面向光控相控阵天线的光纤真时延迟技术研究

摘要

光纤真时延迟线技术可广泛应用于光缓存、时分复用、光信息处理等领域，尤其是在光控相控阵天线中具有极其重要的应用。该技术能为相控阵天线单元提供超宽带、低损耗的微波相位偏移，实现对天线单元的快速控制，也可以为多子阵天线提供同步可控的相移。
　　光纤真时延迟线技术包括延迟结构的设计、制作与精密测量。本文深入研究精密光纤延迟线制作工艺、基于低相干光干涉仪的光纤长度精密测量技术以及提高测量精度和测量量程的方法。利用这些高精度延迟线制作和测量技术，对高精度可编程微波移相器和多波长光延时网络进行了分析、设计，进而完成了制作与实现，并对其微波性能进行了测试。
　　本文主要内容包括：
　　1.提出了一种便捷的高精度光纤延迟线制作工艺方法，设计了一种带精密刻度夹具平台和基于此平台的高精度光纤延迟线制作流程。通过显微观察、螺距控制和精密刻度标定，能实现光纤的精密切割，最小分辨率可达0.1-0.2mm。
　　2.针对实际应用中对延迟量的高精度要求，提出了在低相干光干涉仪中引入光纤环结构来提高光纤长度测量精度的方案。利用光信号在环结构中多次传输，可控制光纤长度或长度变化测量的倍率，从而能充分利用低相干光干涉仪有限的量程，对长度变化的部分进行放大测量，实现分辨率和精度的提高。实验表明，可以在现有商业低相干光干涉仪30微米高分辨率的基础上，再提高一个数量级，测量分辨率达3微米。
　　3.针对光纤延迟线应用中的大动态范围要求，提出了扩展低相干光干涉仪量程的方法。该方法利用级联光纤延迟线作为参考，利用其不同的延迟组合，能在保证测量精度的前提下，实现较长光纤的长度测量。同时研究了如何利用低相干光干涉仪本身的量程，对光纤延迟线参考结构进行自检定。该方法可以实现分辨率60微米、量程0.81千米的光纤长度测量。
　　4.采用半导体光放大器作为控制开关，制作了快速可编程的3分路级联真时延迟结构，通过加载微波信号，构成快速可调的微波相移器。半导体光放大器在该结构中同时起到光开关和光信号增益补偿的作用，论文就半导体光放大器对微波信号噪声的影响进行系统测试和性能分析。
　　5.提出了基于光纤真时延迟和波分复用技术的多波长延迟网络，可用于微波波束成形。采用本文提出的技术制作了基于波分复用的多波长光纤延迟线，利用2×2光开关实现了3级延迟单元的组合。对相控阵子阵天线单元相移间隔28o(2GHz微波信号)、共8个状态的相移性能进行了实验演示论证。
　　最后，对全文内容进行总结，提炼了本文的创新点。然后，针对本文的研究主题，提出了相关内容的技术展望。并就微波信号的光处理、光延迟线的集成化等提出一些建议。

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第一章 绪论

1.1微波光子学与光纤延迟线技术概述

1.2光控相控阵天线及国内外研究现状

1.3光纤真时延迟技术及其在光控相控阵天线应用中所面临的问题

1.4本文主要工作与安排

第二章 光纤延迟线制作工艺

2.1高精度光纤延迟线的需求分析

2.2精密切割方法制备高精度光纤延迟线

2.3拉伸方法实现光纤延迟线精密制作

2.4本章小结

第三章 高精度光纤延迟线测量

3.1精密反射仪工作原理及性能

3.2利用光纤环进行高精度测量

3.3本章小结

第四章 大量程光纤延迟线测量

4.1引言

4.2低相干光干涉仪量程扩展原理

4.3光纤延迟线的大量程测量实例

4.4低相干光大量程测量的误差分析

4.5本章小结

第五章 光纤真时延迟线在微波相移器中的应用

5.1光纤真时延迟结构

5.2基于光真时延迟线的微波相移器组成

5.3微波相移器性能测试

5.4基于级联延迟线的微波相移器噪声测试

5.5本章小结

第六章 基于光纤真时延迟线的多波长延迟网络

6.1多波长光波束成形的延时网络方案

6.2用于微波相控阵波束成形的光纤延迟结构的制作与实验验证

6.3用于微波相控阵波束成形的光纤延迟结构的性能测试

6.4本章小结

第七章 总结与展望

7.1本文主要工作

7.2本文主要创新点

7.3工作展望

参考文献

附录 符号与标记

致谢

攻读博士学位期间已发表或录用的论文及其他成果

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