[发明专利]基于微波光波相干转换的无线数字通信接收天线及其方法

说明书

本发明公开了一种基于微波光波相干转换的无线数字通信接收天线及其方法，其中通信接收天线包括激光器、数字信号制调器、铯泡、合束器、光电探测器和数字信号解调器，其中激光器用于产生光外差探测中所需的本振光，数字信号解调器将数字信号调制至微波，铯泡将微波调制转换为已调制光波，合束器将本振光和已调制光波进行叠加，产生光外差信号，光电探测器接受光外差信号，数字信号解调器用于从光外差信号中恢复为数字信号。本发明利用里德堡原子六波混频过程中微波和光波的相干转换，把数字信号对微波的相位调制转换为对光波的相位调制，通过光外差解调方法对已调制光波进行相干解调以恢复数字信号，从而实现数字通信。

技术领域

本发明涉及一种天线及其通信方法，尤其涉及一种基于微波光波相干转换的无线数字通信接收天线及基于微波光波相干转换的无线数字通信方法。

背景技术

2012年，美国Oklahoma大学的Shaffer研究组与德国Stuttgart大学的Pfau研究组合作首次利用热里德堡原子EIT和AT分裂，将微波电场强度的测量转化为光学频率测量，实验上实现了微波电场测量，测到的最小电场强度为8μVcm^-1，灵敏度为30μVcm^-1Hz^-12。2018年美国Maryland大学的David H.研究组利用热原子EIT-AT分裂现象进行数字通信，信道容量为8.2Mbit/s。同年，新加坡国立大学的李文辉研究组首次通过里德堡原子的六波混频过程实现了从微波到光波的相干转换，转换带宽约6MHz，且转换过程不受强度限制，原理上可工作在微波单光子的水平。

目前，实验测量和理论分析表明，基于热原子EIT-AT分裂现象的数字通信只能通过幅值调制进行，无法通过相位调制进行信息的传输；同时信道容量受激光线宽、渡越展宽、散粒噪声以及里德堡原子退相干等因素限制。本发明在原理上不受原子体系量子测量极限的限制，接收灵敏度可接近单光子水平，大为提高数字通信的信道容量。此外本发明既可通过幅值调制也可通过相位调制来进行信息的传递，有望拓展至相控技术。

发明内容

为了解决上述现有技术的缺陷，本发明之目的在于提供一种结构简单、灵敏度高、带宽大、可行性强且易于实用化的基于微波光波相干转换的无线数字通信接收天线及其方法。

一种基于微波光波相干转换的无线数字通信接收天线，包括激光器、数字信号制调器、铯泡、合束器、光电探测器和数字信号解调器，其中：

激光器用于产生光外差探测中所需的本振光；

数字信号解调器将数字信号调制至微波；

铯泡将微波调制转换为已调制光波；

合束器将上述本振光和上述已调制光波进行叠加，产生光外差信号；

光电探测器接受光外差信号；

数字信号解调器用于从上述光外差信号中恢复为数字信号。

进行通信时，利用数字信号调制器将数字信号调制至微波，作为接收探头的铯泡接收到已调制微波后，其内的铯原子在发生六波混频过程将已调制微波相干地转换为已调制光波，通过合束器对已调制光波进行光外差探测，光电探测器将所探测到的光外差信号送至数字信号解调器进行解调，由数字信号解调器恢复数字信号，最后完成通信。

优选地，铯泡内提供室温饱和蒸汽下的铯原子气体，铯原子气体在里德堡六波混频过程中将微波调制成已调制光波。

优选地，数字信号调制器通过相移键控调制将数字信号调制至微波信号上。相移键控调制包括BPSK调制、QPSK调制和8PSK调制，通过IQ调制使得微波的不同相位代表不同的数字信号。

数字信号解调器由乘法电路、低通滤波电路和采样判决电路组成，利用乘法电路分别将正弦模式和余弦模式的射频信号与光外差信号相乘，通过低通滤波器恢复IQ信号波形，最后通过采样判决电路恢复数字信号。