本實用新型涉及光通信技術(shù)，具體為一種Ka波段光學(xué)相位均衡系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

近十多年來，微波通信用戶劇增，使微波頻譜出現(xiàn)擁擠。加之精確武器系統(tǒng)的發(fā)展要求，促使人們把系統(tǒng)的工作頻率向上延伸，如相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的工作頻段已提高到了Ka波段(頻率為26.5～40GHz)甚至是W波段(頻率為75～110GHz)。

在多信道微波通信系統(tǒng)中，由于各物理信道的非理想性，微波信號經(jīng)過傳輸后相位的變化不一致，因此通常需要對各信道中的微波信號的相位進(jìn)行均衡，光延遲線具有體積小、重量輕、帶寬寬，損耗低、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點，并且不存在傳統(tǒng)電學(xué)延時裝置的波束偏斜現(xiàn)象，是光學(xué)相位均衡系統(tǒng)的主要部件，被廣泛應(yīng)用到光控相控陣?yán)走_(dá)、衛(wèi)星天線以及通信等領(lǐng)域。但目前可調(diào)光延遲線存在三個主要的技術(shù)問題。首先，當(dāng)前常用的光延遲線是增量可調(diào)而非連續(xù)可調(diào)，增量可調(diào)延遲線雖然能達(dá)到較大的延遲動態(tài)范圍，但其精度只能達(dá)到數(shù)十皮秒量級，極大的限制了其應(yīng)用范圍，其次，雷達(dá)系統(tǒng)的工作頻段逐漸提高到了Ka波段甚至是W波段，而現(xiàn)有的光延遲線信號調(diào)制頻率一般在Ku頻段(頻率為12～18GHz)以下，難以滿足先進(jìn)雷達(dá)系統(tǒng)的使用要求。另外，為保證光延遲線能穩(wěn)定傳輸寬帶微波信號，需要使馬赫-增德爾調(diào)制器(MZM)偏置在正交偏置點，但是熱效應(yīng)會導(dǎo)致MZM的傳輸函數(shù)隨著時間而出現(xiàn)偏移。

在通信接口部分，現(xiàn)有的光延遲線設(shè)備的控制接口大多為RS232串行通信，難以實現(xiàn)控制中心點對多的控制需求。雖然少數(shù)光延遲線設(shè)備采用RS422/485的串行總線作為通信方式，也能實現(xiàn)單主多從的控制方式，但這種通信鏈路的可靠性較低，缺少有效的錯誤應(yīng)對機(jī)制，一旦任意節(jié)點出現(xiàn)故障，很容易就導(dǎo)致整個控制網(wǎng)絡(luò)癱瘓，即存在單點失效的風(fēng)險。面向相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用，其電磁干擾、環(huán)境應(yīng)力的條件較為惡劣，同時節(jié)點數(shù)量較大，現(xiàn)有的光延遲線設(shè)備難以滿足要求。

因此亟需一種可用于高頻率Ka波段的帶寬高、允許輸入微波信號功率大、可調(diào)延遲、精度高且環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的光學(xué)相位均衡系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是設(shè)計一種Ka波段光學(xué)相位均衡系統(tǒng)，順序連接的光源、電光調(diào)制單元、可調(diào)延遲單元和光電解調(diào)單元形成光鏈路，電光調(diào)制單元為MZM調(diào)制器，微控制器連接控制偏置控制單元和調(diào)諧控制單元，偏置控制單元輸出的直流偏置電壓接入MZM調(diào)制器，作為其偏置電壓，控制其偏置點位于正交點上，調(diào)諧控制單元輸出的驅(qū)動脈沖控制可調(diào)延遲單元的調(diào)諧步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置，使之按要求對輸入的Ka波段的微波信號進(jìn)行相位延遲，以實現(xiàn)相位均衡。所述微控制器經(jīng)CAN總線與上位機(jī)連接，接受上位機(jī)指令。微控制器按上位機(jī)指令要求控制偏置控制單元和調(diào)諧控制單元，對輸入的Ka波段的微波信號進(jìn)行相位延遲，實現(xiàn)相位均衡。

本實用新型設(shè)計的一種Ka波段光學(xué)相位均衡系統(tǒng)包括光源、電光調(diào)制單元、可調(diào)延遲單元和光電解調(diào)單元，Ka波段的微波信號接入電光調(diào)制單元，順序連接的光源、電光調(diào)制單元、可調(diào)延遲單元和光電解調(diào)單元形成光鏈路，光電解調(diào)單元輸出的相位均衡的Ka波段的微波信號為本系統(tǒng)的輸出。本實用新型的電光調(diào)制單元為馬赫-增德爾(MZM)調(diào)制器，以下簡稱為MZM調(diào)制器，偏置點處于正交偏置點，所述電光調(diào)制單元為PIN光電探測器，所述可調(diào)延遲單元為配有調(diào)諧步進(jìn)電機(jī)的光延遲模塊，本系統(tǒng)還有微控制器連接控制的偏置控制單元和調(diào)諧控制單元，偏置控制單元輸出的直流偏置電壓接入MZM調(diào)制器，作為MZM調(diào)制器的偏置電壓，控制其偏置點位于正交點上；調(diào)諧控制單元輸出的驅(qū)動脈沖控制調(diào)諧步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置，所述微控制器經(jīng)CAN總線與上位機(jī)連接。

所述MZM調(diào)制器的偏置電壓直接決定其輸出的非線性或線性度，為保證MZM調(diào)制器能傳輸Ka波段寬帶微波信號，MZM調(diào)制器的偏置需控制在正交偏置點上。當(dāng)基頻微波信號的功率最大時，二次諧波的功率最小，此時對應(yīng)的MZM調(diào)制器的偏置就是處于正交偏置點。雖然MZM調(diào)制器的設(shè)計、制作和封裝均考慮到盡量使偏置點偏移最小化，但是其工作過程中的熱效等會導(dǎo)致MZM調(diào)制器的偏置點出現(xiàn)偏移，故本實用新型設(shè)計了偏置控制單元使以精確控制偏置電壓，以確保偏置點穩(wěn)定于正交偏置點。

所述偏置控制單元包括直流偏置電路、信號發(fā)生器、光電探測器，第一帶通濾波器、第二帶通濾波器和對數(shù)放大器。直流偏置電路產(chǎn)生的偏置電壓接入MZM調(diào)制器，MZM調(diào)制器輸出的加載Ka信號的光一部分輸入偏置控制單元的光電探測器，光電探測器將其轉(zhuǎn)換為電信號，送入第一帶通濾波器和第二帶通濾波器，兩個帶通濾波器分別篩選出其中基波頻率f_m處的電流信號和二次諧波頻率2f_m處的電流信號，并將所得的兩個電流信號輸入對數(shù)放大器，對數(shù)放大器輸出的信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器，模擬信號輪換為數(shù)字信號，接入微控制器，作為MZM調(diào)制器偏置點的反饋信號。微控制器根據(jù)當(dāng)前該反饋信號，計算當(dāng)前MZM調(diào)制器輸出光功率的測試值T₀，微控制器存儲有MZM調(diào)制器輸出光功率的設(shè)置值S₀，微控制器將T₀與S₀進(jìn)行對比，計算當(dāng)前偏置點與正交偏置點的偏移量，得到直流偏置電壓的調(diào)整控制指令，通過D/A轉(zhuǎn)換器接入直流偏置電路，信號發(fā)生器產(chǎn)生的低頻信號也接入直流偏置電路，該低頻信號作為導(dǎo)頻信號和微控制器轉(zhuǎn)換為模擬信號的直流電壓控制信號一起，使直流偏置電路產(chǎn)生適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷航尤隡ZM調(diào)制器，微控制器根據(jù)MZM調(diào)制器輸出的反饋信號，不斷調(diào)整MZM調(diào)制器的直流偏置電壓使得測試值T₀盡量接近設(shè)置值S₀。

所述調(diào)諧控制單元包括功率驅(qū)動器、脈沖分配器和電流控制器，微控制器的輸出端通過D/A轉(zhuǎn)換器連接脈沖分配器和電流控制器。微控制器根據(jù)上位機(jī)的相位延遲指令，向脈沖分配器和電流控制器發(fā)出相關(guān)信號，脈沖分配器和電流控制器根據(jù)微控制器的指令產(chǎn)生驅(qū)動脈沖頻率和驅(qū)動電流接入功率驅(qū)動器，功率驅(qū)動器連接可調(diào)延遲單元的調(diào)諧步進(jìn)電機(jī)，控制其轉(zhuǎn)動速度和停止位置，調(diào)諧步進(jìn)電機(jī)連接帶動光延遲模塊，實現(xiàn)上位機(jī)要求的相位延遲。

所述電流控制器將當(dāng)前控制電流值通過A/D轉(zhuǎn)換器反饋回微控制器，微控制器據(jù)此監(jiān)測功率驅(qū)動器當(dāng)前輸出的電流值。

所述調(diào)諧控制單元還配有過流保護(hù)電路，其連接功率驅(qū)動器，檢測功率驅(qū)動器輸出的電流值，當(dāng)電流大于設(shè)定的最大值時，過流保護(hù)電路斷開功率驅(qū)動器，以保護(hù)調(diào)諧控制單元。

所述可調(diào)延遲單元的光延遲模塊還配有限位傳感器，限位傳感器經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器與微控制器連接，當(dāng)延遲量達(dá)到最小值零時，限位傳感器發(fā)送信號到微控制器，微控制器限制光延遲模塊延遲零點的位置。

本系統(tǒng)還包括CAN總線通信單元，所述微控制器經(jīng)CAN總線通信單元與上位機(jī)連接，其將上位機(jī)與本系統(tǒng)的微控制器連接，接受上位機(jī)指令，據(jù)此調(diào)節(jié)本系統(tǒng)的偏壓和調(diào)諧控制范圍。所述CAN總信通信單元包括兩個CAN總線通信模塊，分別通過CAN總線串行接口與上位機(jī)連接，構(gòu)成雙CAN冗余的通信結(jié)構(gòu)，在主鏈路出現(xiàn)故障時，可立即切換至備鏈路繼續(xù)工作，最大程度上保障了通信網(wǎng)絡(luò)的完整性。

所述上位機(jī)通過CAN總線同時連接一個或多個本Ka波段光學(xué)相位均衡系統(tǒng)。

本實用新型設(shè)計的Ka波段光學(xué)相位均衡系統(tǒng)運行時，開機(jī)上電后，CAN總線通信單元、偏置控制單元和調(diào)諧控制單元初始化；可調(diào)延遲單元的相位延遲時間為零；檢測此時的延遲值是否與上次斷電前控制器存儲的延遲量值相同，若發(fā)現(xiàn)不同，視為異常，重新初始化；否則進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)、等待上位機(jī)指令，并向上位機(jī)匯報本機(jī)啟動完成處于待機(jī)狀態(tài)；CAN總線通信單元接收上位機(jī)指令，并傳送給微控制器，微控制器檢測指令有效，根據(jù)上位機(jī)指令微控制器經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器向偏置控制單元發(fā)送直流偏置電壓的調(diào)整控制指令，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器向調(diào)諧控制單元發(fā)送驅(qū)動脈沖和驅(qū)動電流，控制電光調(diào)制單元的MZM調(diào)制器的偏置點穩(wěn)定于正交偏置點，控制可調(diào)延遲單元實現(xiàn)上位機(jī)要求的相位延遲；微控制器經(jīng)CAN總線通信單元將本系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)匯報上位機(jī)，匯報內(nèi)容包括當(dāng)前本系統(tǒng)的相位延遲位置；之后再次進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)；

所述上位機(jī)連接屏幕，上位機(jī)在屏幕上實時顯示其所連接的一個或多個本系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)，顯示內(nèi)容包括各系統(tǒng)當(dāng)前的延遲位置和延遲量。

在待機(jī)狀態(tài)，微控制器控制本系統(tǒng)定期自檢，即檢測當(dāng)前的延遲值是否與控制器存儲的延遲量值相同，自檢情況正常，繼續(xù)待機(jī)；發(fā)現(xiàn)異常時將自檢情況向上位機(jī)匯報，繼續(xù)待機(jī)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型一種Ka波段光學(xué)相位均衡系統(tǒng)的優(yōu)點為：1、采用偏置點位于正交點上的馬赫-增德爾調(diào)制器和PIN光電探測器組成強(qiáng)度調(diào)制的光鏈路結(jié)構(gòu)，使光延遲模塊的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到了Ka波段，其允許輸入射頻/微波信號覆蓋了10MHz～40GHz的K波段帶寬范圍，包括了K_a波段的26.5～40GHz；2、通過微控制器控制的調(diào)諧步進(jìn)電機(jī)，使光延遲模塊的延遲精度達(dá)到0.1皮秒，可調(diào)延遲范圍為0～300ps，實現(xiàn)了高精度連續(xù)可調(diào)；3、上位機(jī)通過CAN總線通信單元可實現(xiàn)單臺主機(jī)上對多臺本系統(tǒng)設(shè)備的遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)控制，控制界面簡單友好，不需要工程人員掌握具體的通信協(xié)議就可以完成光信號延遲的調(diào)整和設(shè)備工作狀態(tài)的監(jiān)控；4、CAN總線通信單元的雙CAN冗余的通信結(jié)構(gòu)使本系統(tǒng)可工作于多主方式，網(wǎng)絡(luò)中具有訪問權(quán)限的任意節(jié)點均可向本系統(tǒng)CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)，上位機(jī)不再需要以輪詢的方式獲取各節(jié)點設(shè)備的實時信息；此外本CAN總線通信單元在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層均實現(xiàn)了有效的錯誤應(yīng)對機(jī)制，提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性；4、本實用新型系統(tǒng)具有體積小、功耗低、重量輕、精度高且易于操作使用等特點，適合于精確武器系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)等實際系統(tǒng)應(yīng)用。

附圖說明

圖1為本Ka波段光學(xué)相位均衡系統(tǒng)實施例總體結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為圖1中偏置控制單元結(jié)構(gòu)框圖；

圖3為圖1中調(diào)諧控制單元和可調(diào)延遲單元結(jié)構(gòu)框圖。

具體實施方式

本Ka波段光學(xué)相位均衡系統(tǒng)實施例的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包括光源、電光調(diào)制單元、可調(diào)延遲單元和光電解調(diào)單元形成的光鏈路，以及微控制器連接控制的偏置控制單元和調(diào)諧控制單元。

本例電光調(diào)制單元為MZM調(diào)制器，偏置點處于正交偏置點，所述電光調(diào)制單元為PIN光電探測器，可調(diào)延遲單元為配有調(diào)諧步進(jìn)電機(jī)的光延遲模塊。

Ka波段的微波信號接入順序連接的光源、電光調(diào)制單元、可調(diào)延遲單元和光電解調(diào)單元形成的光鏈路，光電解調(diào)單元輸出的相位均衡的Ka波段的微波信號為本系統(tǒng)的輸出。偏置控制單元輸出的直流偏置電壓接入MZM調(diào)制器，作為MZM調(diào)制器的偏置電壓，控制其偏置點位于正交點上；調(diào)諧控制單元輸出的驅(qū)動脈沖控制調(diào)諧步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置，所述微控制器經(jīng)CAN總線通信單元與上位機(jī)連接。

本例偏置控制單元如圖2所示包括直流偏置電路、信號發(fā)生器、光電探測器，第一帶通濾波器、第二帶通濾波器和對數(shù)放大器。直流偏置電路產(chǎn)生的偏置電壓接入MZM調(diào)制器，MZM調(diào)制器輸出的加載Ka信號的光一部分輸入偏置控制單元的光電探測器，光電探測器將其轉(zhuǎn)換為電信號，送入第一帶通濾波器和第二帶通濾波器，兩個帶通濾波器分別篩選出其中基波頻率f_m處的電流信號和二次諧波頻率2f_m處的電流信號，并將所得的兩個電流信號輸入對數(shù)放大器，對數(shù)放大器輸出的信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器，模擬信號輪換為數(shù)字信號，接入微控制器，作為MZM調(diào)制器偏置點的反饋信號。微控制器根據(jù)當(dāng)前該反饋信號，計算當(dāng)前MZM調(diào)制器輸出光功率的測試值T₀，微控制器存儲有MZM調(diào)制器輸出光功率的設(shè)置值S₀，微控制器將T₀與S₀進(jìn)行對比，計算當(dāng)前偏置點與正交偏置點的偏移量，得到直流偏置電壓的調(diào)整控制指令，通過D/A轉(zhuǎn)換器接入直流偏置電路，信號發(fā)生器產(chǎn)生的低頻信號也接入直流偏置電路，該低頻信號作為導(dǎo)頻信號和微控制器轉(zhuǎn)換為模擬信號的直流電壓控制信號一起，使直流偏置電路產(chǎn)生適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷航尤隡ZM調(diào)制器，微控制器根據(jù)MZM調(diào)制器輸出的反饋信號，不斷調(diào)整MZM調(diào)制器的直流偏置電壓使得測試值T₀盡量接近設(shè)置值S₀。

本例調(diào)諧控制單元如圖3所示，包括功率驅(qū)動器、脈沖分配器、電流控制器和過流保護(hù)電路，微控制器的輸出端通過D/A轉(zhuǎn)換器連接脈沖分配器和電流控制器。微控制器根據(jù)上位機(jī)的相位延遲指令，向脈沖分配器和電流控制器發(fā)出相關(guān)信號，脈沖分配器和電流控制器根據(jù)微控制器的指令產(chǎn)生驅(qū)動脈沖頻率和驅(qū)動電流接入功率驅(qū)動器，功率驅(qū)動器連接可調(diào)延遲單元的調(diào)諧步進(jìn)電機(jī)，控制其轉(zhuǎn)動速度和停止位置，調(diào)諧步進(jìn)電機(jī)連接帶動光延遲模塊，實現(xiàn)上位機(jī)要求的相位延遲。

所述電流控制器將當(dāng)前控制電流值通過A/D轉(zhuǎn)換器反饋回微控制器，微控制器據(jù)此監(jiān)測功率驅(qū)動器當(dāng)前輸出的電流值。

所述過流保護(hù)電路與功率驅(qū)動器連接，檢測其輸出的電流值，當(dāng)電流大于設(shè)定的最大值時，過流保護(hù)電路斷開功率驅(qū)動器。

本例可調(diào)延遲單元的光延遲模塊還配有限位傳感器，限位傳感器經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器與微控制器連接，當(dāng)延遲量達(dá)到最小值零時，限位傳感器發(fā)送信號到微控制器，微控制器限制光延遲模塊延遲零點的位置。

本例的CAN總線通信單元包括兩個CAN總線通信模塊，分別通過CAN總線串行接口與上位機(jī)連接，構(gòu)成雙CAN冗余的通信結(jié)構(gòu)。

本例上位機(jī)通過CAN總線同時連接三個本Ka波段光學(xué)相位均衡系統(tǒng)。

上述實施例，僅為對本實用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)一步詳細(xì)說明的具體個例，本實用新型并非限定于此。凡在本實用新型的公開的范圍之內(nèi)所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均包含在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。