集成介質(zhì)天線的光子微波接收

1、本 科 生 畢 業(yè) 論 文（設(shè)計(jì)）題目集成介質(zhì)天線的光子微波接收姓名與學(xué)號(hào)陳利歡 3049913068指導(dǎo)教師 章獻(xiàn)民 年級(jí)與專業(yè)04電子信息工程所在學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院第一章引言- 3 -背景- 3 -已往的研究- 5 -1.2.1 球狀微腔內(nèi)部的回音壁模式研究- 5 -1.2.2 基于微腔的電光調(diào)制特性 -6- 1.2.3 介質(zhì)諧振器天線- 7 -最新的研究成果- 7 -本文的主要內(nèi)容- 8 -第二章 集成介質(zhì)天線的接收機(jī)設(shè)計(jì) -10-介質(zhì)天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)- 10 -2.2 諧振微腔的設(shè)計(jì)- 11 -2.3 金屬調(diào)制電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)122.4 接收機(jī)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)13第三章介質(zhì)天線的相關(guān)仿真

2、研究143.1 關(guān)于介質(zhì)諧振天線的本征模式143.2 觀察調(diào)制效果的大小21第四章總結(jié)30參考文獻(xiàn)31致謝32摘要ROF(RadioOverFiber)技術(shù)在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中正日益表現(xiàn)出旺盛的生命力，而結(jié)合了基于WGM諧振腔和介質(zhì)天線技術(shù)的光子接收技術(shù)是該領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)重大成果，它完成了信號(hào)的接收與調(diào)制，順利將信號(hào)耦合到光纖鏈路以備后續(xù)的信號(hào)處理工作。本文首先深入掌握了在這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)很成熟的介質(zhì)天線、電光調(diào)制、及鈮酸鋰諧振微腔等理論成果，并把整個(gè)設(shè)計(jì)方案合理地劃分成三大主要部分。用CST電磁仿真軟件完成整個(gè)接收機(jī)的設(shè)計(jì)，并察看諧振天線的本征振蕩模式、金屬電極上的調(diào)制電場及改變各部分的結(jié)構(gòu)與尺寸

3、實(shí)現(xiàn)最佳的接收機(jī)性能。我們?cè)O(shè)置了一系列的觀測曲線，尤其是將實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為考察調(diào)制效果的重要依據(jù)，利用設(shè)計(jì)軟件的強(qiáng)大的計(jì)算仿真功能，以圖表和集成介質(zhì)天線的光子微波接收機(jī)方案。關(guān)鍵詞：ROFWGM諧振腔 介質(zhì)天線 CST 電光調(diào)制AbstractROF (Radio Over Fiber) is showing an exuberant vitality gradually in modern wireless communication system. The photonic reception technology which combines the WGMresonance-antrum

4、and dielectricantenna 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 mature achievement in this field such as the dielectricantenna, optica

5、l-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 intrinsicalmode of the dielectric antenna, the modulation electrical field on the metal and the r

6、eceivers 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 effect. We also make use of the powerful simulating function of the software

7、 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 3.5 GHZ. Keywords:ROF WGM-resonance-antrum dielectric-antenna CSToptical

8、- electric modulation第一章 引言基于集成介質(zhì)天線的光子微波接收機(jī)在ROF(RadioOverFiber)技術(shù)的無線通信系統(tǒng)中扮演了核心角色，由于其體積小，結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便，無電消耗等優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)代無線通信技術(shù)的發(fā)展中正煥發(fā)出越來越強(qiáng)的生命力。1.1背景 ROF技術(shù)的基本概念ROF技術(shù)就是指利用光纖代替大氣作為一種傳輸媒質(zhì)來傳輸信號(hào)(如:基帶、中頻或射頻信號(hào))的一種傳輸技術(shù)。其系統(tǒng)框圖如圖1-1所示。圖中示意出：多個(gè)基站(BS)通過光纖與中心節(jié)點(diǎn)(CO)相連接。光纖僅僅起傳輸作用，交換、控制和信號(hào)的再生等都集中在中心節(jié)點(diǎn)。圖ROF的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)于下行信號(hào)傳輸而言，首先在中心節(jié)點(diǎn)

9、(CO)處利用光器件和全光技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制和光電變換，然后將變換后的光信號(hào)通過光纖傳輸?shù)竭h(yuǎn)端基站，最后在遠(yuǎn)端基站通過光電探測和解調(diào)技術(shù)得到所要傳送的信號(hào)，并通過天線發(fā)送出去。對(duì)于上行信號(hào)傳輸而言，首先將天線接收到的信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和相應(yīng)的頻率下變換，然后經(jīng)過光纖傳輸?shù)街行墓?jié)點(diǎn)(C0)，最后通過光電檢測和所需的頻率下變換得到基帶信號(hào)。本文中研究的是ROF技術(shù)中的核心部分，也即基于集成介質(zhì)天線的光子微波接收機(jī)，其整體的框圖如圖1-2所示【1】：圖1.2 集成介質(zhì)天線的光子微波接收機(jī)圖中的光電介質(zhì)天線捕捉到來自于自由空間的射頻信號(hào)，而內(nèi)置的光纖鏈路則可以有效地保證電子線路與空氣接口的電隔離，進(jìn)而保

10、證整個(gè)系統(tǒng)的接收性能。 ROF技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)【2】l)低損耗：該技術(shù)采用光纖作為傳輸媒質(zhì)來傳輸毫米波信號(hào)。且由于光纖具有低損耗的特性，所以信號(hào)只需較小的傳送功率就可以在光纖中傳輸較遠(yuǎn)的距離，這樣大大減少了整個(gè)系統(tǒng)的功率消耗，降低了整個(gè)系統(tǒng)的成本。2)高帶寬：光纖有很高的帶寬，不考慮遠(yuǎn)距離傳輸損耗時(shí)，850nm、310nm、155onm這三個(gè)低損耗窗口的總帶寬超過50THz。3)不受無線頻率的干擾：由于微波信號(hào)是以光的形式通過光纖系統(tǒng)傳播，所以不受無線頻率的干擾。4)便于安裝和維護(hù)：在ROF系統(tǒng)中，昂貴復(fù)雜的設(shè)備都集中在中心站點(diǎn)，基站結(jié)構(gòu)設(shè)備都十分簡單。5)降低功率的消耗6)操作更具靈活性 ：ROF

11、分布式系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的格式具有透明性，可以按照需求傳輸各種調(diào)制格式的信號(hào)。1.2已往的研究球狀微腔內(nèi)部的回音壁模式研究實(shí)現(xiàn)微波射頻信號(hào)到光信號(hào)的轉(zhuǎn)換的核心器件是一個(gè)高Q值的碟狀電光調(diào)制器，該電光調(diào)制器采用高光電系數(shù)的鈮酸鋰材料制作而成，利用微波環(huán)狀諧振器的電場響應(yīng)特性和微腔諧振的回音壁模式理論，使其達(dá)到同時(shí)諧振的目的，從而實(shí)現(xiàn)微波的高分辨率轉(zhuǎn)換【3】?；匾舯谀hispering Gallery Mode是電磁場在柱狀或球狀諧振腔中振蕩形成的模式場，因其Q值高，模場區(qū)域集中等其他特性而受到重視，應(yīng)用范圍涵蓋了從基礎(chǔ)物理到光通信的一個(gè)廣闊領(lǐng)域。其中基于WGM諧振腔和微帶天線技術(shù)的光子接收技術(shù)是該領(lǐng)域

12、內(nèi)的一個(gè)重大成果。應(yīng)用在實(shí)踐中的球狀諧振腔幾何構(gòu)造如圖1-3所示：圖1-3 圓盤狀的鈮酸鋰微腔回音壁模式下的光波傳播可以這樣來理解：光波在微球的內(nèi)表面上不斷進(jìn)行全反射，從而被約束在球內(nèi)并沿著球的大圓繞行，同時(shí)為了使繞行中光波不斷疊加得到增強(qiáng)，光波繞行一周后應(yīng)滿足一定的相位匹配條件。鈮酸鋰微腔是一種比較好的微諧振腔，它利用光在不同折射率材料之間的曲面邊界上的內(nèi)全反射，使符合某些模式方程的特定波長的光可以在微盤內(nèi)繞著微盤循環(huán)傳播，而不會(huì)從微盤內(nèi)出射到周圍低折射率的介質(zhì)中去，這些模式即為“回音壁模式”。在這種情況下，由于曲面邊界能夠很好地把光波限制在微盤內(nèi)的增益區(qū)域中傳播，而無太多能量損失從而“回音

13、壁模式”有著很高的Q值。實(shí)踐上曾有人在液態(tài)小球中得到了Q=105的回音壁模式5?；谖⑶坏碾姽庹{(diào)制特性當(dāng)光載波經(jīng)過棱鏡耦合到腔內(nèi)，可在腔體中激勵(lì)起回音壁模式，并受到金屬電極的電場調(diào)制，如圖1-4所示：圖1-4 光載波經(jīng)棱鏡耦合進(jìn)入腔體電光調(diào)制的原理是電光效應(yīng),是由外加電場引起媒質(zhì)折射率的變化而產(chǎn)生的雙折射現(xiàn)象,電光效應(yīng)最重要的是線性電光效應(yīng)。6諧振腔材料采用，它是一種各向異性的單軸晶體，在無外界電場時(shí)，電場矢量E沿z軸方向諧振的光的折射率為，E沿X，Y軸方向諧振的光的折射率為。在外界電場作用下，三個(gè)方向的主折射率將隨著電場變化而發(fā)生改變，其中X，Y方向的折射率為常量，在外加Z方向的電場的情況下

14、，只需用到Z方向的主折射率隨電場變化的關(guān)系來分析光相位隨射頻電場的變化：即 。最終可以實(shí)現(xiàn)對(duì)載波的相位調(diào)制：如果入射光強(qiáng)為，外加電場為 =，那么窄帶調(diào)相時(shí)的出射光線為，其中是折射率和電場強(qiáng)度的函數(shù)7。介質(zhì)諧振器天線介質(zhì)諧振器（DR）一般由低損耗(tan=以下)、高介電常數(shù)(20100)的材料做成，經(jīng)常用于屏蔽微波電路中，如濾波器、振蕩器等。在這些介質(zhì)諧振器中能得到很高的無載Q值。假如介質(zhì)諧振器放在自由空間中，則其最低階模（主模）的Q值大大減小，因?yàn)槠涔β试诳臻g中輻射了，因此可作為天線。,在選擇適當(dāng)形狀、介電常數(shù)以及饋電方式的情況下,介質(zhì)諧振器可以作為天線來使用。這里有必要區(qū)分介質(zhì)諧振天線與金屬

15、空腔諧振器的區(qū)別：對(duì)于金屬腔體諧振器,由于理想電壁的存在,不向外輻射能量;而處于自由空間中的介質(zhì)諧振器,當(dāng)工作于輻射模式時(shí),可以向外輻射電磁波,因而可以作為天線單元來使用。我們的設(shè)計(jì)方案中，介質(zhì)諧振器作為接收天線來使用其原理與發(fā)射天線大致相同。明確了這樣的區(qū)別與聯(lián)系后我們就可以在設(shè)計(jì)天線時(shí)對(duì)于邊界條件的設(shè)置時(shí)有較清晰的理解和把握，而這樣的把握在仿真的過程中顯然是非常的必要。介質(zhì)天線的特點(diǎn)如下：首先它是一種三維結(jié)構(gòu)，其尺寸大小可以隨設(shè)計(jì)方式的改變而改變進(jìn)而其諧振頻率也可以相應(yīng)地發(fā)生變化，這點(diǎn)給設(shè)計(jì)人員提供了較大的便利性。其次介質(zhì)天線的尺寸較小，尺寸因子為1/，由于往往較大所以可以使得天線的尺寸較

16、小。再次，天線的電場主要集中在介質(zhì)天線的內(nèi)部，受外界的影響較小。最后，天線的激勵(lì)方式簡單，比如微帶饋線是常用的形式，饋源考慮簡單而靈活易行。1.3最新的研究成果介質(zhì)天線與電光調(diào)制器的集成現(xiàn)在已經(jīng)投入實(shí)際應(yīng)用的天線與電光調(diào)制器的集成裝置如圖1-5所示。圖1-5 集成介質(zhì)天線的接收機(jī)裝置Bridges等人設(shè)計(jì)的天線耦合的電光調(diào)制器則是直接將調(diào)制器的金屬電極改造成了接收天線。這一點(diǎn)也可以運(yùn)用到基于微腔的電光調(diào)制器上，充分利用調(diào)制器的電極來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的接收這一點(diǎn)對(duì)于減少尺寸有多么大的意義！在圖1-5給出的實(shí)際模型中將電光調(diào)制器集成在介質(zhì)天線內(nèi)，以減小尺寸，同時(shí)增加耦合效率。在這種方案中，我們?nèi)∠嗽瓉淼?/p>

17、介質(zhì)基板，直接利用微波介質(zhì)諧振器充當(dāng)介質(zhì)基板的角色。此時(shí)微腔完全鑲嵌在微波介質(zhì)諧振腔中，而微腔上的金屬電極則直接延伸到了介質(zhì)諧振腔材料上。盡管耦合的效率會(huì)有所下降，卻獲得了簡單小巧的結(jié)構(gòu)，方便集成攜帶。 金屬電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)金屬電極上諧振的場其場強(qiáng)沿線滿足相應(yīng)的分布，即電場強(qiáng)度是的函數(shù)。衡量調(diào)制效果的大小可以轉(zhuǎn)化為考察值的大小,這應(yīng)該包含兩方面的內(nèi)容：一方面需要的電場幅度值大，另一方面電場值的符號(hào)在整個(gè)積分區(qū)間保持同向，滿足這兩點(diǎn)后整個(gè)積分結(jié)果就大。1.4本文的主要內(nèi)容本文在了解光子微波接收的國內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài)和最新進(jìn)展基礎(chǔ)上重點(diǎn)綜合研究了介質(zhì)天線及相關(guān)的電光調(diào)制效應(yīng)的原理，給出以光子為載波的接收機(jī)

18、方案，在方案的設(shè)計(jì)中綜合考慮了多種指標(biāo)，應(yīng)用了各種已有的較為成熟的理論結(jié)果，朝性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的方向努力。在實(shí)驗(yàn)的仿真中應(yīng)用了CST軟件強(qiáng)大的空間電磁理論計(jì)算功能，給出了多種形式的結(jié)果。在認(rèn)真研究這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)之上改進(jìn)設(shè)計(jì)指標(biāo)，包括各部分的空間位置、各部分的尺寸、各部分的結(jié)構(gòu)等。比較各種結(jié)果，發(fā)現(xiàn)各參量間內(nèi)在的聯(lián)系對(duì)于加深電磁理論的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)自己的觀察分析問題的能力大有裨益。尤其是整個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中對(duì)微波器件的設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)置性能仿真都利用了CST軟件。對(duì)于自己實(shí)驗(yàn)技能的提高和快速學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)也有很大的意義。第二章 集成介質(zhì)天線的接收機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在整個(gè)設(shè)計(jì)伊始，我們首先要定義好設(shè)計(jì)方

19、案的單位units如下，Dimensions：mm; Frequency :GHz ;Time:S。定義好背景材料及觀察仿真的頻率范圍。然后開始繪制各部分的結(jié)構(gòu)圖。我們把整個(gè)接收機(jī)分成三大部分，分別是介質(zhì)天線，諧振微腔，調(diào)制金屬電極，下面開始他們的設(shè)計(jì)。2.1介質(zhì)天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)天線的結(jié)構(gòu)直接影響到其遠(yuǎn)端的輻射方向圖及相應(yīng)的接收性能?？紤]到工程實(shí)際及結(jié)構(gòu)的方便性，文中采用的結(jié)構(gòu)為圓柱形，這種形狀的研究最多，而且設(shè)計(jì)方便，其相關(guān)的品質(zhì)因素及諧振頻率等方面的研究有較成熟的理論基礎(chǔ)可以采用。選用圓柱天線的優(yōu)點(diǎn)是加工簡單且饋電形式多樣,是研究和應(yīng)用的主流。但也有其固有的缺點(diǎn)尺寸較小，對(duì)加工工藝要求高。一

20、旦成型就不容易調(diào)諧,材料介電常數(shù)相對(duì)較高因此價(jià)格較為昂貴等。介質(zhì)材料選用normal 其中的參數(shù)：，給該層定義名稱DRA。該部分圓柱結(jié)構(gòu)的具體尺寸見下文的表a所示，在表2.1中集中地標(biāo)示出各部分具體尺寸。Inner radius : 0X center : 0Y center : 0Z-min : -8Z-max: 8 表 介質(zhì)天線圓柱結(jié)構(gòu)尺寸文中介質(zhì)天線的激勵(lì)方式為自由空間中的電磁場激勵(lì)，以此模擬來自空間中的射頻微波信號(hào)。Plane Wave的具體參數(shù)設(shè)置及三維視圖如圖2.1所示：圖2.1 采用自由空間電磁波激勵(lì)我們的目的正是希望介質(zhì)天線的內(nèi)部可以激勵(lì)起穩(wěn)定的場分布，而場分布中特定點(diǎn)的幅值變

21、化攜帶了信號(hào)相位的相應(yīng)信息，以此順利實(shí)現(xiàn)介質(zhì)天線接收到微波信號(hào)。2.2 諧振微腔的設(shè)計(jì)文中采用的結(jié)構(gòu)即為常見的圓盤狀的結(jié)構(gòu)，這種方案可以取得很高的諧振效果，如前述的圖1-3。設(shè)計(jì)中為取得較好的效果，實(shí)際采用的結(jié)構(gòu)中間部分是空心的，這是經(jīng)過試驗(yàn)中不斷地改進(jìn)得到的，對(duì)于半徑的選取尤其是內(nèi)半徑經(jīng)過了參數(shù)的掃描定義了parameters in-radius,然后參數(shù)掃描求解最佳效果的內(nèi)半徑數(shù)值：Par Sweep。當(dāng)然這些是在其他尺寸保持不變的情況下而言的。介質(zhì)材料選用normal ，其他的參數(shù)為：，給該層定義名稱NSL（取鈮酸鋰中文拼音的前三字母）bb中集中地標(biāo)示出了各部分具體尺寸。Inner ra

22、dius :in-radiusX center : 0Y center : 0Z-min : 8Z-max: 12表2.1b 鈮酸鋰微腔的尺寸2.3 金屬調(diào)制電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)文中采用的電極結(jié)構(gòu)為圓環(huán)形，介質(zhì)天線中的場耦合到電極上形成穩(wěn)定的場分布，這種場分布就包含了射頻信號(hào)的相關(guān)相位信息，以此去調(diào)制沿著鈮酸鋰微腔壁環(huán)形行進(jìn)的光載波，調(diào)制信號(hào)再經(jīng)棱鏡耦合出諧振微腔，并進(jìn)入到光纖鏈路進(jìn)而傳至接收端。金屬電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于調(diào)制效果的影響很大，在多種研究文獻(xiàn)中提到了調(diào)制電極與介質(zhì)天線的耦合及電極的結(jié)構(gòu)問題，對(duì)于集成介質(zhì)天線的光子微波接收裝備，保持形態(tài)上的美觀，材料的節(jié)省，方便加工和改進(jìn)也是必不可少的考慮因

23、素。文中采用的結(jié)構(gòu)究其本質(zhì)而言也是應(yīng)用了微帶諧振器的原理，如圖2-2所示。圖2.2 微波微帶線它是由介質(zhì)基片一邊的導(dǎo)體帶和基片另一邊的接地板所構(gòu)成，導(dǎo)體帶用印刷技術(shù)敷在介質(zhì)基片上，常用金、銀、銅等良導(dǎo)體做成，接地板是銅板或者鋁板。當(dāng)通入微波信號(hào)后，會(huì)在微帶和接地板之間形成電場。構(gòu)建環(huán)形微帶諧振器以實(shí)現(xiàn)同時(shí)諧振，傳送信號(hào)只需滿足一定的相位疊加原則即可。文中采用的方案即為完純的金屬電極以鈮酸鋰微腔為基片，以此去直接調(diào)制微腔中環(huán)繞的光載波，利用了同時(shí)諧振的原理。選用的尺寸數(shù)據(jù)如表所示：Inner radius : 9X center : 0Y center : 0Z-min : 12Z-表c金屬調(diào)制

24、電極的尺寸2.4 接收機(jī)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)綜合2.1-2.3各章，我們得到了設(shè)計(jì)的初步模型如下：圖集成介質(zhì)天線的微波光子接收機(jī)初步模型為了順利地展開后續(xù)的分析工作，我們還要定義一些常見的單位，定義仿真時(shí)察看的相關(guān)變量并以此作為衡量設(shè)計(jì)性能的依據(jù)，為了最終查看在金屬電極上的場強(qiáng)分布，我定義了在電極上呈圓環(huán)分布的曲線，這些曲線的半徑呈等差數(shù)列排列，在下圖中觀察曲線以藍(lán)色曲線標(biāo)記。定義的過程中要先選定金屬電極平面，然后確定好與電極面對(duì)應(yīng)的local coordinate system 通過它在其上繪制出環(huán)形的曲線。結(jié)構(gòu)如：圖集成介質(zhì)天線的接收機(jī)模型定義了觀測曲線第三章 介質(zhì)天線的相關(guān)仿真研究3.1 關(guān)于

25、介質(zhì)諧振天線的本征模式對(duì)于設(shè)計(jì)介質(zhì)諧振天線，我們是想將它應(yīng)用在實(shí)踐中的，即對(duì)于各種尺寸的天線能夠迅速地求解其本征模的頻率，對(duì)于模型中建構(gòu)的方案發(fā)現(xiàn)它的主模式對(duì)于實(shí)際應(yīng)用而言是非常具有現(xiàn)實(shí)意義的。按照文獻(xiàn)Dielectric Resonator AntennasA Review and General Design Relations forResonant Frequency and Bandwidth 給出的本征頻率求解公式：對(duì)于模：由此可得到對(duì)于模：由此可得到。可計(jì)算得到理論上的模本征頻率，計(jì)算算式如下：但是實(shí)際仿真過程中得到的較為理想的諧振模式如圖3.1.a和3.1.b所示：圖3.1.a

26、 理想諧振模式剖面圖（平行YOZ平面切割）圖3.1.b 理想諧振模式剖面圖（平行XOZ平面切割）該諧振模式的中心頻率為=3.5GHZ，如果在介質(zhì)天線底部定義一條圓環(huán)狀的觀測路徑，事實(shí)上這條觀測曲線在介質(zhì)天線的內(nèi)部，并以此觀察沿線的各種場強(qiáng)量的分布，所得到的各條曲線如：（由于定義的曲線中心為在X-center :0,Y-center : 0,曲線的半徑為 故其周長為 下面即標(biāo)示出電場量沿曲線的分布，分為幅值、相位及實(shí)部、虛部等）。圖3.2.a沿線電場幅值分布圖3.2.b沿線電場相位分布圖3.2.c沿線電場分量實(shí)部分布圖3.2.d沿線電場分量虛部分布由電場量幅值較好的滿足正弦分布，與文獻(xiàn)All-d

27、ielectric photonic-assisted radio front-end technology給出的結(jié)果基本上是符合的7。但在實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于理論計(jì)算得到的諧振頻率=2.68GHZ附近，介質(zhì)天線內(nèi)部并未建立起穩(wěn)定的模式場的振蕩，在該頻率處實(shí)際的場分布情況如圖3.3所示: 圖3.3理論計(jì)算頻率處的電場分布示意當(dāng)用Eigen-mode Solver 計(jì)算時(shí)見圖3.4，圖3.4 用CST計(jì)算本征模式需要指出的一點(diǎn)就是在我個(gè)人的PC機(jī)上作該類的仿真時(shí)耗費(fèi)了較長的時(shí)間，以計(jì)算兩個(gè)本征模式為例共計(jì)花40分鐘。解得的其中Mode2 本征模為：圖3.5.a 其中一個(gè)本征模式示意計(jì)算得到的兩種本征模式

28、下的各場量沿線的分布情況如下圖3.5.b 兩個(gè)本征模式幅值對(duì)照在腔體內(nèi)所激勵(lì)起的并非理想的諧振模式，在天線的頂端底端的場量并非峰值，而且鈮酸鋰晶體內(nèi)部顯示的場量相位相反，使調(diào)制效果大大受到影響，甚至發(fā)生調(diào)制效果的相互抵消。該模式的中心頻率為2.47504GHZ與理論值也有較大的差異。3.2 觀察調(diào)制效果的大小前面已經(jīng)提到過如何衡量調(diào)制效果：對(duì)于金屬電極上的諧振場量的分布，我們只需考察積分值，詳細(xì)內(nèi)容見節(jié)的陳述。在設(shè)計(jì)的進(jìn)程中，我們已經(jīng)定義了金屬電極平面上的三條觀測曲線，這三條觀測曲線的半徑恰好成等差數(shù)列排列，見表3.1，且其中的曲線1、3均在電極的邊緣處。曲線名半徑量Curve 111 mmC

29、urve 210 mmCurve 39 mm表3.1 三條觀測曲線的半徑通過Evaluate fields on all curves 這一功能，我們得到在這些觀測曲線上的幅值信息如下3.6.a-3.6.c所示：圖3.6.a 沿曲線一電場量幅值分布圖3.6.b 沿曲線二電場量幅值分布圖3. 沿曲線三的電場量幅值分布由此可以觀察到的一點(diǎn)就是在金屬電極邊緣處曲線1、3的電場量幅度值不夠穩(wěn)定，這可以認(rèn)為在邊緣處建立的電磁場容易受多種因素的影響而不夠穩(wěn)定。而相對(duì)應(yīng)的在金屬電極中心的曲線二上的電場分布比較穩(wěn)定，在諧振微腔內(nèi)行進(jìn)的光載波其軌跡實(shí)際上應(yīng)該和觀測曲線是一致的，那么我們可以通過計(jì)算幅值曲線與觀測

30、圓周所圍的面積來比較各條曲線的相應(yīng)調(diào)制效果。對(duì)于curve2的觀察線路見圖3.7：圖3.7 沿曲線二的觀察線路在處，電場量的實(shí)部和虛部值分別如下圖.b所示：圖3.8a 沿曲線二的電場量實(shí)部分布圖3.8.b 沿曲線二的電場量虛部分部結(jié)合圖3.b可見電場沿線未出現(xiàn)負(fù)值，說明在整個(gè)調(diào)制過程中都是正向調(diào)制，未發(fā)生調(diào)制效果的相互抵消，這是我們?cè)敢饪吹降慕Y(jié)果。3.3 觀察尺寸變化的影響 各部分的尺寸變化對(duì)于模式場的建立，對(duì)于諧振場的建立均有顯著的影響，在這里我們先假定介質(zhì)天線的尺寸保持不變，這點(diǎn)是很重要的。考察鈮酸鋰微腔的尺寸和金屬電極的尺寸變化對(duì)接收機(jī)效果的影響，接收機(jī)效果包括介質(zhì)天線內(nèi)部的場強(qiáng)模式、金

31、屬電極上的場分布，中心頻率，品質(zhì)因素等量。 鈮酸鋰內(nèi)半徑的影響這里先保持外半徑不變，由于設(shè)計(jì)方案中外半徑和介質(zhì)天線的外徑是一樣的，從而可以減少計(jì)算的復(fù)雜量。內(nèi)半徑時(shí)的振蕩模式圖前面已經(jīng)述及。內(nèi)半徑數(shù)值為in-radius=時(shí)，介質(zhì)天線內(nèi)部的場振蕩模式如下圖3.9：圖3.9 內(nèi)半徑時(shí)的諧振模式在inradius=9mm 時(shí)的諧振模式中，介質(zhì)天線的底部電場量不夠理想數(shù)值很小，說明鈮酸鋰晶體的內(nèi)半徑對(duì)介質(zhì)天線的內(nèi)部諧振場強(qiáng)的建立有較大的影響，具體結(jié)果可以歸納為：隨著內(nèi)半徑的增加諧振模式的建立就越可靠，但是這與鈮酸鋰晶體微腔的尺寸是一對(duì)矛盾。3.3.2 金屬電極內(nèi)半徑的影響金屬電極的半徑對(duì)于調(diào)制的結(jié)果

32、有較大影響。在中心頻率f=3.5GHz 處，得到的金屬電極上的電場量分布如圖3.10：圖3.10 金屬電極上的諧振電場此時(shí)電極的內(nèi)半徑為9mm,外半徑為,電極上的電場量較好地滿足正弦情況分布，且幅值對(duì)稱情況很好。將電極的內(nèi)半徑減小到7mm，得到的電場量分布情況如下圖3.11：圖3.11 金屬電極上的諧振電場對(duì)應(yīng)內(nèi)徑7mm在仿真過程中的各個(gè)頻率點(diǎn)設(shè)置Voltage monitor ,可得到觀測曲線上的電壓信息如下圖3.12.a-3.12.b所示: 圖3.12.a 金屬電極上的諧振電場幅值圖3.12.b 金屬電極上的諧振電場相位第四章 總結(jié)參考文獻(xiàn)1A.YarivandP.Yeh，OPTICALW

33、A 5INCYRSTALS:ProPagationnad Control Of Laser Radiation，hn Wiley&Sons，Ine.1984.2Brent E.Little，J.P.Laine，Henan A.Haus，Analytie Theory of CouPling from Tpaered Fibersnad Half Bloeksinto Mieros Phere Resonators，IEEE.J.Lightwave Teehnology17(1999)，704一715.3白嬌.ROF系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)研究.北京：北京郵電大學(xué)電信學(xué)院4于曉樂.倪大寧.張福順.介質(zhì)諧振器天線的研究進(jìn)展.西安電子科技大學(xué)天線與微波技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.西安7100715Mani Hossein-Zadeh. Electro-optic microdisk RF receiver，4thphotonic seminar university of southern Califonia,August 20th,2004:6朱新劍.電光調(diào)制的物理機(jī)制.甘肅酒泉鋼鐵集團(tuán)公司職工大學(xué).甘肅嘉峪關(guān)735107李嵩.ROF系統(tǒng)中的光子微波接收關(guān)鍵技術(shù)研究.浙江:浙江大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院8All-dielectric photoni