技术领域
[0001] 本
发明涉及变频通道技术领域，尤其涉及一种基于微波
光子学的超宽带大动态变频通道。
背景技术
[0002] 随着
电子科技的不断发展，集侦查、探测、通信等多功能于一体的电子系统应用越来越广，故而多功能电子系统的通道中需要处理的微波
信号具有超宽带、大动态、种类多等特点，其发送、传输、接收过程都需要不同频段、不同功能的天线系统支持。为了实现上述不同
频率、不同类型的微波信号的处理，目前使用的多功能一体化电子系统多采用分频段的通道设计方案，然而由于设备内部空间有限，庞大的微波通道又会带来突出的结构、重量、
散热、供电、测试维修等工程化问题。
现有技术对于以上问题的解决方式是提高器件的集成度和装配
密度，直接导致了产品的成本大幅增加，同时散热问题更加严峻，电磁兼容和测试维修压
力巨大。
[0003] 此外，目前使用的多功能一体化电子系统的通道设备均采用微波器件，对于高频段微波信号，往往需要进行多级变频，微波
混频器件在通道中会引入额外的损耗和噪声，在
电磁干扰、电磁兼容、射频隔离等方面存在着固有的局限性，并且变频链路适用的带宽较窄，动态范围较小，无法满足多功能电子系统具有很宽的带宽以及很高的无杂散动态范围的要求。在远距离传输方面，现有的微波通道的传输损耗大，传输距离短。举例来说，如采用高频
电缆传输，频率为10GHz的微波
信号传输50米，损耗在20dB以上，且频率越高，则损耗越大；如采用无线传输方式，微波信号传输2000米，空间损耗为6dB，如果距离更远，则损耗更大。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种基于微波光子学的超宽带大动态变频通道，能够降低设备的复杂度和生产成本，同时有效提高通道的传输带宽和无杂散动态范围，并降低传输损耗。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0006] 基于微波光子学的超宽带大动态变频通道，包括光发射机、光接收机和光纤，光发射机的信号输出端口通过光纤连接光接收机的信号输入端口；
[0007] 所述的光发射机包括分布式反馈
激光器、
马赫增德尔
调制器、
射频信号源、
本振信号源和第一电源，所述的射频信号源的输出端口连接分布式反馈激光器的激光调制端口，所述的本振信号源的输出端口连接马赫增德尔调制器的微波输入端口，所述的分布式反馈激光器的光输出端口连接马赫增德尔调制器的光输入端口，所述的第一电源为分布式反馈激光器供电；
[0008] 所述的光接收机包括光电探测器、微波
滤波器、微波
放大器和第二电源，所述的光纤的一端连接马赫增德尔调制器的光输出端口，光纤的另一端连接光电探测器的光输入端口，所述的光电探测器的输出端口连接微波滤波器的输入端口，微波滤波器的输出端口连接微波放大器的输入端口，所述的第二电源分别为光电探测器和微波放大器供电。
[0009] 所述的第一电源的
输出电压为+12V直流电压。
[0010] 所述的第二电源的输出电压包括+3V直流电压、-3V直流电压和+12V直流电压。
[0011] 本发明在微波光子通道的输入端依次采用分布式反馈激光器和马赫增德尔调制器对
光信号进行分级调制，不仅大大提高了调制带宽，而且充分保证了系统的
稳定性；
[0012] 本发明采用光纤传输调制后的微波信号，不仅大大提高了通信容量和传输带宽，而且有效降低了传输损耗；
[0013] 本发明利用分布式反馈激光器、马赫增德尔调制器和光电探测器等光学器件的高线性度，实现变频通道的高增益、线性化特性，提高了系统的无杂散动态范围；
[0014] 本发明采用微波光子原理构建变频通道，降低了设备的复杂度，减少了生产成本，在结构上具有体积小、重量轻，易于安装维护的优点，在性能上具有安全性高，电磁泄露小，免受电磁干扰的优点。
附图说明
[0016] 图2为本发明所述的
实施例一中分布式反馈激光器输出的光载波信号
波形图；
[0017] 图3为本发明所述的实施例一中马赫增德尔调制器输出的光载波信号波形图；
[0018] 图4为本发明所述的实施例一中输出的中频信号波形图；
[0019] 图5为本发明所述的实施例二中分布式反馈激光器输出的光载波信号波形图；
[0020] 图6为本发明所述的实施例二中马赫增德尔调制器输出的光载波信号波形图；
[0021] 图7为本发明所述的实施例二中输出的宽带中频信号波形图；
[0022] 图8为本发明所述的实施例三中分布式反馈激光器输出的光载波信号波形图；
[0023] 图9为本发明所述的实施例三中马赫增德尔调制器输出的光载波信号波形图；
[0024] 图10为本发明所述的实施例三中输出的双音信号波形图；
[0025] 图11为本发明所述的实施例三中三阶交调数据拟合直线图。
具体实施方式
[0026] 如图1所示，本发明所述的基于微波光子学的超宽带大动态变频通道，包括光发射机、光接收机和光纤，光发射机的信号输出端口通过光纤连接光接收机的信号输入端口。
[0027] 本发明的光发射机用于产生光信号，并通过调制射频信号和本振信号产生光载波信号。光发射机包括分布式反馈激光器、马赫增德尔调制器、射频信号源、本振信号源和第一电源。射频信号源的输出端口连接分布式反馈激光器的激光调制端口，本振信号源的输出端口连接马赫增德尔调制器的微波输入端口，分布式反馈激光器的光输出端口连接马赫增德尔调制器的光输入端口。
[0028] 本发明的射频信号源和本振信号源分别用于产生射频信号和本振信号，分布式反馈激光器采用一个分布式反馈激光
二极管作为
光源，产生光信号。同时，分布式反馈激光器作为第一级调制器，将射频信号源产生的射频信号作为调制信号加载到光信号上，输出经射频信号调制的光载波信号，第一电源为分布式反馈激光器提供+12V直流电压。马赫增德尔调制器作为第二级调制器，将本振信号源产生的本振信号作为调制信号加载到经射频信号调制的光载波信号上，最后输出经射频信号和本振信号调制的光载波信号。马赫增德尔调制器采用铌酸锂材料制作，由其专用电源供电，利用
电场的线性电光效应，改变外部驱动电压能够改变铌酸锂材料的折射率，从而改变材料中传播光的
相位信息，在引入马赫增德尔干涉结构后，一路光
波导上的相位调制将改变两路光信号的
相位差，从而转化为对输出光波强度的调制。
[0029] 本发明的光纤用于光载波信号的远距离传输，光纤的一端连接马赫增德尔调制器的光输出端口，光纤的另一端连接光电探测器的光输入端口。由于现有的光纤窗口可以容纳超过50THz带宽的信号，实现单路40～160Gb/s的
数字信号传输，且在1310nm和1550nm两个低损耗窗口，光纤分别具有低于0.3dB/km和0.15dB/km的损耗，即传输50米，损耗小于0.015dB，传输2000米，损耗小于0.6dB，因此本发明通过光纤传输微波信号可以在减小发射功率的同时增大传输距离，满足变频通道通信容量大、传输损耗低、传输带宽宽的要求。
[0030] 本发明的光接收机用于检测光
电信号，并将射频信号和本振信号混频为中频信号，滤波和放大后输出。光接收机包括光电探测器、微波滤波器、微波放大器和第二电源，光电探测器的输出端口连接微波滤波器的输入端口，微波滤波器的输出端口连接微波放大器的输入端口。光电探测器对接收到的经射频信号和本振信号调制的光载波信号进行光电转换，从而获得电信号，产生的电信号大小与输入光功率成正比，利用
光电二极管的非线性效应，射频信号和本振信号在光电二极管中混频，产生中频信号。由于光电探测器输出的中频信号中还包含射频信号、本振信号和中频信号的高次谐波以及它们的差频信号，采用微波滤波器对此信号进行滤波，获得需要的中频信号；采用微波放大器对滤波后的中频信号进行放大，最终得到幅度满足要求的中频信号。第二电源为光电探测器提供+3V和-3V直流电压，为微波放大器提供+12V直流电压。
[0031] 下面结合具体实施例对本发明所述的基于微波光子学的超宽带大动态变频通道进行详细说明。
[0032] 实施例一
[0033] 利用optisystem
软件对本发明所述的超宽带大动态变频通道进行仿真，分布式反馈激光器的输出光
波长为1530纳米，输出光功率为5dBm，输入射频信号频率为1.72GHz，幅度为0dBm，经过第一级调制后分布式反馈激光器输出的光载波信号波形如图2所示，该图表明射频信号已加载到光信号上，在光信号上产生了边带信号；输入本振信号频率为1GHz，幅度为7dBm，经过第二级调制后马赫增德尔调制器输出的光载波信号波形如图3所示，该图表明本振信号已加载到一级调制后的光载波信号上，边带信号既有射频信号也有本振信号；光接收机输出的中频信号波形如图4所示，该图说明本发明能够实现微波信号的混频，且通道损耗较低。
[0034] 实施例二
[0035] 利用optisystem软件对本发明所述的超宽带大动态变频通道进行仿真，分布式反馈激光器的输出光波长为1530纳米，输出光功率为5dBm，输入射频信号频率为2GHz到14GHz，幅度为0dBm的宽带信号，经过第一级调制后分布式反馈激光器输出的光载波信号波形如图5所示，该图表明宽带射频信号已加载到光信号上，在光信号上产生了边带信号；输入本振信号频率为17GHz，幅度为7dBm，经过第二级调制后马赫增德尔调制器输出的光载波信号波形如图6所示，该图表明本振信号已加载到一级调制后的光载波信号上，边带信号既有宽带射频信号也有本振信号；光接收机输出的中频信号波形如图7所示，该图说明本发明能够实现宽带信号的混频，且带宽可达12GHz以上。
[0036] 实施例三
[0037] 利用optisystem软件对本发明所述的超宽带大动态变频通道进行仿真，分布式反馈激光器的输出光波长为1530纳米，输出光功率为5dBm，输入射频信号频率为10GHz和10.5GHz，幅度为0dBm的双音信号，经过第一级调制后分布式反馈激光器输出的光载波信号波形如图8所示，该图表明双音射频信号已加载到光信号上，在光信号上产生了边带信号；
输入本振信号频率为8GHz，幅度为7dBm，经过第二级调制后马赫增德尔调制器输出的光载波信号波形如图9所示，该图表明本振信号已加载到一级调制后的光载波信号上，边带信号既有双音射频信号也有本振信号；光接收机输出的中频信号波形如图10所示，该图说明本发明能够实现双音信号的混频。改变输入双音射频信号的幅度，分别测试光接收机输出的中频信号和其三阶交调信号幅度，结果如表一所示：
[0038] 表一
[0039]
输入信号幅度(dBm) 输出基频信号幅度(dBm) 三阶交调信号幅度(dBm)
0 -41.6 -91
2 -39.8 -86.0
4 -37.9 -80.3
6 -35.9 -74.5
8 -34.2 -68.9
10 -32.4 -63.0
[0040] 经过数据拟合，得到三阶交调数据拟合直线如图11所示，计算无杂散动态范围：
[0041]
[0042] 其中，IIP3为链路三阶截点对应的输入，NF为链路的噪声系数，-174为室温下热噪声在单位带宽下的值。
