發(fā)布時(shí)間：2020-10-26 10:51

　　 隨著數(shù)字媒體的快速發(fā)展,密集編碼和信道共享技術(shù)已不能滿足頻段通信的增長(zhǎng),MIMO技術(shù)的提出很大程度上緩解了這一窘境。而微波光子學(xué),作為一個(gè)新型的通信領(lǐng)域?qū)W科,利用光學(xué)系統(tǒng)特有的低損耗,大帶寬的巨大優(yōu)勢(shì)進(jìn)行微波信號(hào)的傳輸和處理,可以有效的提升信道容量。光控波束形成技術(shù)作為微波光子學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容之一,結(jié)合了 MIMO系統(tǒng)中多天線技術(shù),保證了高速寬帶信號(hào)處理的同時(shí)能夠有效的與現(xiàn)有的通信、雷達(dá)系統(tǒng)相融合。因此,光控波束形成技術(shù)成為了當(dāng)今的一個(gè)研究熱點(diǎn),而其衍生出的射頻渦旋波也在微波通信、相控陣?yán)走_(dá)和多維探測(cè)等領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用前景。目前完整的光控波束形成系統(tǒng)主要包含三塊:首先是光控延時(shí)或相移模塊,用于產(chǎn)生并控制波束,實(shí)現(xiàn)波束形成。同時(shí),渦旋波束(OAM)等特殊波束形成效果也是在該部分產(chǎn)生的;其次是輻射天線陣列,只有將多路具有延時(shí)或相位關(guān)系的信號(hào)同時(shí)發(fā)射出去,才能實(shí)現(xiàn)波束形成這一功能。最后,則是結(jié)合兩者之間的光電轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)模塊,旨在提升系統(tǒng)效率,彌補(bǔ)光電鏈路轉(zhuǎn)化間的誤差。前兩塊為系統(tǒng)的核心技術(shù)問題,因此針對(duì)這兩個(gè)主要問題,本論文對(duì)光控波束形成系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)作了深入研究。提出了新的設(shè)計(jì)方案,并對(duì)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中渦旋波的使用做了實(shí)驗(yàn)與分析。論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下:1.提出了一種光子集成下的延時(shí)移相方案。該系統(tǒng)方案創(chuàng)新的使用了具有波導(dǎo)陣列光柵(AWG)結(jié)構(gòu)的光子集成芯片,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了延時(shí)和相移兩種功能,可以服務(wù)于波束形成系統(tǒng)和渦旋波的應(yīng)用。其中,延時(shí)功能可以12.5ps范圍的延時(shí),而移相功能可以實(shí)現(xiàn)12-20GHz射頻信號(hào)從0到360°的連續(xù)可調(diào)相移。在系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中使用該芯片實(shí)現(xiàn)了波束形成,并對(duì)使用該芯片生成的射頻渦旋波信號(hào)進(jìn)行了仿真分析。2.提出了一種新型的渦旋波多模態(tài)耦合傳輸模型。該模型研究了多個(gè)OAM模態(tài)耦合傳輸模式下的渦旋波傳輸,發(fā)現(xiàn)在正負(fù)態(tài)耦合疊加時(shí),渦旋波信號(hào)精度有所提升,且對(duì)天線陣元數(shù)量的要求降低了。利用這一特性,我做了雙模態(tài)與單模態(tài)的對(duì)比傳輸實(shí)驗(yàn),通過相同的傳輸環(huán)境,對(duì)渦旋波信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng),相同位置處單個(gè)模態(tài)渦旋波信號(hào)功率提高了3dB,信噪比也有所提升。3.針對(duì)光控波束形成系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種新型貼片天線。為使光控波束形成系統(tǒng)更加適用于現(xiàn)在的通信及雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)中,對(duì)系統(tǒng)所使用的天線陣列進(jìn)行了重新的設(shè)計(jì)。該天線設(shè)計(jì)采用多層結(jié)構(gòu),融合了縫隙耦合和內(nèi)部耦合的饋電方式。仿真結(jié)果表明,該天線設(shè)計(jì)能夠有效提高帶寬,從原本的2%提升到5%以上。并且該天線設(shè)計(jì)可以工作在多個(gè)頻段,易于成陣,能夠用于射頻渦旋波的控制系統(tǒng)中。4.實(shí)現(xiàn)了射頻渦旋波對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)物體角速度的測(cè)量。本實(shí)驗(yàn)方案中提出一種相位的“累積放大法”,對(duì)頻率偏移進(jìn)行了測(cè)量,進(jìn)而得到了物體角速度。目前渦旋波探測(cè)只應(yīng)用于光學(xué)領(lǐng)域,均是利用渦旋波的轉(zhuǎn)動(dòng)多普勒效應(yīng),對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)物體的角速度進(jìn)行測(cè)量。光渦旋波系統(tǒng)可以通過光電探測(cè)器直接測(cè)量多普勒頻移,但在射頻系統(tǒng)中無器件支撐,只能尋求其他測(cè)量方式。為了解決這個(gè)問題,使用新提出的“累積放大法”來測(cè)量相位變化,并構(gòu)建渦旋波空間相位和多普勒頻移間的關(guān)系。使用射頻渦旋波探測(cè)系統(tǒng),成功的測(cè)量了頻率偏移并計(jì)算了物體轉(zhuǎn)速。
【學(xué)位單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN929.1
【部分圖文】：

?ｅｌｅｍｅｎｔｓ??圖１－２移相和延時(shí)波束形成原理示意圖??圖１－３為兩種技術(shù)手段控制波束的結(jié)果仿真圖。顯然，光控延時(shí)技術(shù)可以有??效解決了單純相移系統(tǒng)所帶來的波束偏斜的問題，能夠提高波束指向精度，進(jìn)而??減少通信中的信號(hào)失真，提高雷達(dá)系統(tǒng)中的角向分辨率。而微波光子移相技術(shù)可??以處理具有更高帶寬的信號(hào)，為超寬帶高速率通信提供了硬件基礎(chǔ)。同時(shí)移相技??術(shù)也能為雷達(dá)系統(tǒng)提供更大的瞬時(shí)帶寬，根據(jù)雷達(dá)測(cè)距原理，直接提升雷達(dá)的距??離分辨率。所以兩種技術(shù)對(duì)于波束形成系統(tǒng)來說都具有舉足輕重的價(jià)值。雖然在??通信系統(tǒng)中，延時(shí)技術(shù)可能會(huì)帶來更高效、低誤碼率的信息交換，但在雷達(dá)探測(cè)??領(lǐng)域，乃至特殊波束形成系統(tǒng)中，移相技術(shù)仍舊具有不可替代的地位。??９０?？?９０?〇??１２０＾－－＾Ｔ－＾６０??４?ｉ＾：?／??２１?；?－ｙ／?０??２４０＾＾—?＾?．＾－＾?３００?２４０?＾＾?－－??２７０?２７０??圖１－３?（ａ）相移：波束指向模糊，（ｂ）延時(shí)：波束指向精準(zhǔn)。??具體的來講

（ｊ）〇??ＷＡＲ?ｅｌｅｍｅｎｔｓ??圖１－２移相和延時(shí)波束形成原理示意圖??圖１－３為兩種技術(shù)手段控制波束的結(jié)果仿真圖。顯然，光控延時(shí)技術(shù)可以有??效解決了單純相移系統(tǒng)所帶來的波束偏斜的問題，能夠提高波束指向精度，進(jìn)而??減少通信中的信號(hào)失真，提高雷達(dá)系統(tǒng)中的角向分辨率。而微波光子移相技術(shù)可??以處理具有更高帶寬的信號(hào)，為超寬帶高速率通信提供了硬件基礎(chǔ)。同時(shí)移相技??術(shù)也能為雷達(dá)系統(tǒng)提供更大的瞬時(shí)帶寬，根據(jù)雷達(dá)測(cè)距原理，直接提升雷達(dá)的距??離分辨率。所以兩種技術(shù)對(duì)于波束形成系統(tǒng)來說都具有舉足輕重的價(jià)值。雖然在??通信系統(tǒng)中，延時(shí)技術(shù)可能會(huì)帶來更高效、低誤碼率的信息交換，但在雷達(dá)探測(cè)??領(lǐng)域，乃至特殊波束形成系統(tǒng)中，移相技術(shù)仍舊具有不可替代的地位。??９０?？?９０?〇??１２０＾－－＾Ｔ－＾６０??４?ｉ＾：?／??２１?；?－ｙ／?０??２４０＾＾—?＾?．＾－＾?３００?２４０?＾＾?－－??２７０?２７０??圖１－３?（ａ）相移：波束指向模糊

（ｊ）〇??ＷＡＲ?ｅｌｅｍｅｎｔｓ??圖１－２移相和延時(shí)波束形成原理示意圖??圖１－３為兩種技術(shù)手段控制波束的結(jié)果仿真圖。顯然，光控延時(shí)技術(shù)可以有??效解決了單純相移系統(tǒng)所帶來的波束偏斜的問題，能夠提高波束指向精度，進(jìn)而??減少通信中的信號(hào)失真，提高雷達(dá)系統(tǒng)中的角向分辨率。而微波光子移相技術(shù)可??以處理具有更高帶寬的信號(hào)，為超寬帶高速率通信提供了硬件基礎(chǔ)。同時(shí)移相技??術(shù)也能為雷達(dá)系統(tǒng)提供更大的瞬時(shí)帶寬，根據(jù)雷達(dá)測(cè)距原理，直接提升雷達(dá)的距??離分辨率。所以兩種技術(shù)對(duì)于波束形成系統(tǒng)來說都具有舉足輕重的價(jià)值。雖然在??通信系統(tǒng)中，延時(shí)技術(shù)可能會(huì)帶來更高效、低誤碼率的信息交換，但在雷達(dá)探測(cè)??領(lǐng)域，乃至特殊波束形成系統(tǒng)中，移相技術(shù)仍舊具有不可替代的地位。??９０?？?９０?〇??１２０＾－－＾Ｔ－＾６０??４?ｉ＾：?／??２１?；?－ｙ／?０??２４０＾＾—?＾?．＾－＾?３００?２４０?＾＾?－－??２７０?２７０??圖１－３?（ａ）相移：波束指向模糊
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