星載光電振蕩器實現(xiàn)方法范文
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《空間電子技術雜志》2015年第一期
光電振蕩器的基本結構如圖1所示，包括一個激光源、電光調(diào)制器、長光纖環(huán)路、光電探測器、射頻放大器、射頻耦合器以及窄帶濾波器等。從圖中可以看出光電振蕩器利用這些器件構成一個光電混合結構的正反饋閉環(huán)振蕩環(huán)路，將激光器發(fā)出的連續(xù)光信號通過反饋鏈路轉化為電信號。其工作過程如下:激光源產(chǎn)生連續(xù)的光信號，進入電光調(diào)制器，然后通過一段長光纖環(huán)路，再進入光電探測器轉變成電信號，電信號經(jīng)過射頻放大器進行功率放大，以及窄帶濾波器濾波選頻，由射頻耦合器分出一部分電信號作為電域輸出，剩余電信號反饋回到電光調(diào)制器調(diào)制光信號。諧振腔中的微波功率放大器提供環(huán)路增益，微波電信號經(jīng)過這樣的多次反饋循環(huán)調(diào)制積累之后，系統(tǒng)短時間內(nèi)就能達到穩(wěn)定狀態(tài)，形成穩(wěn)定振蕩，最終輸出頻率穩(wěn)定、相位噪聲性能優(yōu)良的微波本振信號。光電振蕩器的原理可以從諧振腔的原理來分析。眾所周知，最簡單的諧振腔即是RC諧振腔，其中電容為主要儲能器件，RC參數(shù)決定諧振頻率。構建一個光電混合諧振腔，閉合腔由光纖和微波器件、電纜組成，選頻功能由電濾波器來實現(xiàn)，光纖環(huán)路產(chǎn)生時間延遲，以獲得產(chǎn)生低噪聲高質(zhì)量的信號所需的品質(zhì)因素Q，利用電光調(diào)制器以及光纖低損耗的特性，將連續(xù)光變?yōu)榉€(wěn)定的、頻譜干凈的射頻信號輸出，且輸出的微波本振信號頻率由窄帶濾波器的通帶特性決定。
2星載光電振蕩器的振蕩頻率和幅度特性
光電振蕩器在形成振蕩的過程中，由于環(huán)路中的反饋作用，只有信號幅度和相位滿足一定條件的振蕩頻率才能形成振蕩并輸出微波本振信號。公式2為非線性調(diào)制情況下得到的微波信號電壓，經(jīng)過具有足夠窄的通帶窗口的濾波器作用后調(diào)制過程可被線性化，線性處理后的微波信號輸出可表示為。由以上數(shù)學分析和圖示可以看出光電振蕩器要產(chǎn)生自激振蕩必須滿足兩個必要條件［8］:在環(huán)路中，信號的鏈路增益必須大于鏈路損耗;環(huán)路所有起振的模式中，只有與基波信號的相位差為2π的整數(shù)倍的模式才能起振。
3星載光電振蕩器的相位噪聲分析
相位噪聲是指在系統(tǒng)內(nèi)的各種噪聲作用下信號所表現(xiàn)出的相位隨機起伏，相位的隨機起伏必然引起頻率隨機起伏，這種起伏速度較快，所以又稱之為短期頻率穩(wěn)定度。相位噪聲定義為:偏離載頻1Hz帶寬內(nèi)單邊帶相位噪聲功率Pssb與載頻信號功率P0之比，如圖4所示。光電探測器中的基本噪聲有:熱噪聲，散彈噪聲和激光器的相對強度噪聲，為了便于分析，將所有噪聲等效為光電探測器產(chǎn)生的噪聲。計算光電振蕩器的信號譜。令ρN(ω)為ω處的輸入噪聲的功率密度，可以得到:。振蕩器噪聲功率譜密度等于單邊帶相位噪聲密度和單邊帶幅度噪聲密度的和，大多數(shù)情況下，單邊帶幅度噪聲遠遠小于單邊帶相位噪聲，因此功率譜密度就等于單邊帶的相位噪聲密度。從光電振蕩器相位噪聲的理論分析中，可以看出光電振蕩器的相位噪聲性能具有如下幾個特點:(1)光電振蕩器的相位噪聲與振蕩器的振蕩頻率fosc無關;(2)光電振蕩器的相位噪聲將隨著頻偏f＇平方降低;(3)對于固定的頻偏f''''，相位噪聲將隨著環(huán)路延遲時間平方降低。
結果表明光電振蕩器可以產(chǎn)生高頻率、低相位噪聲的信號。這相比傳統(tǒng)光學倍頻法產(chǎn)生高頻信號時相位噪聲隨頻率提高迅速惡化有很大優(yōu)勢。圖5所示為利用圖1所示光電振蕩器結構得到的6GHz本振信號單邊帶相位噪聲測試圖。可以看出，利用基于長光纖環(huán)路的光電振蕩器設計方案得到的本振信號在10KHz偏移處，相位噪聲為－104．5dBc/Hz，生成的本振信號具有很高的頻譜純凈度。由圖5還可以看出，在偏離載波100KHz到1MHz范圍內(nèi)，相位噪聲性能發(fā)生一定的惡化。這主要由光電振蕩器中光源線寬和窄帶濾波器通帶特性決定。光源線寬不可能無限小，在反饋振蕩過程中，線寬越大，光載波受到的光纖內(nèi)非線性效應影響越明顯。同樣，受限于窄帶濾波器的通帶特性，在偏離起振頻率一定范圍后，反饋振蕩過程中起伏速率變快，最終造成相位噪聲性能的惡化。因此，如果能采用別的光學器件代替光電振蕩器中的窄帶濾波器，相位噪聲性能能夠得到進一步提高，這也是目前光電振蕩器的一個熱點研究方向。目前，光電振蕩器已經(jīng)有部分產(chǎn)品走向商用化，美國OEwave公司已經(jīng)通過美國宇航局噴氣推進實驗室(JPL)生產(chǎn)出了3款相位噪聲性能極佳的光電振蕩器，該公司也是全世界唯一一家可以制作超低相位噪聲光電振蕩器的公司。其中一款產(chǎn)品在頻偏100Hz、1KHz、10KHz、10KHz、1MHz時，10GHz信號的相位噪聲為:－115dBc/Hz，－145dBc/Hz，－163dBc/Hz，－165dBc/Hz，－170dBc/Hz，相位噪聲性能極其出色。雖然光電振蕩器有如此優(yōu)良的性能，但是仍有一些問題需要解決。光電振蕩器本質(zhì)上是一個產(chǎn)生多模振蕩的設備，光電振蕩器中光電反饋環(huán)路的關鍵元件就是實現(xiàn)單模振蕩的窄帶帶通濾波器。幾GHz甚至更高的振蕩頻率所要求濾波器的帶寬在幾十MHz以下，這樣的濾波器難以實現(xiàn)，即便能夠?qū)崿F(xiàn)，濾波器的帶寬往往又不允許調(diào)諧振蕩頻率。因此，如何在降低濾波器的要求的同時，又能提高邊模抑制比，實現(xiàn)單模振蕩，并且使得振蕩器的相位噪聲更低，信號質(zhì)量更好，將是光電振蕩器領域需要繼續(xù)探索和研究的方向。
4結語
文章針對未來衛(wèi)星領域?qū)Ω哳l率、低相位噪聲微波本振源發(fā)展需求，提出一種適應于星載應用的光電振蕩器實現(xiàn)方法。首先介紹了光電振蕩器應用背景、技術特點及發(fā)展現(xiàn)狀。之后詳細分析了星載光電振蕩器的設計方法，給出了光電振蕩器的振蕩閥值、產(chǎn)生毫米波頻率、幅度數(shù)學模型等，最后對光電振蕩器的相位噪聲性能進行詳細分析。分析表明，利用光電振蕩器能夠產(chǎn)生超低相位噪聲(－163dBc/Hz@10KHz)的微波本振信號，且光電振蕩器的相位噪聲和振蕩頻率無關，星載光電振蕩器為未來衛(wèi)星領域提供一種可行的微波本振信號生成方法，其進一步研究和探索具有重要的意義。
作者：梁棟譚慶貴蔣煒幺周石單位：中國空間技術研究院西安分院空間微波技術國家級重點實驗室
