微波光子谐波变频技术研究

摘要
摘要
微波光子学是微波技术与光子学相结合的产物。

相比传统技术，微波光子技术具有低损耗、大带宽、抗电磁干扰、体积小以及重量轻等优势。

随着目前信息业务的多样化以及通信频段的提高，传统微波混频技术面临带宽受限、频率可调性差、隔离度低、电磁干扰严重等电子瓶颈，传统电域变频技术逐渐难以满足未来电子系统发展需要。

而微波光子变频技术可以很好的解决这些难题，从而在未来电子系统中具有较大的应用前景，近些年来受到广泛的关注和研究。

本文面向未来电子系统发展需求，针对目前微波光子变频领域存在的技术难题，对低本振频率需求、高变频效率的微波光子变频技术开展具体研究。

本文的基础性工作主要有：首先介绍微波光子变频技术的主要器件，对它们的工作原理进行理论分析。

接着在VPI仿真软件中对常见的三种调制方式，即单边带调制、双边带调制以及抑制载波双边带调制做了仿真分析。

其次介绍了微波光子变频技术的三个关键性指标，即变频增益、噪声系数以及无杂散动态范围。

另外还研究了一些已经被提出的微波光子变频方案，对这些方案进行理论分析以及仿真验证。

在第四章提出了一种基于Sagnac环的本振二次谐波变频方案，该变频方案具有以下几个优点：利用本振二次谐波进行变频，降低了变频系统对本振信号的频率要求；抑制了光载波，可以有效提高变频效率；并且由于RF以及LO信号是利用不同的调制器进行调制，因此尤其适合天线拉远系统。

在实验中利用频率为4GHz的LO信号以及25GHz的RF信号经过上下变频后分别得到33GHz以及17GHz的信号，其中IF-RF隔离度为32.72dB，变频增益为-12.2dB，动态范围为102.1dB∙Hz2/3。

在第五章提出了一种基于DP-DPMZM的本振四次谐波变频方案，该变频方案具有以下几个优点：利用本振四次谐波进行变频，进一步降低了变频系统对本振信号的频率要求；抑制了光载波，可以有效提高变频效率。

在仿真中利用频率为2GHz的LO信号以及30GHz的RF信号经过上下变频后分别得到38GHz以及22GHz的信号，其中IF-RF隔离度为30dB，变频增益为-12dB，动态范围为102.5dB∙Hz2/3。

关键词：微波光子学，变频，倍频，外调制，萨格纳克环
ABSTRACT
ABSTRACT
Microwave photonics is the combination of microwave technique and photonics. Compared with traditional technology, it has the advantages of low loss, large bandwidth, anti-electromagnetic interference, small size and light weight. With the diversification of information service and the increasing of communication frequency, the traditional microwave mixing technology faced with the problems of limited bandwidth, inflexible frequency tunability, poor isolation as well as electromagnetic interference (EMI), and it cannot meet the requirements of future electronic systems. Mixers based on microwave photonics can be used to solve these problems, so it has a broad application prospect, and has been widely concerned and studied in recent years. To meet the requirements of future electronic systems and solve the technical difficulties exist in photonic microwave mixers, photonic microwave mixing techniques with low frequency requirement of local oscillator (LO), high conversion gain are studied in this thesis.
The basic works of this thesis are follows: Firstly, the main devices of microwave photonic frequency conversion technology are introduced and the working principles of them are analyzed theoretically. Secondly, A simulation analysis for DSB, SSB and OCS-DSB modulation methods is executed in the VPI simulation software. Then, three key indexes of microwave photonic mixer are introduced, which are frequency conversion gain, noise figure and dynamic range. Finally, some microwave photonic frequency conversion schemes are studied, and the theoretical analysis and simulation results are given.
In Chapter 4, a frequency conversion scheme based on a Sagnac loop which doubling the frequency of the LO signal is proposed, and the advantages of this scheme are as follows: reducing the frequency requirement of system by using the second harmonic of the LO signal, increasing the frequency conversion efficiency by suppressing the optical carrier, and it is especially suitable for antenna remote system because the RF and LO signals are modulated by different modulators separately. In the experiment, the 4-GHz LO signal and 25-GHz RF signal are used to get the IF signal with the frequency of 11GHz and 33GHz, the IF-RF isolation can reach 32.72dB. Besides the conversion gain is -12.2dB,
In Chapter 5, a frequency conversion scheme based on a DP-DPMZM which quadrupling the frequency of the LO signal is presented, and the advantages of this scheme are as follows: further reducing the frequency requirement of system by using the fourth harmonic of the LO signal, increasing the frequency conversion efficiency by suppressing the optical carrier. In the simulation, the 2-GHz LO signal and the 30-GHz RF signal are used to get the IF signal with the frequency of 22GHz and 38GHz, the IF-RF isolation can reach 30dB. Besides the conversion gain is -12dB, and the dynamic range is 102.5dB∙Hz2/3.
Keywords: microwave photonics, mixer, frequency multiplication, external modulation, Sagnac loop
插图索引
插图索引
图1.1 简单微波光子链路 (2)
图1.2 一种基于微波光子学的分布式雷达系统框图 (3)
图1.3 ROF系统结构原理图 (4)
图2.1 相位调制器结构图 (9)
图2.2 MZ调制器结构图 (10)
图2.3 MZ调制器传输曲线 (11)
图2.4 DPMZM结构图 (12)
图2.5 DP-DPMZM结构图 (13)
图2.6 光纤传输的功率周期性衰落 (15)
图2.7 直接调制结构框图 (15)
图2.8 外调制结构框图 (15)
图2.9 各阶贝塞尔函数曲线 (16)
图2.10 DSB调制原理图 (17)
图2.11 DSB调制仿真光谱图和电谱图 (18)
图2.12 SSB调制原理图 (18)
图2.13 SSB调制仿真光谱图及电谱图 (19)
图2.14 OCS调制原理图 (19)
图2.15 OCS调制仿真光谱图及电谱图 (20)
图2.16 双音交调产物频谱图 (24)
图2.17 三阶截止点示意图 (24)
图2.18 SFDR3示意图 (25)
图3.1 基于级联强度调制器变频方案结构框图 (27)
图3.2 基于级联IM变频方案仿真结果图 (28)
图3.3 基于DDMZM变频方案结构图 (29)
图3.4 基于DDMZM变频方案仿真结果图 (30)
图3.5 免滤波器变频方案结构图 (31)
图3.6 免滤波器变频方案仿真结果图 (33)
图3.7 本振二次谐波变频方案结构图 (33)
图3.8 本振二次谐波变频方案仿真结果图 (34)
图3.11 基于IM和DPMZM级联的变频方案结构图 (37)
图3.12 线性优化结果图 (39)
图3.13 线性优化前后SFDR图 (39)
图4.1 Sagnac效应原理图 (41)
图4.2 Sagnac环结构图 (41)
图4.3 调制器正反向调制对比图 (42)
图4.4 基于Sagnac环的本振二次谐波变频方案结构图 (43)
图4.5 实验结果图 (45)
图4.6 基于Sagnac环的本振二次谐波变频方案SFDR (46)
图4.7 50Mbaud/s 64QAM信号变频前后星座图 (46)
图4.8 LO、RF信号频率分别为3GHz、20GHz时变频结果图 (47)
图4.9 LO、RF信号频率分别为4GHz、30GHz时变频结果图 (47)
图5.1 基于DP-DPMZM的本振四次谐波变频方案结构图 (49)
图5.2 基于DP-DPMZM的本振四次谐波变频方案仿真结构图 (51)
图5.3 Pol及PD输出仿真结果图 (52)
图5.4 基于DP-DPMZM变频方案SFDR图 (53)
图5.5 RF、LO信号频率分别为15GHz、1GHz时仿真结果图 (53)
图5.6 RF、LO信号频率分别为26GHz、2GHz时仿真结果图 (54)
表格索引
表1.1传统电混频器与微波光子混频系统典型指标对比 (5)
表5.1系统仿真器件参数表 (51)
符号对照表
符号符号名称
调制器的半波电压
V
π
η光电探测器的响应度
J m第一类n贝塞尔函数在m处的值()
n
g变频增益
k波尔兹曼常数
T噪声温度
B噪声带宽
e
ω角频率
j虚部单位
G 光放大器增益
缩略语对照表
缩略语英文全称中文对照
CCW Counter-Clockwise 逆时针
CW Clockwise 顺时针
DEMZM Dual-Electrode Mach-Zehnder Modulator 双电极马赫曾德尔调制器
DP-DPMZM Double Polarization Dual-Parallel
Mach-Zehnder Modulator 双偏振双平行马赫曾德尔调制器
DPMZM Dual-Parallel Mach-Zehnder Modulator 双平行马赫曾德尔调制器DSB Double Sideband 双边带
EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier 掺铒光纤放大器
IF Intermediate Frequency 中频
IM Intensity Modulator 强度调制器
LD Laser Diode 激光二极管
LED Light Emitting Diode 发光二极管
LO Local Oscillator 本地振荡器
MZM Mach-Zehnder Modulator 马赫曾德尔调制器
NF Noise Figure 噪声系数双边带
OCS-DSB Optical Carrier Suppressed- Double
Sideband
光载波抑制
PBC Polarization Beam Combiner 偏振合束器
PBS Polarization Beam Splitter 偏振分束器
PD Photodiode 光电二极管
PM Phase Modulator 相位调制器
RF Radio Frequency 射频
RIN Relative Intensity Noise 相对强度噪声
RoF Radio-over-Fiber 光载射频
SFDR Spurious Free Dynamic Range 无杂散动态范围
SNR Signal Noise Ratio 信噪比
SSB Single Sideband 单边带
目录
目录
摘要 (I)
ABSTRACT (III)
插图索引 (V)
表格索引 ............................................................................................................................ V II 符号对照表 ......................................................................................................................... I X 缩略语对照表 ..................................................................................................................... X I 第一章绪论. (1)
1.1研究背景与意义 (1)
1.1.1传统电子系统发展瓶颈 (1)
1.1.2微波光子学概述 (1)
1.1.3微波光子变频技术 (4)
1.2国内外研究现状 (6)
1.3本论文主要工作内容 (7)
第二章微波光子变频的主要器件与关键技术 (9)
2.1微波光子变频技术主要器件 (9)
2.1.1光源 (9)
2.1.2电光调制器 (9)
2.1.3光电探测器 (14)
2.1.4光纤 (14)
2.2直接调制与外调制 (15)
2.3常见的外调制方法 (16)
2.3.1DSB调制 (17)
2.3.2SSB调制 (18)
2.3.3OCS-DSB调制 (19)
2.4性能指标 (20)
2.4.1变频增益 (20)
2.4.2噪声系数 (21)
2.4.3无杂散动态范围 (22)
2.5本章小结 (25)
3.2基于DDMZM的变频方案 (29)
3.3基于DPMZM的变频方案 (31)
3.3.1免滤波器变频方案 (31)
3.3.2本振二次谐波变频方案 (33)
3.3.3抑制功率周期性衰落变频方案 (35)
3.4基于IM和DPMZM级联的变频方案 (37)
3.5本章小结 (39)
第四章基于Sagnac环的本振二次谐波变频方案 (41)
4.1萨格奈克环原理 (41)
4.2调制器正反调制原理 (42)
4.3方案结构与理论推导 (43)
4.4实验验证 (45)
4.5本章小结 (48)
第五章基于DP-DPMZM的本振四次谐波变频方案 (49)
5.1方案结构与理论推导 (49)
5.2仿真验证 (51)
5.3本章小结 (54)
第六章总结与展望 (55)
参考文献 (57)
致谢 (61)
作者简介 (63)
第一章绪论
第一章绪论
本章将首先叙述微波光子变频技术的研究背景与意义；然后介绍国内外微波光子变频技术的研究现状；最后是介绍本文的结构安排。

1.1研究背景与意义
1.1.1传统电子系统发展瓶颈
随着信息社会的不断发展，信息业务迅猛的增长促使高速率和多业务成为当今通信网的发展趋势。

人们对信息速率的要求越来越高，常规低频的无线频谱资源已经分配完毕，要想提高信道带宽，需要使电子系统工作频率向更高的微波甚至毫米波段拓展。

例如现阶段的无线局域网以及移动电话的工作频段为800MHz到6GHz之间，而5G已经开始在9.9GHz到86GHz上展开技术研究[1-2]。

我国的通信卫星目前大多采用C(6/4GHz)、Ku(14/12GHz)频段，未来将进一步发展到Ka(27–40GHz)频段[3-5]。

另外，在往高段频发展的同时，许多电子系统逐渐采用多频段共用的工作方式，来进一步提高系统可用带宽。

因此新一代通信设备面临着高频率、大带宽的巨大挑战。

这些挑战主要来源于传统电子器件的电子瓶颈，随着工作频率的提高，传统的微波系统中会出现信号时间抖动变高，相位噪声恶化的现象。

另外大多基于晶体管的微波器件在大带宽下的幅频和相频曲线波动较大，难以满足新一代电子系统大带宽的要求。

1.1.2微波光子学概述
自1960年发明第一台激光器以来，人们就开始考虑利用激光来进行信息的传输，而到1966年高锟通过深入研究光纤的损耗问题，强调通过光纤进行远距离信息传输的可实现性，光纤通信逐渐得到广泛的关注。

1975年全球首条光纤通讯线路在美国投入使用，光通信应用的大门由此打开[6-9]。

光纤传输由于具有大带宽、抗电磁干扰以及低衰减的特性，从而取得了飞速的发展。

另外随着信息传输速率的不断提高，传统微波技术面临频率受限以及传输损耗过大的问题，因此微波通信与光纤通信的结合开始走进人们的视野，微波光子的概念于1993年被提出来，而新型半导体激光器、高速光电探测器、高速光外调制器以及低噪声光放大器的成功研制则使微波光子学的发展变得尤为迅速。

这个新的交叉学科主要包括：微波毫米波信号的光学生成与光域处理；光载微波毫米波信号的传输；太赫兹信号的产生、传输、处理原理、实现技术及其潜在应用领
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域等[10-13]。

图1.1 简单微波光子链路
上图是一个简单的微波光子链路框图，主要包括：激光器、调制器、光纤、光电探测器以及射频接收机。

首先在发射端由激光器发出连续光信号并输入到调制器，接着将射频信号输入到调制器上对光载波进行调制，最后接收端通过光电探测器接收光信号并输出可被射频接收机接收的射频信号。

相比传统技术来说，微波光子技术在以下方面表现突出：
（1）低损耗。

光信号在光纤中传输的衰减极小，单模光纤每千米的损耗一般为0.2dB，而传统的同轴电缆每百米的损耗就达到几十dB。

因此如果采用光纤作为介质，能够在不进行中继的条件下实现远距离微波信号的传输。

并且能减小系统成本。

（2）大带宽。

单模光纤、掺铒光纤放大器在1550nm波长附近的可用带宽能达到4THz，目前常用的电光调制器以及光电探测器的工作带宽为50GHz，而美国EOSPACE公司定制的电光调制器以及德国FINISAR公司XPDV412xR型号的光电探测器的工作带宽都能达到100GHz。

（3）抗电磁干扰。

携带信息的光载波在光纤中传输，可以避免受到干扰，对外界也没有辐射。

（4）体积小、重量轻。

以普通的GYSTS型号的光缆为例，24芯的光缆外径为12.6mm，重量为173kg/km，和一根同轴电缆大致相当，随着微波光子集成技术的发展，微波光子系统在体积、重量上将更有优势。

得益于上述各个方面的优势，微波光子技术在微波本振生成、本振馈送、滤波、变频、测频、测相等方面得到广泛研究[14-26]。

并且在众多系统中发挥了很大的作用，主要有：
（1）雷达系统
随着未来电磁环境的进一步复杂化，以及威胁目标的日益增多，新一代雷达系统需要实现多功能一体化以及多频段一体化，即雷达系统需要发挥区域探查、对象跟踪以及通讯等作用。

因此高频段、大带宽成为目前雷达系统的迫切需求。

而在传统的雷达系统中，电子瓶颈的限制愈发凸显，这就毫无疑问地限制了系统指标的进一步改善。

近年来新兴的微波光子学，通过光学方法实现微波信号的产生与处理，克服了所谓的
第一章绪论
电子瓶颈，具有高频率、大带宽等优势。

特别是关于信号生成部分，包含优质本振信号以及相位编码信号等。

其中基于DP-DPMZM的八倍频本振生成技术，可以将本振信号直接进行8倍频，而且不会产生额外的相位噪声[27]；基于DPMZM可以产生四倍频的相位编码信号，从而降低本振信号的频率要求[29]。

因此将微波光子技术用于雷达系统可以很好的克服传统技术所面临的性能瓶颈。

如图1.2为一种基于微波光子的分布式雷达系统框图[30]。

图1.2 一种基于微波光子学的分布式雷达系统框图
系统主要包括中心站和远端天线单元，中心站负责雷达波形信号的生成以及接收回波的信号处理，远端天线单元包括发射机和接收机，发射机将中心站传来的光信号进行光电转换后利用天线发射，接收机将探测到的回波信号调制到光载波上并传回中心站。

该结构将雷达信号生成以及回波信号的处理都放在了中心站，远端天线单元无需对高频雷达信号进行任何处理，简化了天线端的结构，同时由于采用了WDM技术，中心站产生不同波长的光载雷达信号，利用波分利用器合为一路传输到远端不同位置的发射机进行发射，同时也将不同接收机的接收信号用波分利用器合为一路后传输到中心站进行分离处理。

这样就利用了光纤传输低损耗、大带宽的优点，增加了雷达系统的探测区域。

另外，借助WDM实现分布式的系统结构，也能进一步提高雷达的识别精度。

（2）光载射频（ROF）系统
ROF技术充分利用了光纤的优点，使得无线射频通信系统性能得到质的飞跃。

低损耗特性使得系统能够无中继地将信号输送到远方并由天线发射。

大带宽的特性使系统容量以及速率都上升了好几个数量级。

体积小、重量轻的特性使得系统的铺设更为简单。

并且系统的抗干扰能力也显而易见地得到提升。

ROF系统通常由中心站（CS）、光纤链路、基站（BS）以及移动端（MS）构成[31]，其系统结构如图1.2所示。

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图1.3 ROF系统结构原理图
CS负责系统无线通信系统的频谱管理、路由以及射频信号的调制等功能。

在下行链路中，CS将射频信号加载到光载波上，然后利用光纤输送到远端的基站；在上行链路中，CS将接收到的光信号进行光电转换并处理。

BS功能比CS简单得多，主要进行光电转换、电光转换以及放大功能，在下行链路中，BS将由CS传输过来的光信号进行光电转换并放大后送到天线进行发射；在上行链路中，BS将天线接收到的无线信号加载到光载波上并经光纤发送到CS端。

在实际通信系统中，一个中心站往往会连接若干个基站，因此ROF通过将复杂的设备都集中在中心站，基站只需进行光电转换以及放大，在有效降低系统成本的同时也有利于资源的合理分配。

（3）侦查对抗系统
在现代侦查系统中，通过瞬时频率测量，可以快速定位敌方单位的信号频段，以采取反制措施。

数字信号处理是现在实现频率测量最常用的手段，而由于电子器件的采样率不高（只有几GHz），因此难以对频率高达数十GHz的雷达信号或卫星信号进行有效采样。

而光域采样则具有大带宽、高速率的优势，可以有效提高频率测量系统的测量范围，因此相当具有研究价值[32]。

其中美国Han Y等学者利用微波光子的方法实验中实现了THz级别的采样速率[33]。

（4）卫星通信
目前的卫星通信主要以微波通信为主，但由于微波通信存在着频段较低、带宽受限以及抗干扰能力弱等问题，难以满足未来天基通信系统高速率、大容量以及强抗干扰能力的要求。

而微波光子链路凭借高速率、大带宽以及重量体积等优势，在将来的宽带卫星通信中具有相当高的应用价值，因此基于微波光子链路的卫星通信技术得到了深入的研究和快速的发展。

卫星微波光子通讯系统的探索有以下几个方面：微波光子本振信号产生及变频技术，微波光子测频技术，微波光子调制解调技术以及星上光信号的发送和传输等[34-35]。

1.1.3微波光子变频技术
微波频率变换（也称混频）是无线通信系统中一项重要的基本功能，通过微波频
第一章绪论
率变换能得到射频（RF）信号以及本振（LO）信号的和频或差频。

主要可实现以下功能：
（1）频率变换。

在无线通信中，不能用天线直接发射低频信号，而是要先将其上变频到射频频段再发射；另外，也不宜直接将天线接收下来的射频信号直接进行信号处理，而是要先将其下变频到中频再处理[36-37]。

（2）鉴相。

在锁相环以及相位控制等系统中，需要利用变频实现鉴相功能。

将待鉴相信号与本振信号进行混频，输出信号的直流分量将随两个输入信号的相位差而变化[38-40]。

（3）频率合成。

在通信系统中，往往需要变频系统将不同频率的信号进行频率合成来得到更高频率的本振信号[41-42]。

在电域进行微波频率变换时，存在系统复杂度高、频率和带宽受限以及易受电磁干扰等问题。

微波光子变频系统继承了微波光子技术大带宽、抗干扰、频率可调揩的特点，并且在对信号进行处理之后还可以进行远距离传输。

相比传统的微波变频系统具有很大的优势。

表1.1是传统电混频器和微波光子混频器的指标对比，其中是混频器的指标来自于美国军用微波器件制造商L-3 Narda-MITEQ 公司生产的超宽带平衡混频器（DB0250LW1），微波光子混频器的指标来自于本论文第四章以及第五章的内容。

若使用110GHz的调制器以及光电探测器，则能将RF、LO以及IF的频率范围提高到110GHz。

表1.1传统电混频器与微波光子混频系统典型指标对比
因此研究微波光子变频技术以及其在电子系统中的应用，对于推动新一代电子系统的发展，具有重要意义。

1.2国内外研究现状
近年来，海内外众多高校以及科研机构对微波光子变频技术进行了研究，并且获得了较大进展。

加拿大渥太华大学、澳大利亚悉尼大学、美国加州大学、清华大学、
北京邮电大学、
成果。

美国人JJ Pan于1990年提出了一种基于直接调制的微波光子变频方案[43]，利用一个激光器同时对RF信号以及LO信号进行调制，然后通过光电探测器得到中频信号。

该方案易于实现、成本低廉，然而由于激光器调制带宽有限，通常不超过15GHz，并且RF信号和LO信号需要在电域进行耦合，这导致RF信号与LO信号之间的隔离度较低（电耦合器端口隔离度一般为25dB左右），另外还存在拍频后杂波较多的问题。

Maury G等人于1997年对JJ Pan的方案进行了改进，利用RF信号和LO信号一同驱动直接调制激光器，接着通过马赫曾德尔干涉仪将频率调制转换为强度调制，最终在PD上拍频得到上变频信号[44]。

相比JJ Pan提出的方案，增加马赫增德尔干涉的好处在于能有效减少杂波，但仍存在调制带宽以及RF信号与LO信号隔离度受限的问题。

Gopalakrishnan等人于1993年采用实现级联强度调制器结构的变频系统[45]。

该方案采用级联强度调制器分别调制RF与LO信号，这样RF和LO信号的隔离度相当于无限大，并且由于采用外调制器，工作带宽也非常大。

该混频结构尤其适合天线拉远系统，远端天线将接收到的RF信号对光载波进行调制，利用光纤输送到中心站后对其进行下变频。

然而该方案存在链路损耗过大以及变频增益较低的缺点。

清华大学Shangyuan Li于2011年提出一个基于级联强度调制器和DPMZM的变频方案。

该方案首先将LO信号加载到强度调制上，进行抑制载波双边带调制，强度调制器的输出连接DPMZM的输入，并将RF信号加载到DPMZM的上子MZM，而下子MZM空载，通过调节DPMZM的三个直流偏置，达到减小交调分量的目的，从而改善了系统的动态范围，但该方案也存在着杂波过多以及变频效率不高等的问题。

J. T. Gallo等人于1998年提出了一种并联方案[46]，RF和LO分别输入到两个并行的外调制器进行调制，接着利用光耦合器对两路光信号进行耦合，最后经过拍频可得到中频信号。

由于链路损耗显著降低，相比级联强度调制器的方案，其变频增益得到明显的提高。

然而因为使用离散器件实现并联结构，两路光的光程差会随外界影响而发生变化，从而在耦合时无法保证相干性，因此需要额外的控制电路。

近几年的研究者对该结构的混频系统进行了跟进研究，随着一些集成的并行结构调制器的出现，如双电极马曾调制器（DEMZM）、双向马曾调制器，双平行马曾调制器（DPMZM）、
第一章绪论
偏振复用调制器等，一些改进方案被陆续提出。

Chan E H W和Minasian R于2012年提出了一种基于DPMZM的变频方案[47]，该方案将RF信号和LO信号分别输入到DPMZM的上下子MZM，接着DPMZM的输出信号经过EDFA得到放大，最后通过拍频输出变频信号。

该方案具有工作带宽大以及变频效率高的优点。

在此基础上，潘时龙等人利用DPMZM的上下子调制器分别实现RF信号以及LO信号的单边带调制，并且通过调整主调制器的直流偏置来抑制光载波，最后经过拍频得到中频信号[48]。

该方案进一步提高了变频效率，同时没有杂波，因此也不必使用滤波器。

高永胜等人则利用DPMZM实现了二次谐波变频方案[49]。

该方案中RF信号在一个子调制器进行常规双边带调制得到载波与 1阶边带，LO信号通过另一个偏置在最大点的子调制器调制，产生载波和二阶边带。

通过调制指数和主调制器偏压，使光载波相互抵消，拍频后实现RF与LO二次谐波的变频。

该方案能有效降低变频系统对本振频率的要求。

2016年暨南大学J. Zhang等人利用DPMZM实现下变频的同时也抑制了镜像干扰。

该方案将RF信号加载到DPMZM上下子MZM的上臂，LO信号加载到上下子MZM的下臂，之后利用一个平衡探测器DPMZM输出的光信号进行拍频。

由于对镜像干扰进行了抑制，采用该方案可以提高系统在下变频过程中的抗干扰能力。

Zhenzhou Tang于2013年提出了一种基于DEMZM的变频方案[50]，该方案将RF 信号和LO信号分别输入到DEMZM的两个射频端口，并通过合理设置直流偏置来实现下变频，该方案具有结构简单、变频效率高以及工作带宽大的优点。

另外高永胜于2016年对该方案进行了改进[51]，该方案将DEMZM放置在Sagnac环中，将RF信号和LO信号分别输入到DEMZM的两个射频端口，通过调节DEMZM的偏置电压来改变光载波的相位，从而改变光纤传输后的频率响应曲线，使工作频点处于功率峰值点，最终避免光纤传输中功率周期性衰落问题。

综上所述，针对于基于微波光子变频技术研究，很多机构都进行了大量的探索，并已经取得了不错的成果。

1.3本论文主要工作内容
本文研究了微波光子变频技术的基本理论，在对目前已提出的方案进行详细的理论分析和软件仿真。

在前人的工作基础上，提出了两种新型的谐波变频方案，即基于Sagnac环的本振二次谐波变频方案以及基于DP-DPMZM的本振四次谐波变频方案，并分别进行了实验以及仿真验证。

具体结构如下：
第一章概括了微波光子变频技术的研究背景与意义，接着叙述微波光子学以及微波光子变频技术的概念与特点，阐明了微波光子技术对比传统电子技术所具有的巨大。