新型光子微波接收機的研制★

張松華，鄧元祥，馮文明，呂建榮，麻雨茂，洪 俊

（1.湖南工學院，湖南 衡陽 421002；2.衡陽泰豪通信車輛有限公司，湖南 衡陽 421000）

引言

傳統微波信號的接收主要包括放大、濾波、下變頻三個部分。實現放大功能要引入微波放大器，微波放大器屬于典型有源器件，會引入較大噪聲；濾波器在微波頻段Q值較低，帶寬較大，不能有效抑制帶外噪聲；同時下變頻過程需要混頻器與一本振源來完成，也會產生附加噪聲與鏡像信號等干擾因素[1-3]。

本文提出了一種低功率微波信號一體化處理方法，旨在突破傳統電子式微波接收技術的局限性，實現放大、濾波與下變頻過程的一體化處理，在保證極低引入噪聲、有效抑制鏡像信號、簡化系統復雜性的同時兼具抗電磁干擾性，具有較好的工程應用價值。

1 設計方案

圖1所示，是本文所涉低功率微波信號一體化處理的流程圖，包括產生已調制光信號+產生已調制本振光源、光域混頻實現下變頻及低通濾波，共三個流程。

具體而言：首先，基于光電混合環路實現對低功率微波信號提取、放大，并對光載波進行調制，利用相移光纖光柵的光學特性提取已調制的光信號（為簡化表述，統一將該已調制的光信號簡稱為“已調光信號）；同時構建另一光電混合環路，基于環路的自激振蕩產生光電混合振蕩信號，并基于相移光纖光柵的光學特性提取本振光源（即與已調光信號相干的本振光信號）。然后，基于光電探測器的包絡檢波特性實現對已調光信號與本振光信號（即已調制的振蕩光信號）混頻，完成下變頻輸出。最后，將下變頻輸出信號通過低通濾波器，實現中頻輸出。中頻輸出的信號通過模/數轉換器轉變為數字信號，再利用現有的數字信號處理方法進一步處理即可。

一體化接收機結構圖2所示。通過天線接收待處理的低功率微波信號輸入上環路中，由上環路完成待處理低功率微波信號的提取、放大，并對光載波進行調制，再利用相移光纖光柵1提取已調光信號并輸出；下環路旨在產生光電混合振蕩信號，再經相位光纖光柵2提取并輸出與上環路相干的本振光信號。經前述相移光纖光柵1輸出的已調光信號與經前述相移光纖光柵2輸出的本振光信號一同輸入至光耦合器2中，經光電探測器3拍頻，通過光學差頻實現微波信號的下變頻，最后通過低通濾波器抑制帶外噪聲，實現中頻輸出。

2 原理分析

上環路產生原頻信號并輸出調制光信號的原理如下：光載波經過相位調制器，在外加信號V（t）=V0cosωt（V0為信號幅度，ω為信號圓頻率）的調制下，輸出光信號的電場可表示為[4-6]：

式中：m=πV0/Vπ為調制系數，Vπ為調制器的半波電壓，對式（1）進行Jacobi-Anger展開可得：

式中：Jn（m）為n階第一類貝塞爾函數，可以看出相位調制信號在光域產生了多對頻譜分量，即為邊帶，對稱分布在光載波兩側，在小信號近似條件下，只考慮0和±1階調制信號，式（2）可簡化為：

由此可以看出，±1階邊帶的相位相差為π，如果該相位調制信號直接經過光電探測器拍頻，則輸出的光電流為：

由上式可以看出，相位調制信號直接經過光電探測器，無法恢復原始信號的頻譜成分。通過相移光纖光柵對其中一個邊帶抑制，剩余載波與另一個邊帶進行拍頻，可產生原信號頻率。當一微波信號對光載波進行相位調制后，會產生兩個相位相反的邊帶；已調光信號通過相移光纖光柵后，其中一邊帶（邊帶頻率與抑制峰相等）被抑制，只剩下另一邊帶與載波，即實現了單邊帶調制；單邊帶調制后的信號通過光電探測器拍頻后可實現原信號輸出。其原理如下：相位調制后，信號通過相移光纖光柵，其中一信號被抑制，實現單邊帶調制后的信號可表示為：

由上式可看出，拍頻后產生了直流項與信號項輸出信號。

綜上，天線接收的低功率微波信號進入上環路，通過電光相位調制器1對光載波進行調制；通過調節激光器波長，使得為調諧后的激光器波長，λ2為位移光纖光柵陷波波長，ω為接收微波頻率，n為光纖折射率），信號在不斷實現光電/電光轉換過程中被光放大器1放大增強，最終實現原頻信號輸出，且其中一邊帶信號（Ein（t）J1（m）ejωt）透過相移光纖光柵1進入光耦合器2中。

下環路產生光電混合振蕩信號并輸出與上環路相干的本振光信號原理如下：載波光信號通過電光相位調制器2被環路的電噪聲調制，然后通過光放大器2放大，通過光環環形器2進入相移光纖光柵2，反射后通過光纖延時線進行延時，再通過光電探測器2還原成電信號，完成單邊帶調制過程，然后通過窄帶濾波器完成濾波后進入電光相位調制器2進行下一次循環。對于某些特定頻點信號，如果其滿足巴克豪森條件（開環增益大于1，相位差為2π的整數倍），該頻點的信號就能實現正反饋而產生振蕩，基于相移光纖光柵的光學特性，能夠在相移光纖光柵2中實現本振光信號輸出。在下環路中，系統振蕩起源于環內噪聲，設該噪聲為Aejω0t（A為信號幅度，ω0為信號圓頻率），經過首次循環后為S1=αAejω0（t-τ），二次循環為S2=α2Aejω0（t-2τ）......，n次循環為Sn=αnAejω0（t-nτ），其中為系統的開環幅度增益、τ為延時量；多次疊加后的電信號可表示為根據等比數列求和可計算得：

由上式不難得出ω0τ=n·2π（n為整數）時，幅值取得最大值，且呈周期性分布，通過調節延時量τ與窄帶濾波器可得到單頻振蕩信號，該信號調制光載波后即實現本振光信號輸出。

之后，上環路輸出的已調光信號與下環路輸出的本振光信號同時輸入至光耦合器2中，然后通過光電探測器3拍頻實現光學混頻。其原理為：上環輸出的已調光信號與下環輸出的本振光信號分別表為：S上=Ein（t）ejωt，S下=Ein（t）ejω0t，通過光電探測器3拍頻后還原成電信號，產生的光電流為：

式中：ρ為光電探測器的響應度。式中包含直流項與下變頻信號項，即通過光學差頻實現了微波信號的下變頻，最后通過低通濾波器抑制帶外噪聲，實現中頻輸出。

3 結論

低功率微波信號一體化接收機突破了傳統信道化接收系統的“電子瓶頸”，其基于光纖的大帶寬、低損耗、抗電磁干擾等優點，將低功率微波信號的接收在光域完成，在保證極低引入噪聲、有效抑制鏡像信號、簡化系統復雜性的同時兼具抗電磁干擾性，實現了集放大、濾波與下變頻功能的一體化接收。