一種相位穩(wěn)定的毫米波生成系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種相位穩(wěn)定的毫米波生成系統(tǒng)，包括微波-光信號轉(zhuǎn)換模塊、光上變頻及相位補償模塊、相位檢測模塊以及寬帶光接收機(jī)模塊，其中，微波-光信號轉(zhuǎn)換模塊用于生成頻率間隔為微波信號頻率的光頻率梳，所述光頻率梳通過光上變頻及相位補償模塊濾出兩光頻率分量，所述兩光頻率分量經(jīng)相位檢測模塊檢測出所受到的光纖鏈路擾動，并反饋控制光上變頻及相位補償模塊，所述的兩光頻率了分量經(jīng)相位補償后通過所述寬帶光接收機(jī)模塊，將兩光信號拍頻得到相位穩(wěn)定的毫米波信號。本發(fā)明的光載毫米波相位檢測方法與待檢測信號頻率無關(guān)，此系統(tǒng)可實現(xiàn)25GHz-300GHz范圍的高相位穩(wěn)定度的信號生成。
【專利說明】一種相位穩(wěn)定的毫米波生成系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微波光子學(xué)領(lǐng)域在光域測量光載毫米波信號相位技術(shù)，尤其涉及一種通過光干涉來實現(xiàn)相位穩(wěn)定的毫米波生成系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]無論是在光載無線通信(ROF)系統(tǒng)、深空探測系統(tǒng)還是在光相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中，高穩(wěn)定度的毫米波源是這些系統(tǒng)的關(guān)鍵器件之一。毫米波生成方法主要有三種:強度調(diào)制-直接解調(diào)法、頻率上變換法、光外差拍頻法。光外差拍頻法是目前公認(rèn)最可靠的毫米波生成方法，其利用兩頻率不同的光波在光電探測器拍頻生成毫米波信號。然而，由于受環(huán)境溫度變化，壓力和彎曲應(yīng)力等的影響，使得光信號在光纖中傳輸時，引入了相位漂移，造成拍頻信號也就是毫米波信號相位不穩(wěn)定。尤其是當(dāng)要進(jìn)行拍頻的兩光波信號經(jīng)過不同的光纖鏈路時，這種相位噪聲的影響更加嚴(yán)重。這種隨機(jī)的相位變化對于光相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)和高精度系統(tǒng)是無法容忍的，需要對生成的毫米波信號進(jìn)行實時的相位檢測和校正，以確保已生成毫米波信號的相位穩(wěn)定性。
[0003]目前，傳統(tǒng)的毫米波相位檢測及穩(wěn)定方法是基于這一思路:將生成的毫米波信號下變頻與基準(zhǔn)信號進(jìn)行相位比較，產(chǎn)生的相位誤差信號反饋控制微波延時線或光纖延時線來實現(xiàn)毫米波信號的相位補償。然而，這種光纖鏈路相位擾動獲取方法是在光載毫米波進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換之后，這不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和不確定性，而且，當(dāng)信號頻率較高達(dá)到百GHz頻率時，就對系統(tǒng)的帶寬提出了更高的要求，這對目前的微波器件是巨大的挑戰(zhàn)，現(xiàn)有的微波延時線帶寬很難滿足這樣的要求，系統(tǒng)的穩(wěn)定精度也不夠高。另外，當(dāng)信號頻率較高時，光纖鏈路累計的相位擾動較大，不論是微波延時線還是光纖延時線，其相位補償范圍都難以達(dá)到要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)上的缺陷，本發(fā)明提供一種相位穩(wěn)定的毫米波生成系統(tǒng)及方法，能在光域直接對毫米波信號進(jìn)行鑒相并具有不受限制的相位補償范圍，在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下，獲得光波長量級的相位檢測精度，進(jìn)而實現(xiàn)高相位穩(wěn)定度的毫米波源。本發(fā)明的鑒相方法與待鑒相毫米波頻率無關(guān)。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0006]—種相位穩(wěn)定的毫米波生成系統(tǒng)，包括微波-光信號轉(zhuǎn)換模塊、光上變頻及相位補償模塊、相位檢測模塊以及寬帶光接收機(jī)模塊，其中，微波-光信號轉(zhuǎn)換模塊用于生成頻率間隔為微波信號頻率的光頻率梳，所述光頻率梳通過光上變頻及相位補償模塊濾出兩光頻率分量，所述兩光頻率分量經(jīng)相位檢測模塊測出所受到的光纖鏈路擾動，并反饋控制光上變頻及相位補償模塊，所述的兩光頻率分量經(jīng)相位補償后通過所述寬帶光接收機(jī)模塊，將兩光信號拍頻得到相位穩(wěn)定的毫米波信號。
[0007]所述微波-光信號轉(zhuǎn)換模塊主要由一個激光器，一個光頻梳發(fā)生器，一個驅(qū)動器和一個25GHz基準(zhǔn)微波源組成，激光器的輸出與光頻梳發(fā)生器的光輸入端口相連，25GHz基準(zhǔn)微波源輸出經(jīng)驅(qū)動器放大后與光頻梳發(fā)生器的微波輸入端口相連，調(diào)節(jié)光頻梳發(fā)生器的直流偏置電壓，使其輸出光譜達(dá)到最寬，光頻梳的各頻率分量之差等于25GHz基準(zhǔn)微波信號的頻率。
[0008]所述光上變頻及相位補償模塊主要由一個保偏光纖耦合器，一個IOMHz銣鐘源，一個35MHz信號源，兩個聲光頻率偏移器，一個40MHz壓控振蕩器，兩個可調(diào)光帶通濾波器，兩個光纖耦合器組成，光頻梳發(fā)生器的輸出經(jīng)保偏光纖耦合器分為兩部分，一部分作為基準(zhǔn)光，另一部分經(jīng)第一聲光頻率偏移器上變頻35MHz，此35MHz信號由鎖相環(huán)生成并與IOMHz銣鐘源同步，兩個可調(diào)光帶通濾波器分別濾出光梳的兩個頻率分量，其中較高的一個頻率分量再經(jīng)第二聲光頻率偏移器上變頻40MHz后與另一頻率分量經(jīng)第一光纖耦合器耦合，耦合起來的兩光波信號經(jīng)第二光纖耦合器后分為兩部分，一部分光信號與基準(zhǔn)光信號干涉，在相位檢測器模塊中測出相位擾動信號，另一部分經(jīng)寬帶光接收機(jī)轉(zhuǎn)化為毫米波信號，40MHz壓控振蕩器的輸出控制第二聲光頻率偏移器的輸出光頻率。
[0009]所述相位檢測模塊主要由一個窄帶光接收機(jī)，一個功分器，三個中心頻率分別為35MHz,75MHz和40MHz的帶通濾波器，一個混頻器，一個低頻鑒相器，一個環(huán)路濾波器組成，與基準(zhǔn)光信號干涉的一部分光信號，經(jīng)窄帶光接收機(jī)得到35MHz與75MHz的兩低頻頻率分量，窄帶光接收機(jī)的輸出與功分器相連，35MHz和75MHz帶通濾波器分別與功分器相連濾出這兩個頻率分量，這兩個頻率分量經(jīng)混頻器混頻，混頻器的輸出與40MHz帶通濾波器相連濾出40MHz頻率分量，該40MHz頻率分量信號和IOMHz銣鐘源信號與低頻鑒相器相連，低頻鑒相器輸出的相位誤差信號經(jīng)環(huán)路濾波器積分后輸出控制40MHz壓控振蕩器，40MHz壓控振蕩器控制聲光頻率偏移器的輸出光相位。
[0010]所述寬帶光接收機(jī)模塊由一個寬帶的光電檢測器組成。
[0011]所述鑒相器為數(shù)字鑒頻鑒相器，所述40MHz頻率分量信號分頻至IOMHz后再和IOMHz銣鐘源信號與低頻鑒相器相連進(jìn)行相位比較，獲得光纖鏈路的相位擾動情況。
[0012]所述35MHz信號源和25GHz基準(zhǔn)微波源與IOMHz銣鐘源同步，所述IOMHz銣鐘源為高穩(wěn)定度低相位噪聲源，所述相位穩(wěn)定的毫米波生成系統(tǒng)的工作波段為1550nm。
[0013]所述兩可調(diào)光帶通濾波器任意選擇光頻梳的兩頻率分量，從而實現(xiàn)不同頻率毫米波信號的生成。
[0014]一種相位穩(wěn)定的毫米波生成方法，采用上述相位穩(wěn)定的毫米波生成系統(tǒng)來實現(xiàn)。
[0015]本發(fā)明的鑒相是通過光干涉的方法實現(xiàn)的，由于光波頻率較高(工作在1550nm波段，193THZ左右)，因此可以獲得光波長量級的鑒相精度。另外，本發(fā)明方案通過對光信號的處理達(dá)到毫米波信號相位補償目的且光信號的相位由壓控振蕩器控制，壓控振蕩器的相位補償范圍不受限，因而克服了微波延時線和光纖延時線的相位補償范圍有限的限制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]通過閱讀參照以下附圖的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:
[0017]圖1為本發(fā)明所提供的相位穩(wěn)定的毫米波生成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0018]圖2為本發(fā)明系統(tǒng)的電氣連接圖；[0019]圖3為本發(fā)明一實施例的毫米波光譜圖。
【具體實施方式】:
[0020]以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步的說明，以充分了解本發(fā)明的目的、特征和效果。
[0021]圖1所示，本發(fā)明所提供的相位穩(wěn)定的毫米波生成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，分為四個模塊:微波-光信號轉(zhuǎn)換模塊、光子上變頻及相位補償模塊、相位檢測模塊、寬帶光接收機(jī)模塊。
[0022]圖2所示為本發(fā)明系統(tǒng)一實施例的電氣連接圖，包括:激光器1、光頻梳發(fā)生器2、25GHz基準(zhǔn)微波源3、驅(qū)動器4、保偏光纖耦合器(PMC) 5、IOMHz銣鐘源6、鎖相環(huán)(PLL) 7、第一、第二聲光頻率偏移器(40?3130?32)8、13、光纖耦合器9、14、15、17、光可調(diào)帶通濾波器((--?1、(》--2)11、12、寬帶光接收機(jī)(？01)16、窄帶光接收機(jī)(？02)18、功分器19、75MHz窄帶濾波器20、35MHz窄帶濾波器21、混頻器22、40MHz窄帶濾波器23、鑒相器24、環(huán)路濾波器25、40MHz壓控振蕩器26。
[0023]激光器I的輸出與光頻梳發(fā)生器2的光輸入端口相連,25GHz基準(zhǔn)微波源3與驅(qū)動器4相連，驅(qū)動器4的輸出端連接到光頻梳發(fā)生器2的微波輸入端口，調(diào)節(jié)光頻梳發(fā)生器2的直流偏置電壓使光頻梳發(fā)生器2的輸出譜最寬，其各頻率分量之間的頻率差為25GHz。光頻梳經(jīng)保偏光纖耦合器5分為兩部分，一部分作為基準(zhǔn)光，另一部分經(jīng)第一聲光頻率偏移器8上變頻35MHz，此35MHz信號由鎖相環(huán)7生成并與IOMHz銣鐘源6同步。經(jīng)上變頻35MHz的光頻梳經(jīng)光纖耦合器9分為兩部分，分別與兩光可調(diào)帶通濾波器11、12相連，由兩光可調(diào)帶通濾波器11、12選出光頻梳中的任意兩個頻率分量，其中一個頻率較高的一個分量再經(jīng)第二聲光頻率偏移器13偏移40MHz后與另一頻率分量經(jīng)光纖耦合器14耦合在一起，此第二聲光頻率偏移器13作為相位補償器件。耦合起來的兩光波信號再經(jīng)一光纖耦合器15分為兩部分，一部分由寬帶光接收機(jī)16轉(zhuǎn)化為毫米波信號，由于被光濾波器濾出的兩光波信號分別經(jīng)過了兩不同的光纖路徑(路徑1、路徑2)，因此其所受的相位擾動不同造成生成的毫米波信號相位不穩(wěn)定。另一`部分與基準(zhǔn)光經(jīng)光纖耦合器17干涉，經(jīng)窄帶光接收機(jī)18得到35MHz和75MHz的兩低頻頻率分量。窄帶光接收機(jī)18的輸出與功分器19相連，35MHz窄帶濾波器21和75MHz窄帶濾波器20與功分器19相連分別濾出這兩個頻率分量，同時，該兩個窄帶濾波器21、20與混頻器22相連，混頻器22的輸出與40MHz窄帶濾波器23相連濾出35MHz與75MHz的差頻分量。這個40MHz信號的相位擾動與所生成的毫米波信號的相位擾動相同。40MHz窄帶濾波器23輸出和IOMHz銣鐘源6與鑒相器24相連進(jìn)行相位比較。鑒相器24輸出的相位誤差信號經(jīng)環(huán)路濾波器25積分后輸出控制40MHz壓控振蕩器26,40MHz壓控振蕩器26的輸出控制聲光頻率偏移器2的輸出光頻率，進(jìn)而改變光相位補償由于光纖鏈路引入的相位擾動達(dá)到穩(wěn)定毫米波信號相位的目的。
[0024]本發(fā)明中,光頻梳被保偏光纖稱合器分為兩部分，一部分作為基準(zhǔn)光，另一部分被可調(diào)光濾波器濾出兩頻率成分，且這兩頻率成分經(jīng)聲光頻率偏移器上變頻不同的頻率后與基準(zhǔn)光耦合器在一起，經(jīng)低頻光電檢測器獲得兩個不同頻率的低頻信號，兩低頻信號經(jīng)混頻后由濾波器濾出二者的差頻信號；將該差頻信號與IOMHz銣鐘基準(zhǔn)信號進(jìn)行相位比較獲得光纖鏈路相位擾動情況，將獲得的相位誤差信號經(jīng)過處理后，作為相位控制信號補償鏈路擾動帶來的相位變化。該毫米波生成系統(tǒng)可實現(xiàn)25GHz-300GHz頻率范圍的信號生成，與相位未補償?shù)那闆r相比，相位補償?shù)那闆r下，在偏置頻率0.0lHz,0.1HzUHz處，相位噪聲性能約可分別提高70dB、60dB、40dB。
[0025]圖3所示為本發(fā)明實施例的從光頻梳中濾出的兩光波信號的光譜圖?？梢钥闯雠阅Ｒ种票却笥?5dB，這保證了生成毫米波信號的頻譜純度。
【權(quán)利要求】
1.一種相位穩(wěn)定的毫米波生成系統(tǒng)，其特征在于，包括微波-光信號轉(zhuǎn)換模塊、光上變頻及相位補償模塊、相位檢測模塊以及寬帶光接收機(jī)模塊，其中，所述微波-光信號轉(zhuǎn)換模塊用于生成頻率間隔為微波信號頻率的光頻率梳，所述光頻率梳通過光上變頻及相位補償模塊濾出兩光頻率分量，所述兩光頻率分量經(jīng)相位檢測模塊檢測出所受到的光纖鏈路擾動，并反饋控制光上變頻及相位補償模塊，所述的兩光頻率分量經(jīng)相位補償后通過所述寬帶光接收機(jī)模塊，將兩光信號拍頻得到相位穩(wěn)定的毫米波信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相位穩(wěn)定的毫米波生成系統(tǒng)，其特征在于，所述微波-光信號轉(zhuǎn)換模塊主要由一個激光器，一個光頻梳發(fā)生器，一個驅(qū)動器和一個25GHz基準(zhǔn)微波源組成，激光器的輸出與光頻梳發(fā)生器的光輸入端口相連，25GHz基準(zhǔn)微波源輸出經(jīng)驅(qū)動器放大后與光頻梳發(fā)生器的微波輸入端口相連，調(diào)節(jié)光頻梳發(fā)生器的直流偏置電壓，使其輸出光譜達(dá)到最寬，光頻梳的各頻率分量之差等于25GHz基準(zhǔn)微波信號的頻率。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的相位穩(wěn)定的毫米波生成系統(tǒng)，其特征在于，所述光上變頻及相位補償模塊主要由一個保偏光纖耦合器，一個IOMHz銣鐘源，一個35MHz信號源，兩個聲光頻率偏移器，一個40MHz壓控振蕩器，兩個可調(diào)光帶通濾波器，兩個光纖耦合器組成，光頻梳發(fā)生器的輸出經(jīng)保偏光纖耦合器分為兩部分，一部分作為基準(zhǔn)光，另一部分經(jīng)第一聲光頻率偏移器上變頻35M Hz，此35MHz信號由鎖相環(huán)生成并與IOMHz銣鐘源同步，兩個可調(diào)光帶通濾波器分別濾出光頻梳的兩個頻率分量，其中頻率較高的一個頻率分量再經(jīng)第二聲光頻率偏移器上變頻40MHz后與另一頻率分量經(jīng)一光纖耦合器耦合，耦合起來的兩光波信號經(jīng)另一光纖耦合器后分為兩部分，一部分光信號與基準(zhǔn)光信號干涉，在相位檢測器模塊中測出相位擾動信號，另一部分經(jīng)寬帶光接收機(jī)轉(zhuǎn)化為毫米波信號，40MHz壓控振蕩器的輸出控制第二聲光頻率偏移器的輸出光頻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的相位穩(wěn)定的毫米波生成系統(tǒng)，其特征在于，所述相位檢測模塊主要由一個窄帶光接收機(jī)，一個功分器，三個中心頻率分別為35MHz、75MHz和40MHz的帶通濾波器，一個混頻器，一個低頻鑒相器，一個環(huán)路濾波器組成，與基準(zhǔn)光信號干涉的一部分光信號經(jīng)窄帶光接收機(jī)得到35MHz與75MHz的兩低頻頻率分量，窄帶光接收機(jī)的輸出與功分器相連，35MHz和75MHz帶通濾波器分別與功分器相連濾出這兩個頻率分量，這兩個頻率分量經(jīng)混頻器混頻，混頻器的輸出與40MHz帶通濾波器相連濾出40MHz頻率分量，該40MHz頻率分量信號和IOMHz銣鐘源信號與低頻鑒相器相連，低頻鑒相器輸出的相位誤差信號經(jīng)環(huán)路濾波器積分后輸出控制40MHz壓控振蕩器，40MHz壓控振蕩器控制聲光頻率偏移器的輸出光相位。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的相位穩(wěn)定的毫米波生成系統(tǒng)，其特征在于，所述寬帶光接收機(jī)模塊由一個寬帶的光電檢測器組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的相位穩(wěn)定的毫米波生成系統(tǒng)，其特征在于，所述鑒相器為數(shù)字鑒頻鑒相器，所述40MHz頻率分量信號分頻至IOMHz后再和IOMHz銣鐘源信號與低頻鑒相器相連進(jìn)行相位比較，獲得光纖鏈路的相位擾動情況。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的相位穩(wěn)定的毫米波生成系統(tǒng)，其特征在于，所述35MHz信號源和25GHz基準(zhǔn)微波源與IOMHz銣鐘源同步，所述IOMHz銣鐘源為高穩(wěn)定度低相位噪聲源，所述相位穩(wěn)定的毫米波生成系統(tǒng)的工作波段為1550nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的相位穩(wěn)定的毫米波生成系統(tǒng)，其特征在于，所述兩可調(diào)光帶通濾波器任意選擇光頻梳的兩頻率分量，從而實現(xiàn)不同頻率毫米波信號的生成。
9.一種相位穩(wěn)定的毫米波生成方法，采用如權(quán)利要求1至8中任一所述的相位穩(wěn)定的毫米波生成系統(tǒng)來實現(xiàn)。`
【文檔編號】H04B10/50GK103684611SQ201310646455
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月4日
【發(fā)明者】孫東寧, 董毅, 王鍶惟 申請人:上海交通大學(xué)