[發明專利]基于微波光子處理的微波頻譜分析儀

有效

• 申請號: 201210480073.6
• 申請日: 2012-11-22
• 公開（公告）號: CN103837742A
• 公開（公告）日: 2014-06-04
• 發明（設計）人: 何云濤;黃海平;付新宇;江月松
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01R23/17
• 分類號: G01R23/17
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明主要涉及基于微波光子學處理的微波頻譜分析儀，通過使用具有瞬時光譜燒孔的光子晶體來存儲被微波調制后的光信號的光譜，然后通過讀取光束獲取和處理該光譜的以獲得被測微波頻譜分布。

背景技術

微波光子學是一門專門研究微波和光信號之間相互作用的交叉性學科,常常應用在寬帶無線接入網絡、傳感網絡、雷達、衛星通信、儀表儀器測量和國防軍事等領域中。具有低損耗寬頻帶的光電系統對微波信號的傳輸和處理有很強的吸引力，同時，高容量光通信系統的發展在光收發機中需要微波技術。這兩個分支促成了微波光子學研究領域的發展。近年來,基于新的微波光子學技術的各種應用和研究得到了長足的發展,主要分為兩個方向,一個為工作于微波毫米波頻率的有源光電子器件的研究,另一個方向則是指利用光子學的技術和方法產生、傳輸、處理、測量、控制和分配微波信號等。相較于傳統的電子學方法而言,光子學方法具有體積小,質量輕,帶寬大,損耗低和抗電磁干擾等優點,其關鍵在于將接收到的微波信號通過電光轉換先調制到光載波上,隨后在光域使用光子信號處理器和光纖進行相應的處理和傳輸,最后再由光電轉換解調出所需的微波信號。

基于光子晶體的光譜燒孔技術是一種廣泛應用于寬帶信息存儲領域的成熟技術。所謂的光譜燒孔效應，就是在某些光子晶體材料中存在這樣一種特性：當一束強的單頻激光通過這種晶體時,它可以選擇性地將一群與共振頻率相對應的原子激發至飽和狀態,這時若有另一束頻率掃描的弱探測光通過該介質，則在它的吸收光譜的相應位置上將出現一個凹陷。光子晶體材料的這種特點可用于光信號頻譜的存儲與讀取中。

微波頻譜分析儀是微波測量儀器中最為基礎、最常用的儀器之一，廣泛應用于電子對抗、航空航天、移動通信、廣播電視、科研生產等各種領域，是軍用和民用電子測試不可或缺的設備。隨著這些應用越來越向更高頻率發展，為解決頻率資源不足的問題，它的測量范圍已從RF頻段擴展到微波頻段。從原理上講，微波頻譜分析儀一般分為兩種類型。一種是快速傅里葉變換分析儀，它是一種動態信號分析儀，在一個特定時間周期內對信號進行快速傅里葉變換以獲得頻率、幅度和相位信息的，能夠分析周期和非周期信號，但是其工作頻譜范圍受到系統對微波信號的采樣率的限制，而無法實現對較高的微波信號進行頻譜的分析功能。另一種是微波掃頻調諧式分析儀，它是一種超外差接收機或是可調預選接收機，能對信號或由信號變換來的中頻信號進行實時分析，測量范圍一般可達50GHz以上。近年來,隨著對微波測量頻率范圍、靈敏度等指標不斷提高，超外差式頻譜分析儀以其較高的頻率分辨率、較快的測量速度、相對較低的成本而得到廣泛應用。

頻譜儀在測量儀器中屬于高產值產品，開發投入較高，市場上的中高檔產品一直都為國外大公司所有。多數國產頻譜分析儀性能較低，適用頻段范圍窄，只能占有部分低端市場。本發明中，采用基于微波光子學處理，通過將被測微波信號調制到光波，再利用具有瞬時光譜燒孔的光子晶體的處理，最終獲得被測微波信號的頻譜分布圖。

發明內容

本發明提出了一種新型的基于微波光子學處理的微波頻譜分析儀：具有高達數十GHz的工作帶寬，但卻可以用很低帶寬的光子探測器來提取所需的被測微波信號的頻譜分布；通過將微波調制到光波上，利用光子晶體的光譜燒孔效應進行光信息處理，可極大降低測距系統對硬件計算能力的要求；由于光子晶體的在某些波段范圍內具有很寬的平坦的光譜燒孔范圍，且其光譜分辨率可達MHz量級，因此本發明系統具有很高的工作頻率范圍和頻譜分辨率。

在本發明中：被測微波信號經電光調制器調制到光波上，該光波依次經過光纖準直器和傅里葉變換透鏡，被聚焦到一個具有瞬時光譜燒孔特性的光子晶體上，進入光子晶體的光束對光子晶體進行光譜燒孔，使得光子晶體的吸收譜曲線與所述調制光的頻譜曲線一致；同時，另一束頻率被周期線性調制的光束通過分束器后，其中的一束依次經過光纖準直器和傅里葉透鏡后，聚焦到光子晶體中經歷光譜燒孔的位置，其透射光與分束器的另一束光在探測器上相干后被探測輸出，并經采集卡獲取后與前述周期線性信號一起被輸出到信號處理器處理，最終獲得被測微波的頻譜分布圖。

本發明主要采光子晶體的瞬時光譜燒孔存儲技術實現對被測微波信號的頻譜分析功能，具體采用如下技術方案：