濾波器反饋復用的毫米波副載波光控微波波束形成網絡的製作方法
2023-05-23 20:23:21 1
專利名稱：濾波器反饋復用的毫米波副載波光控微波波束形成網絡的製作方法
技術領域：
濾波器反饋復用毫米波副載波光控微波波束形成網絡是一種對毫米波副載波做真延時的信號處理系統，屬於光通信和微波結合領域，特別是涉及到寬帶光控相控陣雷達，光控波束形成智能天線等領域。
背景技術：
光控微波波束形成網絡(OBFN)是微波光子學領域的一個重要研究方向，它是利用光波技術對寬帶微波信號進行功率分配，相位控制，以及功率合成，從而實現對微波信號空間分布的控制。最早的波束形成主要應用於相控陣雷達當中，主要是應用移相器實現波束指向。但當雷達需要同時對多個目標進行高精度的探測、跟蹤、定位等功能時，這就需要更高的帶寬和頻率，基於移相器的波束形成網絡在寬帶工作時就會產生波束偏斜現象，而基於真延時(TTD)的波束形成網絡則可以克服寬帶系統中的波束偏斜問題。早期的TTD模塊都是用同軸電纜等電設備構成的，當相控陣天線陣元很多時，波束形成部分體積龐大，重量大，損耗大，而且也容易受到電磁幹擾。在二十世紀八十年代初，光學處理技術的寬帶寬、低損耗、體積小、重量輕等優點吸引人們應用光學手段進行波束形成的設計，這就是光控微波波束形成網絡。隨著光纖技術的發展和寬帶多業務無線通信需求的增加，光控微波波束形成網絡已經成為近年來的研究熱點，在軍事、無線通信、經濟、科學研究等領域已經呈現出誘人的應用前景。
目前，基於寬譜光源的光控微波波束形成網絡是當前微波波束形成網絡的一個重要實現方案，它有延時精度高，穩定性好，抗串擾和多徑效果好，延時可以連續可調等優點。但是它也面臨光源能量應用效率較低，陣列規模擴展性不強等問題。
本發明為了解決上述的技術問題，提出了一種新型的基於濾波器復用的寬譜光源光控微波波束形成網絡，能夠有效的提高系統的能量利用效率，方便的擴展系統陣列規模。
發明內容
本發明的目的在於解決目前的基於寬譜光源的光控微波波束形成網絡所面臨的光源能量應用效率較低，陣列規模擴展性不強等問題，提出一種新型的基於濾波器復用的寬譜光源光控微波波束形成網絡，有效的提高系統的能量利用效率，方便的擴展系統陣列規模。
本發明的特徵在於含有寬譜光源、波長選擇復用模塊、反饋復用環行器、第一摻鉺光纖放大器、M-Z調製器、第二摻鉺光纖放大器、色散元件以及第三摻鉺光纖放大器，其中 寬譜光源，波長為1534nm-1560nm，誤差±1dB，總功率為100mW； 波長選擇復用模塊，由一個1:N的分束器、N條波長選擇復用支路以及一個N:1的合路器依次接連構成，其中 1:N的分束器，輸入是所述寬譜光源發出的寬譜光，輸出為N路寬譜光； N條波長選擇復用支路，每一條波長選擇復用支路由一個支路環行器和一個支路可調諧濾波器串聯構成，所述的支路環行器接收由所述1:N分束器輸出的一束寬譜光，所述支路可調諧濾波器輸出對應於該支路的信號光譜； N:1合路器，是一個N:1的耦合器，將所述的N條波長選擇復用支路輸出的N個信號光譜合為梳狀光譜，作為所述波長選擇復用模塊的輸出； 反饋復用環行器，接收從所述N:1合路器輸出的梳狀光譜再輸出到第一摻鉺光纖放大器放大； 第一摻鉺光纖放大器，把放大後梳狀光譜輸出到一個M-Z調製器； M-Z調製器，把一個需要傳輸的微波信號調製到所述的梳狀光譜上，其需要傳輸的微波信號由一個微波源輸入； 第二摻鉺光纖放大器，接收由M-Z調製器輸出的受所述需傳輸的微波信號調製後的梳狀光譜，並加以放大，再輸出到所述的色散元件； 色散元件是一個啁啾光纖光柵，對接收到的所述的梳狀光譜進行色散延時後，再輸出到所述的第三摻鉺光纖放大器進行放大； 第三摻鉺光纖放大器，把先經過所述的需傳輸的微波信號調製、再色散延時的梳狀光譜放大，再反饋到所述的反饋復用環行器後，再由該反饋復用環行器反向反饋到所述的N:1合路器，合路器將收到的所述反饋復用環行器輸出的能量都集中在梳狀光譜中的各個峰值波長處的光譜，分為N束光譜反向輸入到所述N條波長選擇復用支路中的各個可調諧濾波器的反饋輸入埠進行反饋濾波，濾波後的光譜進入到所述各波長選擇復用支路中的環行器的反向輸入埠後輸出N路具有不同延時的信號供自動功率均衡所用。
發明效果本發明中，通過濾波器和環行器組成的波長選擇復用模塊，可以減少光路中無用光譜分量，使得系統放大能量都集中在有用波長的光信號上面，能夠大大提高系統能量的利用效率，提高進入PD前的光信號水平，從而獲得更好的信噪比。經過實驗證實，能夠提高PD前端光功率達8dB。提高信噪比16dB。另外由於系統能量利用效率提高，同樣規模的系統能夠支持更大的陣列規模，使得系統擴展性增強。
圖1濾波器反饋復用的毫米波副載波光控微波波束形成網絡的基本結構。
具體實施例方式 本發明的基本原理為通過對濾波器正反方向的復用，使得波束形成網絡中的寬譜光源譜型得到整形優化，使其在EDFA中的放大效率得到很大提高，進而提高整個鏈路中有效光譜的功率水平，達到提高能量利用效率，在相同的系統功率下新方案能夠有效提高信噪比，能支持比普通延時網絡更大規模的陣列。此波束形成網絡的基本結構如圖1所示。
圖1中由寬譜光源發出的寬譜光，首先進入波長選擇復用模塊，此模塊由一個1:N的分束器、N條波長選擇復用支路以及一個N:1的合路器依次接連構成，寬譜光通過1:N分束器分為N個支路，每一支路都進入該支路環行器的1埠，通過環行器後從環行器的2埠輸出進入濾波器，得到該路的信號光譜，然後把每一路的信號光譜通過N:1的合路器合為一路得到梳狀光譜後由波長選擇復用模塊輸出。輸出後梳狀光譜輸入一個環行器的2埠。梳狀光譜經過環行器的3埠輸出後進入EDFA放大，放大後的光譜經過一個M-Z調製器被調製上微波信號。該調製後的梳狀光譜通過色散元件後，不同的光譜峰值獲得了不同的色散群延時。通過色散元件後的梳狀光譜再一次被EDFA放大後，進入環行器的1埠，由2埠輸出後重新再輸入到波長選擇復用模塊。在波長選擇復用模塊中梳狀光譜被分配到每一個濾波器上反向濾波，通過後剩下的光譜進入到支路環行器的2埠，由3埠輸出至功率均衡器，均衡各路光功率，使得到達光電探測器的光功率相等。經過光探測器的探測，光微波信號被還原為延時後的微波信號並且經過天線陣列發射。
我們採用的寬譜光源為1530nm到1560nm，總功率為100mW，波長起伏不大於1dB。這樣的寬譜光進入波長選擇復用模塊，被1:N耦合器分為N路。每一路中由於環行器和可調諧濾波器的作用，寬譜的一部分光譜被濾出進入N:1耦合器合路。合路後的光譜成為我們需要的N個峰值的梳狀譜。實驗時N＝4，得到的梳狀光譜的4個峰值波長分別為1553.1nm，1555.2nm，1557.3nm和1559.4nm，各波長間的功率起伏不大於1dB。
在通過波長選擇復用模塊後，梳狀光譜通過EDFA放大後進入到一個電光調製器，被需要傳輸的微波信號調製。調製了微波信號的梳狀光譜被送入色散元件，不同的光譜分量獲得不同的色散群延時。這裡色散器件可以是高色散啁啾光纖光柵，高色散光子晶體光纖等多種高色散波導。獲得了不同色散延時的梳狀光譜再次進入EDFA被放大。這裡EDFA是一個功率放大EDFA，它為梳狀譜再入波長選擇復用模塊提供足夠的能量。由於EDFA放大的是梳狀光譜，它的放大能量都集中在梳狀光譜中的各個峰值波長處。由於傳統的寬譜光源光控微波波束形成網絡中EDFA放大的是均勻光譜，所有能量都平均的分配到整個波段上面，絕大部分會被後面濾波去濾除，與傳統的方案相比，新方案中EDFA的能量都集中在了有用的峰值波長上，絕大部分EDFA的能量都用於放大了濾波器帶內的有用光信號，他們在再次通過濾波器的時候絕大部分都會被保留下來，使得系統能量利用效率大大提高。實驗時N＝4，由於EDFA增益譜型的非平坦性，第三EDFA放大後梳狀光譜各個光譜分量的功率已經不再相等，需要在系統後級用自動功率均衡器來均衡。
光譜再次進入波長選擇復用模塊後，通過1:N的耦合梳狀譜被分為N路，每一路進入濾波器再次濾波。濾波後得到每一路所需要的光譜分量。此分量被送入到光功率均衡模塊中均衡為一個固定功率值。均衡後的光信號被送入PD中探測，還原成我們延時後的微波信號，實驗得到了清晰的眼圖。
我們的系統也能夠方便的擴展陣列數量，只需要加上新的波長選擇復用模塊就可以完成。實驗中成功的擴展成了N＝8的濾波器反饋復用的毫米波副載波光控微波波束形成網絡，並得到了第一EDFA放大前和第三EDFA放大後的光譜圖。
權利要求
1.濾波器反饋復用的毫米波副載波光控微波波束形成網絡，其特徵在於，含有寬譜光源、波長選擇復用模塊、反饋復用環行器、第一摻鉺光纖放大器、M-Z調製器、第二摻鉺光纖放大器、色散元件以及第三摻鉺光纖放大器，其中
寬譜光源，波長為1534nm-1560nm，誤差±1dB，總功率為100mW，
波長選擇復用模塊，由一個1:N的分束器、N條波長選擇復用支路以及一個N:1的合路器依次接連構成，其中
1:N的分束器，輸入是所述寬譜光源發出的寬譜光，輸出為N路寬譜光，
N條波長選擇復用支路，每一條波長選擇復用支路由一個支路環行器和一個支路可調諧濾波器串聯構成，所述的支路環行器接收由所述1:N分束器輸出的一束寬譜光，所述支路可調諧濾波器輸出對應於該支路的信號光譜，
N:1合路器，是一個N:1的耦合器，將所述的N條波長選擇復用支路輸出的N個信號光譜合為梳狀光譜，作為所述波長選擇復用模塊的輸出，
反饋復用環行器，接收從所述N:1合路器輸出的梳狀光譜再輸出到第一摻鉺光纖放大器放大，
第一摻鉺光纖放大器，把放大後梳狀光譜輸出到一個M-Z調製器，
M-Z調製器，把一個需要傳輸的微波信號調製到所述的梳狀光譜上，其需要傳輸的微波信號由一個微波源輸入，
第二摻鉺光纖放大器，接收由M-Z調製器輸出的受所述需傳輸的微波信號調製後的梳狀光譜，並加以放大，再輸出到所述的色散元件，
色散元件是一個啁啾光纖光柵，對接收到的所述的梳狀光譜進行色散延時後，再輸出到所述的第三摻鉺光纖放大器進行放大，
第三摻鉺光纖放大器，把先經過所述的需傳輸的微波信號調製、再色散延時的梳狀光譜放大，再反饋到所述的反饋復用環行器後，再由該反饋復用環行器反向反饋到所述的N:1合路器，合路器將收到的所述反饋復用環行器輸出的能量都集中在梳狀光譜中的各個峰值波長處的光譜，分為N束光譜反向輸入到所述N條波長選擇復用支路中的各個可調諧濾波器的反饋輸入埠進行反饋濾波，濾波後的光譜進入到所述各波長選擇復用支路中的環行器的反向輸入埠後輸出N路具有不同延時的信號供自動功率均衡所用。
全文摘要
濾波器反饋復用的毫米波副載波光控微波波束形成網絡屬於毫米波副載波光控微波波束形成技術領域，其特徵在於，用一個波長選擇復用模塊把寬譜光源輸出的寬譜光轉換為一個梳狀光譜，經過所需傳輸的微波信號的調製後，再經色散延時、放大後形成一個大部分能量集中在各峰值波長處的梳狀光譜，再利用所述波長選擇復用模塊中的可調諧濾波器反向濾波後，得到所需的各路信號，摻鉺光纖放大器中的放大效率得到很大提高從而提高了整個鏈路的有用光譜的功率水平，與傳統的寬譜光經光控微波波束形成網絡相比，提高了能量利用率。
文檔編號H04B10/12GK101359962SQ200810222809
公開日2009年2月4日 申請日期2008年9月19日 優先權日2008年9月19日
發明者鄭小平, 宋怡橋, 薛曉曉, 張漢一, 周炳琨 申請人:清華大學