【摘要】：本世紀(jì)以來(lái),微波(毫米波)干涉天線陣技術(shù)有效突破了單天線微波系統(tǒng)的接收靈敏度和分辨能力,為微波技術(shù)帶來(lái)一場(chǎng)革命。干涉天線陣采用天線同步方式,將分布于不同基地的多個(gè)天線接收的信號(hào)相干合成,達(dá)到數(shù)倍增加天線接收靈敏度和分辨力的目的,實(shí)現(xiàn)與增大單個(gè)天線口徑同樣的觀測(cè)效果。根據(jù)干涉原理,干涉天線陣列的理論探測(cè)能力幾乎等同于口徑等于天線陣最長(zhǎng)基線的單個(gè)天線。此外,干涉天線陣可通過(guò)控制各個(gè)天線單元的微波相位來(lái)調(diào)整波束指向,有效克服了大口徑天線指向調(diào)整的難題。干涉天線陣以其在性能、工作穩(wěn)健性、節(jié)省建造費(fèi)用、靈活性等方面的優(yōu)越性,已成為現(xiàn)代深空探測(cè)和軍用雷達(dá)網(wǎng)的重要技術(shù)手段。在當(dāng)今的國(guó)防建設(shè)、深空科學(xué)中擔(dān)當(dāng)著越來(lái)越重要的角色。天線同步是干涉天線陣的基礎(chǔ),其關(guān)鍵是:從中心站給各個(gè)天線單元分配相位高穩(wěn)定的低噪聲本振信號(hào),以使各個(gè)天線外差接收的信號(hào)能夠進(jìn)行相干合成。然而,隨著天線陣工作頻率和覆蓋范圍的增加,需要分配的本振頻率可能高達(dá)數(shù)百GHz、分配距離可達(dá)數(shù)十至數(shù)百公里。傳統(tǒng)的同軸傳輸線受到傳輸損耗限制,難以支持如此遠(yuǎn)距離的傳輸。高穩(wěn)定、低噪聲毫米波本振信號(hào)的產(chǎn)生及其遠(yuǎn)距離分配面臨巨大的挑戰(zhàn)。近年來(lái)迅速興起的微波光子技術(shù)為這些問(wèn)題的解決提供了有效途徑。例如,利用光學(xué)拍頻技術(shù)可以生成毫米波、亞毫米波乃至太赫茲(THz)的本振信號(hào);利用光纖的低損耗(0.2 dB/km)、寬帶寬特性可以遠(yuǎn)距離傳輸超高頻的本振信號(hào)�；诠庾蛹夹g(shù)的微波(毫米波)信號(hào)的生成與分配,面臨的主要問(wèn)題是:光纖傳輸相位擾動(dòng)導(dǎo)致的信號(hào)穩(wěn)定性和相位噪聲的惡化問(wèn)題。例如:受到外界環(huán)境(如溫度、應(yīng)變、振動(dòng)等)變化的影響,一段埋在地下的6 km通信光纖在20 Co溫度變化下,傳輸延時(shí)變化可達(dá)2 ns。對(duì)于10 GHz信號(hào),相應(yīng)的相位漂移達(dá)200p。本論文圍繞光生毫米波信號(hào)及其遠(yuǎn)距離光纖分配中的相位穩(wěn)定性問(wèn)題開(kāi)展研究,取得以下幾個(gè)方面的創(chuàng)新:1.基于雙外差混頻的光載毫米波相位誤差檢測(cè)對(duì)毫米波信號(hào)相位進(jìn)行檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)其相位控制的先決條件。傳統(tǒng)的電子式毫米波相位檢測(cè)器件的頻率、精度、相噪等方面均受到限制。鑒于此,本論文通過(guò)研究光載微波信號(hào)中光波與微波之間的相位映射與轉(zhuǎn)換問(wèn)題,提出了基于雙外差混頻的光載毫米波相位誤差檢測(cè)方法。在本方法中,光載毫米波為一對(duì)相位鎖定的光載波,毫米波信號(hào)的相位對(duì)應(yīng)兩光載波的相位差。首先,通過(guò)光外差混頻將光載毫米波信號(hào)和光載毫米波本振的光波相位下轉(zhuǎn)換到兩個(gè)中頻信號(hào)的相位上,再經(jīng)過(guò)電外差混頻,獲得兩個(gè)中頻信號(hào)的相位差,該相位信息即反映了光載毫米波信號(hào)相對(duì)于光載毫米波本振的相位變化。相比于傳統(tǒng)方案,本方法在三方面取得突破:其一,不需高速光電檢測(cè)、帶寬不受限、附加相噪低;其二,高效率混頻、靈敏度高;其三,雙外差混頻,激光相噪不敏感,精度高。2.基于光頻率調(diào)諧的光載毫米波相位控制毫米波相位控制用于校正光纖對(duì)光載毫米波信號(hào)的相位擾動(dòng),是光纖穩(wěn)相分配的另一關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)的電子式相位控制器無(wú)論從相位控制范圍、控制精度、調(diào)控速度以及可支持的頻率方面均受到限制。鑒于此,本論文提出了基于光頻調(diào)諧的光載毫米波相位控制方法。其基本原理是:采用聲光頻移器(aofs)對(duì)光載毫米波的其中一個(gè)光載波進(jìn)行頻率調(diào)諧。實(shí)現(xiàn)光載毫米波信號(hào)的頻率調(diào)諧,從而實(shí)現(xiàn)范圍不受限的相位控制。與傳統(tǒng)方案相比,本方案在三方面取得突破:其一,基于頻率調(diào)諧的相位控制,范圍不受限;其二,不需要高頻器件,頻率不受限;其三,基于aofs調(diào)頻,調(diào)諧速率高。3.高穩(wěn)定光載毫米波信號(hào)產(chǎn)生產(chǎn)生毫米波信號(hào)是長(zhǎng)距離分配的前提,其中利用光頻率梳優(yōu)越的相位噪聲特性,通過(guò)從光頻梳中提取兩個(gè)相位鎖定的光載波,再經(jīng)外差拍頻生成毫米波,可實(shí)現(xiàn)超高頻(可達(dá)數(shù)thz)、低相噪的毫米波,因而成為本領(lǐng)域代表性的光生毫米波方案。然而,其面臨的最主要難題是:在光載波提取過(guò)程中,兩個(gè)光載波不可避免的要經(jīng)歷不同的光路徑,由此導(dǎo)致生成的毫米波信號(hào)的相位對(duì)環(huán)境溫度、振動(dòng)等極其敏感,難以獲得穩(wěn)定的毫米波信號(hào)。而導(dǎo)致該問(wèn)題至今未能有效解決的核心難題是缺乏有效的毫米波相位檢測(cè)和控制手段,尤其是頻率高達(dá)百GHz以上時(shí)�；诒菊撐奶岢龅暮撩撞ü庾酉辔徽`差檢測(cè)和控制方法,結(jié)合閉環(huán)反饋控制技術(shù),有效解決了光生毫米波信號(hào)的相位不穩(wěn)定問(wèn)題,生成了1THz的光載毫米波信號(hào),其單邊帶相噪小于-57dB/Hz@頻偏1 Hz、-47dB/Hz@頻偏0.1 Hz、-30dB/Hz@頻偏1 Hz,在0.01Hz~1MHz頻率范圍內(nèi)的相位誤差小于5毫弧度。4.光載毫米波信號(hào)遠(yuǎn)距離光纖穩(wěn)相分配在解決了毫米波信號(hào)產(chǎn)生的基礎(chǔ)上,本論文實(shí)現(xiàn)了100 GHz/60km室內(nèi)光纖穩(wěn)相傳輸,傳輸后頻率穩(wěn)定性優(yōu)于1.6′10-16@1000秒平均;實(shí)現(xiàn)了300GHz/25公里單路和雙路室內(nèi)光纖穩(wěn)相傳輸,傳輸后頻率穩(wěn)定性優(yōu)于1.6′10-16@1000秒平均;實(shí)現(xiàn)了1 THz/42公里電信光纜的穩(wěn)相傳輸,傳輸后頻率穩(wěn)定性優(yōu)于1′10-15@1000秒平均。與已報(bào)道技術(shù)相比,本論文研究不僅在穩(wěn)相分配的頻率、距離上取得重要進(jìn)展,而且由于采用了快速、范圍不受限的毫米波光子相位控制方法,本傳輸系統(tǒng)的相位跟蹤帶寬可達(dá)數(shù)百Hz,而且校正范圍不受限制,因此,可以校正相位擾動(dòng)劇烈的光纖鏈路,環(huán)境容納能力強(qiáng)、無(wú)需深埋傳輸光纖于地下,極大促進(jìn)了本技術(shù)的實(shí)用性。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN015;TN820.15
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本文編號(hào)：
2328101
