一种基于PS-CFBG的可调谐多倍频毫米波发生器的制作方法

一种基于ps
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cfbg的可调谐多倍频毫米波发生器
技术领域
1.本发明涉及一种基于ps
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cfbg的可调谐多倍频毫米波发生器， 属于光纤通信、电光调制、信号处理领域。


背景技术：

2.微波光子学是一门研究微波与光子间的相互作用及其应用的学 科。近年来，微波光子学的一项最重要应用是无线通信中利用光纤进 行微波载波信号的传输，被称为光载无线电(rof,radio over fiber) 通信系统。rof通信系统结合传统微波通信与光通信的优势，利用光 纤拉远延长了高频微波信号的空间传输距离，在此基础上可实现高达 gbps量级的无线宽带接入，将网络通信容量提升一至两个数量级， 应用前景广阔。高质量毫米波的光子学产生方法是目前rof领域的 研究热点之一。
3.使用光域方法实现微波信号生成的器件在微波光子学中被称为 微波光子发生器，它可以有效地解决电域瓶颈。如果微波光子发生器 用来产生毫米波频段的微波信号，也将其称之为毫米波发生器。基于 光学方法产生的毫米波频率可具有很高的连续调谐范围。毫米波的光 域生成技术经过十几年来的发展已经多种多样，关于毫米波发生器研 究工作已经有不少报道，围绕着毫米波生成问题，由于毫米波本身工 作频段很高(30～300ghz)，实验设备均要求工作于毫米波频段，因 此毫米波技术的研究重点在于利用相对低廉的技术成本产生较为稳 定并且频率可调谐的射频毫米波信号。通常采用的毫米波生成方法主 要包括直接调制法(内调制法)、间接调制法(外部调制法)、频率上 转换法和光外差法等。由于外部调制器灵活的调制方式和较高的调制 效率，其在rof系统中得到了广泛的应用。
4.啁啾相移光纤光栅(ps
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cfbg)是通过在啁啾光纤光栅(cfbg) 上引入相移使其频谱内出现一个或多个互相独立的窄带，可实现多通 道窄带滤波。ps
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cfbg型可调滤波器以其特殊的传输特性、结构简 单等优点，可用于滤波、多路复用、光纤激光器的选频等。
5.光纤光栅上可调相移的引入一般是通过外部调制的手段实现的， 对光纤光栅折射率的影响是可逆的。从原理上讲，常用来引入可调相 移的方法主要有局部加热导致相移区的折射率变化和外部作用力导 致相移区的微小形变这两种。
6.当cfbg上同时引入两个相同的π相移时，ps
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cfbg型可调滤 波器的频谱通带内会出现两个窄带，ps
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cfbg型可调滤波器频谱通 带内两个窄带的滤波强度几乎一致。随着两个π相移之间的距离不断 变化，ps
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cfbg型可调滤波器频谱通带内窄带的数目以及每个窄带 的滤波强度几乎保持不变，即窄带的数目以及每个窄带的滤波强度与 相移引入位置之间的距离无关。ps
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cfbg型可调滤波器频谱通带内 的两个窄带滤波波长之间的波长间隔是随着cfbg上的两个π相移 之间的距离d的变化而变化的。ps
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cfbg型可调滤波器频谱通带内 两个窄带之间的波长间隔δλ与两个相移点之间的距离d满足正比 关系，斜率为0.1714nm/cm。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题是，克服目前rof系统中毫米波信 号的生成技术复杂、成本较高，并且调谐性差这一难题，并充分利用 ps
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cfbg的特性，提供一种基于ps
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cfbg的可调谐多倍频毫米波发 生器，实现任意倍频且倍频因子可调谐的毫米波信号的灵活生成。
8.为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
9.一种基于ps
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cfbg的可调谐多倍频毫米波发生器，该装置包括： 激光器、毫米波本振源、马赫增德尔调制器、ps
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cfbg型可调滤波 器、光纤放大器、光电探测器和带通滤波器；具体连接方式为：
10.激光器的输出端与马赫增德尔调制器的光输入端连接，毫米波本 振源的输出端与马赫增德尔调制器的电调制端连接，马赫增德尔调制 器的光输出端与ps
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cfbg型可调滤波器的一端连接，ps
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cfbg型可 调滤波器的另一端与光纤放大器的输入端连接，光纤放大器的输出端 与光电探测器的输入端连接，光电探测器的输出端与带通滤波器连接； 其中ps
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cfbg型可调滤波器由压电陶瓷片和啁啾光纤光栅(cfbg) 组成。
11.在上述方案的基础上，所述马赫增德尔调制器输出的光双边带调 制信号包括光载波以及各阶次光边带。
12.在上述方案的基础上，所述马赫增德尔调制器工作在适当的工作 模式时，能够实现光双边带调制。
13.在上述方案的基础上，所述马赫增德尔调制器包括单驱动马赫增 德尔调制器或双驱动马赫增德尔调制器，马赫增德尔调制器能够级联 其他类型调制器以增加光边带数目，实现更多倍频因子的毫米波信号 生成。
14.在上述方案的基础上，在ps
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cfbg型可调滤波器上施加两个一 样的π相移使其透射谱中出现两个透射峰，两个透射峰波长与光双边 带调制信号中的两个任意分量波长相吻合，选择出这两个谐波分量进 行拍频，能够实现任意倍频且倍频因子可调谐的毫米波信号的生成； 两个π相移点之间的距离d能够根据ps
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cfbg型可调滤波器频谱通 带内两个窄带之间的波长间隔δλ计算得到，δλ与两个π相移点之 间的距离d满足正比关系且斜率为0.1714nm/cm。
15.在上述方案的基础上，ps
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cfbg型可调滤波器中在啁啾光纤光 栅(cfbg)上的π相移点的引入是通过调节压电陶瓷片两端的驱动 电压实现的，调节方便，且引入的相移能够准确控制相移量大小。
16.在上述方案的基础上，激光器包括脉冲锁模激光器(mll)或连 续波激光器(cw)。
17.本发明和已有技术相比所具有的有益效果如下：
18.本发明采用ps
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cfbg型可调滤波器，只需改变施加在cfbg上 的两个π相移点之间的距离即可实现任意倍频因子，且倍频因子可调 谐的毫米波信号的输出。整个装置仅有一个激光器、一个毫米波本振 源，一个马赫增德尔调制器、一个ps
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cfbg型可调滤波器、一个光 纤放大器、一个光电探测器以及一个带通滤波器组成，而ps
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cfbg 型可调滤波器仅压电陶瓷片和一段cfbg组成，构建成本低，能够很 好地与通信光纤匹配，连接损耗小。本发明能够实现任意倍频，且倍 频因子可调谐的多倍频毫米波信号的产生，故而适用于微波光子领域 毫米波发生器的设计与优化等领域。
附图说明
19.本发明有如下附图：
20.图1为基于ps
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cfbg的可调谐多倍频毫米波发生器示意图。
21.图2为马赫增德尔调制器输出的双边带调制信号示意图。
22.图3为实施例一中ps
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cfbg型可调滤波器透射谱示意图。
23.图4为实施例一中产生的2倍频毫米波信号电频谱图。
24.图5为实施例二中ps
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cfbg型可调滤波器透射谱示意图。
25.图6为实施例二中产生的4倍频毫米波信号电频谱图。
26.图7为实施例三中ps
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cfbg型可调滤波器透射谱示意图。
27.图8为实施例三中产生的6倍频毫米波信号电频谱图。
28.图9为实施例四中ps
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cfbg型可调滤波器透射谱示意图。
29.图10为实施例四中产生的1倍频毫米波信号电谱图。
30.图11为实施例五中ps
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cfbg型可调滤波器透射谱示意图。
31.图12为实施例五中产生的3倍频毫米波信号电频谱图。
32.图13为实施例六中ps
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cfbg型可调滤波器透射谱示意图。
33.图14为实施例六中产生的5倍频毫米波信号电频谱图。
具体实施方式
34.下面结合附图1至14对基于ps
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cfbg的可调谐多倍频毫米波发 生器作进一步描述。
35.实施例一
36.一种基于ps
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cfbg的可调谐多倍频毫米波发生器，该装置包括： 激光器11、毫米波本振源12、马赫增德尔调制器13、ps
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cfbg型可 调滤波器14、光纤放大器15、光电探测器16和带通滤波器17；具 体连接方式为：
37.激光器11的输出端与马赫增德尔调制器13的光输入端连接，毫 米波本振源12的输出端与马赫增德尔调制器13的电调制端连接，马 赫增德尔调制器13的光输出端与ps
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cfbg型可调滤波器14的一端 连接，ps
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cfbg型可调滤波器14的另一端与光纤放大器15的输入 端连接，光纤放大器15的输出端与光电探测器16的输入端连接，光 电探测器16的输出端与带通滤波器17连接；其中ps
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cfbg型可调 滤波器14由压电陶瓷片和一段啁啾光纤光栅组成。
38.本实例中毫米波本振源12产生的正弦波信号为10ghz，激光器 11的中心频率为1550.00nm，经马赫增德尔调制器13调制后光双边 带信号；载频2g、 1阶边带2a、
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1阶边带2b、 2阶边带2c、
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2阶 边带2d、 3阶边带2e和
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3阶边带2f，如图2所示。ps
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cfbg型可 调滤波器两个π相移点之间的距离为9.33cm，其透射谱如图3所示， 图3中的3a和3b分别将2a和2b，经过光纤放大器15放大，光电探 测器16拍频以及中心频率为20ghz，带宽为1ghz的带通滤波器17 滤波后，产生的2倍频毫米波信号电频谱图如图4所示。
39.实施例二
40.一种基于ps
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cfbg的可调谐多倍频毫米波发生器，该装置包括： 激光器11、毫米波本振源12、马赫增德尔调制器13、ps
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cfbg型可 调滤波器14、光纤放大器15、光电探测器16
和带通滤波器17；具 体连接方式为：
41.激光器11的输出端与马赫增德尔调制器13的光输入端连接，毫 米波本振源12的输出端与马赫增德尔调制器13的电调制端连接，马 赫增德尔调制器13的光输出端与ps
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cfbg型可调滤波器14的一端 连接，ps
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cfbg型可调滤波器14的另一端与光纤放大器15的输入 端连接，光纤放大器15的输出端与光电探测器16的输入端连接，光 电探测器16的输出端与带通滤波器17连接；其中ps
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cfbg型可调 滤波器14由压电陶瓷片和一段啁啾光纤光栅组成。
42.本实例中毫米波本振源12产生的正弦波信号为10ghz，激光器 11的中心频率为1550.00nm，经马赫增德尔调制器13调制后光双边 带信号；载频2g、 1阶边带2a、
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1阶边带2b、 2阶边带2c、
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2阶 边带2d、 3阶边带2e和
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3阶边带2f，如图2所示。ps
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cfbg型可 调滤波器两个π相移点之间的距离为18.67cm，其透射谱如图5所示， 图5中的5a和5b分别将2c和2d，经过光纤放大器15放大，光电探 测器16拍频以及中心频率为40ghz，带宽为1ghz的带通滤波器17 滤波后，产生的4倍频毫米波信号电频谱图如图6所示。
43.实施例三
44.一种基于ps
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cfbg的可调谐多倍频毫米波发生器，该装置包括： 激光器11、毫米波本振源12、马赫增德尔调制器13、ps
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cfbg型可 调滤波器14、光纤放大器15、光电探测器16和带通滤波器17；具 体连接方式为：
45.激光器11的输出端与马赫增德尔调制器13的光输入端连接，毫 米波本振源12的输出端与马赫增德尔调制器13的电调制端连接，马 赫增德尔调制器13的光输出端与ps
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cfbg型可调滤波器14的一端 连接，ps
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cfbg型可调滤波器14的另一端与光纤放大器15的输入 端连接，光纤放大器15的输出端与光电探测器16的输入端连接，光 电探测器16的输出端与带通滤波器17连接；其中ps
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cfbg型可调 滤波器14由压电陶瓷片和一段啁啾光纤光栅组成。
46.本实例中毫米波本振源12产生的正弦波信号为10ghz，激光器 11的中心频率为1550.00nm，经马赫增德尔调制器13调制后光双边 带信号；载频2g、 1阶边带2a、
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1阶边带2b、 2阶边带2c、
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2阶 边带2d、 3阶边带2e和
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3阶边带2f，如图2所示。ps
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cfbg型可 调滤波器两个π相移点之间的距离为28.00cm，其透射谱如图7所示， 图7中的7a和7b分别将2e和2f，经过光纤放大器15放大，光电探 测器16拍频以及中心频率为60ghz，带宽为1ghz的带通滤波器17 滤波后，产生的6倍频毫米波信号电频谱图如图8所示。
47.实施例四
48.一种基于ps
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cfbg的可调谐多倍频毫米波发生器，该装置包括： 激光器11、毫米波本振源12、马赫增德尔调制器13、ps
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cfbg型可 调滤波器14、光纤放大器15、光电探测器16和带通滤波器17；具 体连接方式为：
49.激光器11的输出端与马赫增德尔调制器13的光输入端连接，毫 米波本振源12的输出端与马赫增德尔调制器13的电调制端连接，马 赫增德尔调制器13的光输出端与ps
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cfbg型可调滤波器14的一端 连接，ps
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cfbg型可调滤波器14的另一端与光纤放大器15的输入 端连接，光纤放大器15的输出端与光电探测器16的输入端连接，光 电探测器16的输出端与带通滤波器17连接；其中ps
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cfbg型可调 滤波器14由压电陶瓷片和一段啁啾光纤光栅组成。
50.本实例中毫米波本振源12产生的正弦波信号为10ghz，激光器 11的中心频率为1550.00nm，经马赫增德尔调制器13调制后光双边 带信号；载频2g、 1阶边带2a、
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1阶边带2b、 2阶边带2c、
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2阶 边带2d、 3阶边带2e和
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3阶边带2f，如图2所示。ps
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cfbg型可 调滤波器两个π相移点之间的距离为4.65cm，其透射谱如图9所示， 图9中的9a和9b分别将2g和2a，经过光纤放大器15放大，光电探 测器16拍频以及中心频率为10ghz，带宽为1ghz的带通滤波器17 滤波后，产生的1倍频毫米波信号电频谱图如图10所示。
51.实施例五
52.一种基于ps
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cfbg的可调谐多倍频毫米波发生器，该装置包括： 激光器11、毫米波本振源12、马赫增德尔调制器13、ps
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cfbg型可 调滤波器14、光纤放大器15、光电探测器16和带通滤波器17；具 体连接方式为：
53.激光器11的输出端与马赫增德尔调制器13的光输入端连接，毫 米波本振源12的输出端与马赫增德尔调制器13的电调制端连接，马 赫增德尔调制器13的光输出端与ps
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cfbg型可调滤波器14的一端 连接，ps
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cfbg型可调滤波器14的另一端与光纤放大器15的输入 端连接，光纤放大器15的输出端与光电探测器16的输入端连接，光 电探测器16的输出端与带通滤波器17连接；其中ps
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cfbg型可调 滤波器14由压电陶瓷片和一段啁啾光纤光栅组成。
54.本实例中毫米波本振源12产生的正弦波信号为10ghz，激光器 11的中心频率为1550.00nm，经马赫增德尔调制器13调制后光双边 带信号；载频2g、 1阶边带2a、
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1阶边带2b、 2阶边带2c、
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2阶 边带2d、 3阶边带2e和
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3阶边带2f，如图2所示。ps
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cfbg型可 调滤波器两个π相移点之间的距离为13.95cm，其透射谱如图11所 示，图11中的11a和11b分别将2g和2e，经过光纤放大器15放大， 光电探测器16拍频以及中心频率为30ghz，带宽为1ghz的带通滤 波器17滤波后，产生的3倍频毫米波信号电频谱图如图12所示。
55.实施例六
56.一种基于ps
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cfbg的可调谐多倍频毫米波发生器，该装置包括： 激光器11、毫米波本振源12、马赫增德尔调制器13、ps
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cfbg型可 调滤波器14、光纤放大器15、光电探测器16和带通滤波器17；具 体连接方式为：
57.激光器11的输出端与马赫增德尔调制器13的光输入端连接，毫 米波本振源12的输出端与马赫增德尔调制器13的电调制端连接，马 赫增德尔调制器13的光输出端与ps
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cfbg型可调滤波器14的一端 连接，ps
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cfbg型可调滤波器14的另一端与光纤放大器15的输入 端连接，光纤放大器15的输出端与光电探测器16的输入端连接，光 电探测器16的输出端与带通滤波器17连接；其中ps
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cfbg型可调 滤波器14由压电陶瓷片和一段啁啾光纤光栅组成。
58.本实例中毫米波本振源12产生的正弦波信号为10ghz，激光器 11的中心频率为1550.00nm，经马赫增德尔调制器13调制后光双边 带信号；载频2g、 1阶边带2a、
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1阶边带2b、 2阶边带2c、
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2阶 边带2d、 3阶边带2e和
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3阶边带2f，如图2所示。ps
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cfbg型可 调滤波器两个π相移点之间的距离为23.25cm，其透射谱如图13所 示，图13中的13a和13b分别将2d和2e，经过光纤放大器15放大， 光电探测器16拍频以及中心频率为50ghz，带宽为1ghz的带通滤 波器17滤波后，产生的5倍频毫米波信号电频谱图如图14所示。
59.本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知 的现有技术。