阅读说明：本技术 一种微波光子倍频及移频装置与移频方法 (Microwave photon frequency doubling and shifting device and frequency shifting method ) 是由 高永胜 谭佳俊 王鑫圆 董洪建 张京 樊养余 谭庆贵 蒋炜 于 2021-05-31 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种微波光子倍频及移频装置与移频方法,激光器输出光端口连接调制器输入光端口,调制器的输出光端口连接MZI的公共输入端口,MZI输出两路光,其中一路经过PM后,与另外一路共同进入光耦合器,光耦合器输出的光信号连接BPD的光输入端口,待移频信号连接调制器的射频输入端口,DDS输出电信号连接PM的射频输入端口。本发明具有结构简单、带宽大、杂散失真小、可级联扩展等优点,能够提高工作频率范围和信号带宽,降低移频后信号的杂散失真,并具有抗电磁干扰优点；可以满足雷达目标动态多普勒频移模拟的需求,具有通道可扩展、可实现多级频移累积的优点,转换效率高、杂散失真小。(The invention provides a microwave photon frequency doubling and shifting device and a frequency shifting method.A laser output optical port is connected with an input optical port of a modulator, the output optical port of the modulator is connected with a common input port of a MZI, the MZI outputs two paths of light, one path of light enters an optical coupler together with the other path of light after passing through a PM, an optical signal output by the optical coupler is connected with an optical input port of a BPD, a signal to be shifted is connected with a radio frequency input port of the modulator, and a DDS output electric signal is connected with a radio frequency input port of the PM. The invention has the advantages of simple structure, large bandwidth, small stray distortion, cascade expansion and the like, can improve the working frequency range and the signal bandwidth, reduce the stray distortion of the signals after frequency shift, and has the advantage of anti-electromagnetic interference; the method can meet the requirement of radar target dynamic Doppler frequency shift simulation, has the advantages of expandable channel and capability of realizing multistage frequency shift accumulation, and has high conversion efficiency and small stray distortion.)

一种微波光子倍频及移频装置与移频方法

技术领域

本发明涉及微波光子

技术领域

和雷达

技术领域

，尤其是一种微波光子倍频及移频装置及移频方法。

背景技术

微波移频器已广泛应用于电子对抗、多址通信和雷达测量等系统。在电子对抗系统中，微波移频器可用来对雷达信号施加虚假的多普勒频移信息，例如，将一个12GHz 载频的雷达信号移频25kHz，会输出一个速度为312.5米/秒的虚假目标信号。在频控阵雷达系统中，为了形成具有一定频率差的阵列波束，需要微波移频器实现雷达信号的多通道移频。

目前的电子系统通常采用微波I/Q混频器(即单边带变频器)实现微波信号的移频，但由于电子瓶颈，微波I/Q混频器存在带宽受限、频率依赖、杂散失真、电磁干扰等问题，难以实现大带宽、低失真的微波信号移频。

近些年，国内外报道了基于微波光子技术的移频方法，这些方法包括光纤色散时频映射、声光调制、微波光子I/Q混频。光纤色散时频映射方法产生的多普勒频移大小取决于光纤色散值，因此调谐性差，难以满足雷达目标动态模拟的需求；声光调制方法只能进行单频率移频，难以实现多个频移；微波光子I/Q混频效率低、杂散失真严重。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种微波光子倍频及移频装置与移频方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种微波光子倍频及移频装置，包括激光器、调制器、马增干涉仪(Mach-Zehnderinterferometer，MZI)、直接数字合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)、相位调制器(Phase Modulator，PM)、光耦合器和平衡光电探测器(Balanced Photodetector，BPD)，激光器输出光端口连接调制器输入光端口，调制器的输出光端口连接MZI的公共输入端口，MZI输出两路光，其中一路经过PM后，与另外一路共同进入光耦合器，光耦合器输出的光信号连接BPD的光输入端口，待移频信号连接调制器的射频输入端口， DDS输出电信号连接PM的射频输入端口。

激光器产生单波长光载波，进入调制器被载频为f₀的微波信号调制，调制器输出对称的上下光边带±kf₀，其中k表示光边带阶数，利用MZI将上下光边带分离，上边带在PM中相位调制产生光移频Δf后与下边带进行耦合，在BPD光电探测，得到 2kf₀+Δf的信号，不仅实现了调制信号的k倍频，还将该信号移频了Δf。

本发明还提供一种微波光子倍频及移频装置的移频方法，具体步骤为：

激光器输出光信号表示为E_c(t)，输入调制器射频端口的微波信号表示为f₀指输入微波信号的频率，指输入微波信号的初始相位，调制器输出的上下光边带信号表示为：

E_MZM＝E_c(t){J₁(m)exp[j(2πkf₀t)]-J₁(m)exp[-j(2πkf₀t)]}

其中，m＝πV/V_π表示微波信号调制指数，V_π是调制器的半波电压，J_n(·)是n阶贝塞尔函数，k为正整数；

通过MZI后的上下光边带信号分别表示为：

DDS产生的锯齿波信号对上边带信号E₁进行相位调制，输出的光信号表示为：

其中是移频量，移频量与锯齿波的频率f_m和幅度V_DDS、相位调制器的半波电压V_π,PM有关，最终，两路信号通过BPD进行耦合，输出倍频后的移频信号：

通过设置锯齿波的频率f_m和幅度V_DDS更改移频量Δf，当为整数n时，实现精准的移频nf_m，若使用负斜率的锯齿波，实现负移频。

进一步的，改变调制器的工作点，调制器输出的上下光边带阶数k为1,2…，最终实现微波信号二倍频、四倍频甚至更高阶数的倍频及移频，改变调制器的调制指数可以调节边带幅度大小。

进一步的，本发明中采用MZI实现双通道滤波，实际中还可利用任意波导光栅(Arrayed Waveguide Grating，AWG)、光学谐振腔、光纤布拉格光栅(Fiber BraggGrating，FBG)、波分复用器(Wavelength Division Multiplexer，WDM)代替MZI。

进一步的，通过将多个相位调制器级联，每个相位调制器所产生的移频累积，每个可产生多个通道、频差可累积的倍频及移频信号，即第一个相位调制器产生频移Δf，第二个相位调制器产生频移2Δf，以此类推。

进一步的，可以放弃倍频功能，实现微波信号无倍频的移频，装置与图1相同，调制器工作在正交点，使调制器输出光载波和正负一阶光边带，通过MZI分离光载波和其中一个光边带(正一阶或负一阶)，其中光载波或光边带被锯齿波相位调制，拍频探测后可得到无倍频的移频信号。

本发明的有益效果在于提出一种微波光子倍频及移频装置及方法，具有结构简单、带宽大、杂散失真小、可级联扩展等优点。与微波移频方法相比，本发明利用光子技术优势，在光域实现宽带微波信号的移频，能够提高工作频率范围和信号带宽，降低移频后信号的杂散失真，并具有抗电磁干扰优点；与近些年报道的光纤色散时频映射方法相比，避免频率依赖，频率可调谐性好，可以满足雷达目标动态多普勒频移模拟的需求；与声光调制方法相比，本发明具有通道可扩展、可实现多级频移累积的优点；与微波光子I/Q混频方法相比，本发明转换效率高、杂散失真小。因此本发明在雷达目标多普勒频移模拟、雷达参量测量、电子对抗、多址通信等电子系统中，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明微波光子倍频及移频装置图；

图2为调制器输出的双边带信号；

图3为MZI输出的两路信号：图3(a)为上边带信号；图3(b)为下边带信号；

图4为相位调制器输出的光信号；

图5为PD输出的倍频及移频信号：图5(a)为单通道倍频及移频信号；图5(b) 为多通道倍频及移频信号。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。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：

本实施例中，装置包括：激光器、调制器、双通道滤波器、DDS、PM、BPD、微波信号源、频谱分析仪。激光器的输出光端口与调制器的输入光端口相连；调制器输出的光信号被双通道滤波器分成两路，一路进行锯齿波相位调制移频后与另一路耦合进入BPD；BPD的电输出端连接频谱分析仪；微波信号源连接调制器的射频端口， DDS输出端口连接PM的射频端口。

实施例中，方法的具体实施步骤是：

步骤一：激光器产生功率为40mW的单载波激光；微波信号源产生频率为4GHz、功率为5dBm的正弦信号；调制器半波电压为7V，插入损耗为6dB，消光比35dB；双通道滤波器抑制比为40dB；BPD响应度为1A/W；DDS产生的锯齿波重复频率为 500MHz，幅度为2V。

步骤二：设置调制器直流偏置为7V，使调制器工作在最小点，产生抑制载波的双边带信号，如图2所示。

步骤三：调制器输出的信号进行双通道滤波，输出两路光信号，其中一路包含上边带，频谱如图3(a)所示，另一路包含下边带，频谱如图3(b)所示。

步骤四：上边带进入PM，被锯齿波调制实现500MHz的光移频，如图4所示，然后与下边带耦合后一同输入BPD。

步骤五：BPD输出的电信号进入频谱分析仪，得到频率为8.5GHz的微波信号，如图5(a)所示，因此实现了4GHz微波信号的二倍频及500MHz移频。

步骤六：通过将多个PM级联，每个PM均被500MHz锯齿波调制，最终可以得到一系列多通道的移频信号：8GHz、8.5GHz、9GHz、9.5GHz、10GHz等，如图5(b) 所示。

综上所述，本发明的微波光子倍频及移频装置及方法，结构简单易于实现，工作带宽大、杂散失真小、可调谐性高、可级联扩展。

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，激光器波长和功率、微波信号格式、频率和功率、锯齿波的幅度、频率以及斜率、PM的半波电压等都可以改变。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。