高稳定光生毫米波及其远距离分配技术

发布时间：2018-11-12 20:14

【摘要】：本世纪以来,微波(毫米波)干涉天线阵技术有效突破了单天线微波系统的接收灵敏度和分辨能力,为微波技术带来一场革命。干涉天线阵采用天线同步方式,将分布于不同基地的多个天线接收的信号相干合成,达到数倍增加天线接收灵敏度和分辨力的目的,实现与增大单个天线口径同样的观测效果。根据干涉原理,干涉天线阵列的理论探测能力几乎等同于口径等于天线阵最长基线的单个天线。此外,干涉天线阵可通过控制各个天线单元的微波相位来调整波束指向,有效克服了大口径天线指向调整的难题。干涉天线阵以其在性能、工作稳健性、节省建造费用、灵活性等方面的优越性,已成为现代深空探测和军用雷达网的重要技术手段。在当今的国防建设、深空科学中担当着越来越重要的角色。天线同步是干涉天线阵的基础,其关键是:从中心站给各个天线单元分配相位高稳定的低噪声本振信号,以使各个天线外差接收的信号能够进行相干合成。然而,随着天线阵工作频率和覆盖范围的增加,需要分配的本振频率可能高达数百GHz、分配距离可达数十至数百公里。传统的同轴传输线受到传输损耗限制,难以支持如此远距离的传输。高稳定、低噪声毫米波本振信号的产生及其远距离分配面临巨大的挑战。近年来迅速兴起的微波光子技术为这些问题的解决提供了有效途径。例如,利用光学拍频技术可以生成毫米波、亚毫米波乃至太赫兹(THz)的本振信号;利用光纤的低损耗(0.2 dB/km)、宽带宽特性可以远距离传输超高频的本振信号。基于光子技术的微波(毫米波)信号的生成与分配,面临的主要问题是:光纤传输相位扰动导致的信号稳定性和相位噪声的恶化问题。例如:受到外界环境(如温度、应变、振动等)变化的影响,一段埋在地下的6 km通信光纤在20 Co温度变化下,传输延时变化可达2 ns。对于10 GHz信号,相应的相位漂移达200p。本论文围绕光生毫米波信号及其远距离光纤分配中的相位稳定性问题开展研究,取得以下几个方面的创新:1.基于双外差混频的光载毫米波相位误差检测对毫米波信号相位进行检测是实现其相位控制的先决条件。传统的电子式毫米波相位检测器件的频率、精度、相噪等方面均受到限制。鉴于此,本论文通过研究光载微波信号中光波与微波之间的相位映射与转换问题,提出了基于双外差混频的光载毫米波相位误差检测方法。在本方法中,光载毫米波为一对相位锁定的光载波,毫米波信号的相位对应两光载波的相位差。首先,通过光外差混频将光载毫米波信号和光载毫米波本振的光波相位下转换到两个中频信号的相位上,再经过电外差混频,获得两个中频信号的相位差,该相位信息即反映了光载毫米波信号相对于光载毫米波本振的相位变化。相比于传统方案,本方法在三方面取得突破:其一,不需高速光电检测、带宽不受限、附加相噪低;其二,高效率混频、灵敏度高;其三,双外差混频,激光相噪不敏感,精度高。2.基于光频率调谐的光载毫米波相位控制毫米波相位控制用于校正光纤对光载毫米波信号的相位扰动,是光纤稳相分配的另一关键技术。传统的电子式相位控制器无论从相位控制范围、控制精度、调控速度以及可支持的频率方面均受到限制。鉴于此,本论文提出了基于光频调谐的光载毫米波相位控制方法。其基本原理是:采用声光频移器(aofs)对光载毫米波的其中一个光载波进行频率调谐。实现光载毫米波信号的频率调谐,从而实现范围不受限的相位控制。与传统方案相比,本方案在三方面取得突破:其一,基于频率调谐的相位控制,范围不受限;其二,不需要高频器件,频率不受限;其三,基于aofs调频,调谐速率高。3.高稳定光载毫米波信号产生产生毫米波信号是长距离分配的前提,其中利用光频率梳优越的相位噪声特性,通过从光频梳中提取两个相位锁定的光载波,再经外差拍频生成毫米波,可实现超高频(可达数thz)、低相噪的毫米波,因而成为本领域代表性的光生毫米波方案。然而,其面临的最主要难题是:在光载波提取过程中,两个光载波不可避免的要经历不同的光路径,由此导致生成的毫米波信号的相位对环境温度、振动等极其敏感,难以获得稳定的毫米波信号。而导致该问题至今未能有效解决的核心难题是缺乏有效的毫米波相位检测和控制手段,尤其是频率高达百GHz以上时。基于本论文提出的毫米波光子相位误差检测和控制方法,结合闭环反馈控制技术,有效解决了光生毫米波信号的相位不稳定问题,生成了1THz的光载毫米波信号,其单边带相噪小于-57dB/Hz@频偏1 Hz、-47dB/Hz@频偏0.1 Hz、-30dB/Hz@频偏1 Hz,在0.01Hz~1MHz频率范围内的相位误差小于5毫弧度。4.光载毫米波信号远距离光纤稳相分配在解决了毫米波信号产生的基础上,本论文实现了100 GHz/60km室内光纤稳相传输,传输后频率稳定性优于1.6′10-16@1000秒平均;实现了300GHz/25公里单路和双路室内光纤稳相传输,传输后频率稳定性优于1.6′10-16@1000秒平均;实现了1 THz/42公里电信光缆的稳相传输,传输后频率稳定性优于1′10-15@1000秒平均。与已报道技术相比,本论文研究不仅在稳相分配的频率、距离上取得重要进展,而且由于采用了快速、范围不受限的毫米波光子相位控制方法,本传输系统的相位跟踪带宽可达数百Hz,而且校正范围不受限制,因此,可以校正相位扰动剧烈的光纤链路,环境容纳能力强、无需深埋传输光纤于地下,极大促进了本技术的实用性。
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【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN015;TN820.15

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