 以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的进一步详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出简单的推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。
