基于微波光子技术的极高频、低相噪微波信号生成方法研究

Microwave signals with high frequency and low phase noise have been widely applied in satellite, radar and communication systems. To solve problems that traditional microwave technique encounters in generating microwave signals, such as limited frequency range and phase noise caused by electronic bottleneck, this project will study the generation mechanism of microwave signals, and experimentally investigates the frequency multiplication, large-scale frequency tunability and low phase noise of microwave signals, breaks the methods for interferefering sidebands suppression, the methods for eigenmode suppression, optical frequency combs generation and uniform methods for the generation of microwave signals, and finally forms theories and methods on the photonic generation of high frequency and low phase noise microwave signals. Through the research of this project, it is expected that high frequency and low phase noise microwave signal generation methods are found for modern satellite, radar and communication systems, which is very significative for the evolution of these techniques to high frequency band.

基于高频、低相噪微波信号在卫星、雷达、通信等领域的广泛应用基础，为解决传统微波技术生成微波信号的频率和相位噪声受电子瓶颈限制的问题，本课题基于微波光子学方法开展高频、低相噪微波信号光学生成机理研究，通过实验研究光域生成微波信号的倍频、低相噪和频率大范围可调谐性，突破微波信号光学生成方法的干扰边带抑制、本征模式抑制问题、光学频率梳生成方法、以及微波信号光学生成一体化设计方法，最终形成高频、低相噪、频率大范围可调谐微波信号光学生成理论与方法。通过本课题的研究为现代卫星、雷达、通信等领域中高频、低相噪微波信号的生成提供新的解决方法，为这些技术向更高频段发展提供新的解决思路，具有重要意义。

本项目重点围绕基于微波光子学的高性能微波信号生成问题，在以多倍频微波毫米波信号的生成进行了重点研究，辅之三角波、方波、锯齿波为代表的射频任意波形生成和混频技术，主要完成了以下8项创新性工作：.1.提出了基于MZM和SOA实现本振信号二十四倍频方案，分别用4GHz、7GHz的本振信号进行了倍频实验，验证了该系统频率的可调谐性。.2.提出了基于4个内嵌的MZM系统生成八倍频毫米波信号的方案，具有很高的频率可调谐性，大范围可调的调制指数增加了系统的稳定性。.3.提出了基于双DP-MZM并联的微波光子十六倍频方案，当输入一个频率为10GHz的本振信号时，成功获得了一个160GHz的高频毫米波信号，且其RFSSR达到了46dB，具有很高的频率可调谐性。.4.提出了基于级联平行PolM生成十六倍频毫米波信号的方案，生成信号频谱很纯净，具有很高的频率可调谐性。.5. 利用半导体光放大器的四波混频效应进一步提高了倍频因子，提出了基于级联马赫-曾德尔调制器和半导体光放大器的二十四倍频信号生成方案。.6. 提出了基于双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的超宽带变频方案，在不同偏振态中分别实现载波抑制单边带调制，仿真和实验验证了方案的高频谱纯度、大带宽和高隔离度。.7 分别提出了针对方波、锯齿波、三角波等特殊波形的基于微波光子学的生成方案，对三种方案进行了理论推导、仿真验证和实验证明，并引入均方根误差（RMSE）作为评价指标，对仿真、实验结果进行评价。.8 针对通信卫星转发器中混频功能，提出了一种基于正交相移-双平行马赫曾德尔调制器（QPSK-DPMZM）的混频办法。.将上述成果应用于应用于通信卫星上的转发系统，提高了信号生成频率、增强了抗电磁干扰能力，并为实现系统的小型化和轻型化提供了新的思路。仿真和实验结果均表明，本项目提出的微波光子倍频、变频与光交换方案合理可行，对于星载高频电子系统具有重要的工程应用价值。