一種光子型倍頻微波信號幅度控制方法及控制裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光子型倍頻微波信號幅度控制方法。本發(fā)明方法首先利用偏振調(diào)制器將待進(jìn)行幅度控制的基頻微波信號調(diào)制于連續(xù)光載波，所述連續(xù)光載波的偏振方向與所述偏振調(diào)制器的其中一個主軸成45度夾角；然后將調(diào)制后的光信號中的光載波濾除；將濾除光載波之后的光信號輸入光檢偏器，通過將光檢偏器的檢偏軸與所述偏振調(diào)制器的其中一個主軸的夾角在[0，π]范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)整，即可得到工作于所輸入基頻微波信號的倍頻狀態(tài)的幅度可連續(xù)控制的微波信號，且幅度調(diào)節(jié)不影響信號的相位。本發(fā)明還公開了一種光子型倍頻微波信號幅度控制裝置，包括沿光路方向依次連接的光源、偏振調(diào)制器、光濾波器、光檢偏器和光電探測器。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)倍頻微波信號的幅度連續(xù)控制，且信號的相位保持不變。
【專利說明】一種光子型倍頻微波信號幅度控制方法及控制裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微波信號幅度控制方法，尤其涉及一種光子型倍頻微波信號幅度控制方法及控制裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]微波毫米波寬帶陣列的基本功能是利用空間分散排列的微波毫米波傳感器獲取信號的時域和空域等多維信息，達(dá)到檢測和提取信息的目的，是當(dāng)前信息感知系統(tǒng)(高精度雷達(dá)等)、寬帶衛(wèi)星通信、下一代寬帶無線通信和航電系統(tǒng)中的研究重點(diǎn)之一。陣列波束形成是其中的關(guān)鍵技術(shù)，可以有效提高系統(tǒng)容量，增加頻譜效率，改善信噪比，降低功耗，并有利于資源的可管可控。
[0003]基于電子學(xué)技術(shù)的波束形成具有如下的弊端:電子學(xué)波束形成網(wǎng)絡(luò)瞬時帶寬較小，難以滿足微波毫米波系統(tǒng)日益增長的寬帶要求；電子學(xué)幅相控制技術(shù)，幅度和相位相互耦合，導(dǎo)致形成的波束產(chǎn)生明顯畸變，降低微波毫米波系統(tǒng)的性能，且工作頻率受限，對幅相控制算法要求過高；電子波束形成網(wǎng)絡(luò)不僅各通道之間相互干擾，也容易受到外界信號的干擾；此外，電子波束形成還有著體積大、重量大、損耗大、阻抗匹配困難等缺點(diǎn)。較之傳統(tǒng)的電子學(xué)波束形成網(wǎng)絡(luò)，基于微波光子技術(shù)的波束形成網(wǎng)絡(luò)具有明顯的優(yōu)勢:光波頻率極高而信號帶寬相對載頻極小，有效地提供了大的瞬時帶寬；光電子器件體積小、重量輕，使整個系統(tǒng)緊湊、輕巧、節(jié)能；光子系統(tǒng)具有較低的電磁輻射，保密性能更好，抗電磁干擾，且可實現(xiàn)遠(yuǎn)程天線接入等優(yōu)點(diǎn)。光子型波束形成技術(shù)是未來無線通信和軍事領(lǐng)域的重要支撐技術(shù)，已成為各國研究計劃的前沿課題。
[0004]在這樣的背景下，當(dāng)前寬帶微波毫米波陣列波束形成系統(tǒng)仍然面臨著幅度相互耦合導(dǎo)致波束畸變等關(guān)鍵挑戰(zhàn)；如何實現(xiàn)幅度相位不相互耦合的光子型寬帶幅度控制和相位控制，成為寬帶微波毫米波陣列波束形成系統(tǒng)的關(guān)鍵問題之一。
[0005]基于矢量調(diào)制的波束形成技術(shù)(N.A.Riza, " Analog vector modulation-basedwidely tunable frequency photonic beamformer for phased-array antennas, " IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques, vol.45, n0.8, pp.1508-1512, 1997.)，其關(guān)鍵是基于1-Q調(diào)制實現(xiàn)對矢量和信號的幅度和相位控制，即對兩路相移信號進(jìn)行加權(quán)相加，通過兩路相加信號的相對權(quán)重來控制所得到的矢量和信號的幅度和相位；基于偏振控制和向列型液晶(NLC)-空間調(diào)制器(SLM)技術(shù)，可提供光學(xué)幅度控制網(wǎng)絡(luò)。但是當(dāng)工作的射頻頻率達(dá)到毫米波波段時，對信號路徑長度要求苛刻，微小的光學(xué)或電子學(xué)路徑差將會導(dǎo)致比較大的輸出信號相位誤差，導(dǎo)致形成的波束畸形；因此在高頻段工作時，該種方法需要對信號路徑進(jìn)行精細(xì)設(shè)計和調(diào)整。
[0006]基于偏振敏感性實現(xiàn)的波束形成技術(shù)(T.Mengual, B.Vidal, C.Stoltidou, S.Blanch, J.Marti, L.Jofre, 1.McKenzie, and J.del Cura, " Optical phase-basedbeamformer using MZM SSB modulation combined with crystal polarization opticsand a spatial light modulator, " Optics Communications, vol.281, n0.2, pp.217-224，Jan.2008.)，引入延時干涉儀或者差分群延時模塊得到偏振態(tài)垂直的兩束光，再通過偏振敏感的調(diào)制器分別對兩束光進(jìn)行不同調(diào)制深度的調(diào)制，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換實現(xiàn)微波信號的相移；通過可調(diào)光衰減器陣列來實現(xiàn)對每個天線單元的幅度控制。但是隨著天線單元數(shù)的增力口，光衰減器的數(shù)量成倍增加，使得系統(tǒng)非常復(fù)雜，且由于引入延時干涉儀或者差分群延時模塊從而使得整個系統(tǒng)響應(yīng)與頻率相關(guān)。
[0007]通過A-SLM (幅度空間光調(diào)制器)來實現(xiàn)波束形成中的幅度控制(H.Matsuzawa, T.Akiyamaj H.Sumiyoshij T.1guchij M.Nagasej Y.Shojij Y.Fujino，A.Akaishi，andR.Suzuki, " Variable spot scanning antenna using optically controlled beamforming network, " 2010 IEEE Topical Meeting on Microwave Photonics (MWP), pp.397-400，Oct.2010.)，其裝置由偏振分束器PBS，半波片以及一個空間光調(diào)制器SLM組成。通過調(diào)節(jié)入射光的偏振態(tài)，來調(diào)節(jié)偏振分束器PBS反射的光強(qiáng)度，從而實現(xiàn)幅度控制。這種幅度控制方法需要分別利用不同的空間調(diào)制器來實現(xiàn)信號的幅度控制和相位控制，增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。
[0008]基于二維娃基陣列液晶像素器件的波束形成技術(shù)(X.Yi, T.X.Huang, andR.A.Minasian, " Photonic beamforming based on programmable phase shifters withamplitude and phase control, " IEEE Photonics Technology Letters, vol.23, n0.18, pp.1286-1288，Sep.2011 )，是在實現(xiàn)多路單邊帶調(diào)制的基礎(chǔ)上，基于二維硅基陣列液晶像素器件分別對光載波和邊帶的幅度和相位進(jìn)行單獨(dú)控制，來實現(xiàn)波束形成。由于基于二維硅基液晶陣列來進(jìn)行調(diào)節(jié)，幅度的控制會對信號的相位產(chǎn)生一定的影響，且存在調(diào)節(jié)速度較慢的問題。
[0009]已有的幅度控制方法，幅度的控制對相位會產(chǎn)生一定的影響，高頻工作時需要對信號路徑進(jìn)行精細(xì)設(shè)計和調(diào)整，調(diào)節(jié)速度較慢，從而導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜、成本昂貴等問題，從而影響波束形成等系統(tǒng)應(yīng)用的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種光子型倍頻微波信號幅度控制方法及控制裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)對倍頻微波信號的連續(xù)幅度控制，且信號的相位保持不變，提高幅度控制的工作頻率范圍，實現(xiàn)高性能的高頻率的幅度控制。
[0011]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案:
[0012]一種光子型倍頻微波信號幅度控制方法，用于將待進(jìn)行幅度控制的基頻微波信號調(diào)制于連續(xù)光載波上，并輸出幅度連續(xù)可調(diào)且相位不受幅度調(diào)整影響的倍頻微波信號，首先利用偏振調(diào)制器將待進(jìn)行幅度控制的基頻微波信號調(diào)制于連續(xù)光載波，所述連續(xù)光載波的偏振方向與所述偏振調(diào)制器的其中一個主軸成45度夾角；然后將調(diào)制后的光信號中的光載波濾除；將濾除光載波之后的光信號輸入光檢偏器，然后輸入光電探測器，通過將光檢偏器的檢偏軸與所述偏振調(diào)制器的其中一個主軸的夾角在[0，π]范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)整，即可得到工作于所輸入基頻微波信號的倍頻狀態(tài)的幅度可連續(xù)控制的微波信號，且信號的相位不受幅度調(diào)節(jié)的影響。
[0013]一種光子型倍頻微波信號幅度控制裝置，用于將待進(jìn)行幅度控制的基頻微波信號調(diào)制于連續(xù)光載波上，并輸出幅度連續(xù)可調(diào)且相位不受幅度調(diào)整影響的倍頻微波信號，該裝置包括沿光路方向依次連接的光源、偏振調(diào)制器、光濾波器、光檢偏器和光電探測器；所述連續(xù)光載波的偏振方向與所述偏振調(diào)制器的其中一個主軸成45度夾角；所述光濾波器將偏振調(diào)制器輸出的光信號中的光載波濾除；所述檢偏器的檢偏軸與所述偏振調(diào)制器的其中一個主軸的夾角可在[O, 31 ]范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)整。
[0014]采用上述技術(shù)方案，即可得到幅度連續(xù)可調(diào)且相位不受幅度調(diào)整影響的倍頻光載微波信號。相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0015]1.本發(fā)明避免引入任何非線性器件，通過調(diào)整所述檢偏器與偏振調(diào)制器任意一個主軸之間的夾角，來調(diào)節(jié)光電探測器輸出的倍頻微波信號的幅度，且不改變信號的相位；可實現(xiàn)連續(xù)、快速的微波信號幅度的調(diào)節(jié)。
[0016]2.本發(fā)明克服了傳統(tǒng)微波幅度控制元件工作頻率受限的缺陷，本發(fā)明裝置中同時實現(xiàn)了微波光子倍頻操作，使得輸出的工作信號頻率為輸入微波信號的兩倍，實現(xiàn)了對高頻微波信號的連續(xù)幅度控制，且對信號的相位不產(chǎn)生影響，大幅降低了裝置的成本和復(fù)雜度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明的光子型倍頻微波信號幅度控制裝置的結(jié)構(gòu)框圖；
[0018]圖2為具體實施例中光陷波濾波器的傳輸響應(yīng)，以及偏振調(diào)制器的射頻端輸入10GHz，功率7dBm的基頻信號時，通過光陷波濾波器之前和之后的光譜圖；
[0019]圖3為具體實施例中偏振調(diào)制器的射頻端輸入10GHz，功率為7dBm的基頻信號時，光電探測器輸出信號的頻譜；
[0020]圖4 (a)-圖4 Cd)分別為基頻信號頻率設(shè)置為4GHz，6GHz, 8GHz和IOGHz時，具體實施例中本發(fā)明裝置產(chǎn)生的倍頻信號在不同的檢偏器檢偏軸方向設(shè)置時的波形；
[0021]圖5 (a)-圖5 Ce)分別為具體實施例中偏振調(diào)制器的射頻口輸入信號頻率保持為10GHz，功率分別為4dBm、7dBm、10dBm、13dBm和16dBm時，本發(fā)明裝置產(chǎn)生的倍頻信號在不同的檢偏器檢偏軸方向設(shè)置時的波形圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明:
[0023]本發(fā)明光子型倍頻微波信號幅度控制裝置的一個優(yōu)選方案結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括沿光路走向依次連接的激光器、偏振調(diào)制器、光陷波濾波器、光檢偏器及光電探測器；偏振調(diào)制器的光輸入端、光輸出端分別與激光器的輸出端、光陷波濾波器的輸入端相連；光陷波濾波器的輸出端與光檢偏器的輸入端相連，光檢偏器和光電探測器相連。
[0024]設(shè)所述光陷波濾波器的中心頻率為Qci，設(shè)置激光器的輸出頻率與光陷波濾波器的中心頻率相同，輸出頻率為Otl的光連續(xù)波，并將的輸入光的偏振方向調(diào)整為與偏振調(diào)制器的某一個主軸成45度夾角；基頻微波信號(其載頻設(shè)為ωπ)輸入偏振調(diào)制器的射頻端口，從而加載到光載波上；通過光陷波濾波器濾除偏振控制器輸出的光信號中的載波，輸出±1階邊帶；通過調(diào)整所述檢偏器的檢偏軸方向與偏振調(diào)制器其中一個主軸的夾角α，可實現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)光電探測器輸出的倍頻微波信號2 ωπ的幅度，且對幅度的調(diào)節(jié)不改變信號的相位。[0025]本發(fā)明的理論說明具體如下:
[0026]當(dāng)設(shè)置線偏振光(頻率為Coci)的偏振態(tài)與偏振調(diào)制器的某一個主軸成45度夾角輸入偏振調(diào)制器，基頻微波信號(載頻為ω m)加載到偏振調(diào)制器的射頻端口，沿著偏振調(diào)制器的兩個主軸產(chǎn)生兩個偏振正交的相位調(diào)制信號。在偏振調(diào)制器的輸出端沿著兩個主軸的歸一化光場可以表不為:
【權(quán)利要求】
1.一種光子型倍頻微波信號幅度控制方法，用于將待進(jìn)行幅度控制的基頻微波信號調(diào)制于連續(xù)光載波上，并輸出幅度連續(xù)可調(diào)且相位不受幅度調(diào)整影響的倍頻微波信號，其特征在于，首先利用偏振調(diào)制器將待進(jìn)行幅度控制的基頻微波信號調(diào)制于連續(xù)光載波，所述連續(xù)光載波的偏振方向與所述偏振調(diào)制器的其中一個主軸成45度夾角；然后將調(diào)制后的光信號中的光載波濾除；將濾除光載波之后的光信號輸入光檢偏器，然后輸入光電探測器，通過將光檢偏器的檢偏軸與所述偏振調(diào)制器的其中一個主軸的夾角在[O，π]范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)整，即可得到工作于所輸入基頻微波信號的倍頻狀態(tài)的幅度可連續(xù)控制的微波信號，且信號的相位不受幅度調(diào)節(jié)的影響。
2.一種光子型倍頻微波信號幅度控制裝置，用于將待進(jìn)行幅度控制的基頻微波信號調(diào)制于連續(xù)光載波上，并輸出幅度連續(xù)可調(diào)且相位不受幅度調(diào)整影響的倍頻微波信號，其特征在于，該裝置包括沿光路方向依次連接的光源、偏振調(diào)制器、光濾波器、光檢偏器和光電探測器；所述連續(xù)光載波的偏振方向與所述偏振調(diào)制器的其中一個主軸成45度夾角；所述光濾波器將偏振調(diào)制器輸出的光信號中的光載波濾除；所述檢偏器的檢偏軸與所述偏振調(diào)制器的其中一個主軸的夾角可在[O, 31 ]范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)整。
3.如權(quán)利要求2所述光子型倍頻微波信號幅度控制裝置，其特征在于，所述光濾波器為光陷波濾波器，其中心頻率與所述連續(xù)光載波的頻率相同。
【文檔編號】H04B10/54GK103490822SQ201310420361
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月13日
【發(fā)明者】朱丹, 潘時龍, 劉世鋒 申請人:南京航空航天大學(xué)