[发明专利]基于微波光子处理的微波频谱分析仪

说明书

技术领域

本发明主要涉及基于微波光子学处理的微波频谱分析仪，通过使用具有瞬时光谱烧孔的光子晶体来存储被微波调制后的光信号的光谱，然后通过读取光束获取和处理该光谱的以获得被测微波频谱分布。

背景技术

微波光子学是一门专门研究微波和光信号之间相互作用的交叉性学科,常常应用在宽带无线接入网络、传感网络、雷达、卫星通信、仪表仪器测量和国防军事等领域中。具有低损耗宽频带的光电系统对微波信号的传输和处理有很强的吸引力，同时，高容量光通信系统的发展在光收发机中需要微波技术。这两个分支促成了微波光子学研究领域的发展。近年来,基于新的微波光子学技术的各种应用和研究得到了长足的发展,主要分为两个方向,一个为工作于微波毫米波频率的有源光电子器件的研究,另一个方向则是指利用光子学的技术和方法产生、传输、处理、测量、控制和分配微波信号等。相较于传统的电子学方法而言,光子学方法具有体积小,质量轻,带宽大,损耗低和抗电磁干扰等优点,其关键在于将接收到的微波信号通过电光转换先调制到光载波上,随后在光域使用光子信号处理器和光纤进行相应的处理和传输,最后再由光电转换解调出所需的微波信号。

基于光子晶体的光谱烧孔技术是一种广泛应用于宽带信息存储领域的成熟技术。所谓的光谱烧孔效应，就是在某些光子晶体材料中存在这样一种特性：当一束强的单频激光通过这种晶体时,它可以选择性地将一群与共振频率相对应的原子激发至饱和状态,这时若有另一束频率扫描的弱探测光通过该介质，则在它的吸收光谱的相应位置上将出现一个凹陷。光子晶体材料的这种特点可用于光信号频谱的存储与读取中。

微波频谱分析仪是微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频段扩展到微波频段。从原理上讲，微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微波信号的采样率的限制，而无法实现对较高的微波信号进行频谱的分析功能。另一种是微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,随着对微波测量频率范围、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，采用基于微波光子学处理，通过将被测微波信号调制到光波，再利用具有瞬时光谱烧孔的光子晶体的处理，最终获得被测微波信号的频谱分布图。

发明内容

本发明提出了一种新型的基于微波光子学处理的微波频谱分析仪：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微波信号的频谱分布；通过将微波调制到光波上，利用光子晶体的光谱烧孔效应进行光信息处理，可极大降低测距系统对硬件计算能力的要求；由于光子晶体的在某些波段范围内具有很宽的平坦的光谱烧孔范围，且其光谱分辨率可达MHz量级，因此本发明系统具有很高的工作频率范围和频谱分辨率。

在本发明中：被测微波信号经电光调制器调制到光波上，该光波依次经过光纤准直器和傅里叶变换透镜，被聚焦到一个具有瞬时光谱烧孔特性的光子晶体上，进入光子晶体的光束对光子晶体进行光谱烧孔，使得光子晶体的吸收谱曲线与所述调制光的频谱曲线一致；同时，另一束频率被周期线性调制的光束通过分束器后，其中的一束依次经过光纤准直器和傅里叶透镜后，聚焦到光子晶体中经历光谱烧孔的位置，其透射光与分束器的另一束光在探测器上相干后被探测输出，并经采集卡获取后与前述周期线性信号一起被输出到信号处理器处理，最终获得被测微波的频谱分布图。

本发明主要采光子晶体的瞬时光谱烧孔存储技术实现对被测微波信号的频谱分析功能，具体采用如下技术方案：