集成介质天线的光子微波接收.docx
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集成介质天线的光子微波接收
本科生毕业论文（设计）
题目«题目»
姓名与学号陈利欢68
指导教师章献民
年级与专业04电子信息工程
所在学院«所在学院»
摘要
ROF（RadioOverFiber）技术在现代无线通信系统中正日趋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功效，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置工作。
本文第一深切掌握了在那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功效，并把整个设计方案合理地划分成三大主要部份。
用CST电磁仿真软件完成整个接收机的设计，并观察谐振天线的本征振荡模式、金属电极上的调制电场及改变各部份的结构与尺寸实现最佳的接收机性能。
咱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，利用设计软件的壮大的计算仿真功能，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、本钱、美观等因素给出了对应中心频率f=时集成介质天线的光子微波接收机方案。
关键词：
ROFWGM谐振腔介质天线CST电光调制
Abstract
ROF（RadioOverFiber）isshowinganexuberantvitalitygraduallyinmodernwirelesscommunicationsystem.ThephotonicreceptiontechnologywhichcombinestheWGMresonance-antrumanddielectricantennatechnologyisasignificantachievementinthisfield.Ithasaccomplishedsignaltaking-overandmodulation,smoothlycouplingthesignaltothefiberforthefollowingwork.Thisthesisgoesdeepintosomematureachievementinthisfieldsuchasthedielectricantenna,optical-electricitymodulation,and
resonance-antrum.Theentiredesignplanisdividedrationallyintothreemajorparts.
WeusesCSTsoftwaretoolfirsttoaccomplishentirereceiverdesignandobservestheintrinsicalmodeofthedielectricantenna,themodulationelectricalfieldonthemetalandthereceiver’sfunctionwhichchangesthestructureanddimensionofeveryparttoachievethebest.Wehaveinterposedaseriesofobservationcurves,especiallytakingtheexperimentresultsasimportantreferencesofmodulationeffect.Wealsomakeuseofthepowerfulsimulatingfunctionofthesoftwareandunfolditvisuallyintheformofdiagramsandcurves.
Inthelastpartofthethesis,takingthefunction,costandlooksintoconsideration,weputforwardaphotonicmicrowavereceiverplanwiththecentralfrequencyofGHZ.
Keywords:
ROFWGM-resonance-antrumdielectric-antennaCSToptical-electricmodulation
第一章引言
基于集成介质天线的光子微波接收机在ROF（RadioOverFiber）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，无电消耗等长处在现代无线通信技术的进展中正焕发出愈来愈强的生命力。
背景
1.1.1ROF技术的大体概念
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：
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，互换、控制和信号的再生等都集中在中心节点。
图ROF的网络结构
对于下行信号传输而言，第一在中心节点（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取得所要传送的信号，并通过天线发送出去。
对于上行信号传输而言，第一将天线接收到的信号进行光电转换和相应的频率下变换，然后通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取得基带信号。
本文中研究的是ROF技术中的核心部份，也即基于集成介质天线的光子微波接收机，其整体的框图如图1-2所示【1】：
图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能够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。
1.1.2ROF技术的长处【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够在光纤中传输较远的距离，如此大大减少了整个系统的功率消耗，降低了整个系统的本钱。
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）便于安装和保护：
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散布式系统对信号的格式具有透明性，能够依照需求传输各类调制格式的信号。
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WhisperingGalleryMode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漠领域。
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功效。
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如此来理解：
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取得增强，光波绕行一周后应知足必然的相位匹配条件。
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”。
在这种情形下，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取得了Q=105的回音壁模式[5]。
1.2.2基于微腔的电光调制特性
当光载波通过棱镜耦合到腔内，可在腔体中鼓励起回音壁模式，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,是由外加电场引发媒质折射率的转变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转变而发生改变，其中X，Y方向的折射率为常量，在外加Z方向的电场
的情形下，只需用到Z方向的主折射率随电场转变的关系来分析光相位随射频电场的转变：
即
。
最终能够实现对载波的相位调制：
若是入射光强为
，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（tanδ=
以下）、高介电常数ε（20~100）的材料做成，经常常利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取得很高的无载Q值。
假设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、介电常数和馈电方式的情形下,介质谐振器能够作为天线来利用。
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,能够向外辐射电磁波,因此能够作为天线单元来利用。
咱们的设计方案中，介质谐振器作为接收天线来利用其原理与发射天线大致相同。
明确了如此的区别与联系后咱们就可以够在设计天线时对于边界条件的设置时有较清楚的理解和把握，而如此的把握在仿真的进程中显然是超级的必要。
介质天线的特点如下：
第一它是一种三维结构，其尺寸大小能够随设计方式的改变而改变进而其谐振频率也能够相应地发生转变，这点给设计人员提供了较大的便利性。
第二介质天线的尺寸较小，尺寸因子为1/
，由于
往往较大所以能够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，天线的鼓励方式简单，比如微带馈线是常常利用的形式，馈源考虑简单而灵活易行。
最新的研究功效
1.3.1介质天线与电光调制器的集成
此刻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成了接收天线。
这一点也能够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何等大的意义！
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，咱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。
现在
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。
虽然耦合的效率会有所下降，却取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知足相应的散布，即电场强度
是
的函数。
衡量调制效果的大小能够转化为考察值
的大小,这应该包括两方面的内容：
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维持同向，知足这两点后整个积分结果就大。
本文的主要内容
本文在了解光子微波接收的国内外进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，应用了各类已有的较为成熟的理论结果，朝性能优良、结构简单、本钱低廉的方向尽力。
在实验的仿真中应用了CST软件壮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良设计指标，包括各部份的空间位置、各部份的尺寸、各部份的结构等。
比较各类结果，发觉各参量间内在的联系对于加深电磁理论的熟悉，培育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。
对于自己实验技术的提高和快速学习能力的培育也有专门大的意义。
第二章集成介质天线的接收机结构设计
在整个设计伊始，咱们第一要概念好设计方案的单位units如下，Dimensions：
mm;Frequency:
GHz;Time:
S。
概念好背景材料及观察仿真的频率范围。
然后开始绘制各部份的结构图。
咱们把整个接收机分成三大部份，别离是介质天线，谐振微腔，调制金属电极，下面开始他们的设计。
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。
考虑到工程实际及结构的方便性，文中采用的结构为圆柱形，这种形状的研究最多，而且设计方便，其相关的品质因素及谐振频率等方面的研究有较成熟的理论基础能够采用。
选用圆柱天线的长处是加工简单且馈电形式多样,是研究和应用的主流。
但也有其固有的缺点—尺寸较小，对加工工艺要求高。
一旦成型就不容易调谐,材料介电常数相对较高因此价钱较为昂贵等。
介质材料选用normal其中的参数：
，
，给该层概念名称DRA。
该部份圆柱结构的具体尺寸见下文的表2.1a所示，在表中集中地标示出各部份具体尺寸。
Outradius:
Innerradius:
0
Xcenter:
0
Ycenter:
0
Z-min:
-8
Z-max:
8
表2.1a介质天线圆柱结构尺寸
文中介质天线的鼓励方式为自由空间中的电磁场鼓励，以此模拟来自空间中的射频微波信号。
PlaneWave的具体参数设置及三维视图如图所示：
图采用自由空间电磁波鼓励
咱们的目的正是希望介质天线的内部能够鼓励起稳固的场散布，而场散布中特定点的幅值转变携带了信号相位的相应信息，以此顺利实现介质天线接收到微波信号。
谐振微腔的设计
文中采用的结构即为常见的圆盘状的结构，这种方案能够取得很高的谐振效果，如前述的图1-3。
设计中为取得较好的效果，实际采用的结构中间部份是空心的，这是通过实验中不断地改良取得的，对于半径的选取尤其是内半径通过了参数的扫描概念了parametersin-radius,然后参数扫描求解最佳效果的内半径数值：
ParSweep。
固然这些是在其他尺寸维持不变的情形下而言的。
介质材料选用normal，其他的参数为：
，
，给该层概念名称NSL（取铌酸锂中文拼音的前三字母）。
该部份圆柱结构的具体尺寸见下文的表所示，在表中集中地标示出了各部份具体尺寸。
Outradius:
Innerradius:
in-radius
Xcenter:
0
Ycenter:
0
Z-min:
8
Z-max:
12
表铌酸锂微腔的尺寸
金属调制电极结构的设计
文中采用的电极结构为圆环形，介质天线中的场耦合到电极上形成稳固的场散布，这种场散布就包括了射频信号的相关相位信息，以此去调制沿着铌酸锂微腔壁环形行进的光载波，调制信号再经棱镜耦合出谐振微腔，并进入到光纤链路进而传至接收端。
金属电极的结构设计对于调制效果的影响专门大，在多种研究文献中提到了调制电极与介质天线的耦合及电极的结构问题，对于集成介质天线的光子微波接收装备，维持形态上的美观，材料的节省，方便加工和改良也是必不可少的考虑因素。
文中采用的结构究其本质而言也是应用了微带谐振器的原理，如图2-2所示。
图微波微带线
它是由介质基片一边的导体带和基片另一边的接地板所组成，导体带用印刷技术敷在介质基片上，常常利用金、银、铜等良导体做成，接地板是铜板或铝板。
当通入微波信号后，会在微带和接地板之间形成电场。
构建环形微带谐振器以实现同时谐振，传送信号只需知足必然的相位叠加原则即可。
文中采用的方案即为完纯的金属电极以铌酸锂微腔为基片，以此去直接调制微腔中围绕的光载波，利用了同时谐振的原理。
选用的尺寸数据如表2.1c所示：
Outradius:
Innerradius:
9
Xcenter:
0
Ycenter:
0
Z-min:
12
Z-max:
表2.1c金属调制电极的尺寸
接收机整体结构的设计
综合各章，咱们取得了设计的初步模型如下图所示：
图集成介质天线的微波光子接收机初步模型
为了顺利地展开后续的分析工作，咱们还要概念一些常见的单位，概念仿真时观察的相关变量并以此作为衡量设计性能的依据，为了最终查看在金属电极上的场强散布，我概念了在电极上呈圆环散布的曲线，这些曲线的半径呈等差数列排列，在下图中观察曲线以蓝色曲线标记。
概念的进程中要先选定金属电极平面，然后肯定好与电极面对应的localcoordinatesystem通过它在其上绘制出环形的曲线。
结构如图所示：
图集成介质天线的接收机模型概念了观测曲线
第三章介质天线的相关仿真研究
关于介质谐振天线的本征模式
对于设计介质谐振天线，咱们是想将它应用在实践中的，即对于各类尺寸的天线能够迅速地求解其本征模的频率，对于模型中建构的方案发觉它的主模式对于实际应用而言是超级具有现实意义的。
依照文献DielectricResonatorAntennas—AReviewandGeneralDesignRelationsforResonantFrequencyandBandwidth给出的本征频率求解公式：
对于
模：
由此可取得
对于
模：
由此可取得
。
可计算取得理论上的
模本征频率，计算算式如下：
可是实际仿真进程中取得的较为理想的谐振模式如图和所示：
图理想谐振模式剖面图（平行YOZ平面切割）
图理想谐振模式剖面图（平行XOZ平面切割）
该谐振模式的中心频率为
=，若是在介质天线底部概念一条圆环状的观测路径，事实上这条观测曲线在介质天线的内部，并以此观察沿线的各类场强量的散布，所得到的各条曲线如图所示：
（由于概念的曲线中心为在X-center:
0,Y-center:
0,曲线的半径为9.8mm故其周长为
下面即标示出电场量沿曲线的散布，分为幅值、相位及实部、虚部等）。
图沿线电场幅值散布
图沿线电场相位散布
图3.2.c沿线电场分量实部散布
图沿线电场分量虚部散布
由图可见在观测曲线上的电场量幅值较好的知足正弦散布，与文献All-dielectricphotonic-assistedradiofront-endtechnology给出的结果大体上是符合的［7］。
但在实验中，对于理论计算取得的谐振频率
=周围，介质天线内部并未成立起稳固的模式场的振荡，在该频率处实际的场散布情形如图所示:
图理论计算频率处的电场散布示意
当用Eigen-modeSolver计算时见图，
图用CST计算本征模式
需要指出的一点就是在我个人的PC机上作该类的仿真时花费了较长的时刻，以计算两个本征模式为例共计花40分钟。
解得的其中Mode2本征模为图：
图其中一个本征模式示意
计算取得的两种本征模式下的各场量沿线的散布情形如下图
图两个本征模式幅值对照
在腔体内所鼓励起的并非理想的谐振模式，在天线的顶端底端的场量并非峰值，而且铌酸锂晶体内部显示的场量相位相反，使调制效果大大受到影响，乃至发生调制效果的彼此抵消。
该模式的中心频率为与理论值也有较大的不同。
观察调制效果的大小
前面已经提到过如何衡量调制效果：
对于金属电极上的谐振场量的散布，咱们只需考察积分值
，详细内容见1.3.2节的陈述。
在设计的进程中，咱们已经概念了金属电极平面上的三条观测曲线，这三条观测曲线的半径恰好成等差数列排列，见表，且其中的曲线一、3均在电极的边缘处。
曲线名
半径量
Curve1
11mm
Curve2
10mm
Curve3
9mm
表三条观测曲线的半径
通过Evaluatefieldsonallcurves这一功能，咱们取得在这些观测曲线上的幅值信息如下3.6.c所示：
图沿曲线一电场量幅值散布
图沿曲线二电场量幅值散布
图3.6.c沿曲线三的电场量幅值散布
由此能够观察到的一点就是在金属电极边缘处曲线一、3的电场量幅度值不够稳固，这能够以为在边缘处成立的电磁场容易受多种因素的影响而不够稳固。
而相对应的在金属电极中心的曲线二上的电场散布比较稳固，在谐振微腔内行进的光载波其轨迹实际上应该和观测曲线是一致的，那么咱们能够通过计算幅值曲线与观测圆周所围的面积来比较各条曲线的相应调制效果。
对于curve2的观察线路见图：
图沿曲线二的观察线路
在对应频率处，电场量的实部和虚部值别离如下图所示：
图3.8a沿曲线二的电场量实部散布
图沿曲线二的电场量虚部份部
结合图可见电场沿线未出现负值，说明在整个调制进程中都是正向调制，未发生调制效果的彼此抵消，这是咱们愿意看到的结果。
观察尺寸转变的影响
各部份的尺寸转变对于模式场的成立，对于谐振场的成立均有显著的影响，在这里咱们先假定介质天线的尺寸维持不变，这点是很重要的。
考察铌酸锂微腔的尺寸和金属电极的尺寸转变对接收机效果的影响，接收机效果包括介质天线内部的场强模式、金属电极上的场散布，中心频率，品质因素等量。
3.3.1铌酸锂内半径的影响
这里先维持外半径不变，由于设计方案中外半径和介质天线的外径是一样的，从而能够减少计算的复杂量。
内半径5.9mm时的振荡模式图前面已经述及。
内半径数值为in-radius=6.6mm时，介质天线内部的场振荡模式如下图：
图内半径6.6mm时的谐振模式
在inradius=9mm时的谐振模式中，介质天线的底部电场量不够理想数值很小，说明铌酸锂晶体的内半径对介质天线的内部谐振场强的成立有较大的影响，具体结果能够归纳为：
随着内半径的增加谐振模式的成立就越靠得住，可是这与铌酸锂晶体微腔的尺寸是一对矛盾。
3.3.2金属电极内半径的影响
金属电极的半径对于调制的结果有较大影响。
在中心频率f=处，取得的金属电极上的电场量散布如图：
图金属电极上的谐振电场
现在电极的内半径为9mm,外半径为11.25mm,电极上的电场量较好地知足正弦情形散布，且幅值对称情形专门好。
将电极的内半径减小到7mm，取得的电场量散布情形如下图：
图金属电极上的谐振电场对应内径7mm
在仿真进程中的各个频率点设置Voltagemonitor,可取得观测曲线上的电压信息如下图所示:
图金属电极上的谐振电场幅值
图金属电极上的谐振电场相位
第四章总结
参考文献
［1］，OPTICALWA5INCYRSTALS:
ProPagationnadControlOfLaserRadiation，hnWiley&Sons，.
［2］Bren
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