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微波光子混頻技術 版權信息
- ISBN：9787030636348
- 條形碼：9787030636348 ; 978-7-03-063634-8
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
微波光子混頻技術 內容簡介
本書系統地介紹了微波光子混頻技術的基本原理、實現方法、應用領域和近期新研究成果。全書共十章，主要內容包括微波光子混頻原理、微波光子混頻系統的性能指標、微波光子混頻系統的線性優化、微波光子諧波混頻、微波光子混頻及光纖傳輸、微波光子I/Q解調技術、基于微波光子I/Q下變頻的鏡像抑制接收、微波光子I/Q上變頻、基于微波光子混頻的多普勒頻移測量與模擬。
微波光子混頻技術 目錄
目錄
《博士后文庫》序言
前言
第1章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.1.1 電子系統發展需求 1
1.1.2 微波光子學 2
1.1.3 微波光子混頻 3
1.2 各章節安排 6
參考文獻 7
第2章 微波光子混頻原理 13
2.1 微波光子混頻系統組成及工作原理 13
2.2 常見的微波光子混頻模型 14
2.3 微波光子混頻系統的主要構成 19
2.3.1 激光器 19
2.3.2 電光調制器 22
2.3.3 光纖 32
2.3.4 光電探測器 33
2.3.5 光放大器 35
2.4 本章小結 36
參考文獻 37
第3章 微波光子混頻系統的性能指標 44
3.1 微波光子混頻系統的主要性能指標 44
3.1.1 工作頻率 44
3.1.2 變頻增益 44
3.1.3 噪聲系數 45
3.1.4 無雜散動態范圍 47
3.1.5 隔離度 49
3.2 微波混頻器與微波光子混頻器性能對比 51
3.3 本章小結 51
參考文獻 52
第4章 微波光子混頻系統的線性優化 55
4.1 IMD2及IMD3抑制方法簡介 55
4.1.1 IMD2分量抑制方法 55
4.1.2 IMD3分量抑制方法 56
4.2 微波光子鏈路線性度優化方法 59
4.2.1 基于FBG和光纖色散的線性度優化 60
4.2.2 基于啁啾調制和光纖色散的線性度優化方法 68
4.3 微波光子混頻系統線性度優化方法 75
4.4 本章小結 85
參考文獻 86
第5章 微波光子諧波混頻 89
5.1 微波本振的光子學產生及諧波混頻器 89
5.2 光子學微波本振倍頻技術 92
5.2.1 基于級聯調制器的微波本振六倍頻 92
5.2.2 基于DP-QPSK調制器的微波本振八倍頻 97
5.2.3 基于DPMZM的二次諧波混頻系統 103
5.3 本章小結 110
參考文獻 111
第6章 微波光子混頻及光纖傳輸 115
6.1 光纖色散引起的周期性功率衰落 115
6.2 色散功率衰落及補償技術 116
6.2.1 目前的功率補償技術研究 116
6.2.2 基于Sagnac環中相位調制的功率補償 117
6.3 可補償色散功率衰落的微波光子混頻系統 125
6.3.1 基于Sagnac環中DEMZM調制的微波混頻及光纖傳輸 125
6.3.2 基于PDM-MZM的微波混頻及多通道光纖傳輸 137
6.4 本章小結 147
參考文獻 148
第7章 微波光子I/Q解調技術 151
7.1 基于微波光子I/Q混頻的零中頻收發機 151
7.2 基于微波光子同時混頻和移相的I/Q解調技術 154
7.2.1 基于PDM-MZM的混頻及多通道移相 154
7.2.2 矢量信號的微波光子I/Q解調 159
7.2.3 基于平衡探測的偶次失真抑制 163
7.3 微波光子諧波I/Q解調技術 183
7.4 本章小結 197
參考文獻 199
第8章 基于微波光子I/Q下變頻的鏡像抑制接收 203
8.1 微波光子鏡像抑制接收技術的意義和研究現狀 203
8.2 基于DPMZM和WDM的微波光子鏡像抑制接?收 205
8.3 基于相位調制和I/Q平衡探測的微波光子鏡像抑制接收 211
8.4 本章小結 226
參考文獻 227
第9章 微波光子I/Q上變頻 231
9.1 微波光子I/Q上變頻的意義與研究現狀 231
9.2 基于PDM-DPMZM的微波光子I/Q上變頻 235
9.3 基于PDM-DPMZM的諧波微波光子I/Q上變頻 249
9.4 本章小結 262
參考文獻 262
第10章 基于微波光子混頻的多普勒頻移測量與模擬 266
10.1 微波光子多普勒頻移測量 266
10.2 多普勒頻移模擬 278
10.3 本章小結 285
參考文獻 286
編后記 289
《博士后文庫》序言
前言
第1章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.1.1 電子系統發展需求 1
1.1.2 微波光子學 2
1.1.3 微波光子混頻 3
1.2 各章節安排 6
參考文獻 7
第2章 微波光子混頻原理 13
2.1 微波光子混頻系統組成及工作原理 13
2.2 常見的微波光子混頻模型 14
2.3 微波光子混頻系統的主要構成 19
2.3.1 激光器 19
2.3.2 電光調制器 22
2.3.3 光纖 32
2.3.4 光電探測器 33
2.3.5 光放大器 35
2.4 本章小結 36
參考文獻 37
第3章 微波光子混頻系統的性能指標 44
3.1 微波光子混頻系統的主要性能指標 44
3.1.1 工作頻率 44
3.1.2 變頻增益 44
3.1.3 噪聲系數 45
3.1.4 無雜散動態范圍 47
3.1.5 隔離度 49
3.2 微波混頻器與微波光子混頻器性能對比 51
3.3 本章小結 51
參考文獻 52
第4章 微波光子混頻系統的線性優化 55
4.1 IMD2及IMD3抑制方法簡介 55
4.1.1 IMD2分量抑制方法 55
4.1.2 IMD3分量抑制方法 56
4.2 微波光子鏈路線性度優化方法 59
4.2.1 基于FBG和光纖色散的線性度優化 60
4.2.2 基于啁啾調制和光纖色散的線性度優化方法 68
4.3 微波光子混頻系統線性度優化方法 75
4.4 本章小結 85
參考文獻 86
第5章 微波光子諧波混頻 89
5.1 微波本振的光子學產生及諧波混頻器 89
5.2 光子學微波本振倍頻技術 92
5.2.1 基于級聯調制器的微波本振六倍頻 92
5.2.2 基于DP-QPSK調制器的微波本振八倍頻 97
5.2.3 基于DPMZM的二次諧波混頻系統 103
5.3 本章小結 110
參考文獻 111
第6章 微波光子混頻及光纖傳輸 115
6.1 光纖色散引起的周期性功率衰落 115
6.2 色散功率衰落及補償技術 116
6.2.1 目前的功率補償技術研究 116
6.2.2 基于Sagnac環中相位調制的功率補償 117
6.3 可補償色散功率衰落的微波光子混頻系統 125
6.3.1 基于Sagnac環中DEMZM調制的微波混頻及光纖傳輸 125
6.3.2 基于PDM-MZM的微波混頻及多通道光纖傳輸 137
6.4 本章小結 147
參考文獻 148
第7章 微波光子I/Q解調技術 151
7.1 基于微波光子I/Q混頻的零中頻收發機 151
7.2 基于微波光子同時混頻和移相的I/Q解調技術 154
7.2.1 基于PDM-MZM的混頻及多通道移相 154
7.2.2 矢量信號的微波光子I/Q解調 159
7.2.3 基于平衡探測的偶次失真抑制 163
7.3 微波光子諧波I/Q解調技術 183
7.4 本章小結 197
參考文獻 199
第8章 基于微波光子I/Q下變頻的鏡像抑制接收 203
8.1 微波光子鏡像抑制接收技術的意義和研究現狀 203
8.2 基于DPMZM和WDM的微波光子鏡像抑制接?收 205
8.3 基于相位調制和I/Q平衡探測的微波光子鏡像抑制接收 211
8.4 本章小結 226
參考文獻 227
第9章 微波光子I/Q上變頻 231
9.1 微波光子I/Q上變頻的意義與研究現狀 231
9.2 基于PDM-DPMZM的微波光子I/Q上變頻 235
9.3 基于PDM-DPMZM的諧波微波光子I/Q上變頻 249
9.4 本章小結 262
參考文獻 262
第10章 基于微波光子混頻的多普勒頻移測量與模擬 266
10.1 微波光子多普勒頻移測量 266
10.2 多普勒頻移模擬 278
10.3 本章小結 285
參考文獻 286
編后記 289
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微波光子混頻技術 節選
第1章 緒論 本章首先從當前電子系統發展需求出發，闡述微波光子學及微波光子混頻技術在帶寬、損耗、體積重量、抗電磁干擾等方面的優勢和應用意義；其次介紹微波光子混頻技術的發展歷程和國內外研究現狀；*后介紹本書的研究工作，說明章節安排。 1.1 研究背景 1.1.1 電子系統發展需求 隨著現代社會發展，寬帶無線通信、衛星、雷達、電子戰、深空探測等電子系統業務量增加迅速，對信息速率的要求越來越高。常規低頻的無線頻譜資源已經分配殆盡，要想提高信道帶寬，電子系統工作頻率需要向更高的微波甚至毫米波段拓展。例如，目前的移動電話和無線局域網（wireless local area network，WLAN）的工作頻段在800MHz～5.8GHz，下一代寬帶無線通信系統要擴展到毫米波段，包括20～40GHz的本地多點分布式系統（local multipoint distribution system，LMDS）頻段，以及免執照的57～64GHz頻段[1，2]。我國目前的通信衛星大多采用 C（6/4GHz）、Ku（14/12GHz）頻段[3，4]，Ka（26.5～40GHz）頻段衛星還處于研究階段[5]。國際上極高頻（extremely high frequency，EHF）頻段軍事通信衛星普遍使用40/20GHz頻段，如美國軍事衛星MILSTAR的上行頻率為43.5～45.5GHz，下行頻率為20.2～21.2GHz，此外星際鏈路使用60GHz頻段；國防衛星AEHF作為MILSTAR的后繼，相控陣天線工作在44GHz，總通信容量超過1Gbit/s。另外，在往高段頻發展的同時，許多電子系統逐漸采用多頻段共用的工作方式來進一步提高系統可用帶寬，或使電子系統多功能一體化，同時具備通信、目標識別、跟蹤、環境測繪等功能。美國國防部高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）對未來軍用多功能接收機的性能要求如表1.1所示，對工作帶寬和瞬時帶寬有非常高的要求[6]。 表1.1 DARPA對未來軍用多功能接收機的主要性能指標要求[6] 高頻率、大帶寬、多頻段一體化的發展需求對未來電子系統提出巨大挑戰。首先，隨著工作頻率的提高，微波信號時間抖動顯著變大[7]，相位噪聲惡化[8]，傳輸線損耗增大[9]、相位漂移愈加嚴重[10]。其次，大多基于晶體管的微波器件和電路具有明顯的頻率依賴性，寬帶幅頻和相頻一致性差，不能滿足大帶寬、多頻段一體化的應用需求。例如，在微波I/Q混頻器中，微波正交耦合器的幅度和相位分配不理想會引起同相和正交兩路幅相失衡，導致I/Q混頻器的鏡像抑制能力變差[11，12]。另外，由于微波電路的寬帶局限，一體化電子系統只能采用多個不同工作頻段的射頻前端相疊加來實現多頻段融合，所以射頻通道資源嚴重浪費，系統體積、重量和功耗也相應增大。 1.1.2微波光子學 微波光子學是微波與光子學相融合的一門新型交叉學科，它利用光子學技術產生、傳輸和處理微波信號，旨在克服傳統微波技術在處理速度和傳輸帶寬等方面的電子瓶頸，大幅度提高微波系統工作性能，或實現傳統微波技術無法實現的功能。具體說來，微波光子技術具有以下幾個明顯的優勢。 （1）通道帶寬大。標準單模光纖（single mode fiber，SMF）、電光調制器、摻鉺光纖放大器（erbium doped fiber amplifier，EDFA）、光電二極管（photodiode）、光耦合器、光濾波器等常用光子學器件在C波段（波長1530～1565nm）內超過4THz的帶寬內能夠保持良好的工作性能。 （2）光電響應帶寬大。市場中成熟的電光調制器在直流（DC）～50GHz頻帶內有較為一致的調制效率。由DARPA贊助的發射和接收優化光子學項目（transmit and receive optimized photonics，TROPHY）研制出的小型化鈮酸鋰（LiNbO3）電光調制器的工作帶寬可達110GHz[6]。商用PD的3dB響應帶寬也達到了110GHz以上[13]。因此微波光子系統的工作頻段可在大帶寬內靈活調諧，且對微波信號透明，這非常適合超寬帶、多頻段一體化的應用。 （3）傳輸損耗小。射頻電纜在18GHz頻段的傳輸損耗典型值為0.72dB/m，而SMF在C波段傳輸時損耗小于0.2dB/km[6]。在天線拉遠系統中，由于傳輸損耗太大，天線接收到的射頻信號無法直接傳輸到中心站，需要在天線站下變頻、采樣量化為數字信號才能傳輸。利用微波光子技術，射頻信號直接傳輸到中心站成為可能，這可以大幅度簡化天線站結構、降低成本。 （4）體積小，重量輕。美國Harbour公司生產的軍用級別低損耗同軸電纜的典型重量為113kg/km；加拿大光纜公司Optical Fiber Corporation生產的軍用級別光纜的典型重量為31kg/km，僅為同軸電纜的三分之一[6]。隨著集成光電技術的成熟，微波光子系統在體積、重量上將有更大優勢[14]。 （5）無電磁干擾。微波信息以光信號的形式傳輸和處理，因此不受電磁干擾，也不會產生電磁輻射。 傳統微波技術和微波光子技術簡要對比如表1.2所示[6]。 表1.2傳統微波技術與微波光子技術簡要對比 由于微波光子技術的以上顯著優勢，其在未來衛星、雷達、電子戰等電子系統中具有較大的應用潛力，目前在以下幾個方面得到廣泛的研究。 （1）寬帶微波信號的光子學產生。其中包括微波本振信號[15]、任意波形信號[16-20]、線性調頻信號[21]、相位編碼信號[22-24]、超寬帶（ultra wide band，UWB）信號[25]等的光子學產生及光子學數模轉換[26]。 （2）微波信號的光纖傳輸。包括時鐘信號光纖同步[27，28]，本振信號的多路光纖饋送[29]，天線光纖拉遠[30]，基于波分復用（wavelength division multiplexer，WDM）、偏振復用、多芯復用的多通道射頻信號傳輸[31]等。 （3）微波信號的光子學處理[32]。寬帶微波信號的光子學混頻[33]、濾波[34]、延遲[35，36]、移相[37]、信道化[38-40]、通道交換[41]、光子學采樣量化及模數轉換[42]。 （4）微波信號參量的光子學測量[43，44]。測角測向[45，46]、實時頻譜分析[47-49]、瞬時頻率測量[50，51]、多普勒頻移測量[52]、相位噪聲測量[53]等。 1.1.3 微波光子混頻 微波混頻器是電子系統中的關鍵部件，主要可實現的功能包括。 （1）頻率變換。在射頻收發機中，中頻信號需要利用混頻器上變頻到適合無線傳輸的電磁頻段，天線接收到的射頻信號需要利用混頻器下變頻到中頻或基帶進行信號處理[54]。頻譜分析儀等電子儀器內部也需要混頻器完成頻率變換的功能[55]。 （2）矢量信號調制與解調。在矢量信號調制解調模塊或零中頻收發機時，需要一組正交混頻器實現矢量信號的I/Q調制與解調[56，57]。 （3）鑒頻鑒相。在鎖相環、自動相位控制、測頻、測向、相位噪聲測量系統中，需要混頻器實現鑒頻/鑒相功能[58-60]。 （4）頻率合成。在多頻段一體化、跳頻等電子系統中，往往需要結合直接數字頻率合成與鎖相環，以混頻的方式得到高頻段、低相噪、頻率快速可調諧的微波本振源[61]。 現代電子系統對寬頻段、高隔離度、大動態的微波混頻器的要求與日俱增。例如，在多功能一體化系統中，信號工作帶寬非常大，甚至覆蓋1～20GHz[62]，這要求混頻器能夠同時在多頻段良好地工作。在零中頻接收機中，要求有較高的本振（local oscillator，LO）與射頻（radio frequency，RF）隔離度，避免LO泄漏引起基帶信息直流偏差[63]。在電子戰系統中，由于環境及敵方干擾強烈，要求接收機有較大的動態范圍，進而也對混頻器的線性度有較高的要求。 微波光子混頻繼承了微波光子技術大帶寬、頻率可調諧、高隔離度、無電磁干擾等優點，在上述電子系統應用中，相比傳統微波混頻具有固有的技術優勢。表1.3是寬帶微波混頻器與微波光子混頻系統的典型指標的匯總。其中寬帶微波混頻器采用的是美國軍用微波器件制造商L-3 Narda-MITEQ公司生產的超寬帶平衡混頻器（DB0250LW1）[64]，微波光子混頻數據來源于本課題組公開報道的研究成果[65，66]及本書第4章內容。 表1.3寬帶微波混頻器與微波光子混頻系統的典型指標對比 由表1.3對比數據可以看到，由于微波器件固有的電子瓶頸，即使是寬帶微波混頻器，其RF、LO和中頻（intermediate frequency，IF）信號的工作頻率也均有一定限制，而較低的隔離度則源于電磁泄漏。微波光子混頻系統在工作頻率、隔離度等指標方面有明顯優勢，RF、LO與IF端口的帶寬只與電光調制器和PD的帶寬有關，如果采用110GHz帶寬的調制器和PD，工作頻率范圍可以進一步拓寬。另外，微波光子混頻系統中一般采用RF與LO物理分離的調制模式，光信號不會引起電磁干擾，進而RF與LO隔離度可以無限大，此特點使微波光子混頻系統非常適合應用在零中頻收發機、多通道共用LO的收發系統中。 此外，微波光子混頻系統的另一優點是可以與其他光子學系統兼容。與光子學微波本振倍頻系統結合，可以構成微波光子諧波混頻系統[67]；與微波光子濾波系統相結合，可以提高混頻信號的頻譜純度[68]；與微波光子移相相結合，在實現微波頻率變換的同時可以實現混頻信號的移相，應用于測向[59]、波束形成[69]、相位噪聲測量[53]、矢量信號調制與解調系統[70-72]；與模擬光鏈路相結合，可以實現射頻信號或混頻信號的長距離光纖傳輸[66，73，74]。 圖1.1是一種基于微波光子技術的寬帶轉發器，旨在通過微波光子技術構建多頻段一體化收發前端，解決目前衛星有效載荷面臨的射頻前端通用性差、瞬時帶寬受限、交換容量受限、電磁干擾嚴重等難題。該系統以微波光子頻率變換為核心，相比傳統微波技術方案具有以下顯著特點。 （1）多頻段通用一體化。由于現代無線通信業務顯著增多，要求衛星轉發器能夠同時適用于多頻段工作（L、S、C、Ku、Ka等頻段）。傳統微波技術中，混頻器、濾波器等一般具有明顯的頻率依賴性，各頻段通用性差。微波光子混頻系統由于在40GHz甚至100GHz帶寬內具有平坦的響應，因此非常適合應用于未來多頻段一體化的衛星轉發器。 （2）大瞬時帶寬。在多頻段同時工作時，系統瞬時帶寬可能在10GHz以上。傳統的微波技術采用信道化機實現，寬帶微波信號先后經過不同信道的濾波、下變頻后，在中頻進行交換和處理。然而隨著信道數量的增加，該信道化機會變得非常笨重復雜。在圖1.1所示的方案中，接收到的寬帶信號通過線性電光調制加載到光波上，然后在光域實現信道劃分，經過全光透明轉發或柔性轉發后，光電轉換得到變頻后的微波信號，*終被天線發射出去。柔性轉發模式中，各信道信號通過微波光子信道化同中頻下變頻實現接收；全光透明轉發模式中，只需要一次全光變頻，接收到的微波信號便轉換為另一頻段直接轉發。 （3）全光一體化。該系統以微波光子變頻為核心，在一個光鏈路中有機結合光學本振生成與饋送、線性度優化、光學信道劃分、全光透明轉發、轉發模式切換等功能，形成全光一體化轉發系統，極大地簡化了系統復雜度，降低了電磁干擾，系統體積重量、功耗等也有望得到降低。 圖1.1 微波光子多頻段一體化轉發器原理圖 綜上所述，研究微波光子混頻技術，并研究與其他光子學系統結合后存在的關鍵技術問題，對于實現微波光子技術在電子系統中的廣泛應用，推動電子系統發展，具有重要意義。
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