一种利用光子学技术实现微波信号镜像抑制混频的装置

摘要

本发明公开了一种利用光子学技术实现微波信号镜像抑制混频的装置，该装置涉及微波技术领域和光通信技术领域。所述方法如附图所示，包括激光器、偏振复用马曾调制器(PDM‑MZM)、掺铒光纤放大器(EDFA)、光带通滤波器、光分路器、偏振控制器、偏振分束器、光电平衡探测器和低频90度耦合器。本发明利用PDM‑MZM对宽带微波射频信号和微波本振信号进行调制和偏振复用，光滤波后功率等分两路，每路分别利用偏振控制器和起偏器调节偏振复用光的相位和幅度关系，通过光电探测后分别得到I路和Q路中频信号，最后通过低频90度耦合器将信号进行耦合。本发明在光域实现宽带微波信号的镜像抑制混频，克服了传统电域处理技术的速率瓶颈，具有大带宽、高抑制比、结构简单、抗电磁干扰等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及微波技术领域和光通信技术领域，尤其涉及一种通过光子学技术实现微波信号镜像抑制混频的装置。

背景技术

现有的微波信号接收机中，混频器是必不可少的组成部分，它可以将天线接收的高频射频信号下变频为低频的中频信号，再利用现有的微波器件，对中频信号进行处理。但在错综复杂的电子战环境中，往往存在着镜像信号，而镜像信号下变频后的信号与需要的中频信号有着相同的频率，因此镜像信号的存在可能会导致接收机无法成功接收到需要的中频信号。

镜像抑制混频器可以很好解决这个问题，它可以对镜像信号进行抑制的同时，完成微波信号的混频。从而成功解调出中频信号。但是目前的电域镜像抑制混频器一般带宽较小，镜像抑制比低，难以满足未来宽带通信的需求。

随着微波光子技术的发展，越来越多的研究人员开始着手利用微波光子技术实现微波信号的镜像抑制混频，相较于电域的微波镜像抑制混频器件，基于微波光子的混频器有更高的带宽，更小的重量与体积，同时，其抗电磁干扰性能良好。

发明内容

基于微波光子技术，本发明提出了一种利用光子学技术实现微波信号镜像抑制混频的装置。本装置能够将高频微波射频信号直接正交下变频为两路正交的中频信号，再结合电域的低频90度耦合器，可实现微波信号的镜像抑制的下变频。该方法只包含一个电域的低频90度耦合器，不需要高频的电功分器与电移相器，系统带宽不再受限于电域的器件，因此其有很高的工作带宽。此外，由于采用的抑制载波的调制方式，抑制了占有大部分光功率却不携带任何信息的光载波，系统的增益较高。同时结合平衡探测器，系统的增益可得到进一步提高。该装置还拥有光子学技术特有的大带宽、抗电磁干扰、轻便灵活等一系列优点。

本发明所采用的技术方案是：所述装置包括激光器、偏振复用调制器(PDM-MZM)、掺铒光纤放大器(EDFA)、光带通滤波器、光分路器、偏振控制器、偏振分束器、光电平衡探测器和低频90度耦合器。激光器的输出口连接PDM-MZM的输入端；PDM-MZM的输出端连接EDFA的输入端；EDFA的输出端与光带通滤波器输入端相连；光带通滤波器的输出端与光分路器相连；光分路器将光信号分为上下两路，每路分别连接偏振控制器、偏振分束器和光电平衡探测器；上下光电平衡探测器的输出分别连接90度耦合器的两个输入端。

所述PDM-MZM由一个Y型光分路器、上下并联的两个马增调制器(MZM)以及一个偏振合束器(PBC)构成。

本发明在工作时包括以下步骤：

(1)从激光器发出波长为λ的连续光载波注入到PDM-MZM中；

(2)宽带微波射频信号连接PDM-MZM其中一个马增调制器的射频输入端，微波本振信号连接另外一个马增调制器的射频输入端，上下两个子调制器均工作在最小点，射频和本振信号分别对光载波进行抑制载波双边带调制。

(3)PDM-MZM内部的PBC将上下两路调制后的光信号复合为偏振复用光，输出调制器。

(4)偏振复用光信号进入EDFA进行功率放大。

(5)放大后的光信号进入光带通滤波器，滤除射频信号和本振信号的一个光边带，只留下它们的另外一个光边带。

(6)滤波后的光信号进入光分路器分为功率相等的上下两路，每路分别经过偏振控制器和偏振分束器。通过调节偏振控制器使调制器主轴与偏振分束器主轴有45度夹角，同时偏振控制器也可以调整每个偏振复用光信号中两个偏振态的相位差，偏振分束器的输出端连接光电平衡探测器的输入端，光信号中宽带射频信号分量与本振分量相互拍频，得到两路中频信号。

(7)通过调节偏振控制器来调整射频信号分量与本振分量的相位关系：上路相位差为0度，下路相位差为90度，获得正交的中频信号。

(8)再将正交的中频信号通过90度耦合器进行耦合，得到只包含有用信号的中频信号。

本发明提出了一个通过光子学方法实现微波信号镜像抑制混频的装置，利用PDM-MZM实现宽带射频信号以及本振信号的抑制载波双边带调制并偏振复用，光带通滤波器滤出一个边带后功分两路，通过调节每路的偏振控制器和偏振分束器，将其中一路中射频信号和本振信号的相位差调整为0度，另一路射频信号与本振信号相位差调为90度，光电检测器拍频后分别得到IQ两路正交的中频信号，再通过电域90度耦合器对中频信号进行耦合。经过90度耦合器后，镜像信号会相互抵消，而需要的信号会相互叠加。本发明结构简单，具有很强的可操作性。

本方案将宽带射频信号一次下变频到中频，避免了多级变频和滤波，结构简单，无镜像频率分量干扰，同时也降低了对模数转换器的带宽和采样率的要求。

由于该方案中射频信号和本振信号的相位差可以通过偏振控制器连续调节，每路光信号的功率也可以方便调节，与信号带宽、载波无关，所以解决了IQ两路不均衡的问题。

附图说明

图1为本发明利用光子学技术实现微波信号镜像抑制混频的原理图。图2为光滤波前后光谱图以及光带通滤波器的频率响应图。图3为系统的镜像抑制比以及有用信号和镜像信号的波形。

实施方式和具体的操作过程

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，给出了详细的带射频信号镜像抑制混频的原理图，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。其中PDM-MZM上下两路各有一个马增调制器，分别对射频信号和微波本振进行抑制载波双边带调制，然后通过PDM-MZM后端的偏振合束器将两束光偏振复用。经过EDFA放大后，带通滤波器滤出已调信号的一个边带。功分两路后，分别在每路设置一个偏振控制器，偏振分束器和光电平衡检测器。偏振控制器结合偏振分束器，可以调节偏振复用光两个偏振态的相位和幅度关系，从而光电检测器拍频后就得到了IQ信号，再通过电域低频90度耦合器将正交的中频信号进行耦合。

如图1所示，本实例中，装置包括：激光器、两个射频信号源、PDM-MZM、EDFA、光带通滤波器、光分路器、两个偏振控制器、两个偏振分束器和两个光电平衡探测器和一个电域的低频90度耦合器。激光器的输出口与偏振复用调制器的光输入口相连，两个射频信号源输出口分别与调制器的两个射频输入口相连，调制器后接EDFA、光带通滤波器和光分路器，然后每个光路分别依次连接偏振控制器、偏振分束器和光电平衡检测器，最后连接低频90度耦合器。

本实例中，方法的具体实施步骤是：

步骤一：激光器产生工作波长为1552nm、功率为15dBm的连续光波，注入到PDM-MZM。一个射频源产生中心频率40GHz、功率为-5dBm的射频信号，另一射频源产生中心频率39.5GHz、功率为10dBm的本振信号，分别用来驱动半波电压为3.5V的两个马增调制器。

步骤二：通过偏压控制器(MBC)控制调制器直流偏压，使得两个子调制器均工作在最小点。

步骤三：EDFA输出光功率为18dBm，光信号被放大后通过光带通滤波器，滤出已调信号的正一阶边带(或负一阶边带)。

步骤四：光带通滤波器输出的信号通过一个光分路器功率等分为两路，每一路依次连接偏振控制器，偏振分束器和光电平衡探测器。由图2可以看出，经过光带通滤波器后，剩下的光谱分量主要是正1阶光边带，其它分量相对较低。步骤五：调节上路偏振态使调制器与偏振分束器主轴夹角为45度，两个偏振分量相位差为0度，通过光电平衡探测器后得到I路中频信号。调节下路偏振态使调制器与偏振分束器主轴夹角为45度，两个偏振分量相位差为90度，通过光电平衡探测器后得到Q路中频信号。

步骤六：I路中频信号，Q路中频信号通过电域的低频90度耦合器耦合后，送入示波器和频谱仪进行观察。由图3可以看出，经过低频90度耦合器后，镜像信号得到了有效的抑制，镜像抑制比高达50dB。需要的中频信号可保持有较大的幅度，而镜像信号的幅度几乎为零。

本实例中，IQ中频信号的功率和相位平衡度，可以通过调节两路中的偏振控制器得到校准。

综上，本发明利用PDM-MZM实现了宽带微波射频信号的镜像抑制混频，结构简单易于实现，不受电子瓶颈影响，不受电磁干扰，系统性能良好且稳定。

总之，以上所述实施方案仅为本发明的实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同变形和替换，射频信号中心频率、符号速率都可改变。这些等同变形和替换以及频率范围的调整也应视为本发明保护的范围。