【《基于微波光子学的倍频技术分析》3000字】

基于微波光子学的倍频技术分析目录TOC\o"1-3"\h\u29351基于微波光子学的倍频技术分析 1179091.1.1理论分析 3256571.1.2仿真分析 4101991.1.3实验验证 633131.4.1理论分析 7277011.4.2仿真分析 718921.4.3实验验证 91.1基于微波光子学的倍频技术概述本文研究的基于微波光子学的倍频技术，旨在中心节点CO处，利用低成本的本振微波发生器，产生光载微波信号，经过光纤的传播，经过基站的光电转换，差频形成倍频微波信号，最后通过天线发射。将高成本的电光调制器集中在中心节点，利用低成本的本振微波信号发生器，并且不用在基站进行倍频，这对简化基站，降低ROF系统的成本有重要意义。ROF中的倍频示意图如图1-1。基于微波光子学的倍频技术，关键是要两束相干光在光电检测器端外差产生倍频微波信号。为了追求更灵活的调谐性，产生纯度更高的倍频信号，国内外学者提出了有很多方案。无论他们的实现手段如何，都有一个基本原理：使用光探测器，两束相干光外差产生高频低相位噪声的微波信号。从产生两束相干光的方法来区分，可以常见的有三种：直接调制、光学锁定和外调制法。使用外调制器产生倍频信号是各国研究者讨论最多，也是最有优势的一类方案。按照外调制器可分为铌酸锂马赫泽德调制器（MZM）、电吸收调制器（EAM）和偏振调制器（PolM）等。MZM结构简单，成本较低，利用它的非线性效应能产生多阶边带，是最适于产生倍频微波信号的电光调制器。电吸收调制器则利用其交叉调制效应等非线性特性产生多节边带，更多的应用于混频。偏振调制器通过偏振调制来产生微波信号，研究者不多。使用外调制器产生倍频信号的方案按照调制方式则可分为强度调制、相位调制和偏振调制三种。强度调制是讨论最为广泛的调制方式，其优点是简单有效，缺点是必须设置直流偏置电压，这可能造成电压偏移。而相位调制则很好的克服了这一限制，但相位调制必须使用PM-IM转换，不然不能拍频产生微波信号，这又增加了系统的复杂度。外调制产生倍频信号的方案若按照连接结构这可分为单级调制器、级联、并联和集成调制器四种。在ROF早期研究中，更多的是使用单级调制器，生成的微波信号倍数也较低，通常为二倍。后来出现了两个调制器级联或者并联的方案，能够产生更高倍数的微波信号，偏置电压的设置也更为灵活，这也是其成为研究主流的原因。最近几年，集成的调制器引起了很多人的兴趣，其中以双平行马赫泽德调制（DPMZM）为代表，它能更灵活的设置偏置电压，产生更高倍数的微波信号。在以往的利用微波光子学的方法来产生微波的倍频信号方案中，大多数不能用全光的方式产生倍频信号，在最后光电检测器拍频产生的电信号中，会有多次谐波，必须使用电滤波器选择出需要的倍频信号。那些能在全光域中产生倍频信号的方案中，有的会使用较为复杂的结构，或者限定输入本振微波信号的幅度来控制调制器的调制深度，来达到抑制多余谐波的目的。电光调制器的输出光边带分布规律是由所加载的直流偏置电压和射频信号的特性（幅度和初始相位）控制的。根据加载的直流偏置电压和调制器的半波电压的大小关系，通常把调制器的工作点分为最大传输点(MaximumTransmissionPoint，MATP)、正交点（QuadratureTransmissionPoint）以及最小传输点(MinimumTransmissionPoint，MITP)。本章内容将对一些经典的二、四倍频方案进行简单的概述。1.2基于微波光子学的倍频技术的主要指标1.2.1工作频率和倍频次数基于微波光子学的倍频技术一般工作于10-100GHz。从以往文献方案来看，倍频次数一般可以做到二、四、六等倍数，其中，二、四倍的方案较多。1.2.2倍频效率传统的电倍频器使用输入功率与输出功率的比值来表征倍频效率。基于微波光子学中的倍频技术，一般依靠本振信号的电压去控制非线性器件，所以输入电平对输出功率的影响更能反映出倍频效率。同时，光功率的大小对非线性光器件的影响也很大。所以，输入电平、输入光功率和输出倍频信号功率之间的变化关系可以用来表征变频效率。1.2.3谐波抑制比常用谐波抑制比来表征输出倍频信号的频谱纯度。这是比较各种倍频方案优劣的最重要的一个指标。在以往的基于微波光子学的倍频方案，一般能达到10dB左右的谐波抑制比。1.3二倍频方案1.1.1理论分析本论文中，我们提出了一种基于单个马赫增德尔调制器的微波本振光子学二倍频系统，如图3-1所示。调制器工作在最小点，会产生±1阶边带，抑制掉偶次边带，送入PD拍频后得到频率为本振二倍的微波信号。假设，加在MZM上的偏置电压为，激光器输入MZM的信号为。其中为射频信号的幅值，为射频信号的角频率。则输入到MZM的信号可表示为：（3-1）MZM输出的信号可表示为：（3-2）用贝塞尔函数将上式展开可得：（3-3）由上式可以看出若时，偶次项被抑制，留下奇次项；而当很小的时候，高次谐波就会很小几乎可以忽略，此时只有一阶项为主导，经过PD光电探测后，产生了二倍频的信号。1.1.2仿真分析上节对基于单个马赫增德尔调制器实现二倍频方案进行了理论分析。最终，从数学模型上得出了二倍频微波信号。接下来，将使用光通信仿真软件Optisystem，对本方案进行仿真验证。按照图3-13的结构连接系统。激光器使用连续波激光器。设置输出光波的频率为191.1THz，输出光功率为0dBm，初始光相位为0，激光器的线宽10MHz，动态噪声为3dB。使用正弦波信号发生器作为微波信号发生器，发出频率为10GHz，初始相位为0，幅度为3V的正弦波信号。MZM的消光比设置为30dB，插入损耗为5dB，半波电压设为4V，直流偏置电压设为4V。光探测器使用PIN，探测器的响应度设置为1A/W，暗电流设为10nA，热噪声设为10−21W/Hz，散粒噪声呈高斯分布。仿真原理框图激光器的输出光谱图MZM的输出光谱图PIN输出的电信号频谱图1.1.3实验验证将射频源频率设为6GHZ，幅度为20dBm，调节到最小偏置点，产生±1阶边带，抑制掉偶次边带，送入PD拍频后得到频率为本振二倍的微波信号。未拍频的二倍频光边带输出二倍频频谱图1.4四倍频方案1.4.1理论分析所谓四倍频就是产生一对频率间隔为四倍于本振信号的光载微波信号，抑制载波双边带则是指中频或者高频信号调制到这个频率间隔为四倍频的光载微波信号上，使用抑制载波双边带的调制方式在光纤中传播，最终在光电检测器的检测下，拍频生成一个倍频信号。框图：从MZM调制器输出的信号可表示为：Eout式中的各项，代表了从MZM调制器输出的各阶边带，若使θ=π，且φ=0即改变偏置电压使得马赫曾德尔调制器偏置于最高点，此时奇次边带被抑制，只保留载波和偶次谐波。另外，因为调制指数通常比较小，所以高次谐波分量的大小通常可忽略不计。两个二阶谐波处于主导地位，这两个二阶边带在PD光电探测器进行拍频就可以得到是驱动信号频率四倍的微波/毫米波信号。形成了基于单个MZM的四倍频系统。1.4.2仿真分析上节对基于单个马赫增德尔调制器实现四倍频方案进行了理论分析。最终，从数学模型上得出了四倍频微波信号。接下来，将使用光通信仿真软件Optisystem，对本方案进行仿真验证。按照图3-13的结构连接系统。激光器使用连续波激光器。设置输出光波的频率为191.1THz，输出光功率为0dBm，初始光相位为0，激光器的线宽10MHz，动态噪声为3dB。使用正弦波信号发生器作为微波信号发生器，发出频率为10GHz，初始相位为0，幅度为6V的正弦波信号。MZM的消光比设置为30dB，插入损耗为5dB，半波电压设为4V，直流偏置电压设为0V。光探测器使用PIN，探测器的响应度设置为1A/W，暗电流设为10nA，热噪声设为10−21W/Hz，散粒噪声呈高斯分布。仿真原理框图激光器的输出光谱图MZM的输出光谱图PI