本發(fā)明屬于微波光子技術領域，具體涉及一種可重構的微波光子下變頻方法及微波光子下變頻裝置。

背景技術：

混頻器是通信系統(tǒng)中不可或缺的變頻基本器件，隨著高載頻、大寬帶光載微波系統(tǒng)成為未來光纖通信的發(fā)展趨勢，傳統(tǒng)電學的變頻技術受到工作帶寬限制、隔離度低、損耗大以及轉換效率低等問題的影響，越來越難以滿足當前的需求。微波光子變頻技術充分利用光子技術的帶寬大、傳輸損耗低、隔離度高等優(yōu)點，實現對高頻射頻信號到中頻或者基頻的下變頻，在無線通信系統(tǒng)、相控陣雷達和電子戰(zhàn)系統(tǒng)中應用廣泛。發(fā)展微波光子變頻技術對于產生、接收、處理分析高頻、寬帶射頻信號特別重要。

通常，基于微波光子技術的下變頻方法有串聯或并聯電光調制法(Haas B M,Murphy T E.Linearized downconverting microwave photonic link using dual-wavelength phase modulation and optical filtering[J].IEEE Photonics Journal,2011,3(1):1-12.Tang ZZ,Pan S L.A Reconfigurable Photonic Microwave Mixer Using a 90°Optical Hybrid[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2016,64(9):3017-3025.)、光電振蕩法(Tang ZZ,Zhang F Z,Pan S L.Photonic microwave downconverter based on an optoelectronic oscillator using a single dual-drive Mach-Zehnder modulator[J].Optics express,2014,22(1):305-310.)、光頻梳外差法(Fang X,Bai M,Ye X Z,Zheng Z.Ultra-broadband microwave frequency down-conversion based on optical frequency comb[J].Optics express,2015,23(13):17111-17119.)。其中串聯或并聯電光調制法通過將待處理射頻信號和電學本振信號分別加載到兩個不同的電光調制器上，利用光濾波器選擇兩個頻率相鄰的調制光邊帶，然后通過光電探測器拍頻實現下變頻，該方案需要高頻的電學本振源，且由于受到光濾波器濾波帶寬限制，待處理的射頻信號頻率范圍受限，轉換效率低；光電振蕩法利用電-光-電振蕩原理實現高質量本振信號的產生，無需額外提供高頻電學本振信號，但由于振蕩系統(tǒng)和寬帶的微波器件的存在，增加了系統(tǒng)復雜度和成本；光頻梳外差法利用加載了待處理射頻信號的調制光邊帶與光頻梳進行外差拍頻，可實現任意頻段射頻信號的下變頻處理，且無需額外的電學本振信號，但由于僅僅采用光頻梳作為光學本振源，下變頻的中頻信號頻率無法靈活控制，對不同帶寬的射頻信號較難處理。

目前，亟需發(fā)展一種能夠滿足任意頻段、寬帶射頻信號的微波光子下變頻的需求，同時降低對高頻電學本振信號源要求的下變頻方法。為了解決以上問題，本發(fā)明通過在光混頻結構中實現頻率間隔可調的光學本振，并結合頻率可調的電學本振，對高頻射頻信號實現靈活、寬帶的下變頻，具有光學本振頻率間隔可調、電學本振頻率低、靈活、可重構、操作簡便的特點。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種能夠滿足任意頻段、寬帶射頻信號的微波光子下變頻的需求，同時降低對高頻電學本振信號源要求的下變頻方法，避免使用高頻電學本振源。

本發(fā)明的一種可重構的微波光子下變頻方法，鎖模激光器輸出的光頻梳信號進入到由光分束器和光合束器等組成的光混頻結構，在光混頻結構的上、下兩臂上，光頻梳信號由可調光濾波器分別濾出不同頻率的光載波，形成頻率間隔可調的光學本振，兩光載波分別經由偏振控制器進入到相位調制器，待處理射頻信號和電學本振信號分別加載到兩相位調制器上，對兩個光載波進行調制，調制后的光載波通過光合束器合路成為光混頻結構的輸出光信號，之后光信號進入光電探測器進行光電檢測，從兩相位調制產生的相鄰一階光邊帶的拍頻信號，得到下變頻信號。

上述技術方案中，通過在光混頻結構中獲得頻率間隔可調的光學本振，實現微波光子下變頻，光混頻結構是由光分束器和光合束器等組成的干涉結構，光混頻結構的上臂包括依次光連接的可調光濾波器Ⅰ、偏振控制器Ⅰ和相位調制器Ⅰ，光混頻結構的下臂包括依次光連接的可調光濾波器Ⅱ、偏振控制器Ⅱ和相位調制器Ⅱ。

上述技術方案中，鎖模激光器輸出光頻梳信號的重復頻率為f_s，光混頻結構上、下臂上光載波的頻率差為Nf_s，此即光學本振的頻率間隔，在相位調制器Ⅰ的電極上加載頻率為f_R的待處理射頻信號，在相位調制器Ⅱ的電極上加載頻率為f_L的電學本振信號，得到下變頻信號頻率為|f_R-Nf_s|±f_L，滿足N為正整數，且f_s>|f_R-Nf_s|±f_L。

上述技術方案中，針對不同頻段和帶寬的射頻信號，改變光混頻結構中的可調光濾波器的中心波長，從而改變并聯上、下臂中兩個光載波的頻率差，即改變光學本振的頻率間隔，并設置不同電學本振頻率，實現可重構的微波光子下變頻。

本發(fā)明還提供了一種可重構的微波光子下變頻裝置，包括鎖模激光器、光混頻結構、電學本振源和光電探測器。

所述光混頻結構包括光分束器和光合束器，光分束器和光合束器之間連接有光混頻結構的上臂和光混頻結構的下臂；

光混頻結構的上臂：包括依次光連接的可調光濾波器Ⅰ、偏振控制器Ⅰ和相位調制器Ⅰ；

光混頻結構的下臂：包括依次光連接的可調光濾波器Ⅱ、偏振控制器Ⅱ和相位調制器Ⅱ。

上述技術方案中，待處理射頻信號輸出與相位調制器I的電極通過電連接，電學本振源輸出與相位調制器Ⅱ的電極通過電連接。

上述技術方案中，鎖模激光器產生光頻梳信號，且光頻梳重復頻率為f_s，光混頻結構的上臂和光混頻結構的下臂上兩光載波的頻率差為Nf_s，此即光學本振的頻率間隔；

上述技術方案中，在相位調制器Ⅰ的電極上加載頻率為f_R的待處理射頻信號，在相位調制器Ⅱ的電極上加載頻率為f_L的電學本振信號，所得下變頻信號頻率為|f_R-Nf_s|±f_L，滿足N為正整數，且f_s>|f_R-Nf_s|±f_L。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明由鎖模激光器、光混頻結構、電學本振源和光電探測器組成，通過改變光混頻結構上、下臂中光載波構成的光學本振的頻率間隔和設置電學本振頻率，將任意頻段、帶寬的射頻信號下變頻到中頻或基頻頻段，獲得靈活、可重構的微波光子下變頻系統(tǒng)；利用光學本振的可調頻率間隔大大降低對電學本振信號頻率的要求。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種可重構的微波光子下變頻裝置圖；

圖2是本發(fā)明實施例中通過改變光混頻結構的上、下臂中光學本振的頻率間隔和電學本振頻率大小，記錄的不同頻率的待處理射頻信號下變頻到同一頻率的中頻信號的示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例中通過改變電學本振頻率大小，記錄的同一待處理射頻信號下變頻到不同頻率的中頻信號的示意圖。

其中附圖1標記：1-鎖模激光器、2-光分束器、31-可調光濾波器Ⅰ、41-偏振控制器Ⅰ、51-相位調制器Ⅰ、32-可調光濾波器Ⅱ、42-偏振控制器Ⅱ、52-相位調制器Ⅱ、6-電學本振源、7-光合束器、8-光電探測器。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細說明。

本發(fā)明一種可重構的微波光子下變頻裝置圖如圖1所示。鎖模激光器1激射出重復頻率為f_s的光頻梳信號，通過光分束器2分別進入光混頻結構的上、下臂，在上臂中，通過可調光濾波器Ⅰ31從光頻梳信號中濾出一個頻率為f₀的光載波，通過偏振控制器Ⅰ41后進入相位調制器Ⅰ51，將頻率為f_R的待處理射頻信號調制在頻率為f₀的光載波上，在下臂中，通過可調光濾波器Ⅱ32從光頻梳信號中濾出一個頻率為f₀+Nf_s的光載波，通過偏振控制器Ⅱ42后進入相位調制器Ⅱ52，將頻率為f_L的電學本振信號調制在頻率為f₀+Nf_s的光載波上，上、下臂中的相位調制信號通過光合束器7進入光電探測器8進行光電檢測，從兩相位調制產生的相鄰一階光邊帶的拍頻信號，得到頻率為|f_R-Nf_s|±f_L的下變頻信號，針對不同頻段和帶寬的射頻信號，改變光混頻結構中的可調光濾波器的中心波長，從而改變并聯上、下臂中兩個光載波的頻率差，即改變光學本振的頻率間隔，并設置不同電學本振頻率，實現可重構的微波光子下變頻。

本發(fā)明一種可重構的微波光子下變頻方法的原理如下：

鎖模激光器1激射出重復頻率為f_s的光頻梳信號，通過光分束器2分別進入光混頻結構的上、下臂，在上臂中，通過可調光濾波器Ⅰ31從光頻梳信號中濾出一個頻率為f₀的光載波，在下臂中，通過可調光濾波器Ⅱ32從光頻梳信號中濾出一個頻率為f₀+Nf_s的光載波，其電場可分別表示為：

其中A₁、A₂分別為兩光載波電場幅度大小，j為虛數，t為時間。

頻率為f₀的光載波經過偏振控制器Ⅰ41進入相位調制器Ⅰ51，將頻率為f_R的待處理射頻信號調制在頻率為f₀的光載波上，由于微波光子下變頻技術是借由調制邊帶進行下變頻，為了方便說明，所以只需考慮被調制光信號的一階邊帶，從相位調制器Ⅰ51輸出的電場為：

其中，m₁為相位調制器Ⅰ51的調制系數，J₁(m₁)為1階第一類貝塞爾函數。

頻率為f₀+Nf_s的光載波經過偏振控制器Ⅱ42進入相位調制器Ⅱ52，將頻率為f_L的電學本振信號調制在頻率為f₀+Nf_s的光載波上，從相位調制器Ⅱ52輸出的電場為：

其中，m₂為相位調制器Ⅱ52的調制系數，J₁(m₂)為1階第一類貝塞爾函數。

上下兩臂被調制的光信號經過光合束器7進入光電探測器8探測拍頻信號的光電流為：

其中C為直流成分，R為光電探測器7對不同頻率的響應度，*表示取共軛復數，I_other表示其它頻率成分的光電流。

設光電探測器8的帶寬遠小于f_s，所能探測到的下變頻信號f_IF＝|f_R-Nf_s|-f_L的光電流為：

I_IF＝A₁A₂J₁(m₁)J₁(m₂)R(|f_R-Nf_s|±f_L) (6)

其中N為正整數，且滿足f_s>|f_R-Nf_s|±f_L。

實施例1

將不同頻率的待處理射頻信號下變頻到同一頻率的中頻信號。

待處理的射頻信號頻率分別為16GHz、17GHz和18GHz，設置可調光濾波器Ⅰ31和可調光濾波器Ⅱ32的濾波窗口，分別對重復頻率為f_s＝10GHz的鎖模激光器1激射輸出的光頻梳信號進行濾波，得到頻率差為Nf_s＝20GHz(N＝2)的兩束頻率不同的光載波，對應頻率大小分別為f₀＝193.55THz和f₀+Nf_s＝193.57THz。設置電學本振源頻率分別為f_L＝3.5GHz、2.5GHz和1.5GHz，對應下變頻的中頻信號頻率都為|f_R-Nf_s|-f_L＝500MHz。圖2將頻率分別為16GHz、17GHz和18GHz的待處理射頻信號下變頻到頻率為500MHz的中頻信號的示意圖。

實施例2

將同一待處理射頻信號下變頻到不同頻率的中頻信號。

待處理的射頻信號頻率為18GHz，設置可調光濾波器Ⅰ31和可調光濾波器Ⅱ32的濾波窗口，分別對重復頻率為f_s＝10GHz的鎖模激光器1激射輸出的光頻梳信號進行濾波，得到頻率差為Nf_s＝20GHz(N＝2)的兩束頻率不同的光載波，對應頻率大小分別為f₀＝193.55THz和f₀+Nf_s＝193.57THz。設置電學本振源頻率分別為f_L＝1.8GHz、1.5GHz和1.2GHz，對應下變頻的中頻信號頻率分別為|f_R-Nf_s|-f_L＝200MHz、500MHz和800MHz。圖3將頻率為18GHz的待處理射頻信號下變頻到頻率分別為200MHz、500MHz和800MHz的中頻信號的示意圖。

以上內容是結合優(yōu)選技術方案對本發(fā)明所做的進一步詳細說明，不能認定發(fā)明的具體實施僅限于這些說明。對本發(fā)明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明的構思的前提下，還可以做出簡單的推演及替換，都應當視為本發(fā)明的保護范圍。