CN112421351B - 一种基于混频器的微波信号产生装置 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种基于混频器的微波信号产生装置，包括：微波本振源、混频器、第一滤波器、激光器、电光调制器、光信号延时器、光探测器、第二滤波器、放大器及无源功分器，该装置的混频器在对闭合的光电反馈回路自激振荡产生的微波信号进行变频的同时，将变频前后的微波信号的相位和锁定，因此自激振荡产生的微波信号的相位不再是随机的，其可得到稳定的单模或多模振荡微波信号。
Description
技术领域
本公开涉及微波光子学领域，具体涉及到一种基于混频器的微波信号产生装置。
背景技术
微波信号源的功能是产生所需的微波信号，用于雷达、通信网络、传感等微波***。传统的微波信号源通常基于纯电子学的手段实现。然而，基于电子学的手段面临着带宽瓶颈的问题，难以实现大带宽、高中心频率的微波信号源。微波光子技术是融合了电子技术和光子技术的一门交叉学科，其得益于光子技术带来的大带宽、低损耗和抗电磁干扰等优势，基于微波光子技术的微波信号源可以克服纯电子学手段的弊端，实现宽带、高中心频率的微波信号源。
近年来，本领域研究人员提出了多种基于微波光子技术的微波信号产生手段，主要包括双波长激光外差法、频率-时间映射法和光电振荡器等。其中，双波长激光外差法利用光探测器探测激光器两个发光波长的拍频，其很容易产生宽带、高中心频率的微波信号。但是，当两个光波长的相干性通常较差时，它们拍频产生的微波信号的相位噪声特性也很差。频率-时间映射法的核心思路是首先在频率域对光信号进行整形，然后借助色散介质将整形后的光谱映射到微波信号的时域波形上，该方法可产生宽带的微波信号，然而信号的持续时间通常较低，因此时间带宽积受限。光电振荡器是借助电光调制器和光探测器等光电子器件形成闭合的光电反馈回路，自激振荡产生微波信号。借助高品质因数的反馈回路，光电振荡器可产生超低相位噪声的单频微波信号。然而，当光电振荡器工作在多模状态时，各个模式的初相随机，腔内存在着模式竞争和跳模效应，难以得到稳态的多模信号。
发明内容
为了解决现有技术中上述问题，本公开提供了一种基于混频器的微波信号产生装置，该装置的混频器在对闭合的光电反馈回路自激振荡产生的微波信号进行变频的同时，将变频前后的微波信号的相位和锁定，因此自激振荡产生的微波信号的相位不再是随机的，其可得到稳定的多模振荡微波信号。
本公开提供了基于混频器的微波信号产生装置，包括：微波本振源，用于产生本振微波信号；混频器，用于对本振微波信号的激励下该装置内自激振荡产生的微波信号进行变频，并输出单模或多模的振荡微波信号；第一滤波器，用于对单模或多模的振荡微波信号进行滤波，得到单模或多模的自激振荡信号；激光器，用于产生光载波；电光调制器，用于将单模或多模自激振荡信号加载到光载波上，得到光信号；光信号延时器，用于对光信号进行延时处理；光探测器，用于将延时的光信号通过拍频还原处理，得到微波信号；第二滤波器，用于对微波信号进行滤波，得到延时的单模或多模的振荡微波信号；放大器，用于将延时的单模或多模的振荡微波信号功率放大；无源功分器，用于将功率放大后的延时的单模或多模的振荡微波信号进行功率分配，得到两组微波信号，其中，每一组微波信号均为功率减半的延时的单模或多模的振荡微波信号，无源功分器将其中一组微波信号输入至混频器，以使该组微波信号进行下一周期循环，并将另一组微波信号输出。
进一步地，每对频率为f1与f2的微波信号的模式频率满足：f1+f2＝f0，且f1，f2＝f0/2±MΔf；其中，f0为本振微波信号的频率，f1为该装置自激振荡产生的微波信号的频率，f2为混频器输出的振荡微波信号的频率，M≥0，且M为整数，Δf＝c/(2L)为闭合的光电反馈回路引入的频率步进，c为真空中的光速，L为闭合的光电反馈回路的有效长度。
进一步地，每对频率为f1与f2的微波信号的相位满足以下关系：
其中，N为正整数，
为频率为f1的微波信号的相位，
为频率为f2的微波信号的相位。
进一步地，该装置为单环路或双环路或多环路；其中，单环路中光信号延时器及光探测器数量为一个，其一一对应连接；双环路中光信号延时器及光探测器数量为两个，其一一对应连接；多环路中光信号延时器及光探测器数量为多个，其一一对应连接。
进一步地，放大器与第一滤波器或第二滤波器的位置互换。
进一步地，光信号延时器由长光纤构成，长光纤的长度为1m～20km，光损耗为0.2dB/km。
进一步地，第一滤波器及第二滤波器的响应方式为带通特性。
进一步地，电光调制器的带宽为0～150GHz。
进一步地，光探测器的带宽为0～150GHz，响应度为1A/W。
进一步地，放大器的增益为1dB～60dB。
本公开相对现有技术具有以下技术效益：
(1)本公开的混频器可在本振微波信号的激励下对该装置内也就是闭合的光电反馈回路自激振荡产生的微波信号进行变频，变频前后的微波信号的频率和等于本振微波信号的频率，该频率是成对出现的。一对频率中的某个特定频率成分在闭合的反馈回路传输两周后完成自再现，因此，频率间的最小间隔为闭合的反馈回路自由光谱范围的一半。
(2)本公开的混频器在对闭合的光电反馈回路自激振荡产生的微波信号进行变频的同时，将变频前后的微波信号的相位和锁定，因此自激振荡产生的微波信号的相位不再是随机的，可得到稳定的多模振荡微波信号。
(3)本公开提供的微波信号产生装置所产生的微波信号的中心频率取决于本振微波信号的频率，因此，可通过控制微波本振的频率实现调节；其所产生的微波信号的最大频率范围由滤波器决定，因此可通过改变滤波器的带宽选择单模或多模的振荡微波信号。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
图1示意性示出了根据本公开一实施例的基于混频器的微波信号产生装置的结构图。
图2示意性示出了根据本公开一实施例的产生的单模的振荡微波信号的频谱图。
图3示意性示出了根据本公开一实施例的产生的多模的振荡微波信号的频谱图。
图4示意性示出了根据本公开一实施例的产生的另一个多模的振荡微波信号的频谱图.
图5示意性示出了根据本公开另一实施例的基于混频器的微波信号产生装置的结构图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
图1示意性示出了根据本公开一实施例的基于混频器的微波信号产生装置的结构图。
如图1所示，本公开提供了一种基于混频器的微波信号产生装置，该装置包括：
微波本振源1，用于产生本振微波信号。
本实施例中，微波本振源1用于产生本振微波信号，其输出的本振微波信号为单频的正弦信号，其带宽为40GHz及以上，其用于对混频器2提供本振激励。
混频器2，用于对本振微波信号的激励下该装置内自激振荡产生的微波信号进行变频，得到单模或多模的振荡微波信号。
本实施例中，混频器2的第一输入端与微波本振源1的输出端连接，用于在本振微波信号的激励下对该装置内自激振荡产生的微波信号进行变频，并输出单模或多模的振荡微波信号；其中，自激振荡产生的微波信号为单模的微波信号时，其经过混频器2混频后输出的为单模的振荡微波信号；自激振荡产生的微波信号为多模的微波信号时，其经过混频器2混频后输出的为多模的振荡微波信号，且自激振荡产生的微波信号为单模还是多模的振荡微波信号，其根据第一滤波器3和第一滤波器8设置的带宽选择得到。
第一滤波器3，用于对单模或多模的振荡微波信号进行滤波，得到单模或多模的自激振荡信号。
本实施例中，第一滤波器3的输入端与混频器2的输出端连接，用于对单频或多频的振荡微波信号进行滤波，得到单模或多模的自激振荡信号。其中，第一滤波器3的响应方式为带通特性，其可选择通带内特定频率的微波信号振荡。
激光器5，用于产生光载波。
本实施例中，激光器5的输出端与电光调制器4的第一输入端连接，其用于向该电光调制器4提供光载波，用于实现电光调制。
电光调制器4，用于将单模或多模自激振荡信号加载到光载波上，得到光信号。
本实施例中，电光调制器4的第二输入端与第一滤波器3的输出端连接，用于将单频或多频自激振荡信号加载到光载波上，得到光信号。其中，电光调制器4的带宽为0～150GHz，其可实现将频率为0～150GHz的单频或多频自激振荡信号加载到光载波上。
光信号延时器6，用于对光信号进行延时处理。
本实施例中，光信号延时器6的输入端与电光调制器4的输出端相连，用于对光信号进行延时处理。其中，光信号延时器6由长光纤构成，长光纤的长度为1m～20km，光损耗为0.2dB/km，该长光纤可实现对光信号进行5ps～100μs的延时处理。
光探测器7，用于将延时的光信号通过拍频还原处理，得到微波信号。
本实施例中，光探测器7的输入端与光信号延时器6的输出端相连，用于将延时的光信号通过拍频还原处理，得到微波信号。
本实施例中，该光探测器7的带宽为0～150GHz，响应度为1A/W，将延时的光信号通过拍频还原得到频率为0～150GHz的微波信号。
第二滤波器8，用于对微波信号进行滤波，得到延时的单模或多模的振荡微波信号。
本实施例中，第二滤波器8的输入端与光探测器7的输出端相连，其中，第二滤波器8的响应方式为带通特性，通过设置第一滤波器3及第二滤波器8两个滤波器，分别前后对传输信号进行滤波处理，通过二次滤波可得到频谱更加纯净的振荡微波信号。
放大器9，用于将延时的单模或多模的振荡微波信号功率放大。
本实施例中，放大器9的输入端与第二滤波器8的输出端相连，其输出端与无源功分器10的输入端相连，用于将延时的单模或多模的振荡微波信号功率放大。
无源功分器10，用于将功率放大后的延时的单模或多模的振荡微波信号进行功率分配，得到两组微波信号，其中，每一组微波信号均为功率减半的延时的单模或多模的振荡微波信号，无源功分器10将其中一组微波信号输入至混频器2，以使该组微波信号进行下一周期循环，并将另一组微波信号输出。
本实施例中，无源功分器10的输入端与光放大器9的输出端相连，其第一输出端与混频器2的第二输入端相连，第二输出端为微波信号输出端，其用于对延时的单模或多模的振荡微波信号进行功率分配，得到两组微波信号，其中，一组微波信号从无源功分器10的第一输出端输出至混频器2，以使该组微波信号进行下一周期循环，另一组微波信号从无源功分器10的第二输出端输出，为下一步处理提供持续温稳定的微波信号。
本实施例中，微波本振源1、混频器2、第一滤波器3和电光调制器4、光探测器7、第二滤波器及放大器9之间通过电缆连接，电光调制器4、激光器5、光信号延时器6及光探测器7之间通过光纤跳线连接。
本实施例提供的基于混频器的微波信号产生装置，其工作原理为：微波本振源1发出频率为f0的本振微波信号并输出至混频器2，混频器2在本振微波信号的激励下对该装置内自激振荡产生的微波信号进行变频，并根据混频器2预设的带宽输出单模或多模的振荡微波信号，该单模或多模的振荡微波信号被输入进第一滤波器进行滤波处理，得到单模或多模的自激振荡信号；激光器5产生光载波并输入进电光调制器4，该单模或多模的自激振荡信号输入进电光调制器4，该电光调制器4将单模或多模的自激振荡信号加载到光载波上，得到光信号；该光信号再经过光信号延时器6通过延时处理，得到延时的光信号并输出至光探测器7利用光电效应进行拍频还原处理，得到微波信号；该微波信号经过第二滤波器8进行第二次滤波处理后并输出至放大器9进行功率放大，得到延时的功率放大的单模或多模的振荡微波信号；该延时的功率放大的单模或多模的振荡微波信号输入至无源功分器10进行功率分配，得到两组微波信号，其中，每一组微波信号均为功率减半的延时的单模或多模的振荡微波信号，无源功分器10将其中一组微波信号输入至混频器2，以使该组微波信号进行下一周期循环，并将另一组微波信号输出。该装置在混频器的变频作用和闭合的光电反馈回路自激振荡作用下，其可产生稳定的单模或多模微波振荡信号。
本实施例中，混频器2、第一滤波器3、电光调制器4、光信号延时器6、光探测器7、第二滤波器8、放大器9及无源功分器10构成一个闭合的光电反馈回路，当该闭合的光电反馈回路的增益大于损耗时，可自激振荡产生微波信号。假设自激振荡产生的某个微波信号的频率为f1，当该信号经过混频器2时会发生变频，混频器2输出信号的频率为
f2＝f0-f1 (1)
其中，f0为微波本振源产生的本振微波信号的频率，若该装置自激振荡产生的微波信号为单模的微波信号时，该单模的微波信号频率为f1，经过混频器2后的输出的单模的振荡微波信号频率为f2，且f1+f2＝f0，f1＝f2＝f0/2；若自激振荡产生的微波信号为多模的微波信号时，该多模的微波信号频率分别为f‘1、f’‘1、f‘’‘1、...、
经过混频器2后的输出的多模的振荡微波信号频率为f‘2、f’‘2、f‘’‘2...、
且f‘1+f‘2＝f0，f“1+f‘’2＝f0，...，
变频后的微波信号经第一滤波器3滤波后送入电光调制器4，经光信号延时器6传输后再经光探测器7恢复为频率为f2的微波信号，其中，f2频率与混频器2输出的信号的频率数值大小相等。该微波信号经过该闭合的光电反馈回路后作为混频器2新的输入，会再次经历变频。从而，频率为f2的微波信号会变频为频率为f1的微波信号。频率为f1的微波信号经过闭合的光电反馈回路传输新一周后再次进入滤波器2，接着会重复上述变频的过程。因此，该装置中的振荡信号会成对出现，每对信号的频率和等于本振微波信号的频率f0。根据模式自在现条件，每对模式的频率为：
f1，f2＝f0/2±MΔf (2)
其中，M≥0，且M为整数，Δf＝c/(2L)为闭合的光电反馈回路引入的频率步进，c为真空中的光速，L为闭合的光电反馈回路的有效长度。从公式2可以看出，每对模式的频率关于微波本振频率的一半f0/2对称，且频率间的最小间隔为Δf。每对模式的相位满足
其中，N为正整数，
为频率为f1的微波信号的相位，
为频率为f2的微波信号的相位，从公式3可知，混频器2变频前后的一对微波信号的相位和锁定，自激振荡产生的微波信号的相位不再是随机的。当一对模式中其中一个模式的相位确定时，另一个模式的相位也随之确定。因此，本公开提供的基于混频器的微波信号产生装置可得到稳定的多模振荡。此外，本公开所产生的微波信号的中心频率取决于本振微波信号的频率，因此可通过控制微波本振的频率实现调节；本公开所产生的微波信号的最大频率范围由滤波器决定，因此可通过改变滤波器的带宽选择单模或多模振荡的微波信号。
图2示意性示出了根据本公开一实施例的产生的单模的振荡微波信号的频谱图，由图2可知，该单模的微波振荡信号的频率约9.972GHz，等于微波本振源产生的本振微波信号的频率的一半，该单模的振荡微波信号经混频器变频后频率和其自身相等，验证了采用窄带的滤波器来滤除该单模的振荡微波信号以外的其他频率分量。
图3示意性示出了根据本公开一实施例的产生的多模的振荡微波信号的频谱图，由图3可知，本公开提供的基于混频器的微波信号产生装置可得到多模的振荡微波信号，通过采用两个宽带的滤波器前后分别进行微波信号滤波处理，其可产生稳定的宽带的多模振荡微波信号。
图4示意性示出了根据本公开一实施例的产生的另一个多模的振荡微波信号的频谱图，由图4可知，该另一个多模的振荡微波信号的频谱与图3的多模振荡微波信号相比，该频率等于本振微波信号的频率的一半的信号也在振荡，此时多模振荡微波信号频谱细节更加丰富，对应的振荡特性更加复杂。
本公开的另一实施例中，放大器9与第一滤波器3或第二滤波器8的位置互换，其同样可实现上述实施例中的技术效果。
本公开的另一实施例中，可减少或增加滤波器的个数以改变滤波的效果。
本公开的另一实施例中，该装置为单环路或双环路或多环路；其中，单环路中光信号延时器6及光探测器7数量为一个，其一一对应连接；双环路中光信号延时器6及光探测器7数量为两个，其一一对应连接，如图5所示；多环路中光信号延时器6及光探测器7数量为多个，其一一对应连接。其中，当该装置为双环路或多环路时，由于游标卡尺效应，该装置中的微波信号的模式间隔由双环路或多环路的每个环路的长度共同决定，因此模式间隔大于当该装置为单环路时的模式间隔，更易于选择单个或多个模式振荡信号。
另外，上述实施例中提供的装置结构并不构成对本装置的限定，该装置中的器件数量、形状及尺寸可依据实际情况而进行修改，且器件的配置可能更为复杂。
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。
Claims (10)
1.一种基于混频器的微波信号产生装置，其特征在于，包括：
微波本振源(1)，用于产生本振微波信号；
混频器(2)，其第一输入端与所述微波本振源(1)的输出端相连，用于对所述本振微波信号的激励下该装置闭合的光电反馈回路自激振荡产生的微波信号进行变频，并输出单模或多模的振荡微波信号；
第一滤波器(3)，其输入端与所述混频器(2)的输出端相连，用于对所述单模或多模的振荡微波信号进行滤波，得到单模或多模的自激振荡信号；
激光器(5)，用于产生光载波；
电光调制器(4)，其第一输入端与所述第一滤波器(3)的输出端相连，第二输入端与所述激光器(5)的输出端相连，用于将所述单模或所述多模自激振荡信号加载到所述光载波上，得到光信号；
光信号延时器(6)，其输入端与所述电光调制器(4)的输出端相连，用于对所述光信号进行延时处理；
光探测器(7)，其输入端与所述光信号延时器(6)的输出端相连，用于将延时的所述光信号通过拍频还原处理，得到微波信号；
第二滤波器(8)，其输入端与所述光探测器(7)的输出端相连，用于对所述微波信号进行滤波，得到延时的单模或多模的振荡微波信号；
放大器(9)，其输入端与所述第二滤波器(8)的输出端相连，用于将所述延时的单模或多模的振荡微波信号功率放大；
无源功分器(10)，其输入端与所述放大器(9)的输出端相连，用于将功率放大后的所述延时的单模或多模的振荡微波信号进行功率分配，得到两组微波信号，其中，每一组微波信号均为功率减半的所述延时的单模或多模的振荡微波信号，所述无源功分器(10)将其中一组微波信号输入至所述混频器(2)，以使该组微波信号进行下一周期循环，并将另一组微波信号输出。
2.根据权利要求1所述的基于混频器的微波信号产生装置，其特征在于，每对频率为f1与f2的微波信号的模式频率满足以下关系：
f1+f2＝f0，
f1，f2＝f0/2±MΔf
其中，f0为微波本振源产生的本振微波信号的频率，f1为该装置闭合的光电反馈回路自激振荡产生的微波信号的频率，f2为所述混频器(2)输出的振荡微波信号的频率，M≥0，且M为整数，Δf＝c/(2L)为闭合的光电反馈回路引入的频率步进，c为真空中的光速，L为闭合的光电反馈回路的有效长度。
3.根据权利要求2所述的基于混频器的微波信号产生装置，其特征在于，所述频率为f1与f2的微波信号的相位满足以下关系：
其中，N为正整数，
为频率为f1的微波信号的相位，
为频率为f2的微波信号的相位。
4.根据权利要求1所述的基于混频器的微波信号产生装置，其特征在于，所述装置为单环路或多环路；其中，所述单环路中所述光信号延时器(6)及所述光探测器(7)数量为一个，其一一对应连接；所述多环路中所述光信号延时器(6)及所述光探测器(7)数量为多个，其一一对应连接。
5.根据权利要求1所述的基于混频器的微波信号产生装置，其特征在于，所述放大器(9)与所述第一滤波器(3)或所述第二滤波器(8)的位置互换。
6.根据权利要求1或2所述的基于混频器的微波信号产生装置，其特征在于，所述光信号延时器(6)由长光纤构成，所述长光纤的长度为1m～20km，光损耗为0.2dB/km。
7.根据权利要求1所述的基于混频器的微波信号产生装置，其特征在于，所述第一滤波器(3)及所述第二滤波器(8)的响应方式为带通特性。
8.根据权利要求1所述的基于混频器的微波信号产生装置，其特征在于，所述电光调制器(4)的带宽为0～150GHz。
9.根据权利要求1所述的基于混频器的微波信号产生装置，其特征在于，所述光探测器(7)的带宽为0～150GHz，响应度为1A/W。
10.根据权利要求1所述的基于混频器的微波信号产生装置，其特征在于，所述放大器(9)的增益为1dB～60dB。
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