基于微波光子混频技术的微波源相位噪声测试方法及装置

摘要

本发明公开一种基于微波光子混频技术的微波源相位噪声测试方法及装置，包括微波源、微波功分器、微波移相器、沿光路方向依次连接的激光源、第一电光调制器、光纤、第二电光调制器、光带通滤波器、光电探测器、电低通滤波器和FFT分析仪；微波源产生的待测微波信号由微波功分器分成两路，一路信号经第一电光调制器调制生成初始调制光信号；另一路信号经过微波移相器后进入第二电光调制器对光纤延时后的初始调制光信号进行调制，所得到的最终的调制光信号依次通过光带通滤波器、光电探测器、低通电滤波器；低通电滤波器输出信号由FFT分析仪采集，计算得到待测微波信号的相位噪声。本发明具有工作带宽大、测试灵敏度高且不随频率变化等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于微波光子混频技术的微波源相位噪声测试方法及装置，属于微 波源相位噪声测试、微波光子学技术领域。

背景技术

为满足各类军工应用对微波振荡器相位噪声越来越高的要求，国内外研究人员以极 大的热情不断降低高频微波振荡器的相位噪声。目前，X波段商用微波振荡器的相位噪 声在10kHz频偏处已低于-160dBc/Hz(OEWaves公司，10GHz中心频率)，而一般商 用相噪分析仪在10GHz频率只能测出-120dBc/Hz@10kHz量级的相噪。特别地，相位 噪声的国内计量标准主要由安捷伦E5505A提供，10GHz中心频率处的本底相噪大于 -123dBc/Hz@10kHz，与实际测试需求有三个数量级以上的差距。

目前，应用最广的微波源相位噪声测试方法是外差法。在这种方法中，待测源跟一 个同频率的高质量参考源在混频器中混频，混频器的输出电压与待测微波源的相位抖动 成正比，据此可计算出待测源的相位噪声。这种方法的测试精度和测试带宽受限于参考 源。当被测源的相位噪声低于参考源的相位噪声时，使用该测试系统不能得到正确结果。

在现有的基于光纤延时的相位噪声测试方案中，一个连续光在电光调制器中被待测 微波源调制，得到的光信号由光耦合器分成两路，其中一路经光纤延时。以上两路光信 号分别在光电探测器中转换为微波信号后，经微波放大、移相后在混频器中混频，进而 依据输出电信号计算待测源的相位噪声。由于使用了微波混频器、微波放大器等器件， 以上测试方案的工作带宽和测试精度会受到混频器和放大器等电器件的限制，而且测试 精度都会随频率的增加而降低。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于微波光子混频技 术的微波源相位噪声测试方法及装置，提高微波源相位噪声测试系统的工作带宽、降低 微波源相位噪声测试系统的噪底，即提高相位噪声测试系统的测试精度。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

基于微波光子混频技术的微波源相位噪声测试装置，包括微波源、微波功分器、微 波移相器、激光源、第一电光调制器1、光纤、第二电光调制器2、光带通滤波器、光 电探测器、电低通滤波器和FFT分析仪；所述激光源的输出端连接第一电光调制器1 的输入端，第一电光调制器1的输出端通过光纤连接第二电光调制器2的输入端；所述 微波源的输出端与微波功分器的输入端连接；所述微波功分器有两个输出端：其中一个 输出端与第一电光调制器1的驱动信号输入端相连接，另一个输出端和微波移相器输入 端连接；所述微波移相器的输出端与第二电光调制器2的驱动信号输入端连接；沿第二 电光调制器2的输出信号方向依次连接光带通滤波器、光电探测器、电低通滤波器和 FFT分析仪。

进一步的，所述第一电光调制器1和第二电光调制器2均为宽带电光调制器；所述 宽带电光调制器采用相位电光调制器或强度调制器或偏振调制器。

进一步的，所述微波功分器为宽带微波功分器。

进一步的，所述微波移相器为宽带微波移相器。

一种基于微波光子混频技术的微波源相位噪声测试方法，其特征在于：微波源输出 待测微波信号，待测微波信号由微波功分器分成第一微波信号和第二微波信号，其中第 一微波信号经第一电光调制器1调制，生成初始调制光信号；所述初始调制光信号经过 光纤延时后进入第二电光调制器2，所述延时为τ；第二微波信号经过微波移相器后进 入第二电光调制器2，其中调节微波移相器使为第二微波信号经过的相移 量，ω为待测微波信号的角频率；第二电光调制器2对光纤延时后的初始调制光信号和 经过微波移相器后的第二微波信号进行调制，第二电光调制器2输出最终的调制光信号； 利用光带通滤波器对最终的调制光信号进行滤波；利用光电探测器对光带通滤波器输出 的光信号进行拍频；经过拍频后的信号进入电低通滤波器进行滤波；电低通滤波器输出 信号由FFT分析仪采集进行数据处理，根据所得数据即可计算得到待测微波信号的相位 噪声。

有益效果：本发明提供的基于微波光子混频技术的微波源相位噪声测试方法及装 置：

1)本发明采用电光调制器1和电光调制器2来实现微波光子混频，微波混频后具 有带宽大、动态范围大的特点，能显著增大相位噪声测试系统的工作带宽；

2)本发明避免了使用微波放大器等有源微波器件，能降低微波源相位噪声测试系 统的噪底即提高测试精度，并且测试精度不随频率变化。

3)利用延时线技术测试相位噪声不需要额外的参考源，只需待测微波源与自身延 时后的信号混频，其中用于延时的延时线越长，即光纤越长，对相位噪声的测试精度越 高。光纤具有低损耗、大带宽等优势，是最好的延时介质。

附图说明

图1为本发明的结构原理示意图；

图2为本发明对一个10GHz的微波源相位噪声测试结果与安捷伦E4447A测试结 果对比图；

图3为本发明的噪底在1kHz频偏和10kHz频偏处随频率变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

基于微波光子混频技术的微波源相位噪声测试装置，如图1所示，包括微波源、微 波功分器、微波移相器、沿光路方向依次连接的激光源、第一电光调制器1、光纤、第 二电光调制器2、光带通滤波器、光电探测器、电低通滤波器和FFT分析仪；所述微波 源的输出端与微波功分器的输入端连接；所述微波功分器的两个输出端：其中一个输出 端与第一电光调制器1的驱动信号输入端相连接，另一个输出端和微波移相器输入端连 接；所述微波移相器的输出端与第二电光调制器2的驱动信号输入端连接。

激光源用做光载波信号，微波源产生待测微波信号；微波功分器将微波源输出的待 测微波信号分成两路；两个电光调制器用于实现电与光的调制。

如图1所示，待测微波信号被微波功分器分成第一微波信号和第二微波信号；这两 路微波信号分别作为驱动输入第一电光调制器1和第二电光调制器2；第一电光调制器 1将第一微波信号调制至激光源输出的光载波上输出，第一电光调制器1输出的调制信 号为初始调制光信号，初始调制光信号经过光纤延时后进入第二电光调制器2；第二电 光调制器2将经过微波移相器后的第二微波信号调制至经光纤延时后的初始调制光信号 上，得到最终的调制光信号，最终的调制光信号进入光带通滤波器；由于从第二电光调 制器2输出的光信号上有多个边带，所以本发明中利用光带通滤波器对最终的调制光信 号进行滤波，获得正一阶或负一阶边带；利用光电探测器对光带通滤波器输出的光信号 进行拍频后进入电低通滤波器滤波，光电探测器是用来把光信号转换成电信号；由于经 过光电探测器后的输出信号中包含了高次谐波和相位噪声信息，利用电低通滤波器滤除 高次谐波，经过电低通滤波器的输出相位噪声信号由快速傅里叶分析仪采集，并经数据 处理可计算得到待测微波信号的相位噪声。

在本实施中，微波功分器优选宽带微波功分器；微波移相器优选宽带微波移相器； 第一电光调制器1、第二电光调制器2优选相位电光调制器。

为了使公众理解本发明技术方案，下面对上述测试装置的测试原理以第一电光调制 器1、第二电光调制器2均为相位电光调制器为例进行介绍：

若微波功分器输出的第一微波信号为E₁(t)、第二微波信号为E₂(t)，其中激光源输出的光载波E_c(t)＝E_cexp(jω_ct)。E₂(t)经过微波移相器移相后 得到第一个相位电光调制器由E₁(t)驱动，则第一个相位电光调 制器输出端的信号为：

$E_{o1}\left(t\right)=E_c\mathrm{expi}[{\omega }_{c}t+\frac{\pi E_1\left(t\right)}{V_{\pi 1}}]---\left(1\right)$

其中，V是待测微波信号的幅度；当t＝0时，是待测微波信号的初始相位；是经过移相后的第二微波信号的相位；i是虚数单位，V_π1为第一个相位电光调制器的半 波电压。ω为待测微波信号的角频率、ω_c为光载波的角频率；

通过光纤对第一个相位电光调制器输出端的信号延时τ后：

$E_{o2}\left(t\right)=E_c\mathrm{expi}[{\omega }_c(t-\tau )+\frac{\pi E_1\left(t\right)}{V_{\pi 1}}]---\left(2\right)$

将经延时后的信号注入第二个相位电光调制器中，该信号在第二个相位电光调制器 内被E₃(t)进行第二次调制，则第二个相位电光调制器输出端的信号为：

$E_{o3}\left(t\right)=E_c\mathrm{expi}[{\omega }_c(t-\tau )+\frac{\pi E_1(t-\tau )}{V_{\pi 1}}+\frac{\pi E_3\left(t\right)}{V_{\pi 2}}]---\left(3\right)$

其中，V_π2为第二个相位电光调制器的半波电压。经过光带通滤波器、光电探测器、 电低通滤波器后，输出电流i_PD(t)为：

调节微波移相器使则上式可表示为：

如式(5)可以看出该电低通滤波器输出的信号与待测微波信号相位噪声相关。式 (5)信号经过FFT分析仪采集，即可计算得到被测微波源的相位噪声。

图2为本发明基于微波光子混频技术的微波源相位噪声测试装置对一个10GHz的 微波源相位噪声测试结果与商用仪器(安捷伦E4447A)测试结果对比图。其中第一曲 线是采用安捷伦E4447A测试的结果，第二曲线是采用本发明基于微波光子混频技术的 微波源相位噪声测试装置测试的结果。通过对比发现，本发明提出的基于微波光子混频 技术的微波源相位噪声测试装置跟采用商用仪器测试结果吻合的很好，表明了此发明的 可行性和准确性。

图3为本发明基于微波光子混频技术的微波源相位噪声测试装置的噪底在1kHz和 10kHz频偏处随频率变化图。从图中可以看出本发明中微波源相位噪声测试装置的工作 带宽达到40GHz；还可以看出本发明中微波源相位噪声测试装置的噪底在1kHz和10kHz 频偏处分别低于-121dBc/Hz和-136dBc/Hz；随频率变化，噪底在1kHz和10kHz频偏处 的变化分别小于3dB和1dB。由于，商用相位噪声测量仪器5052B工作带宽为7GHz， 如需测量更高频率的微波源的相位噪声，则需借助下变频装置；并且该测量仪器工作在 7GHz时，其噪底在1kHz和10kHz频偏处分别是-118dBc/Hz和-126dBc/Hz。由此可以 看出本发明的基于微波光子混频技术的微波源相位噪声测试装置具有工作带宽大和测 量精度高的优势。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。