微波光子信号产生及处理若干关键技术研究

摘要

微波/毫米波信号的产生及处理在电子对抗、雷达、无线通信等领域发挥着重要作用。传统的电子学方法受限于器件带宽，在产生及处理高频、大带宽信号时，会遇到电子“瓶颈”，而利用光子学大带宽、低损耗、抗电磁干扰等优势，可以实现高频率和大带宽的微波信号产生及处理，因而研究微波光子信号产生及处理具有非常重要的战略意义和应用价值。本文研究了微波光子信号产生及处理的若干关键技术，提出两种利用相移光纤光栅的光电振荡器方案，以产生相位噪声低、频率稳定性高的单频微波信号；给出基于频率-时间映射产生宽带啁啾微波信号方案，可实现较大的时间带宽积，并给出系统数学模型和信号性能分析结果；给出基于频率-时间映射产生相位编码微波信号的数学模型及设计方法，并对信号的性能进行了分析；此外，给出了处理高频宽带微波信号的光子时间拉伸系统理论模型，并对该系统的各项性能进行了研究。
　　本研究主要内容包括：⑴提出一种利用双峰相移光纤光栅的光电振荡器方案，并进行实验验证。在该方案中，具有窄带透射峰的高精度相移光纤光栅可以实现光电环路的高Q值，同时，系统中双透射峰的频率间隔决定了微波信号的频率大小。该结构不需要使用长光纤和窄带微波滤波器，具有结构紧凑、易集成、损耗低、成本低等优点。该光电振荡器方案在实验中实现了频率为10.6GHz的微波信号，其相位噪声在距载频10kHz处为-99.3dBc/Hz。另外，针对光电振荡器产生微波信号的频率漂移问题，提出一种自锁定式光电振荡器的理论改进方案。该结构中，主要利用梳状光滤波器进行稳频功能，相比附加反馈电路，此结构简单易实现。⑵提出一种基于频率-时间映射产生啁啾微波信号的方案，可用于产生较大时间带宽积的啁啾信号。根据该系统的数学模型，并进一步研究了系统产生啁啾微波信号的最大时间带宽积性能。仿真中得到了时间带宽积为368的啁啾微波信号，实验中得到了时间带宽积为61.2的啁啾微波信号。⑶给出了基于频率-时间映射产生相位编码信号的系统数学模型，并给出具体的系统设计方法，可用于获得所需的相位编码微波信号。另外，对该系统产生相位编码信号的最大时间带宽积性能进行了研究。通过仿真和实验对理论结果进行了有效地验证，仿真中得到了时间带宽积为263.2相位编码微波信号。该理论可以有效地指导实际系统的设计并获取较好的信号性能。⑷给出了严格的光子时间拉伸系统理论模型，精确地表征了系统输出的各阶谐波及互调分量。通过分别研究输入单频、双频信号情况，推导出系统输出各阶谐波、互调分量的严格表达式。基于此理论模型，可极大地简化光子时间拉伸系统的设计，并可对系统各项参数进行估算，如系统带宽、谐波功率、时间带宽积、1dB压缩点、三阶截点、无杂散动态范围等。利用数值仿真和实验结果对此数学模型进行了验证，仿真中，利用单臂调制器的光子时间拉伸系统无杂散动态范围为119.16dB-Hz2/3，实验中的系统无杂散动态范围为88.9dB-Hz2/3。

目录

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致谢

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 微波光子技术介绍

1.3基于光子学的微波信号产生及处理研究现状

1.4 本论文的主要工作

第2章 光电振荡器产生微波信号

2.1 引言

2.2 光电振荡器的经典结构

2.3 光电振荡器理论模型

2.4 基于双峰相移光纤光栅的光电振荡器

2.5 本章小结

第3章 基于频率-时间映射产生宽带微波信号

3.1 引言

3.2 频率-时间映射理论

3.3大时间带宽积的啁啾微波信号产生

3.4宽带相位编码微波信号产生

3.5 本章小结

第4章 光子时间拉伸系统研究

4.1 引言

4.2 光子时间拉伸系统

4.3 单频信号输入的系统模型

4.4 双频信号输入的系统模型

4.5 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 工作展望

参考文献

攻读博士学位期间主要的研究成果及项目支持

学术论文

国家专利

项目支持