基于偏振調(diào)制器并聯(lián)產(chǎn)生16倍頻毫米波的研究

劉曉蕊，陳新橋，狄 晗，呂朝輝

(中國(guó)傳媒大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京 100024)

0 引 言

毫米波為第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)(5th Generation mobile networks， 5G)提供了寬頻帶，其將處理每秒數(shù)十千兆比特的峰值吞吐量，并且在Atacama大型毫米波陣列、毫米波成像、無(wú)線電超光纖系統(tǒng)和太赫茲應(yīng)用等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。由于不受電子模塊和元器件頻率響應(yīng)的限制，利用光學(xué)手段產(chǎn)生的毫米波信號(hào)具有更高的頻率、更大的帶寬和頻率可調(diào)范圍。因此，利用光子技術(shù)產(chǎn)生毫米波是近年來(lái)備受關(guān)注的問(wèn)題。

基于馬赫-曾德?tīng)柟庹{(diào)制器的光毫米波信號(hào)產(chǎn)生方案已經(jīng)有了大量研究[2-3]。與采用馬赫-曾德?tīng)柟庹{(diào)制器的方案相比，采用偏振調(diào)制器(Polarization Modulator，PolM)產(chǎn)生高倍頻毫米波的方案不需要直流偏置，系統(tǒng)更為穩(wěn)定。文獻(xiàn)[4]提出了用級(jí)聯(lián)PolM產(chǎn)生8倍頻毫米波的方案；文獻(xiàn)[5]提出了級(jí)聯(lián)雙平行偏振調(diào)制器(Dual-Parallel Polarization Modulator，DP-PolM)產(chǎn)生16倍頻毫米波的方案，方案的射頻雜散抑制比(Radio Frequency Stray Suppression Ratio，RFSSR)為37 dB；文獻(xiàn)[6]提出了用并聯(lián)PolM產(chǎn)生16倍頻毫米波的方法，RFSSR為36 dB，兩種方案的抑制比均不高。

本文提出一種基于4個(gè)PolM并聯(lián)產(chǎn)生16倍頻毫米波的方案，并進(jìn)行了理論分析與仿真驗(yàn)證。

1 原理分析

圖1所示為采用4個(gè)PolM并聯(lián)方式產(chǎn)生16倍頻毫米波的結(jié)構(gòu)框圖。由連續(xù)波激光器發(fā)出的光載波經(jīng)過(guò)偏振控制器后，輸出偏振方向與PolMx軸夾角為θ1的線偏振光，該束線偏振光經(jīng)一個(gè)1×4光分束器分成4路光信號(hào)，分別輸入到4個(gè)并聯(lián)的PolM中。調(diào)制后的4路光信號(hào)經(jīng)過(guò)偏振角為θ2的檢偏器輸出，通過(guò)一個(gè)4×1合波器合成一路光信號(hào)，在光接收機(jī)的光電探測(cè)器中，經(jīng)過(guò)光/電轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)光邊帶信號(hào)的拍頻，生成16倍頻射頻(Radio Frequency，RF)信號(hào)。如圖1所示，編號(hào)為1～4的檢偏器輸出的光信號(hào)邊帶圖分別標(biāo)注在a～d點(diǎn)處，4個(gè)檢偏器輸出的合成光信號(hào)的邊帶圖標(biāo)注在e點(diǎn)處。

圖1 PolM產(chǎn)生16倍頻毫米波示意圖

在圖1中，設(shè)激光器產(chǎn)生的光載波為Ein(t)=Ecexp(jωct)，式中：Ec和ωc分別為光載波幅度和頻率；j為虛數(shù)單位；t為時(shí)間變量。加載在編號(hào)為1～4的PolM上的RF信號(hào)相位分別為0、π/4、π/2和3π/4。偏振控制器引入的偏振夾角θ1=π/4。編號(hào)為i的PolM(i取1～4)輸出為

式中：Eix和Eiy分別為PolM的上、下臂信號(hào)；m=πVRF/Vπ為PolM的調(diào)制指數(shù)，式中，Vπ為半波電壓，VRF為驅(qū)動(dòng)電壓的振幅；ωRF為RF信號(hào)角頻率；φi=(i-1)π/4為加載在編號(hào)為i的PolM上的RF信號(hào)相位。

從各PolM輸出的信號(hào)進(jìn)入檢偏器中，檢偏角為θ2=π/4，則其輸出信號(hào)為

由式(2)可知，檢偏器的輸出光信號(hào)已經(jīng)從相位調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度調(diào)制信號(hào)，其中幅度調(diào)制因子為cos{mcos[ωRFt+(i-1)π/4]}。

應(yīng)用Jacobi-Anger公式，將式(2)展開(kāi)，得到

式中，J2n(m)為第一類2n階貝塞爾函數(shù)。4個(gè)PolM并聯(lián)后輸出的合成光場(chǎng)為

由式(4)可知，合成的光場(chǎng)中除了有載波分量外，還有8n(n≥1,n為整數(shù))階的光邊帶信號(hào)，要抑制光載波就要使J0(m)為零。圖2所示為0、8和16階第一類貝塞爾函數(shù)曲線圖。由圖可知，J0(m)的零點(diǎn)取值分別為2.404 8、5.520 1、8.653 5,…，當(dāng)m取2.404 8時(shí)，還未產(chǎn)生所需8階光邊帶；當(dāng)m采用文獻(xiàn)[6]中的5.520 1時(shí)，仿真中得到RF信號(hào)的RFSSR很高，但隨激光器發(fā)射功率變化。這是因?yàn)楫?dāng)m=5.520 1時(shí)，理論上的雜波J16(5.520 1)為3.44×10-7，可以忽略不計(jì)，由理論公式推導(dǎo)出的RFSSR達(dá)到93 dB，而在仿真中，RFSSR為16階RF信號(hào)相對(duì)于由噪聲帶來(lái)雜波的功率比，表現(xiàn)為RFSSR隨絕對(duì)發(fā)射功率的增高而提升。最終選取m為8.653 5，J16(8.653 5)=2.29×10-4，RFSSR與發(fā)射功率無(wú)關(guān)，由后續(xù)給出理論推導(dǎo)和仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證其合理性。

圖2 0、8和16階第一類貝塞爾函數(shù)曲線圖

工程上常采用光邊帶抑制比(Optical Sideband Suppression Ratio，OSSR)定量評(píng)價(jià)所產(chǎn)生的光邊帶信號(hào)純度。根據(jù)OSSR的定義，OSSR為8階與16階光邊帶功率比值，可得到：

式中，J8(8.653 5)和J16(8.653 5)分別為m=8.653 5時(shí)第一類8階和16階貝塞爾函數(shù)值。從合波器輸出的光信號(hào)在光接收機(jī)的光/電探測(cè)器處實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。根據(jù)光電探測(cè)器的平方率關(guān)系，忽略大于16ωRF的高階光邊帶，從光電探測(cè)器輸出的光電流為

式中，R為光電探測(cè)器的響應(yīng)度。在本文所設(shè)計(jì)的產(chǎn)生16倍頻RF信號(hào)的方案中，采用的是±8階光邊帶在光電探測(cè)器上的拍頻。實(shí)際上8n(n>1)階光邊帶也會(huì)在光電探測(cè)器上拍頻，由式(6)可知，光生毫米波信號(hào)中除了有需要的16ωRF信號(hào)外，還有8ωRF、24ωRF和32ωRF等雜散RF倍頻信號(hào)。工程上常采用RFSSR來(lái)定量評(píng)價(jià)所生成毫米波信號(hào)的純度。根據(jù)RFSSR的定義可得：

2 仿真實(shí)驗(yàn)

本文參照?qǐng)D1，采用OptiSystem光子模擬軟件，搭建了基于4個(gè)PolM并聯(lián)產(chǎn)生16倍頻毫米波信號(hào)的仿真鏈路。系統(tǒng)中主要器件參數(shù)設(shè)置如下：連續(xù)激光器的中心頻率為193.1 THz，線寬為10 MHz，輸出功率為0 dBm；RF信號(hào)頻率為10 GHz，幅度為2.754 5；光電探測(cè)器響應(yīng)度為0.8 A/W，暗電流為10 nA。

圖1中a～d標(biāo)注分別是編號(hào)為1～4的檢偏器輸出端點(diǎn)，這些端點(diǎn)光信號(hào)的光譜圖如圖3所示。由圖可知，各支路輸出光信號(hào)中只有偶數(shù)光邊帶，沒(méi)有光載波，且14階以上的光邊帶幅度都很小。

圖3 檢偏器輸出端光信號(hào)的光譜圖

圖4所示為合波器輸出的合成光信號(hào)光譜圖。由圖可知，±8階光邊帶為主要的邊帶，殘留的高階邊帶主要是±16階光邊帶，其他大部分高階光邊帶由于相位不同相互抵消。由圖可知，OSSR為60 dB，與前面理論計(jì)算值61.72 dB相符。

圖4 合成光信號(hào)的光譜圖

圖5所示為經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器拍頻后得到的電信號(hào)頻譜圖。由圖可知，在160 GHz處產(chǎn)生了16倍頻RF信號(hào)，為所設(shè)計(jì)的16倍頻毫米波信號(hào)；80 GHz處產(chǎn)生了的8倍頻RF信號(hào)，為雜散信號(hào)。圖中，RFSSR為53 dB，與前面理論計(jì)算值55.7 dB相符。

圖5 光電探測(cè)器輸出電信號(hào)頻譜圖

在研究RF信號(hào)相位偏移對(duì)所產(chǎn)生的16倍頻毫米波信號(hào)的影響時(shí)，選取第1個(gè)PolM作為研究對(duì)象，其初始相位理論值為0 °，對(duì)該值偏差±5 °進(jìn)行掃參，得到相位偏移與抑制比的關(guān)系曲線，如圖6所示。由圖可知，當(dāng)相位偏離達(dá)到±1 °時(shí)，所產(chǎn)生的毫米波質(zhì)量顯著下降，OSSR由63 dB下降到了32 dB，RFSSR由53 dB下降到了25 dB。這是因?yàn)楫?dāng)驅(qū)動(dòng)RF源的初始相位偏離理論值時(shí)，不同的光邊帶不能完全抵消，造成雜波功率大幅增加，抑制比降低。當(dāng)相位偏離在4 °以內(nèi)時(shí)，信號(hào)的OSSR可以保持在20 dB以上，RFSSR保持在12 dB以上。

圖6 相位偏移與抑制比的關(guān)系

PolM的調(diào)制指數(shù)偏離理論值時(shí)，產(chǎn)生信號(hào)的抑制比也急劇下降。調(diào)制指數(shù)m理論值為8.653 5，對(duì)其從8.50～8.80進(jìn)行掃參，得到m與抑制比變化的關(guān)系曲線，如圖7所示。由圖可知，當(dāng)m偏離理想值達(dá)到±0.031 4時(shí)，OSSR從63 dB退化到31 dB，RFSSR從53 dB退化到24 dB。這是因?yàn)椋?dāng)m偏離8.653 5時(shí)，J0(m)不為0，帶來(lái)雜波功率增加，抑制比降低；當(dāng)m偏離在0.942以內(nèi)時(shí)，信號(hào)的OSSR可以保持在20 dB以上，RFSSR保持在13 dB以上。

圖7 調(diào)制指數(shù)與抑制比的關(guān)系

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種利用4個(gè)PolM并聯(lián)產(chǎn)生16倍頻毫米波信號(hào)的方案。理論分析了合成光信號(hào)中OSSR和產(chǎn)生16倍頻毫米波信號(hào)中的RFSSR的值分別為61.72和55.70 dB。根據(jù)所提方案，采用OptiSystem光子模擬軟件，設(shè)計(jì)了一個(gè)16倍頻毫米波產(chǎn)生的仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)獲得的合成光信號(hào)的OSSR和產(chǎn)生的16倍頻毫米波信號(hào)的RFSSR的值分別為60和53 dB，與理論值相符，驗(yàn)證了所提方案的可行性。系統(tǒng)中的RF信號(hào)相位偏移和PolM的調(diào)制指數(shù)是影響所產(chǎn)生16倍頻毫米波性能的重要因素。實(shí)驗(yàn)仿真了它們偏離理論設(shè)計(jì)值時(shí)對(duì)產(chǎn)生的信號(hào)抑制比的影響。文本所提的16倍頻毫米波產(chǎn)生方案具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)容易、無(wú)光濾器和RFSSR高等優(yōu)點(diǎn)，在光載毫米波系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。