专利名称：一种光子集成微波频率测量系统及方法
技术领域：
本发明涉及微波信号处理领域中的微波频率测量方法，尤其涉及一种光子集成微波频率测量的系统及其使用方法。
背景技术：
微波频率测量是射电天文学、电子战和通信等领域的一项重要技术，传统基于电子器件的微波频率测量方法由于受到采样速率电子瓶颈和处理带宽的限制，很难满足大范围、低误差微波频率测量要求。光子学与微波学相结合而产生的微波光子技术为微波频率的大范围准确测量提供了良好的手段，可以充分利用光的大带宽、低损耗、可调谐、可复用等优势，同时具有良好的抗电磁干扰性能。目前基于光子学方法的微波频率测量技术按其功能实现方式可以分为两类，一类是基于光纤与分立光电子器件的测量系统与方法，另一类是基于集成波导结构的测量系统与方法。前者得益于光纤通信技术的进步而发展十分迅速，但在频率测量范围、测量准确度等方面存在较大局限，尤其是这些方法通常需要多个光源、多个调制器、长距离单模光纤、保偏光纤或高色散光纤等，使得测量系统庞大、结构复杂，在实际应用中存在较多限制。后者采用集成波导结构，可与激光器、调制器、光电探测器等平面集成，具有集成度高、体积小、重量轻的优点，具有广阔的应用前景。在先技术[I](John Μ· Heaton，Chris D.Watson, Sylvia B.Jones，Michelle M. Bourke，Co I in M. Boyne, Gilbert W. Smith and David R. Wight,“16-channel(l-tol6-GHz)microwave spectrum analyzer device based on a phasedarray of GaAs/AlGaAs electro-optic waveguide delay lines，，，Proc. SPIE，1998，Vol. 3278，pp. 245-251)中利用集成波导相控阵列系统实现光载微波信道化，通过C⑶相机记录衍射图样，从而获得待测微波信号的频率。但该集成波导相控阵列系统由多模干涉波导光分路器、电光波导相移器和波导延时线等组成，系统结构复杂，为了实现大范围微波频率测量，分路器数、相移器数和延时通道数将大大增加，很难实现波导相控阵列的单片集成。在先技术[2](Steve T. Winnall, A. C. Lindsay, Michael W. Austin, JohnCanning，and Arnan Mitchell，“A microwave channelizer and spectroscope based onan integrated optical Bragg-grating Fabry-Perot，，，IEEE Transactions on MicrowaveTechnology and Techniques，2006，Vol. 54，No. 2，pp. 868-872.)中利用集成波导光極法布里-珀罗腔(BGFP)和集成波导菲涅尔透镜将光载微波信号空间分开，然后用光电探测器阵列接收，从而实现微波频率测量。但由于受BGFP精细度所限，该系统测量分辨率较低。在先技术[3](Honglei Guo, Gaozhi Xiao, Nezih Mrad, and Jianping Yao,“Measurement of microwave frequency using a monolithically integrated scannableechelle diffractive grating，，，IEEE Photonics Technology Letters，2009，Vol. 20，No. I，pp. 45-47.)中利用集成波导阶梯衍射光栅(EDG)的分光特性来实现输出光波长与待、测微波频率之间的映射关系。通过对EDG温度扫描测量输出光波长，从而获得与之对应的微波频率。由于受到EDG通道数限制，该系统测量微波频率范围窄；另外受EDG的最小带宽所限，该系统微波频率测量误差较高。
发明内容
本发明针对以上问题提出一种光子集成微波频率测量系统，具有光子集成平台；激光器，集成在光子集成平台上，用于发射光载波；电光调制器，集成在光子集成平台上，通过第四直波导与激光器相连接；接收微波信号的微波接收天线与电光调制器相连；所述电光调制器将接收到的微波信号调制到所述由激光器发出的光载波上，产生正负一阶边带；集成波导微环单元，其谐振频率与所述激光器发出的光波频率重合，其具有第一直波导，其输入端与所述电光调制器相连接，接收所述光载微波；波导环，位于第一直波导的一侧，与第一直波导靠近，形成稱合器；第二直波导，与第一直波导平行，与波导环靠近，位于所述波导环与第一直波导相对的一侧，该第二直波导与波导环形成耦合器；所述第一直波导、波导环和第二直波导均集成在光子集成平台上；第一光电探测器与第二光电探测器第一光电探测器与第一直波导的输出端相连接，接收由第一直波导输出的光载微波，输出微波功率；第二光电探测器与第二直波导的输出端相连接，接收由第二直波导输出的光载微波，输出微波功率；数据采集与处理单元，通过第一电路和第二电路分别与所述光电探测器和光电探测器相连接，接收两路微波功率数据，计算微波频率；所述第一光电探测器、第二光电探测器、数据采集与处理单元、第一电路和第二电路均集成在所述光子集成平台上。还具有与所述第一直波导和第二直波导平行的第三直波导，该第三直波导，集成在所述光子集成平台上，其一端通过一弯曲波导与所述第二直波导相连接；第三直波导的另一端与所述第二光电探测器相连接。波导环为圆形、椭圆形、跑道形或多边形。一种光子集成微波频率测量方法，具有如下步骤a.接收待测微波，将待测微波调制在光波上，产生正负一阶边带；b.将光载微波输入如权利要求I所述的集成波导微环单元中，光载波频率与集成波导微环单元的谐振频率重合；c.检测由所述波导微环单元输出的两路微波功率，其中由第一直波导输出的微波功率记作PKF1，由所述第三直波导输出的微波功率记作Pkf2 ；d.根据公式⑴、(2)和(3)计算接收到的微波频率
权利要求
1.ー种光子集成微波频率測量系统，其特征在于具有 光子集成平台⑴； 激光器(2)，集成在光子集成平台(I)上，用于发射光载波； 电光调制器(3)，集成在光子集成平台(I)上，通过第四直波导(9)与激光器(2)相连接；该光电调制器(3)与接收微波信号的微波接收天线(4)相连；所述电光调制器(3)将接收到的微波信号调制到所述由激光器(2)发出的光波上，产生正负ー阶边带； 集成波导微环単元(5)，其谐振频率与所述激光器(2)发出的光波频率重合，其具有 第一直波导(51),其输入端与所述电光调制器(3)相连接,接收所述光载微波； 波导环(52),位于第一直波导(51)的ー侧,与第一直波导(51)靠近,形成稱合器；第二直波导(53)，与第一直波导(51)平行，与波导环(52)靠近，位于所述波导环(52)与第一直波导(51)相对的ー侧，该第二直波导(53)与波导环(52)形成I禹合器； 所述第一直波导(51)、波导环(52)和第二直波导(53)均集成在光子集成平台(I)上； 第一光电探测器￠1)与第二光电探测器(62) 第一光电探测器(61)与第一直波导(51)的输出端相连接,接收由第一直波导(51)输出的光载微波，输出微波功率；第二光电探测器(62)与第二直波导(53)的输出端相连接，接收由第二直波导(53)输出的光载微波，输出微波功率； 数据采集与处理单元(7)，通过第一电路(81)和第二电路(82)分别与所述光电探測器(61)和光电探测器￠2)相连接，接收两路微波功率数据，计算微波频率； 所述第一光电探测器(61)、第二光电探测器(62)、数据采集与处理单元(7)、第一电路(81)和第二电路(82)均集成在所述光子集成平台(I)上。
2.根据权利要求I所述的ー种光子集成微波频率測量系统，其特征在于还具有与所述第一直波导(51)和第二直波导(53)平行的第三直波导(55),该第三直波导(55),集成在所述光子集成平台(I)上，其一端通过ー弯曲波导(54)与所述第二直波导(53)相连接；第三直波导(55)的另一端与所述第二光电探测器￠2)相连接。
3.根据权利要求I或2所述的ー种光子集成微波频率測量系统，其特征还在于所述波导环(52)为圆形、椭圆形、跑道形或多边形。
4.ー种光子集成微波频率測量方法，其特征在于具有如下步骤 a.接收待测微波，将待测微波调制在光波上，产生正负ー阶边带； b.将光载微波输入如权利要求I所述的集成波导微环単元(5)中，光载波频率与集成波导微环単元(5)的谐振频率重合； c.检测由所述波导微环单元(5)输出的两路微波功率，其中由第一直波导(51)输出的微波功率记作PKF1，由所述第三直波导(55)输出的微波功率记作Pkf2 ； d.根据公式(I)、(2)和(3)计算接收到的微波频率= A + B COs(O)jTr)(I) Prf 2 j レ1 -h Vrf[(I- ~i) + a-^2)r](2)(^yfrY B レ I-K1 -TT- K1 Vrf [2^1K1 yr](3) (K-I^Vr)2其中Kェ是第一直波导(51)与波导环(52)构成耦合器的交叉强度耦合系数，K 2是第二直波导(53)与波导环(52)构成耦合器的交叉强度耦合系数，Y是环波导的周损耗系数，I；是波导环(52)的周时延，FSR= 1/%为波导环(52)的自由光谱范围，《 i = 2 Jiも，も是微波频率。
5.根据权利要求4所述的ー种光子集成微波频率測量方法，其特征还在于所述微波以小信号调制方式调制在光载波上。
全文摘要
本发明公开了一种基于光子集成技术的微波频率测量系统及方法，系统包括微波接收天线、激光器、电光调制器、集成波导微环单元、光电探测器和数据采集与处理单元，上述各部分处于光子集成平台上。由微波接收天线接收的待测微波信号经电光调制器调制到激光器输出的光波上，产生正负一阶边带，光载微波进入集成波导微环单元，经集成波导微环单元两个输出端口输出的光载微波分别由光电探测器探测输出微波功率值，两路微波功率值输入至数据采集与处理单元，通过两路微波功率比值可以得到入射微波信号的频率。本发明解决了现有技术中微波频率测量系统测量范围小、误差大、系统结构复杂、体积大等问题，具有结构简单、集成度高、稳定性好、操作方便的优点。
文档编号G01R23/02GK102628893SQ20121010962
公开日2012年8月8日 申请日期2012年4月13日 优先权日2012年4月13日
发明者谷一英, 赵明山, 韩秀友 申请人:大连理工大学