專利名稱：雙向信號接口的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及例如天線信號接口的信號接口，其執(zhí)行發(fā)送和接收功能兩者。天線是可運送電流的傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)?？墒褂锰炀€來發(fā)送和接收電磁波。如果時變電流被電耦接到天線，則天線將發(fā)射電磁波。如果天線接收到時變電磁場，則天線將生成時變電流。
背景技術(shù)：
使用信號接口來有效地傳送功率。例如，使用天線信號接口來在天線和發(fā)送和/或接收電子器件之間有效地傳送功率。將發(fā)送器天線接口設(shè)計為將功率從電耦接到發(fā)送器的傳輸線有效地傳送到天線。將接收器天線接口設(shè)計為將功率從天線有效地傳送到電耦接到接收器的傳輸線。收發(fā)器天線接口是雙向接口，其被設(shè)計為將功率從電耦接到發(fā)送器的傳輸線有效地傳送到天線，并還被設(shè)計為將功率從天線有效地傳送到電耦接到接收器的傳輸線。


圖1A圖解了本領(lǐng)域中公知的常規(guī)雙向信號接口。
圖1B圖解了包括電子循環(huán)器(circulator)的公知的雙向信號接口。
圖1C圖解了包括切換器的公知的雙向信號接口。
圖2A圖解了根據(jù)本發(fā)明的雙向信號接口。
圖2B顯示了說明圖2A的雙向信號接口的端口對之間的電磁耦合、以及如何實現(xiàn)耦合的表。
圖3A圖解了根據(jù)本發(fā)明的電子雙向天線接口的一個實施例。
圖3B圖解了根據(jù)本發(fā)明的電子雙向天線接口的另一個實施例。
圖4A圖解了提供全雙工操作的、根據(jù)本發(fā)明的電光雙向天線接口。
圖4B圖解了提供具有相對高的發(fā)送-接收端口絕緣(isolation)的半雙工操作的、根據(jù)本發(fā)明的電光雙向天線接口。
圖4C圖解了通過本地振蕩器信號來調(diào)制連續(xù)波光束的、根據(jù)本發(fā)明的電光雙向天線接口。
圖4D圖解了包括生成光載波的脈沖激光器的、根據(jù)本發(fā)明的電光雙向天線接口。
圖4E圖解了根據(jù)本發(fā)明的電光單向天線接口。
圖5圖解了包括Mach-Zehnder(馬赫-貞德)調(diào)制器的、根據(jù)本發(fā)明的雙向電光天線接口的實施例。
圖6圖解了作為用于接收鏈路的平均鏈路光電檢測器電流的函數(shù)的計算出的鏈路噪聲系數(shù)圖，其中所述接收鏈路包括與圖5相結(jié)合而描述的激光器和MZ調(diào)制器、以及p-i-n光電二極管檢測器。
圖7A-C圖解了計算出的增益和最小(即，RIN＝0)噪聲系數(shù)相對于用于由CW激光器、具有行波電極的MZ調(diào)制器和p-i-n光電二極管檢測器組成的鏈路的頻率的圖。
具體實施例方式
圖1A圖解了本領(lǐng)域中公知的常規(guī)雙向信號接口100。該信號接口100包括接收發(fā)送信號的輸入端口102、以及傳遞接收信號的輸出端口104。該信號接口100包括用于發(fā)送和接收信號的雙向端口106。
在通信系統(tǒng)中，使用該信號接口100來在雙向端口106和發(fā)送及接收電子器件之間傳送功率。將公知的信號接口設(shè)計為將功率從電耦接到發(fā)送器的傳輸線有效地傳送到雙向端口106，并將功率從雙向端口106有效地傳送到電耦接到接收器的傳輸線。還將公知的信號接口設(shè)計為使接收器與發(fā)送器絕緣，以便實現(xiàn)較高的發(fā)送-接收信號絕緣。
圖1B圖解了包括電子循環(huán)器120(如鐵氧體循環(huán)器)的公知的雙向信號接口。該循環(huán)器120包括從發(fā)送器接收發(fā)送信號的輸入端口122、以及將接收信號傳遞到接收器的輸出端口124。該循環(huán)器120還包括用于發(fā)送和接收信號的雙向端口126。將天線128電連接到雙向端口126。
該循環(huán)器120允許全雙工操作，其中，可同時出現(xiàn)發(fā)送和接收。循環(huán)器是本領(lǐng)域中公知的三端口非互逆(non-reciprocal)電子裝置。將耦接到循環(huán)器的一個端口中的信號導(dǎo)向后續(xù)端口，但并非反之亦然。在操作中，來自發(fā)送器的發(fā)送信號傳播到該循環(huán)器120的輸入端口122中，并被導(dǎo)向電耦接到天線128的雙向端口126。從天線128接收的信號傳播到雙向端口126中，并被導(dǎo)向連接到接收器的輸出端口124。
理論上，將傳播到輸入端口122中的整個發(fā)送信號導(dǎo)向耦接到天線128的雙向端口126；并且，將傳播到雙向端口126中的整個接收信號導(dǎo)向耦接到接收器的輸出端口124。然而，在實踐中，傳播到輸入端口122中的發(fā)送信號的一小部分泄漏到輸出端口124。
循環(huán)器型雙向電子天線接口經(jīng)常與放大器結(jié)合使用。例如，可將循環(huán)器120的輸入端口122耦接到用來增大發(fā)送信號的幅度的發(fā)送激勵放大器(driver amplifier)。可將循環(huán)器120的輸出端口124耦接到用來放大接收信號的低噪聲放大器(LNA)。
對于很多應(yīng)用來說，循環(huán)器120提供發(fā)送器和接收器之間不充分的絕緣。因為典型的發(fā)送功率電平可為1.0-10W，并且典型的LNA可被范圍從1-10mW(取決于LNA的大小和帶寬)的輸入功率所破壞，所以，接收器-發(fā)送器絕緣是有必要的。由此，典型地，需要最小30dB的接收-發(fā)送絕緣。對于很多應(yīng)用來說，接收-發(fā)送絕緣應(yīng)大于100dB。商業(yè)可用的電子循環(huán)器在高達(dá)10GHz的頻率、但僅在3∶1或更小的分?jǐn)?shù)(fractional)帶寬上提供約14dB的絕緣。然而，絕緣的大小隨著分?jǐn)?shù)帶寬的增加而減小。由此，有時會使用例如二極管的輸入功率限制器件來保護(hù)敏感的LNA不被破壞。此外，典型地，這樣的寬帶循環(huán)器具有可在1dB量級上的顯著的損耗。此損耗加到最小接收器噪聲系數(shù)中，并且，不能通過后續(xù)的放大級而恢復(fù)。
接收器-發(fā)送器絕緣也是有必要的，以便在相同或不同的頻率上同時執(zhí)行發(fā)送和接收。不良的接收器-發(fā)送器絕緣可導(dǎo)致某些“泄漏”或“滲通”，其中，發(fā)送信號傳播到接收器信道中。較強的發(fā)送信號的滲通可阻礙接收器檢測到較弱的期望接收信號。
另外，循環(huán)器是相對大且重的器件，這是因為它們包括在循環(huán)器材料中引發(fā)非互逆性能所需的永磁體。對于諸如相控陣天線應(yīng)用和基于空間及機(jī)載應(yīng)用的很多應(yīng)用來說，循環(huán)器的大小和重量是不理想的。
圖1C圖解了包括電子切換器140的公知的雙向信號接口。切換器140包括從發(fā)送器接收發(fā)送信號的輸入端口142、以及將接收信號傳遞到接收器的輸出端口144。切換器140還包括用于發(fā)送和接收信號的雙向端口146。將天線148電連接到雙向端口146。
切換器140執(zhí)行半雙工操作，其中，它可接收接收信號或發(fā)送發(fā)送信號，但不能同時接收接收信號和發(fā)送發(fā)送信號。因為發(fā)送和接收信號不能在時間上重疊，所以，同時發(fā)送和接收是不可能的。切換器140的輸入端口142和輸出端口144的絕緣通常為40dB，其大于循環(huán)器120(圖1B)的輸入端口122和輸出端口124的絕緣。
其它公知的天線接口使用雙工器。然而，雙工器是窄帶器件，并且，發(fā)送和接收信號頻帶不能在頻率上重疊。雙工器還具有相對高的損耗。再一個天線接口使用耦合器和/或分接頭(tap)，但這樣的接口具有相對高的損耗。
圖2A圖解了根據(jù)本發(fā)明的雙向信號接口200。信號接口200包括從發(fā)送器接收發(fā)送信號的輸入端口202、以及將接收信號傳遞到接收器的輸出端口204。信號接口200還包括用于發(fā)送和接收信號的雙向端口206。
信號接口200包括非互逆波導(dǎo)器件210，其具有第一212和第二行波波導(dǎo)管214，它們被定位為使得第一行波波導(dǎo)管212和第二行波波導(dǎo)管214之間的電磁場以非互逆方式耦合。術(shù)語“非互逆方式”在這里被定義為表示電磁場的非互逆耦合，其中，電磁場沿一個方向強耦合，而基本上防止在另一個方向上耦合。一種公知的非互逆(non-recipocal)器件是鐵氧體循環(huán)器，如結(jié)合圖1B而描述的循環(huán)器120。本發(fā)明的信號接口使用兩種行波波導(dǎo)管之間的非互逆耦合，以實現(xiàn)輸入和輸出端口之間的絕緣。
在本發(fā)明的一個實施例中，非互逆波導(dǎo)器件210是光調(diào)制器。光調(diào)制器可提供連續(xù)的非互逆耦合。光調(diào)制器沿一個方向提供良好的耦合，這是因為電光材料在一個方向上具有有限的電光系數(shù)，而在另一個方向上基本上無耦合，其原因在于電光材料在所述另一個方向上具有可忽略或為0的光電系數(shù)。
在本發(fā)明的另一個實施例中，非互逆波導(dǎo)器件210是電子分布式放大器。分布式放大器可提供近似于連續(xù)非互逆耦合的集總元件(lumped element)。在此實施例中，將分布式放大器配置為使其在一個方向上具有增益，而在另一個方向上基本上是衰減。
在操作中，要發(fā)送的信號傳播到輸入端口202，并由第一行波波導(dǎo)管212傳送到雙向端口206，并且以非互逆方式與第二行波波導(dǎo)管214耦接。將由雙向端口206接收的信號以非互逆方式從第一行波波導(dǎo)管212傳送到第二行波波導(dǎo)管214，并隨后傳送到輸出端口204。由于波導(dǎo)管212和214之間的非互逆耦合，大部分發(fā)送信號出現(xiàn)在雙向端口206處，而非常少的發(fā)送信號耦接到輸出端口204。
圖2B示出了圖解圖2A的非互逆波導(dǎo)器件210的電磁耦合的表250。表250概括了雙向信號接口200(圖2A)的端口之間的各種連接、各種端口對之間的期望耦合、以及負(fù)責(zé)實現(xiàn)期望耦合的機(jī)制。例如，對于很多應(yīng)用來說，期望實現(xiàn)從輸入端口202到雙向端口206的高耦合效率，而同時實現(xiàn)相反方向上的非特定的耦合。相反方向上的耦合可與此對端口202、206之間的前向方向中相同。可通過直接連接這兩個端口202、206而在雙向信號接口200中實現(xiàn)這樣的性能。
表250表明了雙向信號接口200(圖2A)可實現(xiàn)從輸出端口204(圖2A)到雙向端口206(圖2A)的低耦合效率，而同時實現(xiàn)從雙向端口206到輸出端口204的高耦合效率。表250還表明了雙向信號接口200可實現(xiàn)輸入端口202和輸出端口204之間任一方向上的低耦合效率。由于兩個行波波導(dǎo)管212、214耦合的非互逆方式，雙向信號接口200可實現(xiàn)這些結(jié)果。
圖3A圖解了根據(jù)本發(fā)明的電子雙向天線接口300的一個實施例。天線接口300包括從發(fā)送器接收發(fā)送信號的輸入端口302、以及將接收信號傳遞到接收器的輸出端304。天線接口300還包括用于發(fā)送和接收信號的雙向端口306。將天線308電連接到雙向端口306。
另外，天線接口300包括行波放大器310。行波放大器310具有第一312和第二行波波導(dǎo)管314，它們通過多個相對低增益的放大器級316而以非互逆方式電耦合。行波放大器310中的連續(xù)的低增益放大器級316的輸出通過沿第二行波波導(dǎo)管314放置的饋送抽頭而被連接在一起。
輸入端口302電連接到第一行波波導(dǎo)管312的輸入318。雙向端口306電連接到第二行波波導(dǎo)管314的輸出320。輸出端口304電連接到第二行波波導(dǎo)管314的輸入322。第一行波波導(dǎo)管312的輸出324通過其特性阻抗而被終止。
行波放大器在本領(lǐng)域中是公知的，并經(jīng)常被用來在寬帶寬(例如，1-20GHz)上提供高增益放大。行波放大器310利用多個低增益放大器級316、通過第一312和第二行波波導(dǎo)管314之間的非互逆耦合信號，在一個方向上提供高增益放大。
在操作中，隨著發(fā)送信號沿第一行波波導(dǎo)管312行進(jìn)，發(fā)送信號中的能量部分被抽出、并被饋送到低增益放大器級316，以便產(chǎn)生放大的輸出信號。然而，因為各個低增益放大器級316的輸出生成在沿第二行波波導(dǎo)管314的全部兩個方向行進(jìn)的信號，所以，發(fā)送功率的一半被傳送到輸出端口304。在一些應(yīng)用中，如當(dāng)接收器件是LNA且使用了高發(fā)送功率時，有必要從輸出端口304阻斷一些發(fā)送信號。
圖3B圖解了根據(jù)本發(fā)明的電子雙向天線接口350的另一個實施例。天線接口350類似于圖3A的天線接口300。然而，在天線接口350中，有所不同地配置分布式放大器316。在接口350中，輸入端口302電連接到第一行波波導(dǎo)管312的輸出324。天線308連接到第一行波波導(dǎo)管312的輸入318。輸出端口304電連接到第二行波波導(dǎo)管314的輸出320。
在全雙工操作中，接收信號傳播通過行進(jìn)波放大器310，在其中該信號被放大。發(fā)送信號沿第一行波波導(dǎo)管312而被“反向”饋送到天線308。發(fā)送功率出現(xiàn)在低增益放大器級316的每一級的輸入端，于是，可能需要一些輸入保護(hù)?？赏ㄟ^將電源切換到分布式放大器316而實現(xiàn)半雙工操作。
結(jié)合圖3B描述的電子雙向天線接口350可提供相對低的噪聲系數(shù)，這是因為雙向端口306上的接收信號將輸入饋送到分布式放大器310。然而，電子雙向天線接口300、350的帶寬小于光子器件的帶寬。對于需要極寬帶寬的雙向信號接口的應(yīng)用，例如具有100∶1量級的分?jǐn)?shù)帶寬的應(yīng)用來說，可使用雙向信號接口的光子實施例。
圖4A圖解了提供全雙工操作的根據(jù)本發(fā)明的電光雙向天線接口400。天線接口400包括光輸入端口402、RF輸入端口404、RF雙向端口406、以及光輸出端口408。將天線410電耦接到RF雙向端口406。將例如光電二極管的光電檢測器412的輸出電耦接到RF輸入端口404。
天線接口400還包括電光調(diào)制器414，其具有光波導(dǎo)管416、以及被定位為與光波導(dǎo)管416進(jìn)行電光通信的電波導(dǎo)管418。術(shù)語“電光通信”在這里被定義為表示經(jīng)由光波導(dǎo)材料的電光系數(shù)、在RF和光場之間的耦合。當(dāng)RF場經(jīng)由電光(e-o)系數(shù)而改變折射光學(xué)指數(shù)(optical index)時，出現(xiàn)電光通信。
光波導(dǎo)管416的一端光耦接到生成CW光束的連續(xù)波(CW)激光器420。光波導(dǎo)管416的另一端光耦接到光輸出端口408。電波導(dǎo)管418的一端電耦接到RF輸入端口404。電波導(dǎo)管418的另一端電耦接到RF雙向端口406。
在操作中，接收信號被天線410接收，并隨后通過RF雙向端口406而傳播到電波導(dǎo)管418中。隨后，將接收信號以相對于在TW電極結(jié)構(gòu)418中傳播的發(fā)送信號的非互逆方式而耦接到在光波導(dǎo)管416中傳播的CW光束。調(diào)制后的CW光束傳播通過光輸出端口408。
可通過引入通過第二行波波導(dǎo)管傳播的第二電磁波，而增強結(jié)合雙向信號接口200討論的兩個波導(dǎo)管之間的非互逆耦合。當(dāng)電波導(dǎo)管418和光波導(dǎo)管414中的傳播速度匹配時，可實現(xiàn)所述兩個波導(dǎo)管之間的有效耦合，其是所謂的速度匹配條件。這是當(dāng)電行進(jìn)波波導(dǎo)管418上的接收信號與波導(dǎo)管414中的光波共同傳播時的情況。反之，當(dāng)傳播速度失配時，在所述兩個波導(dǎo)管之間將會存在無效率的耦合。當(dāng)電行進(jìn)波波導(dǎo)管418上的信號沿與光波波導(dǎo)管414的傳播方向相反的方向傳播時，會出現(xiàn)傳播速度失配的極端情況。這是當(dāng)電行進(jìn)波波導(dǎo)管418上的發(fā)送信號與波導(dǎo)管414中的光波相反傳播(counter-propagate)時的情況。
被調(diào)制到光載波上的RF發(fā)送信號傳播到光電檢測器412中，其中，它被轉(zhuǎn)換回為RF發(fā)送信號。RF發(fā)送信號傳播到電波導(dǎo)管418中，并隨后通過RF雙向端口406而傳播到天線410，其中，天線410發(fā)射該信號。由于電光雙向天線接口400可同時接收接收信號和發(fā)送發(fā)送信號，所以，它可提供全雙工操作。
因為天線接口是線性網(wǎng)絡(luò)，并且由此，場在線性網(wǎng)絡(luò)中被疊加，所以，實現(xiàn)了全雙工操作。因此，天線接口400對多重激勵的響應(yīng)等價于天線接口400對在所有其它激勵均等于0的情況下各自施加的每個激勵的響應(yīng)的和。例如，當(dāng)正在傳播發(fā)送信號、且接收信號等于0時，電波導(dǎo)管418僅將天線的輸出阻抗視為終止(termination)負(fù)載。并且，當(dāng)正在傳播接收信號、且發(fā)送信號等于0時，電波導(dǎo)管418僅將發(fā)送激勵器(driver)的輸出阻抗視為終止負(fù)載。
圖4B圖解了提供具有相對高的發(fā)送-接收端口絕緣的半雙工操作的、根據(jù)本發(fā)明的電光雙向天線接口430。天線接口430類似于圖4A的天線接口400。然而，天線接口430包括光切換器432，其被光耦接在CW激光器420和光輸入端口402之間。
天線接口430的操作類似于圖4A的天線接口400的操作。然而，光切換器432在發(fā)送期間斷開，以消除CW光束，以便防止信號在發(fā)送期間出現(xiàn)在光輸出端口408。在發(fā)送期間消除CW光束增加了發(fā)送-接收端口絕緣。在其它實施例中，控制在CW激光器420中激勵光發(fā)射的電或光泵，以便消除CW光束。在其它實施例中，控制電光調(diào)制器414，以使接口的輸出端口408處的功率最小。
圖4C圖解了通過本地振蕩器來調(diào)制CW光束的、根據(jù)本發(fā)明的電光雙向天線接口440。天線接口440類似于圖4A的天線接口400。然而，天線接口440包括電光調(diào)制器442，其被光耦接在CW激光器420和光輸入端口402之間。天線接口440還包括本地振蕩器444，其具有電連接到電光調(diào)制器442的RF輸入的輸出。
天線接口440的操作也類似于圖4A的天線接口400的操作。然而，天線接口440中的電光調(diào)制器442通過單頻本地振蕩器信號來調(diào)制CW光束。電光調(diào)制器414將接收信號調(diào)制到通過單頻本地振蕩器信號調(diào)制的CW光束上。所得到的輸出端口408處的光信號是在雙向端口406處接收的接收信號，其頻率通過由本地振蕩器444生成的信號的頻率而被轉(zhuǎn)換，并被調(diào)制到CW光束上。
圖4D圖解了包括生成光載波的脈沖激光器452的、根據(jù)本發(fā)明的電光雙向天線接口450。天線接口450類似于圖4A的天線接口400。然而，天線接口450包括生成脈沖光束的脈沖激光器452。
天線接口450的操作也類似于圖4A的天線接口400的操作。然而，接收信號調(diào)制由脈沖激光器452生成的脈沖光束。當(dāng)從天線410傳播到雙向端口406中的接收信號作用于脈沖光束時，在光輸出端口408上生成周期采樣形式的接收信號。
可將圖4A-D中示出的電光雙向天線接口配置為發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的收發(fā)器。根據(jù)本發(fā)明的收發(fā)器包括光數(shù)據(jù)源454，其被光耦接到光電檢測器412的光輸入。光數(shù)據(jù)源454生成用于由收發(fā)器發(fā)送的數(shù)據(jù)。收發(fā)器還包括解調(diào)器456，其被光耦接到光輸出端口408。例如，解調(diào)器456可包括將光信號轉(zhuǎn)換為RF接收信號的光電檢測器、以及對RF接收信號解調(diào)的電解調(diào)器。
圖4E圖解了根據(jù)本發(fā)明的電光單向信號接口460。信號接口460類似于圖4A的天線接口400。然而，信號接口460包括單向端口462，其被設(shè)計為僅接收接收信號(reception signal)而不發(fā)送發(fā)送信號(transmission signal)。另外，通過例如電波導(dǎo)管418的特性阻抗的阻抗464來終止RF電輸入端口404。
信號接口460的操作也類似于圖4A的天線接口400的操作。然而，以與在天線接口400中將發(fā)送信號與接收信號絕緣相同的方式，在操作頻率的范圍上，將接收信號路徑與由終止阻抗464生成的任何噪聲有效地絕緣。使光輸出408處的噪聲最小化改善了連接到信號接口460的接收器的信噪比。
使光輸出408處的噪聲最小化對于根據(jù)本發(fā)明的雙向信號接口的電光實施例來說是重要的，這是因為這些接口不能在天線和RF雙向端口之間包括LNA。因為發(fā)送信號也沿著天線和RF雙向端口之間的信號路徑行進(jìn)，所以，不能使用LNA。由此，對于本發(fā)明的信號接口的很多應(yīng)用來說，期望在不使用傳統(tǒng)的電子LNA的情況下實現(xiàn)低噪聲系數(shù)。
在不使用LNA的很多實際通信系統(tǒng)中實現(xiàn)最小噪聲系數(shù)需要使例如激光器RIN的鏈路中的噪聲源最小化。另外，調(diào)制器必須具有足夠低的切換電壓，以變得充分靈敏。目前正在開發(fā)具有所需靈敏度和帶寬的調(diào)制器。例如，本申請的受讓人正在開發(fā)具有＜0.3V的Vπ的Mach-Zehnder調(diào)制器。當(dāng)這樣的調(diào)制器與低噪聲激光器相結(jié)合時，可實現(xiàn)在50GHz的帶寬上具有5dB噪聲系數(shù)的纖維光學(xué)(fiber-optic)鏈路。
圖5圖解了包括Mach-Zehnder(MZ)干涉測量調(diào)制器502的、根據(jù)本發(fā)明的雙向電光天線接口500的實施例。天線接口500包括光輸入端口504、光發(fā)送信號輸入端口506、RF雙向端口508、以及光輸出端口510。將天線512電耦接到RF雙向端口508。光發(fā)送信號輸入端口506光連接到例如光電二極管的光電檢測器514的輸入。光電檢測器514的輸出電連接到激勵放大器516的輸入515。在一些實施例中，如圖5中通過點狀線示出的，將RF發(fā)送信號直接饋送到激勵放大器516的輸入515。CW激光器518光耦接到光輸入端口504。
MZ調(diào)制器502具有光耦接到光輸入端口504的光輸入，并具有光耦接到光輸出端口510的光輸出。MZ調(diào)制器502包括行進(jìn)波(TW)電極結(jié)構(gòu)518和光波導(dǎo)管520。激勵放大器516的輸出電連接到TW電極結(jié)構(gòu)518。激勵放大器516的輸出阻抗終止TW電極結(jié)構(gòu)518的一端。天線512的阻抗終止TW電極結(jié)構(gòu)518的另一端。在一個實施例中，將MZ調(diào)制器502的TW電極結(jié)構(gòu)518設(shè)計為通過CW光束中的光場而與接收信號速度匹配。速度匹配可改善MZ調(diào)制器的靈敏度，同時維持MZ調(diào)制器502的帶寬。
在一個實施例中，MZ調(diào)制器502的TW電極結(jié)構(gòu)518相對較厚。在此實施例中，將TW電極結(jié)構(gòu)518的厚度選擇為足以在無過熱或電損耗的情況下發(fā)送由激勵放大器516放大的信號。在一個實施例中，將TW電極結(jié)構(gòu)518的厚度選擇為實現(xiàn)低切換電壓、以及由此的低鏈路噪聲系數(shù)。在一個實施例中，將電極結(jié)構(gòu)選擇為提供在適中的發(fā)送功率(例如，小于10瓦)下具有相對低的損耗的相對冷的操作。這樣的天線接口對于典型的相控陣的各個天線元件來說是足夠的。
在操作中，接收信號被天線512接收，并隨后通過RF雙向端口508而傳播到TW電極結(jié)構(gòu)518中。隨后，將接收信號以非互逆方式而耦接到在MZ調(diào)制器光波導(dǎo)管520中傳播的CW光束。在CW光束上調(diào)制接收信號。隨后，調(diào)制后的CW光束傳播通過光輸出端口510。
在光纖、波導(dǎo)管、或自由空間中傳播的光發(fā)送信號被光發(fā)送信號輸入端口506接收，并隨后被饋送到光電檢測器514的輸入。光電檢測器514生成RF發(fā)送信號。激勵放大器516將RF發(fā)送信號放大到適于由天線512發(fā)射的電平。放大后的發(fā)送信號沿與速度匹配方向相反的方向傳播通過TW電極結(jié)構(gòu)518。由此，在調(diào)制光波時，天線接口500中的發(fā)送信號是相對無效率的。然而，調(diào)制效率的減小增加了天線接口500的發(fā)送-接收絕緣。
發(fā)送-接收絕緣是幾個參數(shù)的函數(shù)。發(fā)送-接收絕緣是傳播方向的函數(shù)。例如，MZ調(diào)制器502對沿與光信號相反的方向傳播的電信號的靈敏度比MZ調(diào)制器502對沿光信號的方向傳播的電信號的靈敏度低。
發(fā)送-接收絕緣也是CW光信號的光功率的函數(shù)。在不需要同時發(fā)送和接收的實施例中，可通過減小發(fā)送期間的光功率而增大發(fā)送-接收絕緣。例如，在CW激光器518無效的限定中，發(fā)送-接收絕緣將為無限。由此，通過啟動或關(guān)斷CW激光器518，本發(fā)明的天線接口500可實現(xiàn)接收和發(fā)送模式之間的理想的電子切換(即，在關(guān)斷模式中具有無限絕緣)的等價形式。
圖6圖解了作為用于接收鏈路的平均鏈路光電檢測器電流的函數(shù)的計算出的鏈路噪聲系數(shù)圖600，其中所述接收鏈路包括與圖5相結(jié)合而描述的激光器518和MZ調(diào)制器502、以及p-i-n光電二極管檢測器。對于調(diào)制器Vπ的各種值和激光器的相對強度噪聲(RIN)而顯示所述圖。
圖600指明了在連接到接收鏈路的輸出的光電檢測器具有＞10mA的電流時、以及在激光器的相對強度噪聲(RIN)充分低時，滿足Vπ＜0.3V的需要的調(diào)制器將使能具有小于5dB的噪聲系數(shù)的鏈路。在本發(fā)明的天線接口中使用這樣的調(diào)制器會產(chǎn)生低噪聲系數(shù)天線接口。由此，可將本發(fā)明的天線接口構(gòu)造為在不需要LNA的情況下具有低噪聲系數(shù)。并且，本發(fā)明的天線接口不包括電子循環(huán)器，于是不存在由電子循環(huán)器導(dǎo)致的噪聲系數(shù)的增大。
可使用本發(fā)明的天線接口來構(gòu)造相對低噪聲系數(shù)的通信鏈路。在使用本發(fā)明的電光雙向天線接口的通信鏈路中存在三種主要的噪聲源。第一種噪聲源是由CW激光器420(圖4E)生成的相對強度噪聲(RIN)。第二種噪聲源是由終止阻抗464生成的噪聲。第三種噪聲源是由電發(fā)送線路418生成的熱噪聲。
可通過選擇具有低RIN的激光器，例如固態(tài)激光器，而將由CW激光器420產(chǎn)生的RIN減小到可忽略的水平。在天線接口的期望帶寬中的最低頻率以上的頻率處，由終止阻抗464生成的噪聲是微不足道的，這是因為該噪聲在調(diào)制光載波時是無效的。因為由終止阻抗生成的噪聲沿非匹配方向傳播(即，沿與速度匹配方向相反的方向傳播)，所以會出現(xiàn)無效調(diào)制。由行進(jìn)波電極中的歐姆損耗生成的熱噪聲沿電極的長度而被積分(integrate)。
具有小于2dB的噪聲系數(shù)的寬帶低噪聲放大器在商業(yè)上是可獲得的。典型地，無源纖維光學(xué)鏈路(即，無有源電子或光學(xué)放大器的鏈路)具有相對高的噪聲系數(shù)，其對于寬帶寬的鏈路來說可為20至30dB的量級。如果調(diào)制器的集總元件電極的阻抗與輸入阻抗適當(dāng)?shù)仄ヅ?，那么，對于無源光學(xué)鏈路(即，無LNA的鏈路)的噪聲系數(shù)極限等于3dB。例如，參見C.Cox等人的“Relationship Between Gain and Noise Figure of an Optical Analog Link(光學(xué)模擬鏈路的增益和噪聲系數(shù)之間的關(guān)系)，”IEEE MTT-S Int.Microwave Symp.Dig.，San Francisco，California，pp.1551-1554，June 1996。
在無源光學(xué)鏈路中，可使用噪聲系數(shù)減小技術(shù)而將噪聲系數(shù)減小至3dB以下。例如，可使用調(diào)制器的集總元件電極結(jié)構(gòu)的源和輸入之間的阻抗失配來減小噪聲系數(shù)。例如，參見E.Ackerman等人的“Input Impedance Conditionsfor Minimizing the Noise Figure of an Analog Optical Link(用于使模擬光學(xué)鏈路的噪聲系數(shù)最小化的輸入阻抗條件)，”IEEE MTT-S Int.Microwave Symp.Dig.，Denver，Colorado，pp.237-240，June 1997。使用在此論文中描述的技術(shù)來實現(xiàn)2.5dB的記錄噪聲系數(shù)。
然而，阻抗失配技術(shù)具有一些限制。例如，阻抗失配技術(shù)在本質(zhì)上是低頻和/或窄帶寬技術(shù)。此外，引入到系統(tǒng)中的阻抗失配可能具有不理想副作用。例如，阻抗失配可引起天線方向圖的惡化。
可將對于具有行進(jìn)波調(diào)制器的鏈路來說的、作為可在鏈路增益充分高且激光器RIN充分低時實現(xiàn)的噪聲系數(shù)的最小可實現(xiàn)噪聲系數(shù)如下寫出NFmin＝10log[1+x]其中，可將x表示為x=sin2(2πfnLelectrode/c)(2πfnLelectrode/c)2+[αLelectrode1-e-αLecectrode(1+2αLelectrode[ln(1+1-e-αLelectrode)-1-eαLelectrode])]2]]>“[sin(x)/x]2”項表示由終止阻抗生成的相反傳播噪聲的影響。其余項表示由導(dǎo)致每單位長度α的一些微波衰減的電極的歐姆損耗生成的熱噪聲的影響。
圖7A-C圖解了計算出的增益和最小(即，RIN＝0)噪聲系數(shù)數(shù)據(jù)相對于用于由CW激光器、具有行波電極的MZ調(diào)制器和p-i-n光電二極管檢測器組成的鏈路的頻率的圖700。該數(shù)據(jù)呈現(xiàn)了使鏈路增益在100MHz的頻率下等于30dB的Vπ的值和平均光電檢測器電流。在圖700中對于電極長度的兩個值而示出了計算出的結(jié)果。用點狀線表示兩厘米電極的數(shù)據(jù)，而用短劃線表示四厘米電極長度的數(shù)據(jù)。對于所有圖，α1的值呈現(xiàn)為等于0.0015GHz-1cm-1。圖702表示α0等于0GHz-1/2cm-1的數(shù)據(jù)。圖704表示α0等于0.010GHz-1/2cm-1的數(shù)據(jù)。圖706表示α0等于0.043GHz-1/2cm-1的數(shù)據(jù)。
圖702、704和706指明了對于在相對寬的帶寬上的無源匹配的光學(xué)鏈路來說，有可能打破3dB的噪聲系數(shù)極限。直觀上，此結(jié)果的原因在于正在提供發(fā)送-接收絕緣的相同效果也正在提供與由電波導(dǎo)管418(圖4E)處的終止阻抗464生成的噪聲的絕緣。典型地，由終止阻抗464生成的噪聲負(fù)責(zé)產(chǎn)生3dB噪聲系數(shù)極限。因此，消除(或至少顯著減小)由終止阻抗464生成的噪聲允許實現(xiàn)小于3dB的鏈路噪聲系數(shù)。
本發(fā)明的電光信號和天線接口具有大量重要特征。例如，本發(fā)明的天線接口不包括LNA。消除LNA會產(chǎn)生顯著更為簡化的天線接口，并消除了可由高發(fā)送功率導(dǎo)致的可能的放大器損壞。并且，本發(fā)明的電光天線接口不包括電子循環(huán)器。消除電子循環(huán)器減小了接口的重量，并可增大發(fā)送-接收絕緣和/或操作帶寬。
此外，可將本發(fā)明的電光天線接口設(shè)計為提供窄帶或?qū)拵Р僮?。并且，本發(fā)明的電光天線接口可提供具有相對低的噪聲系數(shù)的接收器天線接口，并可提供具有適中功率電平的發(fā)送器接口。此外，本發(fā)明的電光天線接口具有相對低的損耗和高的發(fā)送-接收絕緣。
本發(fā)明的信號和天線接口具有大量其它特征。例如，如在這里所描述的，本發(fā)明的信號和天線接口本質(zhì)上是寬帶的，并可將帶寬擴(kuò)展到相對高的頻率。如在這里所描述的，本發(fā)明的信號和天線接口還具有相對小的尺寸和輕的重量。例如，需要物理安裝于天線元件上的僅有的組件是調(diào)制器502和發(fā)送激勵器516。如果需要更高的發(fā)送功率，則引入功率放大器。CW激光器518可位于遠(yuǎn)程位置，并可經(jīng)由光纖而被耦接到天線接口。如果到天線接口的發(fā)送信號經(jīng)由光纖而耦接，則可完全消除到天線接口中的傳統(tǒng)的電子饋送。
本發(fā)明的天線接口具有大量應(yīng)用。例如，本發(fā)明的天線接口可用于用在共形天線陣列的細(xì)孔徑天線。并且，本發(fā)明的天線接口尤其適于機(jī)載和太空平臺，這是因為它具有相對小的尺寸和輕的重量。例如，包括本發(fā)明的天線接口的發(fā)送-接收模塊的重量可小于傳統(tǒng)的發(fā)送/接收模塊的重量的10％。
等價物盡管已通過參照特定優(yōu)選實施例而具體地示出和描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解，其中可做出形式和細(xì)節(jié)上的各種改變，而不背離如在這里定義的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種雙向信號接口，包括第一波導(dǎo)管，其具有耦接到RF輸入端口的一端，該RF輸入端口接收RF發(fā)送信號，第一波導(dǎo)管還具有耦接到RF雙向端口的另一端，該RF雙向端口接收RF接收信號并發(fā)送RF發(fā)送信號，該第一波導(dǎo)管傳播第一行波；第二波導(dǎo)管，其具有耦接到傳遞所接收的RF接收信號的輸出端口的一端，該第二波導(dǎo)管傳播第二行波；以及非互逆耦合器，其將場從第一波導(dǎo)管耦接到第二波導(dǎo)管，其中，來自RF雙向端口的RF接收信號以基本上非互逆方式從第一波導(dǎo)管耦接到第二波導(dǎo)管，并隨后通過輸出端口，并且，來自RF輸入端口的RF發(fā)送信號通過第一波導(dǎo)管而傳遞到RF雙向端口。
2.如權(quán)利要求1所述的信號接口，其中，基本上所有來自RF輸入端口的RF發(fā)送信號都通過第一波導(dǎo)管而傳遞到RF雙向端口。
3.如權(quán)利要求1所述的信號接口，其中，基本上所有來自RF雙向端口的RF接收信號都以基本上非互逆的方式從第一波導(dǎo)管耦接到第二波導(dǎo)管。
4.如權(quán)利要求1所述的信號接口，其中，第一和第二波導(dǎo)管以及非互逆耦合器包括電光調(diào)制器。
5.如權(quán)利要求1所述的信號接口，其中，第一和第二波導(dǎo)管以及非互逆耦合器包括電子分布式放大器。
6.如權(quán)利要求1所述的信號接口，其中，非互逆耦合器包括電極結(jié)構(gòu)，其將RF接收信號和RF發(fā)送信號中的至少一個與第一和第二行波中的至少一個進(jìn)行速度匹配。
7.如權(quán)利要求1所述的信號接口，其中，RF雙向端口通過全雙工操作而接收RF接收信號和傳遞RF發(fā)送信號。
8.如權(quán)利要求1所述的信號接口，其中，RF雙向端口通過半雙工操作而接收RF接收信號和傳遞RF發(fā)送信號。
9.如權(quán)利要求1所述的信號接口，還包括光電檢測器，其具有接收光發(fā)送信號的光輸入、以及連接到RF輸入端口的電輸出，該光電檢測器將所接收的光發(fā)送信號轉(zhuǎn)換為在電輸出處的RF發(fā)送信號。
10.如權(quán)利要求1所述的信號接口，還包括電連接到RF雙向端口的天線。
11.一種對接接收信號和發(fā)送信號的方法，該方法包括通過第一波導(dǎo)管傳播第一行波，并通過第二波導(dǎo)管傳播第二行波；在不將RF發(fā)送信號的有效部分耦接到第二波導(dǎo)管的情況下，通過第一波導(dǎo)管將RF發(fā)送信號傳播到雙向端口；將RF接收信號從雙向端口傳播到第一波導(dǎo)管；將RF接收信號從第一波導(dǎo)管耦接到第二波導(dǎo)管；以及將RF接收信號從第二波導(dǎo)管傳播到輸出端口。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，耦接RF接收信號包括將基本上所有來自第一波導(dǎo)管的RF接收信號耦接到第二波導(dǎo)管。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，從天線接收RF接收信號。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，第一和第二行波具有與RF接收信號和RF發(fā)送信號中的至少一個基本上速度匹配的場。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，基本上同時執(zhí)行從雙向端口傳播RF接收信號、以及將RF發(fā)送信號通過第一波導(dǎo)管傳播到雙向端口。
16.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括將所接收的光發(fā)送信號轉(zhuǎn)換為RF發(fā)送信號。
17.一種電光雙向信號接口，包括電光調(diào)制器，其具有接收光束的光輸入、接收RF發(fā)送信號的RF輸入端口、接收RF接收信號并發(fā)送RF發(fā)送信號的RF雙向端口、以及光輸出端口，該電光調(diào)制器在光輸出端口處生成被RF接收信號調(diào)制的光信號，并將RF發(fā)送信號傳遞到RF雙向端口。
18.如權(quán)利要求17所述的信號接口，其中，光束包括連續(xù)波光束。
19.如權(quán)利要求17所述的信號接口，其中，光束包括脈沖光束。
20.如權(quán)利要求17所述的信號接口，其中，電光調(diào)制器包括Mach-Zehnder干涉測量調(diào)制器。
21.如權(quán)利要求17所述的信號接口，其中，電光調(diào)制器包括電極結(jié)構(gòu)，其將RF接收信號與光束的光場進(jìn)行速度匹配。
22.如權(quán)利要求17所述的信號接口，還包括光電檢測器，其具有接收光發(fā)送信號的光輸入、以及連接到RF輸入端口的電輸出，該光電檢測器將所接收的光發(fā)送信號轉(zhuǎn)換為在電輸出處的RF發(fā)送信號。
23.如權(quán)利要求22所述的信號接口，還包括放大器，其具有電連接到光電檢測器的輸出的輸入、以及電連接到RF輸入端口的輸出，該放大器對RF發(fā)送信號進(jìn)行電子放大。
24.如權(quán)利要求17所述的信號接口，其中，RF雙向端口同時接收RF接收信號和傳遞RF發(fā)送信號。
25.如權(quán)利要求17所述的信號接口，還包括電連接到雙向端口的天線。
26.如權(quán)利要求17所述的信號接口，其中，通過阻抗終止RF輸入端口，以便減小與使用該信號接口的系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的噪聲系數(shù)。
27.一種發(fā)送和接收信號的方法，該方法包括在RF雙向端口處接收RF接收信號；在RF輸入端口處接收RF發(fā)送信號；生成光束；通過RF接收信號來調(diào)制光束，并將調(diào)制后的光束傳遞到輸出端口；和將RF發(fā)送信號傳遞到RF雙向端口。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中，基本上同時執(zhí)行在RF雙向端口處接收RF接收信號、以及將RF發(fā)送信號傳遞到RF雙向端口。
29.如權(quán)利要求27所述的方法，還包括將所接收的RF接收信號與光束的光場進(jìn)行速度匹配。
30.如權(quán)利要求27所述的方法，還包括根據(jù)由光數(shù)據(jù)信號源生成的光發(fā)送信號而生成RF發(fā)送信號。
31.一種電子雙向信號接口，包括分布式放大器，其具有接收RF發(fā)送信號的RF輸入端口、接收RF接收信號并發(fā)送RF發(fā)送信號的RF雙向端口、以及RF輸出端口，該分布式放大器以基本上非互逆方式將RF接收信號耦接到RF輸出端口，并將RF發(fā)送信號傳遞到RF雙向端口。
32.如權(quán)利要求31所述的信號接口，其中，基本上所有RF發(fā)送信號傳遞到RF雙向端口。
33.如權(quán)利要求31所述的信號接口，其中，RF雙向端口同時接收RF接收信號和傳遞RF發(fā)送信號。
34.如權(quán)利要求31所述的信號接口，還包括電連接到RF雙向端口的天線。
35.一種發(fā)送和接收信號的方法，該方法包括在RF雙向端口處接收RF接收信號；在RF輸入端口處接收RF發(fā)送信號；以及將RF接收信號以非互逆方式電耦接到RF輸出端口，并將RF發(fā)送信號傳遞到RF雙向端口。
36.如權(quán)利要求35所述的方法，其中，基本上同時執(zhí)行在RF雙向端口處接收RF接收信號、以及將RF發(fā)送信號傳遞到RF雙向端口。
37.如權(quán)利要求35所述的方法，其中，將RF接收信號電耦接到RF輸出端口包括放大RF接收信號。
38.一種收發(fā)器，包括天線，其接收RF接收信號并發(fā)送RF發(fā)送信；激光器，其在輸出處生成光束；以及電光調(diào)制器，其包括光耦接到激光器的輸出的光輸入端口、RF輸入端口、電連接到天線的RF雙向端口口，該電光調(diào)制器接收來自激光器的光束、來自天線的RF接收信號、以及RF輸入端口處的RF發(fā)送信號，該電光調(diào)制器在光輸出端口處生成由RF接收信號調(diào)制的光信號，并利用天線發(fā)送RF發(fā)送信號。
39.如權(quán)利要求38所述的收發(fā)器，其中，電光調(diào)制器包括Mach-Zehnder干涉測量調(diào)制器。
40.如權(quán)利要求38所述的收發(fā)器，其中，電光調(diào)制器包括電極結(jié)構(gòu)，其將RF接收信號與光束的光場進(jìn)行速度匹配。
41.如權(quán)利要求38所述的收發(fā)器，其中，電光調(diào)制器的RF雙向端口同時從天線接收RF接收信號和將RF發(fā)送信號傳遞到天線。
42.如權(quán)利要求38所述的收發(fā)器，還包括光電檢測器，其具有從光數(shù)據(jù)源接收光發(fā)送信號的光輸入、以及連接到電光調(diào)制器的RF輸入端口的電輸出，該光電檢測器將所接收的光發(fā)送信號轉(zhuǎn)換為在電輸出處的RF發(fā)送信號。
43.如權(quán)利要求42所述的收發(fā)器，還包括放大器，其具有連接到光電檢測器的電輸出的電輸入、以及連接到電光調(diào)制器的RF輸入端口的電輸出，該放大器對RF發(fā)送信號進(jìn)行電子放大。
44.如權(quán)利要求38所述的收發(fā)器，還包括解調(diào)器，其耦接到電光調(diào)制器的光輸出，解調(diào)器對RF接收信號進(jìn)行解調(diào)。
45.如權(quán)利要求42所述的收發(fā)器，還包括生成光發(fā)送信號的光數(shù)據(jù)源。
46.一種低噪聲單向信號接口，包括電光調(diào)制器，其具有通過阻抗在一端終止的行波電極結(jié)構(gòu)、接收光束的光輸入、接收RF接收信號的RF輸入端口、以及光輸出端口，該電光調(diào)制器在光輸出端口處生成被RF接收信號調(diào)制的光信號，其中，該行波電極結(jié)構(gòu)減小與該信號接口相關(guān)聯(lián)的噪聲系數(shù)。
47.一種雙向信號接口，包括用于通過第一波導(dǎo)管傳播第一行波、并通過第二波導(dǎo)管而傳播第二行波的部件；用于在不將發(fā)送信號的有效部分耦接到第二波導(dǎo)管的情況下、通過第一波導(dǎo)管將發(fā)送信號傳播到雙向端口的部件；用于將接收信號從雙向端口傳播到第一波導(dǎo)管的部件；用于將接收信號從第一波導(dǎo)管耦接到第二波導(dǎo)管的部件；以及用于將接收信號從第二波導(dǎo)管傳播到輸出端口的部件。
全文摘要
一種雙向信號接口，包括傳播第一行波的第一波導(dǎo)管。第一波導(dǎo)管具有耦接到RF輸入端口的一端，該RF輸入端口接收RF發(fā)送信號，該第一波導(dǎo)管還具有耦接到RF雙向端口的另一端，該RF雙向端口接收RF接收信號并發(fā)送RF發(fā)送信號。第二波導(dǎo)管位于第一波導(dǎo)管相鄰處。第二波導(dǎo)管具有耦接到傳遞所接收的RF接收信號的輸出端口的一端。非互逆耦合器將場從第一波導(dǎo)管耦接到第二波導(dǎo)管，使得來自雙向端口的RF接收信號以基本上非互逆方式從第一波導(dǎo)管耦接到第二波導(dǎo)管，然后通過該輸出端口，并且來自RF輸入端口的RF發(fā)送信號通過第一波導(dǎo)管而傳遞到RF雙向端口。
文檔編號H01P1/32GK1839511SQ200480023625
公開日2006年9月27日 申請日期2004年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月14日
發(fā)明者查爾斯·考克斯, 埃德·阿克曼 申請人:光子學(xué)系統(tǒng)股份有限公司