CN107682094A - 一种宽带360°可调谐微波信号移相装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种宽带360°可调谐微波信号移相装置和方法，其装置包括激光器、偏振复用双平行马赫‑曾德尔调制器即DP‑QPSK调制器、微波信号发生器、90°混合器、直流电源、偏振控制器、起偏器、光放大器及光电探测器。利用DP‑QPSK调制器其中一个双平行马赫‑曾德尔调制器（DP‑MZM）的抑制载波单边带调制特性产生一个一阶光边带，并与DP‑QPSK调制器中另一个DP‑MZM输出的光载波信号耦合，通过调节光载波信号的相位，耦合后的光信号通过光电探测器检测即可以生成任意相位的微波信号，实现对输入微波信号的移相。通过该装置和方法实现对微波信号的移相，克服了传统电子移相器带宽受限、相位可调谐性差等缺点。
Description
技术领域
本发明涉及一种宽带360°可调谐微波信号移相装置和方法，属于微波信号处理技术领域。
背景技术
微波移相器作为微波信号处理的关键器件，在卫星通信、无线通信、雷达***、航空航天等领域有着重要的应用。传统的微波移相器是由电子元器件组成，受限于电子元器件的带宽、响应速度等因素，传统的电子微波移相器的工作带宽小、移相范围受限、抗电磁干扰能力差，已经越来越难以满足现代微波信号处理中的性能要求。
微波光子移相器是一种在光域对微波信号进行处理，最终在电域实现对输入微波信号移相的器件。它利用了光子技术大带宽、高频率、无电磁干扰等优势，可以实现大带宽、大移相范围、高性能的微波信号移相。就目前的研究来看，微波光子移相器主要包括光学混频、矢量和、非线性效应等几种实现方式。其中，光学混频的方法原理最为简单，只需要产生两个波长间隔为微波信号频率的光信号，通过控制其中一个波长的光信号的相位或者控制两个波长光信号的相位差，即可以在光信号通过光电检测后产生不同相位的微波信号。虽然该方法原理简单，但是产生这样的两个波长的光信号往往需要较为复杂的***。基本的方法包括两种：一种是通过光学调制产生两个波长间隔为微波信号频率的光信号，然后通过光学滤波将其中一个波长的光信号滤出，并通过光学调相的方法控制其相位，然后再和另一个波长的光信号耦合后进行光电探测；另一种方法是产生两个偏振态正交的波长间隔为微波信号频率的光信号，然后再通过一个偏振调制器在两个正交的光信号间引入需要的相位差，最后将两个正交的光信号通过起偏器耦合起来进行光电探测。如在文献(APhotonic RF Phase Shifter Based on a Dual-Parallel Mach--Zehnder Modulatorand an Optical Filter.Applied Physics Express,2012,5(7):072502)中，采用了光学滤波器滤除调制器产生的一个一阶光边带，另一个一阶光边带和相位受控制的光载波输入光电探测器实现移相后微波信号的产生；如在文献(Dual-Polarization Dual-ParallelMZM and Optical Phase Shifter Based Microwave Photonic Phase Controller.IEEEPhotonics Journal,2016,8(4):5501114)中，利用偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器即DP-QPSK调制器产生了偏振态正交的一个载波信号和一个一阶光边带信号，然后通过一个光学移相设备对载波和一阶光边带信号进行相位调制，引入需要的相位差，然后载波和一阶光边带耦合后输入光电探测器实现移相后微波信号的产生。如果通过上述的方法实现对微波信号的移相，往往需要额外的光学调制器或光学滤波器，这将使***的复杂度大大提高，如果使用了光学滤波器，还会限制微波光子移相器的工作频率范围、降低产生的移相信号的稳定性。
发明内容
本发明针对现有技术的不足提出了一种宽带360°可调谐微波信号移相装置和方法，使用单个光调制器结构，无需光学滤波器或额外的光学调制器，实现360°范围的微波信号移相。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种宽带360°可调谐微波信号移相装置，特点是：该装置包括激光器、偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器即DP-QPSK调制器、微波信号发生器、90°混合器、直流电源、偏振控制器、起偏器、光放大器、光电探测器；所述DP-QPSK调制器内集成了两个子马赫-曾德尔调制器即DP-MZM，两个子DP-MZM输出的光信号经过正交偏振复用耦合在一起在DP-QPSK调制器的输出端输出，子DP-MZM由一个主马赫-曾德尔调制器即主MZM和两个子MZM组成；所述DP-QPSK调制器设置在激光器的出射光路上；微波信号发生器的输出端与90°混合器的输入端连接，90°混合器的两个输出端分别与DP-QPSK调制器的一个子DP-MZM的两个射频输入端口连接；直流电源与DP-QPSK调制器的另一个子DP-MZM的两个射频输入端口连接；DP-QPSK调制器的直流偏置输入端口与直流电源连接；DP-QPSK调制器的输出端与偏振控制器的输入端连接，偏振控制器的输出端与起偏器的输入端连接，起偏器的输出端与光放大器的输入端连接，光放大器的输出端与光电探测器的输入端连接；所述光电探测器的输出端输出经移相后的微波信号。
所述子DP-MZM具有相同的结构和性能。
所述子DP-MZM具有独立的射频信号输入端口和直流偏置输入端口。
所述输入DP-QPSK调制器的微波信号具有相同的幅度和90°的相位差。
所述输入DP-QPSK调制器两个射频输入端口的直流信号具有相同的幅度，该幅度由需要对微波信号移相的大小决定。
所述DP-QPSK调制器一个偏振主轴与起偏器主轴夹角为α，α≠0°，α≠90°。
一种宽带360°可调谐微波信号移相方法，包括如下步骤：
1)激光器输出的波长为λ的光信号输入DP-QPSK调制器的光学输入端口，DP-QPSK调制器的两个子DP-MZM输出的光信号分别在DP-QPSK调制器输出光信号的两个正交的偏振方向上；
2)调节偏振控制器使DP-QPSK调制器一个偏振主轴与起偏器主轴夹角为α，α≠0°，α≠90°；
3)调节直流偏置电压，使射频输入端口输入微波信号的子DP-MZM的两个子MZM均偏置在最小传输点、主MZM偏置在正交传输点；
4)输入调制器的两路微波信号具有90°的相位差；
5)调节直流偏置电压，使射频输入端口输入直流信号的子DP-MZM的两个子MZM分别偏置在最大传输点和最小传输点、主MZM偏置在正交传输点；
6)输入调制器射频输入端口的两路直流信号具有相同的幅度，根据对微波信号移相的大小，调节直流电压值；
7)起偏器输出的光信号经光放大器放大后，在光电探测器处检测生成经移相后的微波信号。
本发明利用DP-QPSK调制器其中一个DP-MZM的抑制载波单边带调制特性产生一个一阶光边带，并与DP-QPSK调制器中另一个DP-MZM输出的光载波信号耦合，通过调节光载波信号的相位，耦合后的光信号通过光电探测器检测即可以生成任意相位的微波信号，实现对输入微波信号的移相。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明可以实现大带宽范围内微波信号移相，工作带宽主要仅受到90°混合器带宽、光调制器带宽和光电探测器带宽的限制，可以达到23GHz；
2.通过本发明可以实现对微波信号360°全范围任意移相；
3.本发明装置结构简单、控制方便、移相稳定性强。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图；
图2为本发明实施例1输入微波信号为10GHz时的光谱图，(a)输入微波信号的DP-MZM输出光信号的光谱图，(b)起偏器输出光信号的光谱图；
图3为本发明实施例1输出的不同相位的微波信号的波形图；
图4为本发明实施例2输入微波信号为18GHz时的光谱图，(a)输入微波信号的DP-MZM输出光信号的光谱图，(b)起偏器输出光信号的光谱图；
图5为本发明实施例2输出的不同相位的微波信号的波形图；
图6为本发明实施例3输入微波信号为23GHz时的光谱图，(a)输入微波信号的DP-MZM输出光信号的光谱图，(b)起偏器输出光信号的光谱图；
图7为本发明实施例3输出的不同相位的微波信号的波形图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
参见图1，本发明装置包括：激光器1、DP-QPSK调制器2、微波信号发生器3、90°混合器4、直流电源5、偏振控制器6、起偏器7、光放大器8、光电探测器9。激光器1的输出端口与DP-QPSK调制器2的光学输入端相连，微波信号发生器3的输出端口与90°混合器4的输入端口连接，90°混合器4的两个输出端口分别与DP-QPSK调制器2的一个子DP-MZM的两个射频输入端口连接，直流电源5的两个输出端口分别与DP-QPSK调制器2的另一个子DP-MZM的两个射频输入端口连接，直流电源5的其它输出端口与DP-QPSK调制器2的直流偏置输入端口连接；DP-QPSK调制器2的光学输出端口与偏振控制器6的输入端口连接，偏振控制器6的输出端口与起偏器7的输入端口连接，起偏器7的输出端口与光放大器8的输入端口连接，光放大器8的输出端口与光电探测器9的输入端口连接。光电探测器9的输出端口输出经移相后的微波信号。
本发明实现宽带360°可调谐微波信号移相，具体步骤是：
步骤一、激光器输出的波长为λ的光信号输入DP-QPSK调制器的光学输入端口，DP-QPSK调制器的两个子DP-MZM输出的光信号分别在DP-QPSK调制器输出光信号的两个正交的偏振方向上；
步骤二、调节偏振控制器使DP-QPSK调制器一个偏振主轴与起偏器主轴夹角为α，α≠0°，α≠90°；
步骤三、调节直流偏置电压，使射频输入端口输入微波信号的子DP-MZM的两个子MZM均偏置在最小传输点、主MZM偏置在正交传输点；
步骤四、输入调制器的两路微波信号具有90°的相位差；
步骤五、调节直流偏置电压，使射频输入端口输入直流信号的子DP-MZM的两个子MZM分别偏置在最大传输点和最小传输点、主MZM偏置在正交传输点；
步骤六、输入调制器射频输入端口的两路直流信号具有相同的幅度，根据对微波信号移相的大小，调节直流电压值；
步骤七、起偏器输出的光信号经光放大器放大后，在光电探测器处检测生成经移相后的微波信号。
具体原理说明如下：
根据上述偏置点设置，射频输入端口输入微波信号的子DP-MZM的输出可以表达为
其中，E1是光信号幅度，ωc是光信号角频率，m＝πV0/Vπ是调制指数，V0是微波信号幅度，ωs是输入微波信号角频率，Vπ是DP-QPSK调制器的半波电压，上式推倒过程中使用了小信号调制条件(m<<1)。由上式可以观察到，在该DP-MZM的输出端，只产生了一个一阶光边带，光载波和其它光边带均被抑制。
射频输入端口输入直流信号的子DP-MZM的输出可以表达为
其中，E2是光信号幅度，V△是输入该调制器射频端口的直流电压值，是光信号的初始相位。
通过偏振控制器控制，使起偏器的主轴与DP-QPSK调制器的一个主轴夹角为α，α≠0°，α≠90°，这时起偏器输出的光信号为
该光信号通过光电探测器检测得到的光电流为
其中，R是光电探测器的响应度。由上式可以看到，在光电探测器的输出端产生了频率与输入微波信号频率相同的微波信号，且其相位为又因为因此产生微波信号的相位可以通过调节输入调制器射频端口的直流电压的幅度进行调节。典型的DP-QPSK调制器的Vπ为3.5V，通过调节输入电压V△在(-Vπ,Vπ)内变化，即可以实现对微波信号360°范围内任意移相。
实施例1
本实施例中激光器输出光信号波长为1550.55nm。调节直流偏置电压，使射频输入端口输入微波信号的子DP-MZM的两个子MZM均偏置在最小传输点、主MZM偏置在正交传输点；使射频输入端口输入直流信号的子DP-MZM的两个子MZM分别偏置在最大传输点和最小传输点、主MZM偏置在正交传输点。本实施例中输入微波信号的频率为10GHz。图2(a)为输入微波信号的DP-MZM输出光信号的光谱图，可以看到实现了抑制载波单边带调制，除了一个一阶光边带外，其余光边带均被较好的抑制，抑制比大于36.28dB；图2(b)为起偏器输出光信号的光谱图，该光信号由图2(a)所示的抑制载波单边带信号和另一DP-MZM输出的光载波信号耦合得到。图3为本实施例输出的不同相位的微波信号的波形图，即图2(b)所示的光信号经过光放大器放大、光电探测器检测后输出的电信号的波形图，输出信号的相位调节是通过调节输入DP-QPSK调制器射频端口的直流偏置电压实现的。可以看到，本实施例实现了对10GHz微波信号-180°到180°的移相。
实施例2
本实施例中激光器输出光信号波长为1550.55nm。调节直流偏置电压，使射频输入端口输入微波信号的子DP-MZM的两个子MZM均偏置在最小传输点、主MZM偏置在正交传输点；使射频输入端口输入直流信号的子DP-MZM的两个子MZM分别偏置在最大传输点和最小传输点、主MZM偏置在正交传输点。本实施例中输入微波信号频率为18GHz。图4(a)为输入微波信号的DP-MZM输出光信号的光谱图，可以看到实现了抑制载波单边带调制，除了一个一阶光边带外，其余光边带均被较好的抑制，抑制比大于29.82dB；图4(b)为起偏器输出光信号的光谱图，该光信号由图4(a)所示的抑制载波单边带信号和另一DP-MZM输出的光载波信号耦合得到。图5为本实施例输出的不同相位的微波信号的波形图，即图4(b)所示的光信号经过光放大器放大、光电探测器检测后输出的电信号的波形图，输出信号的相位调节是通过调节输入DP-QPSK调制器射频端口的直流偏置电压实现的。本实施例中给出了0°，90°和180°三个特殊相位时输出的微波信号的波形图。
实施例3
本实施例中激光器输出光信号波长为1550.55nm。调节直流偏置电压，使射频输入端口输入微波信号的子DP-MZM的两个子MZM均偏置在最小传输点、主MZM偏置在正交传输点；使射频输入端口输入直流信号的子DP-MZM的两个子MZM分别偏置在最大传输点和最小传输点、主MZM偏置在正交传输点。本实施例中输入微波信号频率为23GHz。图6(a)为输入微波信号的DP-MZM输出光信号的光谱图，可以看到实现了抑制载波单边带调制，除了一个一阶光边带外，其余光边带均被较好的抑制，抑制比大于28.47dB；图6(b)为起偏器输出光信号的光谱图，该光信号由图6(a)所示的抑制载波单边带信号和另一DP-MZM输出的光载波信号耦合得到。图7为本实施例输出的不同相位的微波信号的波形图，即图6(b)所示的光信号经过光放大器放大、光电探测器检测后输出的电信号的波形图，输出信号的相位调节是通过调节输入DP-QPSK调制器射频端口的直流偏置电压实现的。本实施例中给出了0°，90°和180°三个特殊相位时输出的微波信号的波形图。
综上，本发明提供的宽带360°可调谐微波信号移相装置和方法，利用DP-QPSK调制器的抑制载波单边带调制特性及相位调制特性，实现了对输入微波信号的任意相移，且具有大的工作带宽，该工作带宽主要受到90°混合器带宽、光调制器带宽和光电探测器带宽的限制。90°混合器带宽可以达到40GHz，因此，采用常用的DP-QPSK调制器(工作带宽>23GHz)和光电探测器(工作带宽>40GHz)，可以对23GHz带宽范围内的微波信号进行移相处理。
Claims (5)
1.一种宽带360°可调谐微波信号移相装置，其特征在于：该装置包括激光器、偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器即DP-QPSK调制器、微波信号发生器、90°混合器、直流电源、偏振控制器、起偏器、光放大器、光电探测器；所述DP-QPSK调制器内集成了两个子双平行马赫-曾德尔调制器即DP-MZM，两个子DP-MZM输出的光信号经过正交偏振复用耦合后在DP-QPSK调制器的输出端输出，子DP-MZM由一个主马赫-曾德尔调制器即主MZM和两个子MZM组成；所述DP-QPSK调制器设置在激光器的出射光路上；微波信号发生器的输出端与90°混合器的输入端连接，90°混合器的两个输出端分别与DP-QPSK调制器的一个子DP-MZM的两个射频输入端口连接；直流电源与DP-QPSK调制器的另一个子DP-MZM的两个射频输入端口连接；DP-QPSK调制器的直流偏置输入端口与直流电源连接；DP-QPSK调制器的输出端与偏振控制器的输入端连接，偏振控制器的输出端与起偏器的输入端连接，起偏器的输出端与光放大器的输入端连接，光放大器的输出端与光电探测器的输入端连接；所述光电探测器的输出端输出经移相后的微波信号。
2.根据权利要求1所述的宽带360°可调谐微波信号移相装置，其特征在于：所述输入DP-QPSK调制器两个射频输入端口的微波信号具有相同的幅度和90°的相位差。
3.根据权利要求1所述的宽带360°可调谐微波信号移相装置，其特征在于：所述输入DP-QPSK调制器两个射频输入端口的直流信号具有相同的幅度。
4.根据权利要求1所述的宽带360°可调谐微波信号移相装置，其特征在于：通过偏振控制器控制，DP-QPSK调制器一个偏振主轴与起偏器主轴夹角为，。
5.一种宽带360°可调谐微波信号移相方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
1）激光器输出的波长为λ的光信号输入DP-QPSK调制器的光学输入端口，DP-QPSK调制器的两个子DP-MZM输出的光信号分别在DP-QPSK调制器输出光信号的两个正交的偏振方向上；
2）调节偏振控制器使DP-QPSK调制器一个偏振主轴与起偏器主轴夹角为，；
3）调节直流偏置电压，使射频输入端口输入微波信号的子DP-MZM的两个子MZM均偏置在最小传输点、主MZM偏置在正交传输点；
4）输入调制器的两路微波信号具有90°的相位差；
5）调节直流偏置电压，使射频输入端口输入直流信号的子DP-MZM的两个子MZM分别偏置在最大传输点和最小传输点、主MZM偏置在正交传输点；
6）输入调制器射频输入端口的两路直流信号具有相同的幅度，根据对微波信号移相的大小，调节直流电压值；
7）起偏器输出的光信号经光放大器放大后，在光电探测器处检测生成经移相后的微波信号。
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