新型同轴光纤射频天线的研究

摘要

随着互联网的高速发展、蜂窝电话系统的大范围普及以及个人手持通信设备市场的持续增长，超宽带无线接入技术已成为无线通信领域的研究热点。微波光子接收技术采用微波光子学手段接收微波信号，可满足带宽和远距离传输的需求，正在往集成化、小型化和高效低耗方向发展。目前商用的微波光子器件都是分立的，如何把光调制器和微波接收机集成在一起，同时提高微波信号的调制灵敏度，是微波光子接收领域的一个重要研究方向。
　　本论文探索一种新颖的光纤射频接收天线，采用同轴结构，将光纤波导、表面等离子体波导和射频波导巧妙地结合起来。基于表面等离激元将天线接收的射频信号高效地调制到光波，从而实现射频信号的光子接收和远距离传送。其基本结构:在标准单模光纤（SMF-28）表面涂覆10～60nm厚的金属膜，外面再涂覆电光聚合物和金属层，构成一个多层同轴结构。在光纤中写入长周期光纤光栅，增强纤芯模耦合到包层模，当包层模与金属膜外部的表面等离子激元(SurfacePlasmon Polaritons，SPPs)模式相位匹配时，实现光纤激发SPPs，而内外金属层构成同轴线，构成同轴光纤天线，可以传输主模准TEM模式。内外金属层中的射频信号对电光聚合物的折射率产生影响，继而影响到与SPPs模式耦合的包层模，最终改变光纤的纤芯透射谱，完成电光调制的过程。
　　论文从理论分析和数值仿真两个方面对同轴光纤射频天线进行了研究。首先分析了基于长周期光纤光栅的光纤SPPs的激发，探究了外部环境折射率的变化对光纤光栅透射谱的影响，并进行了仿真计算;然后分析了多层同轴结构射频波导的传输特性，对该射频波导在超宽频带范围内的主模及高次模进行模式分析计算，提出射频波导主模传输的条件;最后，综合同轴光纤射频天线结构在光域和电域的电磁性能，优化新型同轴光纤射频天线的结构参数，通过接收天线功率、电光聚合物的电光特性以及光纤光栅透射谱三者之间的关系，分析光纤射频接收天线的电光调制特性。
　　论文通过仿真计算，验证了这种新颖同轴光纤射频接收天线的可行性。与传统的基于LiNbO3晶体的调制器进行了比较，发现该结构在有效实现射频信号调制到光载信号的同时，可以减少系统复杂度，实现系统的集成。论文最后在已设计的基础上讨论分析了进一步完善性能的方案以及实物制作的难点，并对这类光纤射频天线技术的前景进行了展望。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题背景与研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 微波光子接收技术

1．2．2 光纤表面等离子共振传感技术

1．3 研究内容与创新点

1．3．1 研究内容

1．3．2 主要创新点

2 基于SPPs的光纤折射率传感器基本理论及结构设计

2．1 光纤表面等离激元的理论分析

2．1．1 表面等离子体与色散曲线

2．1．2 表面等离子体的倏逝波

2．1．3 光纤激发SPPs

2．2 基于长周期光纤光栅激发光纤SPPs的理论分析

2．2．1 四层阶跃型光纤中的模式计算

2．2．2 SPPs模式的影响因子

2．2．3 长周期光纤光栅的透射谱及敏感性

2．3 本章小结

3 多层同轴结构的电传输特性的研究

3．1 普通同轴波导的传输理论基础

3．1．1 同轴线的TEM波型

3．1．2 同轴线的高次波型

3．2 多层同轴结构的模式分析

3．2．1 研究电光聚合物厚度对传输常数的影响

3．2．2 研究内导体金属材料对传输常数的影响

3．3 本章小结

4 新型同轴光纤射频天线的设计及分析

4．1 同轴光纤射频天线设计

4．2 电光聚合物材料和厚度的选取

4．3 光域基于SPPs的纤芯透射谱的计算

4．4 电域多层同轴结构传输特性的仿真

4．5 同轴光纤射频天线的电光调制

4．6 本章小结

5 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

作者简介