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）
题目集成介质天线的光子微波接收
姓名与学号陈利欢3049913068
指导教师章献民
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12
2.4接收机整体结构的设计13
第三章介质天线的相关仿真研究14
3.1关于介质谐振天线的本征模式14
3.2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（RadioOverFiber）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：
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,weputforwardaphotonicmicrowavereceiverplanwiththecentralfrequencyof3.5GHZ.
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
1.1.1ROF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：
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1.1ROF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。
1.1.2ROF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（tanδ=
以下）、高介电常数ε（20~100）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可以采用。
选用圆柱天线的优点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格较为昂贵等。
介质材料选用normal其中的参数：
，
，给该层定义名称DRA。
该部分圆柱结构的具体尺寸见下文的表2.1a所示，在表2.1中集中地标示出各部分具体尺寸。
Outradius:
11.25
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
文中介质天线的激励方式为自由空间中的电磁场激励，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2.1所示：
图2.1采用自由空间电磁波激励
我们的目的正是希望介质天线的内部可以激励起稳定的场分布，而场分布中特定点的幅值变化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。
2.2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，这种方案可以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分是空心的，这是经过试验中不断地改进得到的，对于半径的选取尤其是内半径经过了参数的扫描定义了parametersin-radius,然后参数扫描求解最佳效果的内半径数值：
ParSweep。
当然这些是在其他尺寸保持不变的情况下而言的。
介质材料选用normal，其他的参数为：
，
，给该层定义名称NSL（取铌酸锂中文拼音的前三字母）。
该部分圆柱结构的具体尺寸见下文的表2.1b所示，在表2.1b中集中地标示出了各部分具体尺寸。
Outradius:
11.25
Innerradius:
in-radius
Xcenter:
0
Ycenter:
0
Z-min:
8
Z-max:
12
表2.1b铌酸锂微腔的尺寸
2.3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定的场分布，这种场分布就包含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很大，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，保持形态上的美观，材料的节省，方便加工和改进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2.2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构成，导体带用印刷技术敷在介质基片上，常用金、银、铜等良导体做成，接地板是铜板或者铝板。
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，传送信号只需满足一定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环绕的光载波，利用了同时谐振的原理。
选用的尺寸数据如表2.1c所示：
Outradius:
11.25
Innerradius:
9
Xcenter:
0
Ycenter:
0
Z-min:
12
Z-max:
12.3
表2.1c金属调制电极的尺寸
2.4接收机整体结构的设计
综合2.1-2.3各章，我们得到了设计的初步模型如下图2.3所示：
图2.3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，我们还要定义一些常见的单位，定义仿真时察看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分布，我定义了在电极上呈圆环分布的曲线，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。
定义的过程中要先选定金属电极平面，然后确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2.4所示：
图2.4集成介质天线的接收机模型定义了观测曲线
第三章介质天线的相关仿真研究
3.1关于介质谐振天线的本征模式
对于设计介质谐振天线，我们是想将它应用在实践中的，即对于各种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现它的主模式对于实际应用而言是非常具有现实意义的。
按照文献DielectricResonatorAntennas—AReviewandGeneralDesignRelationsforResonantFrequencyandBandwidth给出的本征频率求解公式：
对于
模：
由此可得到
对于
模：
由此可得到
。
可计算得到理论上的
模本征频率，计算算式如下：
但是实际仿真过程中得到的较为理想的谐振模式如图3.1.a和3.1.b所示：
图3.1.a理想谐振模式剖面图（平行YOZ平面切割）
图3.1.b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
=3.5GHZ，如果在介质天线底部定义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种场强量的分布，所得到的各条曲线如图3.2所示：
（由于定义的曲线中心为在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分布，分为幅值、相位及实部、虚部等）。
图3.2.a沿线电场幅值分布
图3.2.b沿线电场相位分布
图3.2.c沿线电场分量实部分布
图3.2.d沿线电场分量虚部分布
由图3.2.a-3.2.d可见在观测曲线上的电场量幅值较好的满足正弦分布，与文献All-dielectricphotonic-assistedradiofront-endtechnology给出的结果基本上是符合的［7］。
但在实验中，对于理论计算得到的谐振频率
=2.68GHZ附近，介质天线内部并未建立起稳定的模式场的振荡，在该频率处实际的场分布情况如图3.3所示:
图3.3理论计算频率处的电场分布示意
当用Eigen-modeSolver计算时见图3.4，
图3.4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耗费了较长的时间，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3.5.a：
图3.5.a其中一个本征模式示意
计算得到的两种本征模式下的各场量沿线的分布情况如下图3.5.b
图3.5.b两个本征模式幅值对照
在腔体内所激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，甚至发生调制效果的相互抵消。
该模式的中心频率为2.47504GHZ与理论值也有较大的差异。
3.2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分布，我们只需考察积分值
，详细内容见1.3.2节的陈述。
在设计的进程中，我们已经定义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3.1，且其中的曲线1、3均在电极的边缘处。
曲线名
半径量
Curve1
11mm
Curve2
10mm
Curve3
9mm
表3.1三条观测曲线的半径
通过Evaluatefieldsonallcurves这一功能，我们得到在这些观测曲线上的幅值信息如下3.6.a-3.6.c所示：
图3.6.a沿曲线一电场量幅值分布
图3.6.b沿曲线二电场量幅值分布
图3.6.c沿曲线三的电场量幅值分布
由此可以观察到的一点就是在金属电极边缘处曲线1、3的电场量幅度值不够稳定，这可以认为在边缘处建立的电磁场容易受多种因素的影响而不够稳定。
而相对应的在金属电极中心的曲线二上的电场分布比较稳定，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，那么我们可以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3.7：
图3.7沿曲线二的观察线路
在对应频率3.5GHZ处，电场量的实部和虚部值分别如下图3.8.a-3.8.b所示：
图3.8a沿曲线二的电场量实部分布
图3.8.b沿曲线二的电场量虚部分部
结合图3.8.a-3.8.b可见电场沿线未出现负值，说明在整个调制过程中都是正向调制，未发生调制效果的相互抵消，这是我们愿意看到的结果。
3.3观察尺寸变化的影响
各部分的尺寸变化对于模式场的建立，对于谐振场的建立均有显著的影响，在这里我们先假定介质天线的尺寸保持不变，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变化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、金属电极上的场分布，中心频率，品质因素等量。
3.3.1铌酸锂内半径的影响
这里先保持外半径不变，由于设计方案中外半径和介质天线
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