高穩(wěn)定光生毫米波及其遠(yuǎn)距離分配技術(shù).pdf

1、本世紀(jì)以來，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)帶來一場革命。
　　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效果。根據(jù)干涉原理，干涉天線陣列的理論探測能力幾乎等同于口徑等于天線陣最長基線的單個(gè)天線。此外，干涉天線陣可通過控制各個(gè)天線單元的微波相位來調(diào)整波束指向，有效克服了大口

2、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)代深空探測和軍用雷達(dá)網(wǎng)的重要技術(shù)手段。在當(dāng)今的國防建設(shè)、深空科學(xué)中擔(dān)當(dāng)著越來越重要的角色。
　　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，以使各個(gè)天線外差接收的信號能夠進(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

3、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的產(chǎn)生及其遠(yuǎn)距離分配面臨巨大的挑戰(zhàn)。近年來迅速興起的微波光子技術(shù)為這些問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；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。
　　基于光子技術(shù)的微波（毫米波）信號的生成與分配，面臨的主要問題是：光纖傳輸相位擾

4、動(dòng)導(dǎo)致的信號穩(wěn)定性和相位噪聲的惡化問題。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。對于10 GHz信號，相應(yīng)的相位漂移達(dá)200?。本論文圍繞光生毫米波信號及其遠(yuǎn)距離光纖分配中的相位穩(wěn)定性問題開展研究，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
　　對毫米波信號相位進(jìn)行檢測是實(shí)現(xiàn)其相位控制的先決條件。傳統(tǒng)的

5、電子式毫米波相位檢測器件的頻率、精度、相噪等方面均受到限制。鑒于此，本論文通過研究光載微波信號中光波與微波之間的相位映射與轉(zhuǎn)換問題，提出了基于雙外差混頻的光載毫米波相位誤差檢測方法。在本方法中，光載毫米波為一對相位鎖定的光載波，毫米波信號的相位對應(yīng)兩光載波的相位差。首先，通過光外差混頻將光載毫米波信號和光載毫米波本振的光波相位下轉(zhuǎn)換到兩個(gè)中頻信號的相位上，再經(jīng)過電外差混頻，獲得兩個(gè)中頻信號的相位差，該相位信息即反映了光載毫米波信號相對于

6、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、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光載毫米波信號的相位擾動(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

7、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)定光載毫米波信號產(chǎn)生
　　產(chǎn)生毫米波信號是長距離分配的前提，其中利用光頻率梳優(yōu)越

8、的相位噪聲特性，通過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的相位對環(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。而導(dǎo)致該問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和控制手段，尤其是頻率高達(dá)百GHz以上時(shí)

9、。基于本論文提出的毫米波光子相位誤差檢測和控制方法，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的相位不穩(wěn)定問題，生成了1THz的光載毫米波信號，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.光載毫米波信號遠(yuǎn)距離光纖穩(wěn)相分配
　　在解決了毫米波信號產(chǎn)生的基礎(chǔ)上，本論文實(shí)現(xiàn)了100 GHz

10、/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