微波光子与相关元件技术
微波光子学是一门研究光与微波相互作用的新型交叉学科，旨在利用现代光学技术实现高频宽带微波信号产生、传输、处理和测量.其中，微波光子传感是微波光子学一个重要的研究领域，它采用光学传感器实现温度、应变、压力等传感参量光域感知，基于微波光子技术实现光域传感信息到微波域的线性映射和转换，结合微波信号处理技术实现传感信号解调，具有传感精度高、测量速度快等显著优势.本文系统性地回顾了微波光子传感技术最新研究进展，介绍了各类微波光子传感技术的基本工作原理，并展望了未来的研究方向和发展趋势.
基于光纤的大传输带宽、微型传能通道、抗电磁干扰等优势，本文设计了一种光载信息能量同传方案.它基于光纤一体化分布式链路，结合微波光子模拟收发前端，同步实现能量远程配送与高频宽带信号的采集传输.首先，设计并测试了光纤传能（Power over Fiber，PoF）链路：高功率激光经多模光纤链路传输 2 ? k m 后转换为百毫瓦级电能，为远端模块供电或电池充电.在此基础上，设计并测试了基于PoF的光载无线通信（Radio over Fiber，RoF）和电磁干扰检测链路.RoF链路实现了 2.4 ? G H z 频段的16QAM-OFDM宽带信号的 2 ? k m 单模光纤传输；电磁干扰远程采集与监测链路实现了对高铁GSM-R（Global System for Mobile Communications-Railway）无线频段的带内干扰、邻带干扰和带外干扰的检测与识别等.相关方案和系统在易燃易爆、强电磁干扰、强辐射等特殊场景具有重要应用价值.
在雷达系统中，为了实现对目标的高精度、多维度测量，产生雷达信号是一个基本而又重要的环节. 本文提出了一种微波光子四倍频复合雷达信号产生方法，该复合雷达信号包括单啁啾线性调频信号和单音微波信号. 利用单音微波信号和单啁啾线性调频信号实现目标径向速度的测量，使用单啁啾线性调频信号实现目标距离测量和高分辨率微波成像. 在发射端，使用微波光子四倍频技术生成了瞬时带宽为2 GHz的正啁啾线性调频信号和频率为13.2 GHz的单音微波信号. 在接收端，目标回波信号经去斜后用来实现距离和径向速度测量以及高分辨率逆合成孔径成像. 实验结果表明，测量得到的目标的距离和径向速度绝对误差分别不超过4.2 cm和1.7 cm/s，多个探测目标成像结果清晰可辨.
针对被目前大多微波光子I/Q下变频系统忽视的非线性失真问题，提出了一种基于偏振复用双平行马赫增德尔调制器（Polarization Division Multiplexing Dual-Parallel Mach-Zehnder Modulator，PDM-DPMZM）的大动态范围微波光子I/Q下变频系统.利用PDM-DPMZM并行地调制射频、本振和镜像信号，调节调制器的直流偏置并进行驱动信号功率控制，能够实现I/Q下变频及镜像干扰抑制，同时抑制三阶交调失真.实验结果表明，所提方案最终可以实现超过44 dB的镜像抑制，系统的无杂散动态范围达到110.5 （dB·Hz4/5）.在5~20 GHz工作频率范围内，相位失衡和幅度失衡分别低于0.8°和0.6 dB.
为了满足集成微波光子学的发展需要，随着硅基光子学的发展，硅基亚波长光栅波导被提出并受到关注.硅基亚波长光栅具备灵活度高、折射率可调等特性，主要用于实现光学滤波器、调制器、延迟线等集成微波光子学组件.本文对这类器件进行举例与讨论，并且在结尾提出对硅基亚波长光栅波导在集成微波光子学中应用的展望.
针对带内全双工（In-band Full Duplex, IBFD）电子系统的收发机自干扰问题，提出了一种基于相位调制器的光子射频自干扰消除系统.利用两个相位调制器在萨格纳克（Sagnac）环中分别实现接收信号和本地参考干扰信号的调制，通过偏振控制最终可在光域中消除自干扰信号.实验结果表明，所提方案最终可以实现超过45dB的单频干扰消除和超过25dB的宽带干扰消除，系统的动态范围可达99.4dB·Hz2/3.
目前基于微波技术的射频通道带宽与频率受限、多频率变频能力受限、通用性差，严重制约了高通量卫星的频谱覆盖范围和大带宽多路变频能力.针对这一问题，本文在对微波光子射频通道研究现状对比分析的基础上，提出基于并联型架构的宽带跨频段微波光子射频通道实现方法，开展了相应的仿真分析及实验验证.测试结果表明：该射频通道下变频输入频率可覆盖27GHz~52GHz，输出频率可覆盖17GHz~24GHz；上变频输入频率可覆盖25GHz~27GHz，输出频率可覆盖37GHz~43GHz，且该射频通道工作带宽优于2GHz，带内平坦度优于3dB，变频增益优于-10dB，无杂散动态范围优于100dB?Hz2/3.
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