基于色散介質與光纖光柵的寬帶微波光子頻率測量性能研究

郝 汀，陳 捷，趙明峰

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

現代電子戰中，電磁環境越來越復雜，如何在復雜的電磁環境中快速獲取敵方雷達信號的參數信息(包括頻率信息、幅度信息、脈寬信息等)成為電子戰的重要部分。其中，微波信號的頻率信息是眾多參數信息中最為基本的信息，也是獲取分析其他信息的基礎。目前，隨著毫米波雷達的不斷應用，現代電子戰的電磁環境已經有了很多范圍在18～40 GHz的射頻信號。

傳統微波信號的頻率測量方法主要是基于電子器件實現的，然而針對毫米波段的信號頻率測量，傳統的測量方法受限于其電學的模數轉換器(ADC)芯片的模擬輸入頻率范圍、帶寬等參數，無法直接對毫米波段的射頻信號頻率進行直接測量，需要將模擬的毫米波信號與參考頻率信號進行混頻，將毫米波段信號轉化到其ADC能夠直接測量的頻段范圍之內。因此，針對寬帶毫米波信號的頻率測量，傳統測頻方法結構復雜，功耗大，成本昂貴。隨著微波光子技術的發展，利用微波光子技術實現寬帶雷達信號頻率的測量已經成為了研究的熱點[1-8]。

目前基于微波光子技術的寬帶測頻方法主要包括頻率-功率映射方法、頻率-時間映射方法、四波混頻方法等[9-15]。這些方法各有優缺點，頻率-時間法測頻精度低，成本昂貴；四波混頻法有時無法實現實時測量；頻率-功率映射法系統結構較簡單，但工程化實現較為困難。本文研究了基于色散介質與光纖光柵結構的微波光子測頻方法，并通過仿真分析了光載波波長、色散介質長度以及色散系數等對測頻的影響。

1 基于色散介質與光纖光柵結構的微波光子寬帶測頻原理

1.1 基于色散介質與光纖光柵的測頻系統架構

基于色散介質與光纖光柵的測頻系統架構如圖1所示。該測頻系統主要包括激光器、相位調制器、分路器、光纖光柵、色散介質、探測器以及功率數據處理部分等。其主要原理為：激光器輸出光載波信號，雷達信號通過相位調制器被調制到光載波上，通過50∶50的分路器將光載波一分為二。其中一路經過光纖光柵和探測器，最終進入到功率數據處理部分；另外一路經過色散介質和探測器，最終與另外一路同時進入到功率數據處理部分。功率數據處理部分將2路通過探測器輸出的功率信號進行處理，得到一個雷達信號頻率與功率的線性關系，從而實現對雷達信號頻率的測量[16-17]。

1.2 基于色散介質與光纖光柵的寬帶微波光子頻率測量原理

先分析圖1中上路,忽略高階諧波，經過相位調制器輸出的雙邊帶信號可以表示[16-17]為：

圖1 基于色散介質與光纖光柵的寬帶微波光子頻率測量方法

(1)

通過探測器得到的光電流大小為[16-17]：

i(t)∝|E(t)|2=

(2)

接收到頻率為fm的射頻信號功率為：

(3)

對于布拉格光纖光柵的光信號，其透射譜的斜邊滿足以下關系：

P(fm)=P(f0)+αfm=P0+αfm

(4)

式中：P0為光載波的衰減量；α為光纖光柵的透射頻率響應特性曲線的斜率。

由式(4)可得到，經過光纖光柵后光載波信號和2個一階邊帶的幅度表示為：

A0′=A010P0/20

(5)

A-1′(fm)=A-110(P0-αfm)/20

(6)

A1′(fm)=A110(P0+αfm)/20

(7)

則公式(1)可表示為：

(8)

經過探測器得到的光電流大小[16-17]為：

(9)

由式(9)可知，接收到的頻率fm的射頻信號的功率可為：

PRF1∝10P0/10[10(P0+αfm)/20-10(P0-αfm)/20]2

(10)

圖1中的另一路以單模光纖為色散介質將相位調制轉化為強度調制，假設單模光纖的長度為L，由于色散會給光載波信號與2個一階邊帶分別產生不同的相位偏移[16-17]。

令ω1=ωc+ωm，相位偏移φ1=βω12L/2，令ω2=ωc-ωm，相位偏移為φ-1=βω22L/2，光載波的相位偏移為φ0=βωc2L/2。

光載波信號經過長度為L的單模光纖傳輸后的電場為：

EPM2(t)=A0cos(ωct+φ0)+A1cos(ω1t+φ1+

(11)

探測器接收到的光電流為：

(12)

只考慮ωm對應的光電流[16-17]：

(13)

由式(13)可知：

(14)

式中：D為單模光纖的長度；c為光載波速度；λ為光載波波長。

由式(14)可得光探測器接收到角頻率ωm的射頻信號的功率為：

(15)

在圖1中的功率數據處理端，上下2路同時接收到的頻率為fm的射頻信號功率比可表示為：

(16)

從上式可以看出，光纖光柵的斜率，色散介質的色散系數、長度，激光器輸出的光波長均為已知量，功率比只與射頻信號的頻率有關。當選定好光纖光柵、色散介質以及一定波長的連續光信號就可以通過測量圖1中的2路功率比得到射頻信號的頻率。

2 基于色散介質與光纖光柵的寬帶光子測頻性能仿真分析

通過OptiSystem軟件搭建的仿真鏈路框圖如圖2所示。

圖2 基于色散介質與光纖光柵的寬帶光子測頻系統仿真鏈路

由公式(16)可知，基于色散介質與光纖光柵架構的頻率測量主要受到色散介質的色散系數、色散介質長度、光載波波長以及布拉格光柵投射頻率相應曲線斜率等影響，為了驗證基于色散介質與光纖光柵架構的頻率測量性能，本文分別對色散介質系數、長度以及光載波波長等進行仿真研究。

針對色散介質的色散系數，設激光器輸出功率為0 dBm，波長為1 550 nm，射頻信號從0.5 GHz變化到40 GHz，布拉格光柵的中心波長為1 550 nm，以單模光纖作為色散介質，單模光纖長度為15 km，D分別取17 ps/nm/km、15 ps/nm/km、19 ps/nm/km，得到的仿真結果如圖3所示。

圖3 不同色散系數下的功率比隨頻率變化曲線

為了驗證色散介質的長度對測頻的影響，設激光器輸出功率為0 dBm，波長為1 550 nm，射頻信號從0.5 GHz變化到40 GHz，布拉格光柵的中心波長為1 550 nm，以單模光纖作為色散介質，色散系數取17 ps/nm/km,單模光纖長度取2 km、5 km、15 km，得到的仿真結果如圖4所示。

圖4 不同色散介質長度下的功率比隨頻率變化曲線

為了驗證激光器輸出光載波波長的變化對測頻的影響，設激光器輸出功率為0 dBm，波長分別為1 550 nm、1 556 nm、1 550.6 nm,射頻信號從0.5 GHz變化到40 GHz，布拉格光柵的中心波長為1 550 nm，以單模光纖作為色散介質，色散系數取17 ps/nm/km,單模光纖長度取2 km，得到的仿真結果如圖5所示。

圖5 不同光載波波長下的功率比隨頻率變化曲線

圖3、圖4和圖5的仿真結果表明，選擇合適的色散介質系數、色散介質長度以及光載波的波長，基于色散介質與光纖光柵架構的寬帶光子測頻系統可實現對寬帶信號的頻率測量。

3 結束語

本文研究了基于色散介質與光纖光柵的寬帶微波光子測頻系統，首先分析了其測頻原理，通過仿真分析了色散介質的長度、色散系數以及光載波波長等對頻率測量的影響。仿真結果表明該方法能夠實現對寬帶毫米波信號的頻率測量。本文的研究可為基于色散介質與光纖光柵的寬帶光子測頻系統的工程化提供支撐。