星載光電振蕩器實(shí)現(xiàn)方法范文

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《空間電子技術(shù)雜志》2015年第一期

1基于長(zhǎng)光纖環(huán)路的星載光電振蕩器方案設(shè)計(jì)

光電振蕩器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括一個(gè)激光源、電光調(diào)制器、長(zhǎng)光纖環(huán)路、光電探測(cè)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(gòu)成一個(gè)光電混合結(jié)構(gòu)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(hào)通過反饋鏈路轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。其工作過程如下:激光源產(chǎn)生連續(xù)的光信號(hào)，進(jìn)入電光調(diào)制器，然后通過一段長(zhǎng)光纖環(huán)路，再進(jìn)入光電探測(cè)器轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過射頻放大器進(jìn)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(hào)作為電域輸出，剩余電信號(hào)反饋回到電光調(diào)制器調(diào)制光信號(hào)。諧振腔中的微波功率放大器提供環(huán)路增益，微波電信號(hào)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(shí)間內(nèi)就能達(dá)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(hào)。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(jiǎn)單的諧振腔即是RC諧振腔，其中電容為主要儲(chǔ)能器件，RC參數(shù)決定諧振頻率。構(gòu)建一個(gè)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(shí)現(xiàn)，光纖環(huán)路產(chǎn)生時(shí)間延遲，以獲得產(chǎn)生低噪聲高質(zhì)量的信號(hào)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(hào)輸出，且輸出的微波本振信號(hào)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?zhàn)饔茫挥行盘?hào)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(hào)。公式2為非線性調(diào)制情況下得到的微波信號(hào)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(hào)輸出可表示為。由以上數(shù)學(xué)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(gè)必要條件［8］:在環(huán)路中，信號(hào)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(hào)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(hào)所表現(xiàn)出的相位隨機(jī)起伏，相位的隨機(jī)起伏必然引起頻率隨機(jī)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(hào)功率P0之比，如圖4所示。光電探測(cè)器中的基本噪聲有:熱噪聲，散彈噪聲和激光器的相對(duì)強(qiáng)度噪聲，為了便于分析，將所有噪聲等效為光電探測(cè)器產(chǎn)生的噪聲。計(jì)算光電振蕩器的信號(hào)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(gè)特點(diǎn):(1)光電振蕩器的相位噪聲與振蕩器的振蕩頻率fosc無關(guān);(2)光電振蕩器的相位噪聲將隨著頻偏f＇平方降低;(3)對(duì)于固定的頻偏f''''，相位噪聲將隨著環(huán)路延遲時(shí)間平方降低。

結(jié)果表明光電振蕩器可以產(chǎn)生高頻率、低相位噪聲的信號(hào)。這相比傳統(tǒng)光學(xué)倍頻法產(chǎn)生高頻信號(hào)時(shí)相位噪聲隨頻率提高迅速惡化有很大優(yōu)勢(shì)。圖5所示為利用圖1所示光電振蕩器結(jié)構(gòu)得到的6GHz本振信號(hào)單邊帶相位噪聲測(cè)試圖。可以看出，利用基于長(zhǎng)光纖環(huán)路的光電振蕩器設(shè)計(jì)方案得到的本振信號(hào)在10KHz偏移處，相位噪聲為－104．5dBc/Hz，生成的本振信號(hào)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(yīng)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(xué)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(jìn)一步提高，這也是目前光電振蕩器的一個(gè)熱點(diǎn)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(jìn)實(shí)驗(yàn)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(shí)，10GHz信號(hào)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(gè)產(chǎn)生多模振蕩的設(shè)備，光電振蕩器中光電反饋環(huán)路的關(guān)鍵元件就是實(shí)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(shí)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(shí)，又能提高邊模抑制比，實(shí)現(xiàn)單模振蕩，并且使得振蕩器的相位噪聲更低，信號(hào)質(zhì)量更好，將是光電振蕩器領(lǐng)域需要繼續(xù)探索和研究的方向。

4結(jié)語

文章針對(duì)未來衛(wèi)星領(lǐng)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(yīng)于星載應(yīng)用的光電振蕩器實(shí)現(xiàn)方法。首先介紹了光電振蕩器應(yīng)用背景、技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀。之后詳細(xì)分析了星載光電振蕩器的設(shè)計(jì)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(xué)模型等，最后對(duì)光電振蕩器的相位噪聲性能進(jìn)行詳細(xì)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(hào)，且光電振蕩器的相位噪聲和振蕩頻率無關(guān)，星載光電振蕩器為未來衛(wèi)星領(lǐng)域提供一種可行的微波本振信號(hào)生成方法，其進(jìn)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(shù)研究院西安分院空間微波技術(shù)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室