张华林
【摘 要】电子战系统的前端是微波频率测量装置，光辅助法微波频率测量因带宽大、抗电磁干扰能力强、损耗低而被广泛研究。然而该方法使用的电光调制器存在半波电压易漂移的问题，对微波频率测量存在影响。该文详细分析了各种电光调制器半波电压漂移对微波频率测量的性能影响。理论分析和仿真计算结果表明：偏振调制器半波电压漂移对频率测量存在微小的误差，可忽略不计；强度调制器半波电压漂移缩小微波频率测量的动态范围；双平行调制器的下臂半波电压漂移影响微波频率测量的动态范围、上臂半波电压漂移引起较大的微波频率测量误差、移相器半波电压微小的漂移即引起较大测量误差。该结论对微波光子频率测量的工程化应用具有指导意义。 【期刊名称】《闽南师范大学学报：自然科学版》
【年(卷),期】2016(029)003
【总页数】8页(P37-44)
【关键词】微波光子;微波频率测量;调制;半波电压漂移
【作 者】张华林
【作者单位】闽南师范大学物理与信息工程学院,福建漳州363000
【正文语种】中 文
【中图分类】TN98
在电子战中，拦截敌方雷达或通信系统的微波并分析其频率，根据该频率及其它参数迅速调整己方的电子干扰设备的参数，压制、堵塞、瘫痪敌方雷达或通信系统，使我方获得战场主动，最终取得胜利[1].可见，在现代战争中，微波频率的测量极其重要.典型的，这些雷达或通信系统频率为几百MHz到几百GHz，要求电子战系统的前端设备能够在极短时间内、在大频率范围内测出微波信号的频率.
传统的电域微波频率测量方法是借助复杂的数字信号处理技术或一些模拟微波器件（如微波延迟线、混频器、耦合器等）实现的，但是因为电子瓶颈导致频率测量范围有限，而且
存在抗电磁干扰能力弱、损耗大、系统体积大等缺点，难以满足现代战争中数十到数百GHz的微波频率测量的需求.
由于光子技术具备大带宽、抗电磁干扰能力强、低损耗等特性，以及光电子器件的进一步成熟和发展，应用光子技术检测微波信号频率逐渐成为研究热点.文献[2-6]采用强度调制器（MZM）、文献[7-8]采用相位调制器（PM）、文献[9]采用强度调制器及相位调制器、文献[10-11]采用偏振调制器（POLM）、文献[12-13]采用双平行调制器（DPMZM）将被测微波信号调制在激光上，该激光经过单模光纤散功率衰减，最后由两个PD还原出两路微波功率，由两路微波功率比值推算出被测微波频率.
电光调制器的半波电压会受环境温度、振动、外电场等因素的影响而漂移.文献[2-13]均未对电光调制器半波电压漂移对微波频率测量的影响进行深入分析.下面讨论各类电光调制器半波电压漂移对微波光子频率测量的性能影响.
1.1 微波光子频率测量基本原理
采用微波光子法测量微波信号频率，其基本结构示意图如图1所示.两路不同波长激光（LD）
经波分复用器（WDM）合成为一路激光连同被测射频微波信号（RF）送入电光调制器（EOM），电光调制器输出叠加了微波信号的激光，该激光经散元件（Dispersive medium）时，因散导致微波功率衰减，再由波分复用器分离为两路激光，经光电转换器（PD）还原为电信号，经电域处理（Electrical Processing）得到微波信号频率.不同波长的激光经过散元件产生的散功率衰减效应不相同，两个PD输出的电功率进行比较得到功率比较函数（ACF），该函数包含被测微波信号频率，通过测量PD的输出功率再经过电域处理可获得被测微波信号频率.
在微波光子频率测量中，电光调制器常采用光相位调制器、光强度调制器、光偏振调制器、双平行调制器，光相位调制器在微波光子频率测量中一般不外加偏置电压，故而不需讨论半波电压漂移对频率测量的影响的问题，下面分别讨论光强度调制器、光偏振调制器、双平行调制器半波电压漂移对微波光子测频的性能影响.
1.2 偏振调制器的半波电压漂移
文献[10-11]介绍的微波光子频率测量系统采用POLM为电光调制器，其上支路或下支路的PD输出电流为[14]：
（1）式中，α为偏振调制器主轴之一与偏振分束器主轴之间的夹角，D为单模光纤散系数，L为单模光纤长度，为激光波长，c为光在真空中的速度，fe为被测微波信号频率，φ0为信号沿着两个主偏振轴进行相位调制的相位差，该值可通过调节偏振调制器的直流偏置电压进行调整，0为微波信号传输时延.玻璃夹胶机
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文献[10]中，调节POLM的偏置电压，使sin φ0=1.则PD输出功率为：
上下臂两个PD的输出功率比值得到ACF函数为：石墨柱
α不同取值决定测量范围的大小，当α由0.5向0变化时，频率测量范围不断增大.若POLM的外加偏置电压不变，随着使用时间的不断推移，POLM的半波电压将发生漂移，使sin φ0小于1，则PD输出功率为：
则ACF函数为：
由公式（3）和公式（5）可看出，当POLM半波电压发生漂移时，其功率比较函数不同，频率测量存在误差.采用两路激光波长分别为1527.566nm、1565.056nm，其相应散系数为15.33ps/nm.km、17.46 ps/nm.km，光纤长度为20km，进行仿真，其结果如图2和图3所
示.
图2为当α=0.1、φ0=0.5，0.45，0.4，0.35时的ACF函数仿真曲线，图中的小图为输入频率在16-17GHz的放大图.从图2中可看出，以φ0=0.5，即没有半波电压漂移的ACF曲线为基准，当φ0=0.45，0.4，0.35时，即发生半波电压漂移时，附加频率测量误差分别为0.1GHz、0.16GHz、0.18GHz.可见，随着半波电压漂移的不断加大，附加频率测量误差亦不断增大.
图3 为POLM半波电压固定漂移量不同测量范围的仿真ACF函数.图3中实线表示没有半波电压漂移的不同α值的ACF函数仿真曲线，虚线表示存在固定半波电压漂移量的不同α值的ACF函数仿真曲线.由图3可看出，在固定半波电压漂移量（φ0=0.4）情况下，最大频率测量范围（α=0）时，半波电压漂移导致的附加频率测量误差为0；但在其它频率测量范围（α=0.4，0.3，0.2，0.1）时，附加频率测量误差分别为0.16GHz、0.07 GHz、0.05 GHz、0.08 GHz.
由上述分析可知，POLM半波电压漂移，导致的频率测量误差基本上在文献[10-11]的测量误差范围内，其误差可忽略不计.但半波电压漂移导致PD输出功率稍微减小，将引起微波
频率测量动态范围稍有减小.故而，采用POLM为电光调制器测量微波频率可基本忽略半波电压漂移对频率测量的影响.低压成型机
1.3 强度调制器的半波电压漂移
文献[2-6]采用MZM为电光调制器测量微波频率，需调整MZM的外加偏置电压，使MZM工作在双边带载波调制状态，则PD的输出功率为：
（6）式中，β1为调制系数，EI为激光幅度.其ACF函数为：
若MZM外加偏置电压不变，随着使用时间的推移，MZM的半波电压发生漂移，使MZM工作在载波部分抑制状态，则PD的输入光信号为：，δ为载波系数，其值大于0小于1.PD输出电流为：
（8）式中，ωc为激光角频率，ωe为被测微波信号角频率，
因采用小信号调制，β1＜/6，故＜＜1，忽略（9）式中的二阶项，并经隔直，代入θ，PD输出功率为：
由（10）式可知，MZM半波电压发生漂移时，用来测量频率的ACF函数不变，对频率测量精度没有影响；但PD输出功率因多了系数δ2而减小，将导致微波频率测量动态范围缩小，严重的情况下将导致因PD输出功率太小而无法测量.
1.4 双平行调制器的半波电压漂移
（1）DPMZM各半波电压均不漂移
DPMZM是一种特殊的调制器，其内部包含上臂强度调制器、下臂强度调制器、移相器[12].DPMZM的固有属性决定了其内部三个子调制器的半波电压很容易漂移.文献[13]假设DPMZM的各个半波电压均没有漂移，上臂强度调制器工作在载波抑制双边带调制状态，下臂强度调制器工作在载波最大输出状态，得到PD输出功率为[13]：
（11）式中，为DPMZM内部移相器相移量，由外加相移偏置电压决定.其ACF函数为：
（12）式中，决定频率测量范围的大小，当由0.5向-0.5变化时，频率测量范围不断增大.
（2）DPMZM的上臂强度调制器半波电压漂移喷水壶
若DPMZM的上臂强度调制器外加偏置电压不变，随着使用时间的推移，DPMZM的上臂半波电压将发生漂移，导致DPMZM的上臂不是工作在载波抑制状态.设DPMZM的上臂输出包含残留载波，为载波残留系数，其值大于0小于1，则PD的输入光信号为：
PD的输出电流为：
超声波马达PD的输出功率为：
其功率比较函数为：
显然（16）式和（12）式不同，即上臂半波电压发生漂移时，测量频率将引入附加误差.两路激光波长、其相应散系数、光纤长度值同前述进行仿真，其结果如图4和图5所示.
图4为DPMZM上臂强度调制器半波电压漂移的仿真ACF函数.由图4可知，以=-0.5、载波残留系数=0，即频率测量范围最大且没有半波电压漂移的ACF曲线为准，分别为0.05,0.1,0.15，其附加频率测量误差分别为0.15GHz、0.30GHz、0.45GHz.可见，随着半波电压漂移的不断增加，附加频率测量误差也不断增长.
图5 是DPMZM上臂强度调制器半波电压固定漂移量不同测量范围的仿真ACF函数.由图5可知，当上臂强度调制器半波电压漂移导致的载波残留系数=0.05时，=0.4，0.2，0.0，-0.2，-0.4
，即频率测量范围由小到大，其附加频率测量误差分别为0.45GHz、0.15GHz、0.0GHz、0.10GHz、0.14GHz.可见，半波电压漂移量固定不变情况下，DPMZM移相器相移量绝对值越大，附加频率测量误差越大.
由上述分析可知，DPMZM的上臂强度调制器半波电压漂移导致的附加频率测量误差较文献[12-13]的测量误差大，其误差不可忽略不计，应当采取措施稳定DPMZM的上臂半波电压.
（3）DPMZM的下臂强度调制器半波电压漂移
若DPMZM的下臂强度调制器外加偏置电压不变，但随着使用时间的推移，DPMZM的下臂强度调制器半波电压将发生漂移，导致下臂不是工作在光强最大输出状态，设下臂输出光强为大于0小于1的系数.则PD的输入光信号为：
PD的输出电流为：
忽略高阶量，滤除直流量，PD的输出功率为：
由（19）式可知，下臂强度调制器半波电压发生漂移，ACF函数不变，不会导致频率测量误差；但PD输出功率多了系数导致微波频率测量动态范围缩小，严重的情况下将导致因PD输出功率太小而无法测量.
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