[发明专利]一种光子型倍频微波信号相移装置及其相移控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种相移装置，尤其涉及一种光子型倍频微波信号相移装置及其相移控制方法。

背景技术

自20世纪60年代第一部相控阵雷达研究成功以来，相控阵天线已经广泛应用于雷达、通信、电子对抗及探测等多个领域，其所具备的多天线协同工作及波束成形的功能能够大幅提高系统容量，增加频谱效率，改善信噪比，降低功耗，实现资源的有效管控。而微波毫米波移相器正是相控阵天线中T/R组件的核心器件。

目前传统的基于电子学技术的微波毫米波移相器存在着频率低、带宽小、幅度相位相互耦合以及容易受到电磁干扰等问题。与传统的电子微波毫米波移相器相比，基于微波光子技术的微波毫米波移相器具有以下显著的优势：由于光波频率极高而微波信号相对光波带宽极小，所以可以实现超大带宽微波信号的移相；光电子器件体积小、重量轻，可以使系统紧凑、轻巧；光子系统无相互辐射干扰的问题，系统稳定，保密性能好。基于光子学的微波毫米波移相器已成为人们研究移相器的发展趋势，也是未来光子型相控阵雷达研制的关键技术。

近些年来，人们对光子型微波毫米波移相器进行了广泛的研究，也提出许多光子微波毫米波移相技术，其中包括慢光技术、光矢量合技术及硅基液晶技术等。所谓慢光技术，就是通过减慢光的速度来增加延时。而延时与相移之间存在一定关系，通过光电转换进而实现相移。比较常见的具有慢光效应的器件有半导体放大器。基于半导体放大器实现360度相移的移相器（W.Q.Xue,S.Sales,J.Capmany and J.Mrk,“Wideband360°microwave photonic phase shifter based on slow light in semiconductor optical amplifiers”,Opt.Express,18,6156(2010).）使用了5个级联的半导体放大器，两个用于边带再生，三个用于相移。该系统成功的实现了360度相移，但是系统复杂，成本较高，且半导体的非线性效应较大，各频率相移波动大，此外该系统对注入半导体放大器的光功率敏感，且经过半导体放大器的信号被放大，噪声也同时放大，因而信噪比会较低。而光矢量合技术（X.Xue,et al.,Tunable360°photonic radio frequency phase shifter based on optical quadrature double-sideband modulation and differential detection,Optics letters,vol.36,pp.4641-4643,2011.）实现光子微波毫米波移相的关键在于将正交调制的双边带信号在马赫-曾德尔干涉仪中干涉并进行差分探测，该技术能够实现360°的相位平坦移相，但是马赫-曾德尔干涉仪的引入使得该技术移相功能与频率相关，所以难以实现大带宽的移相。基于硅基液晶技术的移相器（9.X.Yi,T.X.H.Huang and R.A.Minasian.,Photonic beamforming based on programmable phase shifters with amplitude and phase control,IEEE Photon.Technol.Lett.,23,1286(2011).）利用二维硅基液晶阵列的衍射效应将载波和边带分离并分别进行相位控制，可以实现大宽带的360°范围的移相，这个技术的限制在于该阵列体积大、插损大，同时受到衍射效应分辨率的限制，该技术的难以实现低频的移相。

此外，人们还研究了基于外差混频技术、基于光纤布拉格光栅技术、基于非线性响应滤波器技术等方案，这些方案的微波毫米移相器都具有一定程度上的微波移相功能，但是仍然存在带宽受限、幅相耦合、调谐速度慢、系统结构复杂等问题。最近人们提出了以下的基于单边带偏振调制与检偏器的宽带移相器以及基于相位调制与可编程滤波器的倍频移相器以提高微波光子移相器性能。