宽带无线通信提高射频频率的系统及方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010196686.1 (22)申请日 2020.03.19 (71)申请人 博微太赫兹信息科技有限公司 地址 230088 安徽省合肥市高新区香樟大 道199号 (72)发明人 汪忱张文翔 (74)专利代理机构 合肥昊晟德专利代理事务所 (普通合伙) 34153 代理人 王林 (51)Int.Cl. H04B 1/40(2015.01) H04B 7/005(2006.01) H03F 3/189(2006.01) (54)发明名称 一种宽带无线通信提高射频频率的系统及 。

2、方法 (57)摘要 本发明公开了一种宽带无线通信提高射频 频率的系统及方法， 属于无线通信技术领域， 所 述系统包括光电调制器、 光电转换器、 激光器。 本 发明大幅降低了射频对高速ADC以及微波电路的 需求， 传统的PLL参考时钟配置器作为模拟上变 频的时钟源， 其时钟频率受到器件、 电路等影响， 在100GHz左右频率时设计复杂， 且成本较高， 本 发明利用宽带光电调制原理， 在不影响数据传输 的情况下通过激光对信号进行调制， 再通过光电 转换器转变成电信号,由于光波波长可调范围 大， 可以大大提高射频频率并省略PLL参考时钟 配置器以及高速DAC， 最终达到提高性能并降低 装置复杂度的目。

3、的。 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 CN 111404571 A 2020.07.10 CN 111404571 A 1.一种宽带无线通信提高射频频率的系统， 其特征在于， 包括激光器、 光电调制器、 光 电转换器与天线， 所述激光器的输出端与所述光电调制器的输入端连接， 所述光电转换器 的输入端与所述光电调制器的输出端连接， 所述光电转换器的输出端与所述天线连接， 所 述激光器产生高频光信号输入所述光电调制器中， 所述光电调制器上加载有调制信号， 所 述高频光信号与所述调制信号在所述光电调制器内调制后输入至所述光电转换器， 所述光 电转换器将调制后的光信号转换成电信号通过所述天线发射。

4、。 2.根据权利要求1所述的一种宽带无线通信提高射频频率的系统， 其特征在于： 所述宽 带无线通信提高射频频率的系统还包括高电子迁移率晶体管放大器、 三个光放大器与带通 滤波器， 所述高电子迁移率晶体管放大器设置在所述天线与所述光电转换器之间， 所述带 通滤波器设置在所述光电调制器与所述光电转换器之间， 三个所述光放大器分别设置在调 制信号输入到所述光电调制器的光路上、 所述激光器与所述光电调制器之间的光路上、 所 述光电调制器与所述带通滤波器之间的光路上。 3.根据权利要求2所述的一种宽带无线通信提高射频频率的系统， 其特征在于： 所述带 通滤波器的带宽为5GHz10GHz， 中心频率在10。

5、0GHz以上。 4.根据权利要求2所述的一种宽带无线通信提高射频频率的系统， 其特征在于： 所述激 光器为飞秒激光器。 5.根据权利要求2所述的一种宽带无线通信提高射频频率的系统， 其特征在于： 所述光 电调制器为马赫-曾德尔幅度调制器。 6.根据权利要求2所述的一种宽带无线通信提高射频频率的系统， 其特征在于： 所述激 光器产生的高频光信号的波长为 ， 频率为f1/ ， 带宽为BfH-fL， fH为带通信号的上截止 频率， fL为带通信号的下截止频率， 带宽的大小根据设计的工作频段确定。 7.根据权利要求2所述的一种宽带无线通信提高射频频率的系统， 其特征在于： 所述光 电转换器为光电二极管。

6、， 所述光电二极管为肖特基势垒二极管， 其正向导通压降为0.3 0.5V， 整流电流为40005000A。 8.根据权利要求7所述的一种宽带无线通信提高射频频率的系统， 其特征在于： 所述肖 特基势垒二极管包括一个PN结， 所述PN结的结深小于1um。 9.根据权利要求8所述的一种宽带无线通信提高射频频率的系统， 其特征在于： 所述PN 结包括自上而下依次设置的金属阳极、 外延层、 缓冲层、 衬底、 金属阴极， 所述缓冲层为N+型 缓冲层， 所述衬底为N+型衬底， 所述外延层上表面与所述金属阳极接触形成肖特基势垒接 触， 即形成整流结， 所述衬底下表面与所述金属阴极接触形成欧姆接触。 10.一。

7、种宽带无线通信提高射频频率的方法， 其特征在于， 利用如权利要求19任一所 述的系统对射频频率进行提高工作， 包括以下步骤： S1： 利用马赫-曾德尔幅度调制器中将高频光信号与调制信号在光域上进行调制； S2： 利用肖特基势垒二极管将经步骤S1调制后的光信号转换成电信号； S3： 将步骤S2中的电信号通过高电子迁移率晶体管放大器经天线发射。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111404571 A 2 一种宽带无线通信提高射频频率的系统及方法 技术领域 0001 本发明涉及无线通信技术领域， 具体涉及一种宽带无线通信提高射频频率的系 统。 背景技术 0002 电与光是信息领域最广为使用的传输媒。

8、介。 电， 作为传统与通用的传输介质， 在各 个信息系统中发挥着举足轻重的作用， 但其却拥有一些不可避免的缺陷。 而光， 作为新的传 输媒介， 相比于电拥有很多优势。 光目前正在一些特定领域逐渐取代电， 例如通信系统等。 但鉴于目前信息系统大多仍以电信号为主， 而电信号在射频领域受器件影响， 频点很难做 到百GHz， 因此可以利用电对光进行调制， 将信号加载在光上。 电光效应正使得这成为可能。 电信号对光场的幅度， 频率， 相位等参数均可进行调制。 0003 光信号可以通过改变外加电场， 控制晶体的折射率， 进而改变相位， 从而实现光调 制。 如果外电场与光传播方向相同， 这种调制器叫纵向光电。

9、调制器； 若外电场与光传播方向 垂直， 这种调制器叫横向光电调制器。 0004 目前在宽带通信数字发射机的模拟上变频主要采取的是模拟混频方式， 即采用若 干模拟混频器级联， 将基带信号变成射频信号。 该方法的缺点是当射频频点较高时， 模拟混 频器级联较多， 结构复杂， 设计难度大。 并且受器件影响， 混频器时钟难以做到100GHz以上， 因此传统电子学方案设计百GHz以上的射频方案难度大， 现有器件无法满足要求。 因此， 提 出一种宽带无线通信提高射频频率的系统。 发明内容 0005 本发明所要解决的技术问题在于： 如何降低射频对高速ADC以及微波电路的需求， 提供了一种宽带无线通信提高射频频。

10、率的系统。 0006 本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的， 本发明包括激光器、 光电调制 器、 光电转换器与天线， 所述激光器的输出端与所述光电调制器的输入端连接， 所述光电转 换器的输入端与所述光电调制器的输出端连接， 所述光电转换器的输出端与所述天线连 接， 所述激光器产生高频光信号输入所述光电调制器中， 所述光电调制器上加载有调制信 号， 所述高频光信号与所述调制信号在所述光电调制器内调制后输入至所述光电转换器， 所述光电转换器将调制后的光信号转换成电信号通过所述天线发射。 0007 更进一步的， 所述宽带无线通信提高射频频率的系统还包括高电子迁移率晶体管 放大器、 三个光放大器。

11、与带通滤波器， 所述高电子迁移率晶体管放大器设置在所述天线与 所述光电转换器之间， 所述带通滤波器设置在所述光电调制器与所述光电转换器之间， 三 个所述光放大器分别设置在调制信号输入到所述光电调制器的光路上、 所述激光器与所述 光电调制器之间的光路上、 所述光电调制器与所述带通滤波器之间的光路上。 0008 更进一步的， 所述带通滤波器的带宽为5GHz10GHz， 中心频率在100GHz以上。 0009 更进一步的， 所述激光器为飞秒激光器， 也可以为其他常见激光器， 比如固体激光 说明书 1/4 页 3 CN 111404571 A 3 器、 氮分子激光器、 准分子激光器等。 0010 更进。

12、一步的， 所述光电调制器为马赫-曾德尔幅度调制器。 0011 更进一步的， 所述激光器产生的高频光信号的波长为 ， 频率为f1/ ， 带宽为B fH-fL， fH为带通信号的上截止频率， fL为带通信号的下截止频率， 带宽的大小根据设计的工 作频段确定。 0012 更进一步的， 所述光电转换器为光电二极管， 所述光电二极管为肖特基势垒二极 管， 其正向导通压降为0.30.5V， 整流电流为40005000A。 0013 更进一步的， 所述肖特基势垒二极管包括一个PN结， 所述PN结的面积较大， 电极面 积较小， 结深小于1um。 0014 更进一步的， 所述PN结包括自上而下依次设置的金属阳极。

13、、 外延层、 缓冲层、 衬底、 金属阴极， 所述缓冲层为N+型缓冲层， 所述衬底为N+型衬底， 所述外延层上表面与所述金属 阳极接触形成肖特基势垒接触， 即形成整流结， 所述衬底下表面与所述金属阴极接触形成 欧姆接触。 0015 本发明还提供了一种宽带无线通信提高射频频率的方法， 包括以下步骤： 0016 S1： 利用马赫-曾德尔幅度调制器中将高频光信号与调制信号在光域上进行调制； 0017 S2： 利用肖特基势垒二极管将经步骤S1调制后的光信号转换成电信号； 0018 S3： 将步骤S2中的电信号通过高电子迁移率晶体管放大器经天线发射。 0019 本发明相比现有技术具有以下优点： 该宽带无线。

14、通信提高射频频率的系统及方 法， 将传统电子学数字信号处理装置与光调制装置结合， 利用光电调制器完成上变频功能， 在信号射频频率较高时采用该光电调制装置， 结构简单便于加工， 可以大批量生产， 结构限 制较小， 所用材料皆为常规材料， 易于实现； 设计方法更为灵活， 可以通过调整激光器的波 长选择实现不同频带的信号发射。 附图说明 0020 图1是本发明实施例二中宽带无线通信提高射频频率系统的结构示意图； 0021 图2是本发明实施例二中马赫-曾德尔幅度调制器的整体结构示意图； 0022 图3是本发明实施例二中肖特基势垒二极管的局部结构示意图； 0023 图4是本发明实施例二中肖特基势垒二极管。

15、的结构示意框图。 具体实施方式 0024 下面对本发明的实施例作详细说明， 本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施， 给出了详细的实施方式和具体的操作过程， 但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。 0025 实施例一 0026 本实施例提供一种技术方案： 一种宽带无线通信提高射频频率的系统， 包括激光 器、 光电调制器、 光电转换器与天线， 所述激光器的输出端与所述光电调制器的输入端连 接， 所述光电转换器的输入端与所述光电调制器的输出端连接， 所述光电转换器的输出端 与所述天线连接， 所述激光器产生高频光信号输入所述光电调制器中， 所述光电调制器上 加载有调制信号， 所述高频光信号与。

16、所述调制信号在所述光电调制器内调制后输入至所述 说明书 2/4 页 4 CN 111404571 A 4 光电转换器， 所述光电转换器将调制后的光信号转换成电信号通过所述天线发射。 0027 所述宽带无线通信提高射频频率的系统还包括高电子迁移率晶体管放大器、 三个 光放大器与带通滤波器， 所述高电子迁移率晶体管放大器设置在所述天线与所述光电转换 器之间， 所述带通滤波器设置在所述光电调制器与所述光电转换器之间， 三个所述光放大 器分别设置在调制信号输入到所述光电调制器的光路上、 所述激光器与所述光电调制器之 间的光路上、 所述光电调制器与所述带通滤波器之间的光路上。 0028 所述带通滤波器的。

17、带宽为5GHz10GHz， 中心频率在100GHz以上。 0029 所述激光器为飞秒激光器， 也可以为其他常见激光器， 比如固体激光器、 氮分子激 光器、 准分子激光器等。 0030 所述光电调制器为马赫-曾德尔幅度调制器。 0031 所述激光器产生的高频光信号的波长为 ， 频率为f1/ ， 带宽为BfH-fL， fH为带 通信号的上截止频率， fL为带通信号的下截止频率， 带宽的大小根据设计的工作频段确定。 0032 所述光电转换器为光电二极管， 所述光电二极管为肖特基势垒二极管， 其正向导 通压降为0.30.5V， 整流电流为40005000A。 0033 所述肖特基势垒二极管包括一个PN。

18、结， 所述PN结的面积较大， 电极面积较小， 结深 小于1um。 0034 所述PN结包括自上而下依次设置的金属阳极、 外延层、 缓冲层、 衬底、 金属阴极， 所 述缓冲层为N+型缓冲层， 所述衬底为N+型衬底， 所述外延层上表面与所述金属阳极接触形 成肖特基势垒接触， 即形成整流结， 所述衬底下表面与所述金属阴极接触形成欧姆接触。 0035 从整体上看， 所述系统由电子学结构与光子学结构组成， 其中电子学结构与传统 基带通信系统类似， 用来传输可被识别的电子信号； 光子学结构中激光器产生高频光源(光 信号)， 并通过光电调制器调制成光信号。 光信号无法直接传输， 需要经过光电转换器转变 成高。

19、频电信号。 0036 本实施例还提供了一种宽带无线通信提高射频频率的方法， 包括以下步骤： 0037 S1： 利用马赫-曾德尔幅度调制器中将高频光信号与调制信号在光域上进行调制； 0038 S2： 利用肖特基势垒二极管将经步骤S1调制后的光信号转换成电信号； 0039 S3： 将步骤S2中的电信号通过高电子迁移率晶体管放大器经天线发射。 0040 实施例二 0041 如图1、 2、 3所示， 本实施例提出一种宽带无线通信提高射频频率的系统。 图1为该 系统的结构示意图， 沿电磁波传播方向， 分别包括100GHz激光源1， 马赫-曾德尔幅度调制器 2和肖特基势垒二极管3构成。 100GHz激光源。

20、1产生对应波长的光波， 通过光放大器(EDFA)后 与输入的数字信号(Datain)在马赫-曾德尔幅度调制器2上进行调制， 调制后光信号经过光 放大器(EDFA)， 再经过一个带通滤波器(BPF)输入肖特基势垒二极管3中， 利用肖特基势垒 二极管3完成光-电转换过程， 转换完毕后的高频电信号经过一个高电子迁移率晶体管放大 器(HEMT Amplifier)由天线4将太赫兹波段信号发送。 其中， 肖特基势垒二极管3和中间损 耗介质(马赫-曾德尔幅度调制器2)对接， 用来将光信号转变成高频电信号。 0042 如图2所示， 马赫-曾德尔幅度调制器使用两个频率相同， 但相位不同的偏振光波 进行干涉。 。

21、外加电压引入相位的变化， 可以转化为幅度的变化。 在图中表示的由两个y型波 导构成的结构中， 理想情况下， 输入光功率在C点平均分配到两个分支传输， 在输出端D干 说明书 3/4 页 5 CN 111404571 A 5 涉， 其输出幅度与两个分支光通道的相位差有关。 两个理想的背对背相位调制器， 在外电场 调制信号的作用下， 能够改变两个分支中待调制传输光的相位， 从而改变输出光强。 0043 如图3所示， 由于加在两个分支中的电场方向相反， 所以在两个分支中的折射率和 相位变化也相反。 如落在A分支中， 引入pi/2的相位变化， 那么在B分支则产生-pi/2的相位 变化,因此AB分支将引入。

22、pi的相位变化。 该调制电压可以使调制器状态实现由开到关的切 换， 可用于光开关。 当调制电压引起A,B两臂0-pi的相位变化时， 输出光强将随调制电压而 变化， 因此加到调制器上的电比特流在调制器输出端产生了波形相同的光比特流。 0044 图4是肖特基势垒二极管基本结构。 从图4可以看出肖特基势垒二极管利用金属- 半导体(M-S)接触特性制成， 由于金属-半导体接触的电流运输主要是依靠多数载流子(电 子)， 其电子迁移率高， 且M-S结可以在亚微米尺度上精确制造加工， 使得肖特基势垒二极管 能运用到亚毫米波、 太赫兹波频段。 由于N型掺杂相比于P型掺杂有更高的电子迁移率， 衬底 材料选择 “。

23、N+型” 衬底， 随后在衬底表面生长出一层高纯度、 高电导率的N型重掺杂缓冲层， 用于保证较低的串联电阻及防止衬底杂质进入外延层。 外延层生长在缓冲层上表面， 其掺 杂浓度与厚度是二极管的重要设计参数。 外延层上表面与金属阳极接触形成肖特基势垒接 触， 形成整流结， 在衬底下表面与金属阴极接触形成欧姆接触。 0045 综上所述， 上述两组实施例的宽带无线通信提高射频频率的系统及方法， 将传统 电子学数字信号处理装置与光调制装置结合， 利用光电调制器完成上变频功能， 在信号射 频频率较高时采用该光电调制装置， 结构简单便于加工， 可以大批量生产， 结构限制较小， 所用材料皆为常规材料， 易于实现。

24、； 设计方法更为灵活， 可以通过调整激光器的波长选择实 现不同频带的信号发射， 值得被推广使用。 0046 此外， 术语 “第一” 、“第二” 仅用于描述目的， 而不能理解为指示或暗示相对重要性 或者隐含指明所指示的技术特征的数量。 由此， 限定有 “第一” 、“第二” 的特征可以明示或者 隐含地包括至少一个该特征。 在本发明的描述中，“多个” 的含义是至少两个， 例如两个， 三 个等， 除非另有明确具体的限定。 0047 在本说明书的描述中， 参考术语 “一个实施例” 、“一些实施例” 、“示例” 、“具体示 例” 、 或 “一些示例” 等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、 结构、。

25、 材料或者特 点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。 在本说明书中， 对上述术语的示意性表述不 必须针对的是相同的实施例或示例。 而且， 描述的具体特征、 结构、 材料或者特点可以在任 一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。 此外， 在不相互矛盾的情况下， 本领域的技 术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结 合和组合。 0048 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例， 可以理解的是， 上述实施例是示例 性的， 不能理解为对本发明的限制， 本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述 实施例进行变化、 修改、 替换和变型。 说明书 4/4 页 6 CN 111404571 A 6 图1 图2 图3 说明书附图 1/2 页 7 CN 111404571 A 7 图4 说明书附图 2/2 页 8 CN 111404571 A 8 。