基于强度和相位调制的微波光子下变频方法研究

发布时间：2017-04-09 00:02

  本文关键词：基于强度和相位调制的微波光子下变频方法研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：微波光子下变频是一种新型的降频技术,现已广泛应用于信号接收、远程遥感、相控阵雷达以及卫地通信等诸多领域。与传统的微波下变频技术相比,微波光子下变频技术具有带宽大、抗电磁干扰能力强、传输损耗小的性能特点,很好的弥补了微波下变频技术在处理高频、宽带微波信号时,在带宽和处理速率上的不足。同时,微波光子下变频技术所需器件的集成度高、热效应小,在设备成本和体积上也具有优势,符合当下系统小型化的发展趋势,具有广阔的应用前景。本文系统的分析了微波光子技术的发展和微波光子下变频技术的研究现状,对典型的微波光子下变频方法进行了性能分析。阐述了马赫曾德强度调制器(MZM)、相位调制器(PM)和光电探测器(PD)的工作原理,分别提出了针对马赫曾德强度调制器直流和射频半波电压的测量方法,并进行了综合实验测量；最终提出了基于MZM-PM级联结构的微波光子下变频系统,理论分析了其下变频原理,并利用Opticsystem仿真软件验证了该原理的可行性。在实验室中构建了该结构的微波光子下变频链路系统,且进行了性能测试实验。研究工作的主要内容如下：1.理论推导了MZM、PM和PD的工作原理,得出其输入和输出光场表达式。对下变频系统的主要性能评价参量,系统增益、噪声系数和无杂散动态范围(SFDR)的基本定义进行了详细说明,对它们的计算方法进行了简要推导。2.提出并验证了MZM的直流半波电压和射频半波电压的测量方法,分析其在不同调制条件下的变化趋势。对于直流半波电压的测量,我们通过在待测MZM的偏置电压端口上输入低频三角波信号的方式进行测量,避免了在传统的极值测量法中,为定位MZM输出功率的最大值或最小值所带来的操作难度,降低了设备不稳定度对测量结果的影响,提高了测量精度和准确度。针对MZM的工作状态会受环境影响而产生漂移的问题,设计并制作了直流偏置反馈模块,实验验证了反馈模块的有效性,为射频半波电压的测量提供了重要的前提条件。利用光谱分析方法实现射频半波电压的测量,利用奇次边带间的强度比计算得出待测MZM的射频半波电压。由于该方法是在频域中进行分析计算,所以该方法的抗干扰能力较强,并且可以在不同的调制频率或功率下,测量MZM的射频半波电压。实验结果表明调制信号的频率变化对MZM的射频半波电压的影响很大,体现为射频半波电压随着调制频率的增加而明显增大。3.提出了基于MZM-PM级联结构的微波光子下变频系统。对该系统的变频原理进行了理论推导和仿真实验,模拟计算了该系统的下变频性能参数。在实验室中成功搭建了该实验系统,并根据实际应用条件实现了对高频信号的下频率处理,验证了MZM-PM级联结构的下变频可行性。同时,在该实验系统上完成了对系统增益和SFDR的性能测试,测得其最大系统增益为-34.65dB,最大SFDR为108.62 dB/Hz2/3,该结果与模拟仿真结果基本吻合。现实中常规的微波光子下变频系统多采用双MZM级联结构,通过搭建该结构的下变频系统并进行对比实验,得出基于MZM-PM级联结构的下变频系统在系统增益和SFDR两方面均优于采用MZM-MZM级联结构的下变频系统,证实了MZM-PM级联结构具备良好的下变频能力,拥有深厚的发展潜力。
【关键词】：微波光子学 下变频 相位调制器 马赫曾德强度调制器
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN015
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-22
• 1.1 微波光子学概述10-15
• 1.1.1 微波光子学的发展10-11
• 1.1.2 微波光子链路的主要结构和特点11-13
• 1.1.3 微波光子链路的应用13-15
• 1.2 微波光子下变频技术的研究现状15-20
• 1.2.1 基于直接调制的下变频技术16-17
• 1.2.2 基于外部电光调制的下变频技术17-19
• 1.2.3 基于光频梳的下变频技术19-20
• 1.3 本论文主要研究内容20-22
• 第2章 微波光子下变频技术中的关键器件和主要参数22-30
• 2.1 电光调制器的工作原理22-25
• 2.1.1 相位调制器的工作原理22-23
• 2.1.2 马赫曾德强度调制器的工作原理23-25
• 2.2 光电探测器的工作原理25-26
• 2.3 微波光子链路的主要性能参数26-29
• 2.3.1 系统增益26
• 2.3.2 噪声特性26-28
• 2.3.3 无杂散动态范围28-29
• 2.4 本章小结29-30
• 第3章 对MZM半波电压的综合测量30-44
• 3.1 MZM半波电压的测量原理30-33
• 3.1.1 MZM直流半波电压的测量原理30-32
• 3.1.2 MZM射频半波电压的测量原理32-33
• 3.2 MZM直流半波电压测量的实验研究33-35
• 3.3 MZM射频半波电压测量的实验研究35-38
• 3.4 直流偏置稳定模块的设计38-43
• 3.4.1 直流偏置稳定模块的工作原理39-41
• 3.4.2 直流偏置稳定模块的有效性测试41-43
• 3.5 本章小结43-44
• 第4章 基于MZM-PM级联结构的微波光子下变频系统的实验研究44-58
• 4.1 基于MZM-PM级联结构的下变频原理44-46
• 4.2 基于MZM-PM级联结构的下变频仿真实验46-51
• 4.2.1 对下变频可行性的仿真验证46-49
• 4.2.2 对系统增益的模拟和分析49-50
• 4.2.3 对无杂散动态范围的模拟和分析50-51
• 4.3 实验系统的搭建51-52
• 4.4 实验系统的性能测试52-56
• 4.4.1 下变频原理的可行性验证52-53
• 4.4.2 系统增益的测试53-54
• 4.4.3 无杂散动态范围的测试54-55
• 4.4.4 采用MZM-MZM级联结构的对比实验55-56
• 4.5 本章小结56-58
• 结论58-60
• 参考文献60-66
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文66-68
• 致谢68-69

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