基于光电振荡器的x波段高速扫频信号产生装置及其方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于光电振荡器的X波段高速扫频信号产生装置及其方法，包括扫频激光器、相位调制器、掺铒光纤放大器、可调光衰减器、色散补偿模块、环路器、光纤、偏振控制器、光电探测器、微波信号放大器、示波器或频谱仪。本发明着眼于新型光电子技术，尤其是微波光子学的发展与创新对产生微波扫频信号的结构设计改变，提出一种基于光电振荡器的X波段微波信号产生方法，并利用扫频激光器调谐环路参数，得到振荡频率连续可调的X波段微波扫频信号，同时本发明采用色散补偿模块完成传统光电振荡器中相应光纤延迟线功能，使得产生的微波扫频信号保证了很小的频率切换时间间隔，高速的扫频速率奠定了本发明在微波扫频信号产生方面应用的基础。
【专利说明】基于光电振荡器的X波段高速扫频信号产生装置及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种微波扫频信号产生方法及装置，具体来说，涉及一种基于光电振 荡器的X波段高速微波扫频信号产生装置及其方法。
【背景技术】
[0002] 随着电子科学技术的发展，扫频测量技术日益被人们所重视，尤其是X波段线性 扫频源对无线电通信、广播电视、雷达导航、卫星地面站等设备的测试、以及有关电路的分 析和研究，提供了极大的方便。传统的数字式扫频源主要是基于频率合成技术实现的。频 率合成技术的发展经历了从直接式频率合成技术、锁相式频率合成技术、直接数字式频率 合成技术三个阶段。
[0003] 直接式频率合成技术是最早出现最先使用的一种频率合成技术。它是由一个或多 个晶体振荡器经过开关转换、分频、倍频、混频、滤波得到所需要的频率。这种频率合成方 法目前已经很少使用，主要是因为在频率合成过程中，容易产生谐波、噪声等一系列干扰信 号，还需要庞大的硬件设备的支持，在当今电子产品趋于集成化、数字化、小型化的主流中， 势必会被淘汰。
[0004] 锁相式频率合成技术利用锁相环技术实现频率的加、减、乘、除，由压控振荡器VC0 利用间接的方法产生所需频率的信号输出，这种方法输出的频率稳定度高，无杂散，但频率 切换速度比直接合成的方法要慢，此外在X波段集成压控振荡器的锁相环很少，且价格也 不菲。
[0005] 直接数字式频率合成技术是目前最流行的频率合成技术，数字采样存储技术的使 用使这种技术具有极高的分辨率，容易做到极低的频率，而且具有很快的频率转换速率，成 本低、控制灵活等；但是由于这种技术的最高输出频率是受限于器件可用的最高时钟频率， 所以输出频率上限不能太高且扫频范围受限。
[0006] 近年来国内外开始关注于应用光电混合的手段实现新型的振荡器，也就是光电 振荡器。它应用光波储能元件可在几百MHz到100GHz以上频率范围内产生高频谱纯度的 微波信号。目前国内外研究最多也最成熟的光电振荡器采用的是光纤环路结构，采用光纤 环路结构的光电振荡器实际上可以认为是一个反馈式的微波环形腔。所不同的是普通的介 质振荡器的腔长很短，因此纵模间隔很大，但是需要很高的品质因子才能保证输出的微波 信号具有较小的线宽和较高的频率稳定度。从光电振荡器的原理可知：振荡器的噪声随着 有源器件的噪声系数的减小，整个环路的总长度的增加而降低。由于光纤延迟线长度远远 大于电器件的延迟长度，因此选取较长的光纤有助于获取高性能的微波信号输出。但实际 应用中光纤长度受到了另外一些因素的限制：由于振荡的微波频率f和环路等效总长度L 间满足关系f=mc/L，其中的m和c分别表示振荡的纵模阶数和光速。因此，随着光纤长度 增加，波模之间的频率间隔就会变小，多模振荡的概率显著增加，往往需要非常窄带的滤波 器来进行模式选择。此外，虽然已有相关文献报道可以将光电振荡器应用于不同频率微波 信号的产生，但在实际应用中，由于光纤延迟线长度往往大于lKm，如若应用在产生微波扫 频信号方面，必然会导致产生微波扫频信号的频率切换时间间隔大于50ms，因此较低的扫 频速率制约了光电振荡器在微波扫频信号产生方面的应用。
【发明内容】
[0007] 技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于光电振荡器的X波段高 速微波扫频信号产生装置及方法，其使用光电振荡器的结构完成X波段微波信号的产生， 并利用扫频激光器调谐环路参数，得到振荡频率连续可调的X波段高速微波扫频信号，既 避免了传统电域频率合成技术产生微波扫频信号的频率及器件限制，又突破了一般光电振 荡器产生微波扫频信号导致的较低扫频速率的制约，此外本发明产生的振荡频率连续可调 的微波扫频信号，其相位、频率稳定，实现方式简单。
[0008] 技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0009] -种基于光电振荡器的X波段高速微波扫频信号产生装置，该产生装置包括：扫 频激光器、相位调制器、掺铒光纤放大器、可调光衰减器、色散补偿模块、环路器、光纤、偏振 控制器、光电探测器、微波信号放大器、示波器或频谱仪，扫频激光器的输出端与相位调制 器的输入端连接，相位调制器的输出端与掺铒光纤放大器的输入端连接，掺铒光纤放大器 的输出端与可调光衰减器的输入端连接，可调光衰减器的输出端与环路器的第一端口连 接，色散补偿模块的输出端与环路器的第二端口连接，环路器的第三端口通过光纤与偏振 控制器的输入端连接，偏振控制器的输出端与光电探测器的输入端连接，光电探测器的输 出端与微波信号放大器的输入端连接，微波信号放大器的输出端分为两路，一路与不波器 或频谱仪的输入端连接，另一路与相位调制器的微波调制端连接。
[0010] 进一步，所述的基于光电振荡器的X波段高速微波扫频信号产生装置，其扫 频激光器采用安捷伦公司的Agilent81600B，完成C波段波长1527. 60-1565. 50nm的 光载波信号输出，其波长扫描速度为80nm/s，最小中心波长间隔0. 2nm，扫描时间间隔 2.5ms。本发明装置在扫频激光器的激励下完成X波段微波扫频信号输出，其频率范围为 8.8552-10. 3992GHz〇
[0011] 进一步，所述的基于光电振荡器的X波段高速微波扫频信号产生装置，其采用色 散补偿模块完成传统光电振荡器中相应光纤延迟线功能，该模块使用Proximion公司基于 啁啾布拉格光栅的C波段连续色散补偿模块DCM-CB，长度10m，单个DCM-CB可补偿G. 652 光纤长达240Km，G. 655光纤达480Km，而损耗小于8dB。该模块的应用，使得传统光电振荡 器中数公里乃至数十公里光纤延迟线的长度大大降低，由此带来的产生微波扫频信号的频 率切换时间间隔小于lms，较高的扫频速率奠定了本发明装置在微波扫频信号产生方面应 用的基础。
[0012] -种上述的基于光电振荡器的X波段高速微波扫频信号产生方法，该方法包括以 下过程：利用扫频激光器输出可调谐光载波至相位调制器中，相位调制器将微波信号放大 器输出的反馈光电转换信号，调制在可调谐光载波上，形成第一光信号，利用掺铒光纤放大 器对第一光信号放大，再经过可调光衰减器衰减光信号，控制光信号注入光功率，形成了满 足振幅要求的第二光信号，并传输至环路器的第一端口中，色散补偿模块调节第一端口输 入的第二光信号经过第二端口处时的色散，得到含有基于光电振荡器的微波信号起振频率 信息的第三光信号，环路器的第三端口输出第三光信号，第三光信号经光纤传输至偏振控 制器中，偏振控制器控制输入的第三光信号的传输偏振态，再经光电探测器输出微波信号 至微波信号放大器，微波信号放大器对微波信号进行放大处理后，分为两路输出，一路反馈 至相位调制器形成闭环光电振荡回路，另一路输出至示波器或频谱仪中，利用示波器或频 谱仪测量微波信号。
[0013] 有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0014] (1)本发明着眼于新型光电子技术，尤其是微波光子学的发展与创新对微波扫 频信号产生装置结构设计的改变，提出的一种基于光电振荡器的X波段高速微波扫频信 号产生装置，其光电混合环形结构完全不同于以往传统电域频率合成技术产生微波扫频 信号的方法，避免了直接式频率合成技术中谐波、噪声等一系列干扰信号，以及所需要的 庞大硬件设备的支持；避免了锁相式频率合成技术中较低的频率切换速度，以及关键器件 X波段集成压控振荡器成本较高；避免了直接数字式频率合成技术中输出频率上限不能 太高且扫频范围受限。此外，本发明在传统的光电振荡器结构中使用扫频激光器完成微 波扫频信号产生装置。其扫频激光器采用安捷伦公司的Agilent81600B，完成C波段波 长1527. 60-1565. 50nm的光载波信号输出，其波长扫描速度为80nm/s，最小中心波长间隔 0. 2nm，扫描时间间隔2. 5ms。本发明装置在扫频激光器的激励下完成X波段微波扫频信号 输出，其频率范围为8. 8552-10. 3992GHz，产生的微波扫频信号相位、频率稳定，实现方式较 简单，可满足光学测量、光学成像、激光雷达、激光光谱学、光纤传感、光通信以及微波光子 学等领域的应用需求。
[0015] (2)本发明着眼于新型光器件及光子集成技术的发展与创新对传统的光电振荡 器结构设计的改变，使用新型色散补偿模块完成传统光电振荡器中相应光纤延迟线功能， 虽然已有相关文献报道可以将光电振荡器应用于不同频率微波信号的产生，但在实际应用 中，由于光纤延迟线长度往往大于lKm，如若应用在产生微波扫频信号方面，必然会导致产 生微波扫频信号的频率切换时间间隔大于50ms。对比安捷伦公司的几款商用模拟信号发生 器相应技术指标如下：基本型N9310A频率切换时间小于10ms;高端型E8257D频率切换时 间小于8ms，因此较低的扫频速率制约了光电振荡器在微波扫频信号产生方面的应用。本 发明色散补偿模块使用Proximion公司基于啁啾布拉格光栅的C波段连续色散补偿模块 DCM-CB，长度10m，单个DCM-CB可补偿G. 652光纤长达240Km，G. 655光纤达480Km，而损耗 小于8dB。该模块的应用，使得传统光电振荡器中数公里乃至数十公里光纤延迟线的长度大 大降低，由此带来的产生微波扫频信号的频率切换时间间隔小于lms，较高的扫频速率奠定 了本发明装置在微波扫频信号产生方面应用的基础。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本发明实施例中，微波扫频信号产生装置结构示意图。
[0017] 图2是本发明实施例中，在扫频激光器进行C波段1527. 60-1565. 50nm扫频时，光 电振荡器输出的X波段频率范围为8. 8552-10. 3992GHz的微波扫频信号扫频范围曲线图。
[0018] 图3是本发明实施例中，在扫频激光器进行C波段1527. 60-1565. 50nm扫频时，光 电振荡器输出的X波段频率范围为8. 8552-10. 3992GHz的微波扫频信号频谱测量曲线图。
[0019] 图4是本发明实施例中，在扫频激光器输出中心波长固定在1556. 96nm时，光电振 荡器输出的频率为9. 1992GHz的微波信号波形与频谱图，
[0020] 图5是本发明实施例中，在扫频激光器输出中心波长固定在1556. 96nm时，光电振 荡器输出的频率为9. 1992GHz的微波信号的相位噪声测量曲线图。
[0021] 图6是本发明实施例中，在扫频激光器输出中心波长固定在1527. 60nm时，光电振 荡器输出的频率为10. 3992GHz的微波信号波形与频谱图。
[0022] 图7是本发明实施例中，在扫频激光器输出中心波长固定在1527. 60nm时，光电振 荡器输出的频率为10. 3992GHz的微波信号的相位噪声测量曲线图。
[0023] 图中有：扫频激光器1、相位调制器2、掺铒光纤放大器3、可调光衰减器4、色散补 偿模块5、环路器6、第一端口a、第二端口b、第三端口c、光纤7、偏振控制器8、光电探测器 9、微波信号放大器10、不波器或频谱仪11。
【具体实施方式】
[0024] 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，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下 述的实施例。
[0025] 如图1所示，本发明的一种基于光电振荡器的X波段微波扫频信号产生装置，包括 扫频激光器1、相位调制器2、掺铒光纤放大器3、可调光衰减器4、色散补偿模块5、环路器 6、光纤7、偏振控制器8、光电探测器9、微波信号放大器10、7^波器或频谱仪11，扫频激光器 1的输出端与相位调制器2的输入端连接，相位调制器2的输出端与掺铒光纤放大器3的 输入端连接，掺铒光纤放大器3的输出端与可调光衰减器4的输入端连接，可调光衰减器4 的输出端与环路器6的第一端口a连接，色散补偿模块5的输出端与环路器6的第二端口 b连接，环路器6的第三端口c通过光纤7与偏振控制器8的输入端连接，偏振控制器8的 输出端与光电探测器9的输入端连接，光电探测器9的输出端与微波信号放大器10的输入 端连接，微波信号放大器10的输出端分为两路，一路与示波器或频谱仪11的输入端连接， 另一路与相位调制器2的射频调制端连接。
[0026] 进一步，所述的基于光电振荡器的X波段高速微波扫频信号产生装置，其扫频 激光器1采用安捷伦公司的Agilent81600B，完成C波段波长1527. 60-1565. 50nm的 光载波信号输出，其波长扫描速度为80nm/s，最小中心波长间隔0. 2nm，扫描时间间隔 2.5ms。本发明装置在扫频激光器的激励下完成X波段微波扫频信号输出，其频率范围为 8.8552-10. 3992GHz〇
[0027] 进一步，所述的基于光电振荡器的X波段高速微波扫频信号产生装置，其采用色 散补偿模块5完成传统光电振荡器中相应光纤延迟线功能，该模块使用Proximion公司基 于啁啾布拉格光栅的C波段连续色散补偿模块DCM-CB，长度10m，单个DCM-CB可补偿G. 652 光纤长达240Km，G. 655光纤达480Km，而损耗小于8dB。该模块的应用，使得传统光电振荡 器中数公里乃至数十公里光纤延迟线的长度大大降低，由此带来的产生微波扫频信号的频 率切换时间间隔小于lms，较高的扫频速率奠定了本发明装置在微波扫频信号产生方面应 用的基础。
[0028] 上述基于光电振荡器的X波段微波扫频信号产生器的工作方法，包括以下过程： 利用扫频激光器1输出可调谐光载波至相位调制器2中，相位调制器2将微波信号放大器 输出的反馈光电转换信号，调制在可调谐光载波上，形成第一光信号，利用掺铒光纤放大器 3对第一光信号放大，再经过可调光衰减器4衰减光信号，控制光信号注入光功率，形成了 满足振幅要求的第二光信号，并传输至环路器6的第一端口a中，色散补偿模块5调节第一 端口a输入的第二光信号经过第二端口b处时的色散，得到含有基于光电振荡器的微波信 号起振频率信息的第三光信号，环路器的第三端口c输出第三光信号，第三光信号经光纤7 传输至偏振控制器8中，偏振控制器8控制输入的第三光信号的传输偏振态，再经光电探测 器9输出微波信号至微波信号放大器10,微波信号放大器10对微波信号进行放大处理后， 分为两路输出，一路反馈至相位调制器2形成闭环光电振荡回路，另一路输出至示波器或 频谱仪11中，利用示波器或频谱仪11测量微波信号。
[0029] 本发明中，相位调制器2将反馈的输出端光电信号调制在扫频激光器1输出的可 调谐光载波上，经掺铒光纤放大器3及可调光衰减器4协同控制其注入光功率，传输至环路 器第一端口a处，环路器第二端口b处连接色散补偿模块5,用于调谐光电振荡器的输出微 波信号的起振频率f；，起振频率根据
【权利要求】
1. 一种基于光电振荡器的X波段微波扫频信号装置，其特征在于：该产生器包括：扫 频激光器（1)、相位调制器（2)、掺铒光纤放大器（3)、可调光衰减器（4)、色散补偿模块（5)、 环路器（6)、光纤（7)、偏振控制器（8)、光电探测器（9)、微波信号放大器（10)、示波器或频 谱仪（11)，扫频激光器（1)的输出端与相位调制器（2)的输入端连接，相位调制器（2)的输 出端与掺铒光纤放大器（3)的输入端连接，掺铒光纤放大器（3)的输出端与可调光衰减器 (4)的输入端连接，可调光衰减器（4)的输出端与环路器（6)的第一端口（a)连接，色散补 偿模块（5)的输出端与环路器（6)的第二端口（b)连接，环路器（6)的第三端口（c)通过光 纤（7)与偏振控制器（8)的输入端连接，偏振控制器（8)的输出端与光电探测器（9)的输入 端连接，光电探测器（9)的输出端与微波信号放大器（10)的输入端连接，微波信号放大器 (10)的输出端分为两路，一路与示波器或频谱仪（11)的输入端连接，另一路与相位调制器 (2)的微波调制端连接。
2. 按照权利要求1所述的基于光电振荡器的X波段微波扫频信号装置，其特征在于： 所述的扫频激光器（1)采用安捷伦公司的Agilent 81600B，完成C波段波长1527. 60 - 1565. 50nm的光载波信号输出，其波长扫描速度为80nm/s。
3. 按照权利要求1所述的基于光电振荡器的X波段微波扫频信号装置，其特征在于： 所述的色散补偿模块（5)采用Proximion公司基于啁啾布拉格光栅的C波段连续色散补偿 模块DCM-CB，单个DCM-CB补偿G. 652光纤长达240Km，G. 655光纤达480Km，损耗小于8dB。
4. 一种权利要求1所述的基于光电振荡器的X波段微波扫频信号产生方法，其特征在 于：该方法包括以下过程：利用扫频激光器（1)输出可调谐光载波至相位调制器（2)中，相 位调制器（2 )将微波信号放大器输出的反馈光电转换信号，调制在可调谐光载波上，形成第 一光信号，利用掺铒光纤放大器（3 )对第一光信号放大，再经过可调光衰减器（4 )衰减光信 号，控制光信号注入光功率，形成了满足振幅要求的第二光信号，并传输至环路器（6)的第 一端口（a)中，色散补偿模块（5)调节第一端口 a输入的第二光信号经过第二端口（b)处时 的色散，得到含有基于光电振荡器的微波信号起振频率信息的第三光信号，环路器的第三 端口（ c )输出第三光信号，第三光信号经光纤（7 )传输至偏振控制器（8 )中，偏振控制器（8 ) 控制输入的第三光信号的传输偏振态，再经光电探测器（9)输出微波信号至微波信号放大 器（10)，微波信号放大器（10)对微波信号进行放大处理后，分为两路输出，一路反馈至相 位调制器（2)形成闭环光电振荡回路，另一路输出至示波器或频谱仪（11)中，利用示波器 或频谱仪（11)测量微波信号。
【文档编号】H03B23/00GK104410366SQ201410776073
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年12月15日 优先权日:2014年12月15日
【发明者】陈翰, 夏明宇, 孙小菡 申请人:东南大学