[发明专利]基于阵列波导光栅处理的毫米波频谱分析仪

说明书

技术领域

本发明主要涉及基于阵列波导光栅处理的毫米波频谱分析仪，通过将被测毫米波信号频谱搬移到光波上，利用阵列波导光栅模块实现光谱在空间上的分离和探测，以获得被测毫米波频谱分布。

背景技术

阵列波导光栅是一种角色散型光无源器件，它基于平面光波回路技术，在1988年由荷兰Delf大学的M.K.Smit提出，之后日本的NTT公司正式将它命名为阵列波导光栅。阵列波导光栅由输入波导、输出波导、阵列波导和两个平板波导(自由传播区域)组成，并集成在同一衬底上。阵列波导光栅由于自身的多功能性能、低的制作成本、与半导体光器件的集成等优点，使之成为光纤通信和未来光子网络中的重要元件。

阵列波导光栅的工作原理是：当多波长/宽频带的光信号被耦合到阵列波导光栅的输入波导时，在罗兰圆上，多波长/宽频带的光信号将聚焦在平板波导内并产生衍射的高斯束，衍射的高斯束投射到阵列波导的输入口。在阵列波导内，由于任何相邻阵列波导都有相等的长度差ΔL，这种结构将使阵列波导中传输的多波长/宽频带光信号产生与波长相关的不同相位差(相位延迟)，相应于ΔL的相位偏移将强加在每个波导中传输的光信号上，使每个给定波长的信号以不同的波前倾斜聚焦在输出平板波导的焦线上。如果通过设计正好把输出波导的端口定位在输出平板波导焦线上，则不同波前倾斜的光信号便耦合到输出波导的不同信道中，从而实现了对不同波长/频谱分量在空间上分离的功能。

毫米波频谱分析仪是毫米波测量仪器中最为基础、最常用的仪器之一，广泛应用于电子对抗、航空航天、移动通信、广播电视、科研生产等各种领域，是军用和民用电子测试不可或缺的设备。随着这些应用越来越向更高频率发展，为解决频率资源不足的问题，它的测量范围已从RF频段扩展到毫米波频段。从原理上讲，毫米波频谱分析仪一般分为两种类型。一种是快速傅里叶变换分析仪，它是一种动态信号分析仪，在一个特定时间周期内对信号进行快速傅里叶变换以获得频率、幅度和相位信息的，能够分析周期和非周期信号，但是其工作频谱范围受到系统对毫米波信号的采样率的限制，而无法实现对较高的毫米波信号进行频谱的分析功能。另一种是毫米波扫频调谐式分析仪，它是一种超外差接收机或是可调预选接收机，能对信号或由信号变换来的中频信号进行实时分析，测量范围一般可达50GHz以上。近年来,随着对毫米波测量频率范围、灵敏度等指标不断提高，超外差式频谱分析仪以其较高的频率分辨率、较快的测量速度、相对较低的成本而得到广泛应用。

频谱仪在测量仪器中属于高产值产品，开发投入较高，市场上的中高档产品一直都为国外大公司所有。多数国产频谱分析仪性能较低，适用频段范围窄，只能占有部分低端市场。本发明中，采用基于阵列波导光栅处理，通过将被测毫米波信号调制到光波，利用阵列波导光栅实现调制光信号在空间分离和探测，最终获得被测毫米波信号的频谱分布图。

发明内容

本发明提出了一种基于阵列波导光栅处理的毫米波频谱分析仪：具有高达数十GHz的工作带宽，但却可以用很低带宽的光子探测器来提取所需的被测毫米波信号的频谱分布；通过将毫米波调制到光波上，利用阵列波导光栅进行光信息的不同频谱分量在空间上的分离和探测，可极大降低毫米波频谱分析仪对毫米波硬件处理的要求。

在本发明中：待测的毫米波信号通过高速电光调制被调制到窄线宽光波上；被调制后的光波通过光纤带通滤波器，使得仅有第一级边带的信号光可以通过，其它部分被滤除；经过光纤滤波器的光信号此时进入阵列波导光栅，通过阵列波导光栅实现光信号在空间的色散；空间色散的光信号再通过物镜分别聚焦到探测器阵列上，每个探测器的输出对应一个波长/频率的光强；探测器的输出结果再进入信号处理模块中进行校正和处理，最终可以输出被测毫米波信号的频谱分布。

本发明主要采阵列波导光栅实现对被测毫米波信号的频谱分析功能，具体采用如下技术方案：

发明提出如图1所示的基于阵列波导光栅处理的毫米波频谱分析仪，由窄线宽激光器，电光调制器，光纤滤波器，阵列波导光栅模块，物镜，光电探测器阵列，信号处理器组成。

在本发明中，系统各个部分说明如下：

（1）所述的窄线宽激光器产生频率恒定的光载波信号，被测毫米波信号通过电光调制器对所述的光载波信号进行调制，使得电光调制器输出的调制光信号中含有被测毫米波信号频谱分布信息；

（2）所述的电光调制器，其调制方式为相位调制，其工作频率范围必须包括被测毫米波信号的频率范围，且经过电光调制器的调制光信号包括了调制载波光信号，第一级边带光信号，第二级及以上边带光信号；