高精度可调谐低相噪光生微波信号发生装置和方法
阅读：734发布：2020-05-11
专利汇可以提供高精度可调谐低相噪光生微波信号发生装置和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开一种高 精度 可调谐低相噪光生 微波 信号 发生装置和方法，包括 光源 、窄带 光子 滤波模 块 、可切换光时延模块、微波光子 移相器 、光 拍频 器、射频 放大器 和 耦合器 和光时延检测与控 制模 块组成；窄带光子滤波模块由双平行 马 赫-曾德尔 调制器 、环形器和布拉格光栅组成；可切换光时延模块由偏振分路器、可控光延时线和偏振合路器组成。本发明利用光纤储能和无线光真延迟的方法实现 频率 可调谐精度、稳定度、 相位 噪声都明显优于常规微波介质 振荡器 的一种新型光电振荡源，从而提升雷达系统的杂波可见度、测速精度、速度分辨 力 等性能，为光电振荡器的武器装备工程化应用提供技术 支撑 。，下面是高精度可调谐低相噪光生微波信号发生装置和方法专利的具体信息内容。
1.高精度可调谐低相噪光生微波信号发生装置，其特征是，包括光源、窄带光子滤波模块、可切换光时延模块、微波光子移相器、光拍频器、射频放大器和耦合器和光时延检测与控制模块组成；窄带光子滤波模块由双平行马赫-曾德尔调制器、环形器和布拉格光栅组成；可切换光时延模块由偏振分路器、可控光延时线和偏振合路器组成；
光源的输出端连接双平行马赫-曾德尔调制器的光输入端，双平行马赫-曾德尔调制器的光输出端连接环形器的第一端口，布拉格光栅连接环形器的第二端口，环形器的第三端口与偏振分路器的输入端连接；偏振分路器的输出端连接可控光延时线的输入端，可控光延时线的输出端连接偏振合路器的输入端，偏振合路器的输出端连接微波光子移相器的输入端；微波光子移相器的输出端连接光拍频器的输入端，光拍频器的输出端连接射频放大器的输入端；射频放大器的输出端连接耦合器的输入端，耦合器的一路输出端连接到双平行马赫-曾德尔调制器的其中一条臂的电输入端，耦合器的另一路输出端形成本微波信号发生装置的微波信号输出端；
光时延检测与控制模块的一个输入端连接偏振分路器的输入端，另一个输入端连接偏振合路器的输出端；光时延检测与控制模块的粗调控制输出端连接可控光延时线的控制端，光时延检测与控制模块的细调控制输出端连接微波光子移相器的控制端。
2.根据权利要求1所述的高精度可调谐低相噪光生微波信号发生装置，其特征是，可控光延时线采用光子晶体光纤作为谐振腔。
3.根据权利要求1所述的高精度可调谐低相噪光生微波信号发生装置，其特征是，光源为波长可调激光器。
4.权利要求1所述微波信号发生装置所实现的高精度可调谐低相噪光生微波信号发生方法，其特征是，包括步骤如下：
步骤1、光源产生波长可调的连续光；
步骤2、光源发出的连续光被双平行马赫-曾德尔调制器进行相位调制，从而在光载波两边形成幅度相等，且相位相反的光信号；
步骤3、被相位调制的光信号经过布拉格光栅进行单边带光子滤波，从而完成相位到强度的调制；
步骤4、被强度调制的光信号经过可控光延时线传输后进入微波光子移相器，并经由微波光子移相器送至光拍频器；在此过程中，光时延检测与控制模块先检测可控光延时线的输入光信号和输出光信号，并通过比较输入光信号和输出光信号获得系统光时延；再利用PID算法对所获得的系统光时延进行补偿计算，得到粗调时延量和细调位移量；后将粗调时延量送至可控光延时线对其时延进行调节，同时将细调位移量送至微波光子移相器对其时延进行调节；
步骤5、光拍频器把光信号转换为电信号；
步骤6、射频放大器把电信号进行放大后分为两路，一路送入反馈给双平行马赫-曾德尔调制器其中一条臂的电输入端，另一路输出所需的微波信号。
高精度可调谐低相噪光生微波信号发生装置和方法
技术领域
[0001] 本发明涉及微波信号发生装置技术领域，具体涉及一种高精度可调谐低相噪光生微波信号发生装置和方法。
背景技术
[0002] 随着多普勒雷达、卫星通信与卫星导航等微波系统对低相位噪声的微波信号的需要越来越高，现有的微波器件性能已经很难满足未来的发展需求。例如，在机载雷达中，为了提高雷达的探测能力，需要高纯度的微波本振源来产生全相参的脉冲多普勒雷达信号，微波信号的相位噪声要达到-110dBc@1kHz甚至更低。
[0003] 微波振荡器是微波信号发生器的核心部件，为了能够产生高频谱纯度的微波信号，常常需要低损耗、储能时间长的高Q值振荡器。而传统的振荡器基本上都采用了微波储能元件(例如介质腔振荡器)或声储能元件(例如石英振荡器)。由于介质腔振荡器最佳工作频率为8GHz，要想获得更高频率，只能通过倍频的方法产生，而倍频会引起所产生的微波信号相位噪声性能显著下降。因此在传统的微波信号产生方法中，介质振荡器在低噪声、高谱纯度或可调谐的条件下，表现往往不尽人意。石英晶体振荡器可以获得很高的品质因素(Q值)，但本振输出只有10-20MHz量级，不能直接得到高频信号，作为基准时钟比较合适。虽然通过倍频等频率变换方式可以让石英晶体振荡器得到高频信号输出，但是相位噪声将会严重恶化。通常，频率增加10倍，相位噪声恶化20dB，因此，石英晶体振荡器通过倍频方式得到的微波信号无法直接应用于雷达和电子战等需要低相位噪声的射频本振的场合。此外，微波储能元件和声储能元件只能够工作在数GHz以下频带，频率品质因子积近似为常数，能力有限。当信号的频率高于10GHz以后，这两类谐振器的品质因子下降迅速，相位噪声性能恶化的比较严重。
发明内容
[0004] 本发明所要解决的是现有微波振荡器所产生的微波信号的频率品质因子和相位噪声难以满足未来的发展需求的问题，提供一种高精度可调谐低相噪光生微波信号发生装置和方法。
[0005] 为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
[0006] 高精度可调谐低相噪光生微波信号发生装置，包括光源、窄带光子滤波模块、可切换光时延模块、微波光子移相器、光拍频器、射频放大器和耦合器和光时延检测与控制模块组成；窄带光子滤波模块由双平行马赫-曾德尔调制器、环形器和布拉格光栅组成；可切换光时延模块由偏振分路器、可控光延时线和偏振合路器组成。
[0007] 光源的输出端连接双平行马赫-曾德尔调制器的光输入端，双平行马赫-曾德尔调制器的光输出端连接环形器的第一端口，布拉格光栅连接环形器的第二端口，环形器的第三端口与偏振分路器的输入端连接；偏振分路器的输出端连接可控光延时线的输入端，可控光延时线的输出端连接偏振合路器的输入端，偏振合路器的输出端连接微波光子移相器的输入端；微波光子移相器的输出端连接光拍频器的输入端，光拍频器的输出端连接射频放大器的输入端；射频放大器的输出端连接耦合器的输入端，耦合器的一路输出端连接到双平行马赫-曾德尔调制器的其中一条臂的电输入端，耦合器的另一路输出端形成本微波信号发生装置的微波信号输出端。
[0008] 光时延检测与控制模块的一个输入端连接偏振分路器的输入端，另一个输入端连接偏振合路器的输出端；光时延检测与控制模块的粗调控制输出端连接可控光延时线的控制端，光时延检测与控制模块的细调控制输出端连接微波光子移相器的控制端。
[0009] 上述方案中，可控光延时线采用光子晶体光纤作为谐振腔。
[0011] 上述微波信号发生装置所实现的高精度可调谐低相噪光生微波信号发生方法，包括步骤如下：
[0012] 步骤1、光源产生波长可调的连续光；
[0013] 步骤2、光源发出的连续光被双平行马赫-曾德尔调制器进行相位调制，从而在光载波两边形成幅度相等，且相位相反的光信号；
[0014] 步骤3、被相位调制的光信号经过布拉格光栅进行单边带光子滤波，从而完成相位到强度的调制；
[0015] 步骤4、被强度调制的光信号经过可控光延时线传输后进入微波光子移相器，并经由微波光子移相器送至光拍频器；在此过程中，光时延检测与控制模块先检测可控光延时线的输入光信号和输出光信号，并通过比较输入光信号和输出光信号获得系统光时延；再利用PID算法对所获得的系统光时延进行补偿计算，得到粗调时延量和细调位移量；后将粗调时延量送至可控光延时线对其时延进行调节，同时将细调位移量送至微波光子移相器对其时延进行调节；
[0016] 步骤5、光拍频器把光信号转换为电信号；
[0017] 步骤6、射频放大器把电信号进行放大后分为两路，一路送入反馈给双平行马赫-曾德尔调制器其中一条臂的电输入端，另一路输出所需的微波信号。
[0018] 与现有技术相比，本发明通过可控光延时线、微波光子移相器、以及光时延检测与控制模块相互配合形成反馈回路，再基于PID算法对储能光纤延时进行调节很好的解决了OEO频率随外界因素漂移的问题。本发明频率稳定度可以达到10-10(4h)，产生的频率范围1GHz～40GHz，频率分辨力达到1Hz，相位噪声达到：-135dBc/Hz(10kHz频偏)；-115dBc/Hz(1kHz频偏)；-90dBc/Hz(100Hz频偏)；-60dBc/Hz(10Hz频偏)。
附图说明
附图说明
[0019] 图1为高精度可调谐低相噪光生微波信号发生装置的原理图。
[0020] 图2为DPMZM(双平行马赫-曾德尔调制器)调制后光谱图。
[0021] 图3为单边带滤波及频率响应图。
[0022] 图4为PID算法原理框图。
具体实施方式
[0023] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，对本发明进一步详细说明。
[0024] 由于材料和结构特性，利用光电振荡器来产生高精度可调谐低相噪微波信号，需要解决的技术问题为：
[0025] (1)光电振荡器的单模运转问题：光电振荡器腔内的光纤距离越长，作为储能的光纤环形腔滤波Q值就越高，但是随着腔内光纤长度的增加，能够同时起振的模式间距不断减小，利用滤波器难以去除如此近距离的边模。因此如何改进光电振荡器的结构，去除或者抑制边模振荡的功率，是光电振荡器技术产生高纯度微波信号的关键。
[0026] (2)低相位噪声问题：相位噪声是高频微波振荡器最重要的技术指标，正是由于微波固态器件在高频输出的相噪性能不佳才使光电振荡技术应运而生。光电振荡的相位噪声特性受到激光器、放大器、传输光纤所组成的环腔系统综合影响，必须深入探究光电振荡相位噪声特性的机理、改进光电振荡的系统结构，才能够攻克低相噪振荡器这一关键技术。
[0027] (3)生成的微波信号频率高精度可调谐问题：微波信号频率高精度可调谐是最难实现的，同时也是光电振荡器产生高质量微波信号可实际应用的关键点。
[0028] (4)生成的微波信号频率稳定性问题：光电振荡器是利用长光纤储能从而产生的微波信号的，而储能光纤很容易受外界的温度、振动、应力等因素产生形变，从而导致产生的频率漂移或抖动，所以储能光纤长度的变化量的检测是光电振荡器的关键技术。
[0029] 本发明所提出的一种高精度可调谐低相噪光生微波信号发生装置，如图1所示，包括光源、窄带光子滤波模块、可切换光时延模块、微波光子移相器、光拍频器、射频放大器和耦合器和光时延检测与控制模块组成。光源为波长可调激光器。窄带光子滤波模块由双平行马赫-曾德尔调制器、环形器和布拉格光栅组成。可切换光时延模块由偏振分路器、可控光延时线和偏振合路器组成。
[0030] 光源的输出端连接双平行马赫-曾德尔调制器的输入端，双平行马赫-曾德尔调制器的输出端连接环形器的第一端口，布拉格光栅连接环形器的第二端口，环形器的第三端口与偏振分路器的输入端连接。偏振分路器的输出端连接可控光延时线的输入端，可控光延时线的输出端连接偏振合路器的输入端，偏振合路器的输出端连接微波光子移相器的输入端。微波光子移相器的输出端连接光拍频器的输入端，光拍频器的输出端连接射频放大器的输入端。射频放大器的输出端连接耦合器的输入端，耦合器的一路输出端连接到双平行马赫-曾德尔调制器的其中一条臂上，耦合器的另一路输出端形成本微波信号发生装置的微波信号输出端。
[0031] 光时延检测与控制模块的一个输入端连接偏振分路器的输入端，另一个输入端连接偏振合路器的输出端。光时延检测与控制模块的粗调控制输出端连接可控光延时线的控制端，光时延检测与控制模块的细调控制输出端连接微波光子移相器的控制端。
[0032] 本发明采用了波长可调激光器、DPMZM与窄带光子滤波器配合实现OEO频率可调的光电振荡器系统，另外采用光时延检测与控制模块与VDL无线光可控延时线配合，利用PID算法对系统产生的微波信号频漂进行自动调节，从而达到了光电振荡器所产生的信号在保持低相位噪声特征的同时，又具备了高精度可调及高稳定度的特点。
[0033] 上述微波信号发生装置所实现的高精度可调谐低相噪光生微波信号发生方法，包括步骤如下：
[0034] 步骤1、光源产生波长可调的连续光；
[0035] 步骤2、光源发出的连续光被双平行马赫-曾德尔调制器进行相位调制，从而在光载波两边形成幅度相等，且相位相反的光信号；
[0036] 步骤3、被相位调制的光信号经过布拉格光栅进行单边带光子滤波，从而完成相位到强度的调制；
[0037] 步骤4、被强度调制的光信号经过可控光延时线传输后进入微波光子移相器，并经由微波光子移相器送至光拍频器；在此过程中，光时延检测与控制模块先检测可控光延时线的输入光信号和输出光信号，并通过比较输入光信号和输出光信号获得系统光时延；再利用PID算法对所获得的系统光时延进行补偿计算，得到粗调时延量和细调位移量；后将粗调时延量送至可控光延时线对其光程进行调节，同时将细调位移量送至微波光子移相器对其相位进行调节；
[0038] 步骤5、光拍频器把光信号转换为电信号；
[0039] 步骤6、射频放大器把电信号进行放大后分为两路，一路送入反馈给双平行马赫-曾德尔调制器其中一条臂的电输入端，另一路输出所需的微波信号。
[0040] 本发明其基本原理是：波长可调激光器输出的连续光被DPMZM进行相位调制，从而在光载波两边形成幅度相等、相位相反的光信号，被相位调制的光信号经过布拉格光栅进行单边带光子滤波，从而完成相位到强度的调制，再经过可切换光时延传输后进入经过高精度移相器进入光拍频器，光拍频器把光信号转换为电信号后再经过电放大反馈给DPMZM调制器的电输入端完成一次循环。这样只有位于滤波器带通范围内的微波谐振模式才能获得有效振荡，经过多次循环，这个信号就会指数变大，从而实现了光生微波的目的。这种结构能够以特定频率实现自持振荡，其振荡的频率由光纤的长度、激光器波长和滤波器的带通特性共同决定。当系统受到外界因素导致产生的频率漂移时，光时延检测与控制模块可以检测出光纤时延变化量，再与微波光子移相器配合形成反馈。采用PID算法对系统的光时延进行调节，从而实现自动稳定频率的能力。
[0041] 本发明通过光电混合的技术手段，重点突破光电振荡器的单模运转技术、基于偏振态控制抑制相位噪声技术、频率可调的微波光子滤波器技术、微波光子移相技术等关键技术，提出一种具有高Q值、低相噪、易调谐的光电振荡器，满足卫星通信系统对本振源性能的要求，提升雷达系统的杂波可见度、测速精度、速度分辨力等性能，为光电振荡器的武器装备工程化应用提供技术支撑。
[0042] 波长可调光源与DPMZM及光陷滤波器(包括布拉格光栅与环形器)一起组成频率可调的单边带微波光子滤波器。波长可调光源输出光到DPMZM(双平行马赫-曾德尔调制器)进行相位调制，这时在光谱上载波两边会产生幅度相同、相位相反的边带。然而这样的光信号是无法直接生产微波信号，为此，本发明将相位调制过的光信号再经过光陷滤波器滤除一个边带，这样就打破了在载波两边存在幅度相同、相位相反边带的平衡，从而实现了相位到强度的调制，其产生的频率就是窄带光子滤波器的中心频点与光载波的差频，从而保持光陷滤波器的中心频点不变只改变光源的波长，不同的波长就能对应产生不同的频率。
[0043] 当波长可调光源将光载波输入到DPMZM后，对于DPMZM的上面一条臂，我们没有加载电信号，只加载了直流电压DC1，我们通过调节DC1的电压值来调节光载波经过MZM1调制后的光功率。对于DPMZM的下面一条臂，我们加载了直流电压DC2到MZM2上，并将RF信号加载到MZM2上。通过调节DC2的电压值使得MZM2工作在载波抑制双边带模式，即DSB-CS模式。经由MZM2调制后的光载波进入加载有直流电压DC3的相移器PS。这里增加相移器PS的作用是为了在经过MZM2调制的加有电信号的载波抑制双边带光信号的两个边带间产生相移量为θ3的相位差。通过调节DC3的电压值使得两个边带间产生一个相位差θ3，最后两个臂的信号耦合到一起，得到最终由DPMZM调制后的信号。如果由PS产生的相移θ3＝π/2，则DPMZM的输出信号可以等效为相位调制器的输出信号，但是其光载波功率也被相位调制了。
[0045]
[0046] 其中，E0、ωc分别为光载波幅度和相位。加载到MZM2上的RF信号表达式为：
[0047] Ein(t)＝Vecos(ωet) (2)
[0048] 其中，Ve为电信号的幅度，ωe为电信号的频率。
[0049] 从DPMZM输出的光场可表示为：
[0050]
[0051] 要使得MZM2能够抑制光载波，则需要使θ2＝π/2。且当θ3＝π/2时，加载到MZM2上的RF信号表达式为：
[0052]
[0053] 经过DPMZM调制的光信号在光载波两侧光谱示意图如图2所示，其中ωc是载波，ωc-ωe、ωc+ωe分别为-1阶+1阶边带，由图2可以看出：通过相位调制在载波附进形成了相同幅度、相位相反的两个边带，由于根据光电检测原理，此时直接将相位调制信号输入到PD中时，不能直接检测得到RF信号。为了得到加载到光载波上的RF信号的信息，我们需要对相位调制信号进行处理，使得PD直接检测到微波信号信息，这个过程等效为单带通滤波。使相位调制信号可以被检测得到的这个过程称为IM–PM即相位到强度的转换。
[0054] 本发明通过超窄的光学陷波滤波来滤除相位调制信号的一个边带，从而打破幅度平衡，实现单带通滤波。如图3所示。当光载波通过滤波器时，相应的虑掉一个一阶边带，这样就打破了相位相反幅度相同的关系，光谱经过光电探测器后就会产生相应的频率。通过调整波长与光陷滤波器的相对位置就会不同的频率，这样就实现了相位到强度的转换，最终实现了中心频率可调的微波光子单边带滤波器。为我们的光电振荡器实现了频率可调谐。但是由于器件的因素，目前光源波长的调谐步进为1pm，约等于125MHz。可调范围可达0～2nm。
[0055] 光电振荡器的短期稳定性通常用信号频率在一段时间内相对中心频率的漂移程度和阿伦方程来表示。可以以下公式来描述：
[0056]
[0057] 其中，k是光电振荡器在一定时间内的频率稳定度，f0是光电振荡器的中心频率，f1是一定时间内距离中心频率最远的频率值，Δf是一定时间内频率变化的最大值。
[0058] 光电振荡器的稳定性主要是由振荡器光纤环时延的稳定度决定的，本发明可控光延时线使用对温度不敏感的光子晶体光纤作为谐振腔。光子晶体光纤的温度灵敏度比普通光纤降低了三分之一，所产生的微波信号稳定度提升了至少三倍。
[0059] 由于环境温度变化和环境振动会造成可切换光时延模块光纤环中光信号传输的时延量漂移从而造成光电振荡器产生的频率漂移。为了在获得可调频率的基础上，提高系统稳定度，本发明采用可控光延时线和微波光子移相器组合实现微波光子移相，其中以可控光延时线的控制来实现整个装置的光程时延粗调，以微波光子移相器来实现整个装置的光程时延细调，从而实现整个微波信号发生装置的频率精细稳定调节。
[0060] 光时延检测与控制模块先检测出当前可切换光时延模块光纤环时延量，再根据检测出的时延量计算出需要移动的相位，后通过控制高精度步进电机调节可控光延时线和微波光子移相器的光程，从而在光域改变了系统的光时延，最终达到生成的微波信号稳定且分辨力高精度可调。
[0061] 由光电振荡器的机理可知环腔的振荡频率：
[0062] f＝k/τ (6)
[0063] 其中，k＝0，1，2，3，...，τ由双环腔的最小公倍数决定，由于Δτ的产生，所以经过移相器后的振荡频率应该表示为：
[0064] f＝k/(τ+Δτ) (7)
[0065] 则频率分辨力Δf可以表示为：
[0066] Δf＝k[Δτ/τ(τ+Δτ)] (8)
[0067] 目前无线光可控延时线的调节精度可达15fs，所以Δτ最小可为15fs，而τ为us量级，所以频率分辨力很高，如使用环腔使用1km的光纤，频率分辨力Δf可达0.6Hz。
[0068] 系统所产生的微波频率由系统的光时延量决定，当需要设定微波的频率时，只需要设定可控光延时线的长度即可，可控光延时线由光开关与不同长度的光子晶体光纤组成，不同的光开关切换产生不同的光时延量，从而产生不同的微波频率。
[0069] 光时延检测与控制模块，通过光信号注入、跟随、反馈的方式对当前时延量进行测量，光时延检测与控制模块发射光信号与系统的光信号通过光波分复用的方式在同一个光路中进行传输，从而达到对时延的跟随检测，当系统的光路受外界的温度、应力等外界因素影响产生不时延量时，光时延检测与控制模块通过PID算法通过比例-积分-微分反馈方式控制可控光延时线和微波光子移相器，对时延量进行调整，使时延量与初始的设置值保持一致。另外如果可控光延时线时延精度不满足要求时，也可以通过光时延检测与控制模块控制可控光延时线和微波光子移相器进行调节。PID算法原理框图如图4所示，其控制公式为：
[0070]
[0071] 其中，υ(t)为控制量。
[0072] 本发明使用检测加补偿的方式保障光纤环时延的稳定度，因为光时延检测与控制模块是实时检测的，当光纤环因为环境的因素造成时延漂移，通过自动控制PID算法会自动控制光可控时延线和微波光子移相器进行相应的调节，从而使产生的微波信号在可精细调节的同时保持稳定。此外，本发明利用光纤储能和无线光真延迟的方法实现频率可调谐精度、稳定度、相位噪声都明显优于常规微波介质振荡器的一种新型光电振荡源，从而提升雷达系统的杂波可见度、测速精度、速度分辨力等性能，为光电振荡器的武器装备工程化应用提供技术支撑。
[0073] 需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。
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