毕业设计(论文)集成介质天线的光子微波接收.doc
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1、 本 科 生 毕 业 论 文(设计)题目 集成介质天线的光子微波接收 姓名与学号 指导教师 年级与专业 04电子信息工程 所在学院 信息科学与工程学院第一章 引言- 3 -1.1背景- 3 -1.2 已往的研究- 5 -1.2.1 球状微腔内部的回音壁模式研究- 5 -1.2.2 基于微腔的电光调制特性 -6- 1.2.3 介质谐振器天线- 7 -1.3 最新的研究成果- 7 -1.4本文的主要内容- 8 -第二章 集成介质天线的接收机设计 -10-2.1 介质天线的结构设计- 10 -2.2 谐振微腔的设计- 11 -2.3 金属调制电极结构的设计122.4 接收机整体结构的设计13第三章
2、介质天线的相关仿真研究143.1 关于介质谐振天线的本征模式143.2 观察调制效果的大小21第四章 总结30参考文献31致谢32摘要ROF (Radio Over Fiber)技术在现代无线通信系统中正日益表现出旺盛的生命力,而结合了基于WGM谐振腔和介质天线技术的光子接收技术是该领域内的一个重大成果,它完成了信号的接收与调制,顺利将信号耦合到光纤链路以备后续的信号处理工作。本文首先深入掌握了在这个领域已经很成熟的介质天线、电光调制、及铌酸锂谐振微腔等理论成果,并把整个设计方案合理地划分成三大主要部分。用CST电磁仿真软件完成整个接收机的设计,并察看谐振天线的本征振荡模式、金属电极上的调制电
3、场及改变各部分的结构与尺寸实现最佳的接收机性能。 我们设置了一系列的观测曲线,尤其是将实验结果作为考察调制效果的重要依据,利用设计软件的强大的计算仿真功能,以图表和曲线等形式直观地展现出来。在本文的最后,综合性能、成本、美观等因素给出了对应中心频率f=3.5GHZ时集成介质天线的光子微波接收机方案。关键词:ROF WGM谐振腔 介质天线 CST 电光调制AbstractROF (Radio Over Fiber) is showing an exuberant vitality gradually in modern wireless communication system. The pho
4、tonic reception technology which combines the WGM resonance-antrum and dielectric antenna technology is a significant achievement in this field. It has accomplished signal taking-over and modulation, smoothly coupling the signal to the fiber for the following work. This thesis goes deep into some ma
5、ture achievement in this field such as the dielectric antenna, optical-electricity modulation, and resonance-antrum. The entire design plan is divided rationally into three major parts. We uses CST software tool first to accomplish entire receiver design and observes the intrinsical mode of the diel
6、ectric antenna, the modulation electrical field on the metal and the receivers function which changes the structure and dimension of every part to achieve the best. We have interposed a series of observation curves, especially taking the experiment results as important references of modulation effec
7、t. We also make use of the powerful simulating function of the software and unfold it visually in the form of diagrams and curves.In the last part of the thesis, taking the function , cost and looks into consideration, we put forward a photonic microwave receiver plan with the central frequency of 3
8、.5 GHZ. Keywords: ROF WGM-resonance-antrum dielectric-antenna CST optical- electric modulation第一章 引言 基于集成介质天线的光子微波接收机在ROF (Radio Over Fiber)技术的无线通信系统中扮演了核心角色,由于其体积小,结构简单,装拆方便,无电消耗等优点在现代无线通信技术的发展中正焕发出越来越强的生命力。1.1背景 1.1.1 ROF技术的基本概念ROF技术就是指利用光纤代替大气作为一种传输媒质来传输信号(如:基带、中频或射频信号)的一种传输技术。其系统框图如图1-1所示。图中示意出:
9、多个基站(BS)通过光纤与中心节点(CO)相连接。光纤仅仅起传输作用,交换、控制和信号的再生等都集中在中心节点。 图1.1 ROF的网络结构对于下行信号传输而言,首先在中心节点(CO)处利用光器件和全光技术对信号进行调制和光电变换,然后将变换后的光信号通过光纤传输到远端基站,最后在远端基站通过光电探测和解调技术得到所要传送的信号,并通过天线发送出去。对于上行信号传输而言,首先将天线接收到的信号进行光电转换和相应的频率下变换,然后经过光纤传输到中心节点(C0),最后通过光电检测和所需的频率下变换得到基带信号。本文中研究的是ROF技术中的核心部分,也即基于集成介质天线的光子微波接收机,其整体的框图
10、如图1-2所示【1】: 图1.2 集成介质天线的光子微波接收机图中的光电介质天线捕捉到来自于自由空间的射频信号,而内置的光纤链路则可以有效地保证电子线路与空气接口的电隔离,进而保证整个系统的接收性能。1.1.2 ROF技术的优点【2】l)低损耗:该技术采用光纤作为传输媒质来传输毫米波信号。且由于光纤具有低损耗的特性,所以信号只需较小的传送功率就可以在光纤中传输较远的距离,这样大大减少了整个系统的功率消耗,降低了整个系统的成本。2)高带宽:光纤有很高的带宽,不考虑远距离传输损耗时,850nm、310nm、155onm这三个低损耗窗口的总带宽超过50THz。3)不受无线频率的干扰:由于微波信号是以
11、光的形式通过光纤系统传播,所以不受无线频率的干扰。4)便于安装和维护:在ROF系统中,昂贵复杂的设备都集中在中心站点,基站结构设备都十分简单。5)降低功率的消耗6)操作更具灵活性 :ROF分布式系统对信号的格式具有透明性,可以按照需求传输各种调制格式的信号。1.2已往的研究1.2.1 球状微腔内部的回音壁模式研究实现微波射频信号到光信号的转换的核心器件是一个高Q值的碟状电光调制器,该电光调制器采用高光电系数的铌酸锂材料制作而成,利用微波环状谐振器的电场响应特性和微腔谐振的回音壁模式理论,使其达到同时谐振的目的,从而实现微波的高分辨率转换【3】。 回音壁模Whispering Gallery M
12、ode是电磁场在柱状或球状谐振腔中振荡形成的模式场,因其Q值高,模场区域集中等其他特性而受到重视,应用范围涵盖了从基础物理到光通信的一个广阔领域。其中基于WGM谐振腔和微带天线技术的光子接收技术是该领域内的一个重大成果。应用在实践中的球状谐振腔几何构造如图1-3所示: 图1-3 圆盘状的铌酸锂微腔回音壁模式下的光波传播可以这样来理解:光波在微球的内表面上不断进行全反射,从而被约束在球内并沿着球的大圆绕行,同时为了使绕行中光波不断叠加得到增强,光波绕行一周后应满足一定的相位匹配条件。铌酸锂微腔是一种比较好的微谐振腔,它利用光在不同折射率材料之间的曲面边界上的内全反射,使符合某些模式方程的特定波长
13、的光可以在微盘内绕着微盘循环传播,而不会从微盘内出射到周围低折射率的介质中去,这些模式即为“回音壁模式”。在这种情况下,由于曲面边界能够很好地把光波限制在微盘内的增益区域中传播,而无太多能量损失从而“回音壁模式”有着很高的Q值。实践上曾有人在液态小球中得到了Q=105的回音壁模式5。1.2.2 基于微腔的电光调制特性当光载波经过棱镜耦合到腔内,可在腔体中激励起回音壁模式,并受到金属电极的电场调制,如图1-4所示:图1-4 光载波经棱镜耦合进入腔体电光调制的原理是电光效应,是由外加电场引起媒质折射率的变化而产生的双折射现象,电光效应最重要的是线性电光效应。6谐振腔材料采用,它是一种各向异性的单轴
14、晶体,在无外界电场时,电场矢量E沿z轴方向谐振的光的折射率为,E沿X,Y轴方向谐振的光的折射率为。在外界电场作用下,三个方向的主折射率将随着电场变化而发生改变,其中X,Y方向的折射率为常量,在外加Z方向的电场的情况下,只需用到Z方向的主折射率随电场变化的关系来分析光相位随射频电场的变化:即 。最终可以实现对载波的相位调制:如果入射光强为,外加电场为 =,那么窄带调相时的出射光线为,其中是折射率和电场强度的函数7。1.2.3 介质谐振器天线介质谐振器(DR)一般由低损耗(tan=以下)、高介电常数(20100)的材料做成,经常用于屏蔽微波电路中,如滤波器、振荡器等。在这些介质谐振器中能得到很高的
15、无载Q值。假如介质谐振器放在自由空间中,则其最低阶模(主模)的Q值大大减小,因为其功率在空间中辐射了,因此可作为天线。,在选择适当形状、介电常数以及馈电方式的情况下,介质谐振器可以作为天线来使用。这里有必要区分介质谐振天线与金属空腔谐振器的区别:对于金属腔体谐振器,由于理想电壁的存在,不向外辐射能量;而处于自由空间中的介质谐振器,当工作于辐射模式时,可以向外辐射电磁波,因而可以作为天线单元来使用。我们的设计方案中,介质谐振器作为接收天线来使用其原理与发射天线大致相同。明确了这样的区别与联系后我们就可以在设计天线时对于边界条件的设置时有较清晰的理解和把握,而这样的把握在仿真的过程中显然是非常的必
16、要。介质天线的特点如下:首先它是一种三维结构,其尺寸大小可以随设计方式的改变而改变进而其谐振频率也可以相应地发生变化,这点给设计人员提供了较大的便利性。其次介质天线的尺寸较小,尺寸因子为1/,由于往往较大所以可以使得天线的尺寸较小。再次,天线的电场主要集中在介质天线的内部,受外界的影响较小。最后,天线的激励方式简单,比如微带馈线是常用的形式,馈源考虑简单而灵活易行。1.3最新的研究成果1.3.1 介质天线与电光调制器的集成现在已经投入实际应用的天线与电光调制器的集成装置如图1-5所示。 图1-5 集成介质天线的接收机装置Bridges等人设计的天线耦合的电光调制器则是直接将调制器的金属电极改造
17、成了接收天线。这一点也可以运用到基于微腔的电光调制器上,充分利用调制器的电极来实现信号的接收这一点对于减少尺寸有多么大的意义!在图1-5给出的实际模型中将电光调制器集成在介质天线内,以减小尺寸,同时增加耦合效率。在这种方案中,我们取消了原来的介质基板,直接利用微波介质谐振器充当介质基板的角色。此时微腔完全镶嵌在微波介质谐振腔中,而微腔上的金属电极则直接延伸到了介质谐振腔材料上。尽管耦合的效率会有所下降,却获得了简单小巧的结构,方便集成携带。1.3.2 金属电极结构的设计金属电极上谐振的场其场强沿线满足相应的分布,即电场强度是的函数。衡量调制效果的大小可以转化为考察值的大小,这应该包含两方面的内
18、容:一方面需要的电场幅度值大,另一方面电场值的符号在整个积分区间保持同向,满足这两点后整个积分结果就大。 1.4本文的主要内容本文在了解光子微波接收的国内外发展动态和最新进展基础上重点综合研究了介质天线及相关的电光调制效应的原理,给出以光子为载波的接收机方案,在方案的设计中综合考虑了多种指标,应用了各种已有的较为成熟的理论结果,朝性能优良、结构简单、成本低廉的方向努力。在实验的仿真中应用了CST软件强大的空间电磁理论计算功能,给出了多种形式的结果。在认真研究这些实验结果的基础之上改进设计指标,包括各部分的空间位置、各部分的尺寸、各部分的结构等。比较各种结果,发现各参量间内在的联系对于加深电磁理
19、论的认识,培养自己的观察分析问题的能力大有裨益。尤其是整个实验进程中对微波器件的设计和参数设置性能仿真都利用了CST软件。对于自己实验技能的提高和快速学习能力的培养也有很大的意义。第二章 集成介质天线的接收机结构设计在整个设计伊始,我们首先要定义好设计方案的单位units如下,Dimensions:mm; Frequency :GHz ;Time:S。定义好背景材料及观察仿真的频率范围。然后开始绘制各部分的结构图。我们把整个接收机分成三大部分,分别是介质天线,谐振微腔,调制金属电极,下面开始他们的设计。2.1介质天线的结构设计天线的结构直接影响到其远端的辐射方向图及相应的接收性能。考虑到工程实
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