微波光子晶体仿真设计

微波光子学及其链路研究进展与应用综述

微波光子学及其链路研究进展与应用综述 Document number：WTWYT-WYWY-BTGTT-YTTYU-2018GT

微波光子学及其链路研究进展与应用综述 摘要：微波光子学以光子技术为工具，生成、处理、传输微波/毫米波信号，注重微波与光子在概念、器件和系统方面的结合。微波光子学典型研究包括了微波信号的光产生、处理和转换，微波信号在光链路中的分配和传输等。微波光子链路技术与传统电子技术相比则具有非常明显的优势：重量轻，易于铺设，抗电磁干扰，低损耗，高带宽等。本文通过对微波光子链路领域相关文献的阅读与学习，对该领域的研究进展和技术应用进行简要综述。 关键词：微波光子学；微波光子链路；系统应用 引言 微波光子学(MicrowavePhotonics,MWP)作为微波与光子技术结合的一种新兴学科，发展迅速。在过去30年中，微波光子学在理论、器件、关键技术和系统应用层面都取得了进步与发展，某些应用甚至已经实现了实用化。在船舰、机载、卫星、雷达系统、无线通信等或民用或军用领域的复杂多元化电磁环境中，微波光子信息处理技术的地位日益凸显，有着广阔的应用前景。 微波光子链路（MicrowavePhotonicLink,MPL）也得益于微波光子学快速的发展与进步而受到广泛地关注与研究。光生毫米波技术、光纤无线电（ROF）技术、光控相控阵技术等作为微波光子学技术的分支，近年来已成为国内外研究热点。微波光子链路作为这些技术的重要组成部分，优势明显，在电子战、雷达、遥感探测、无线通信等领域得到广泛应用。 一、微波光子学及微波光子链路的研究进展与研究现状 微波光子学及其链路背景 光波分复用技术及掺铒光纤放大器（EDFA）出现后，光通信得到迅速发展。无线通信容量需求也不断发展增加，应用于光纤系统中光发射和接收中的微波技术也在迅速发展。传统的微波传输介质在长距离传输时具有很大损耗，但光纤系统具有低损耗、高带宽特性，对于微波传输和处理相当具有吸引力。

微波技术与天线课后题答案

1-1 解： f=9375MHz, / 3.2,/ 3.1251c f cm l λλ===> 此传输线为长线 1-2解： f=150kHz, 4/2000,/0.5101c f m l λλ-===?<< 此传输线为短线 1-3答： 当频率很高，传输线的长度与所传电磁波的波长相当时，低频时忽略 的各种现象与效应，通过沿导体线分布在每一点的损耗电阻，电感，电容和漏电导表现出来，影响传输线上每一点的电磁波传播，故称其 为分布参数。用1111,,,R L C G 表示，分别称其为传输线单位长度的分布电阻，分布电感，分布电容和分布电导。 1-4 解： 特性阻抗 050Z ====Ω f=50Hz X 1=ωL 1=2π×50×16.65×10-9Ω/cm=5.23×10-6Ω/cm B 1=ω C 1=2π×50×0.666×10×10-12=2.09×10-9S/cm 1-5 解： ∵ ()22j z j z i r U z U e U e ββ''-'=+ ()()220 1 j z j z i r I z U e U e Z ββ''-'= - 将 22233 20,2,42 i r U V U V z πβλπλ'===?= 代入 3 32 2 3 4 20220218j j z U e e j j j V ππλ-'==+=-+=- ()34 1 2020.11200 z I j j j A λ'== --=- ()()()34 ,18cos 2j t e z u z t R U z e t V ωλπω'=??''??==- ????? ()()()34,0.11cos 2j t e z i z t R I z e t A ωλπω'=??''??==- ????? 1-6 解： ∵Z L =Z 0 ∴()()220j z i r U z U e U β''== ()()()2123 2 1 100j j z z U z e U z e πβ' ' -''== ()() ()() 6 1 1100,100cos 6j U z e V u z t t V ππω'=? ?=+ ?? ?

微波技术与天线复习知识要点

《微波技术与天线》复习知识要点 绪论 微波的定义： 微波是电磁波谱介于超短波与红外线之间的波段，它属于无线电波中波长最短的波段。 微波的频率范围：300MHz~3000GHz ,其对应波长范围是1m~ 0.1mm 微波的特点（要结合实际应用）： 似光性，频率高（频带宽），穿透性（卫星通信），量子特性（微波波谱的分析） 第一章均匀传输线理论 均匀无耗传输线的输入阻抗（2个特性） 定义： 传输线上任意一点z处的输入电压和输入电流之比称为传输线的输入阻抗注： 均匀无耗传输线上任意一点的输入阻抗与观察点的位置、传输线的特性阻抗、终端负载阻抗、工作频率有关。 两个特性： 1、λ／2重复性： 无耗传输线上任意相距λ／2处的阻抗相同Z in(z)=Z in(z+λ／2)

2、λ／4变换性:Zin(z)-Z in(z+λ／4)=Z 02 证明题： (作业题) 均匀无耗传输线的三种传输状态（要会判断）参数 |Γ|ρZ 1行波01 匹配驻波1∞ 短路、开路、纯 电抗行驻波 0＜|Γ|＜1 1＜ρ＜∞ 任意负载 能量电磁能量全部 被负载吸收电磁能量在原 地震荡 1.行波状态： 无反射的传输状态 匹配负载：

负载阻抗等于传输线的特性阻抗 沿线电压和电流振幅不变 电压和电流在任意点上同相 2.纯驻波状态： 全反射状态 负载阻抗分为短路、开路、纯电抗状态 3.行驻波状态： 传输线上任意点输入阻抗为复数 传输线的三类匹配状态（知道概念） 负载阻抗匹配： 是负载阻抗等于传输线的特性阻抗的情形，此时只有从信源到负载的入射波，而无反射波。源阻抗匹配： 电源的内阻等于传输线的特性阻抗时，电源和传输线是匹配的，这种电源称之为匹配电源。此时，信号源端无反射。 共轭阻抗匹配： 对于不匹配电源，当负载阻抗折合到电源参考面上的输入阻抗为电源内阻抗的共轭值时，即当Z in=Z g﹡时，负载能得到最大功率值。 共轭匹配的目的就是使负载得到最大功率。 传输线的阻抗匹配（λ／4阻抗变换）(P15和P17) 阻抗圆图的应用（*与实验结合）

《微波技术与天线》实验指导书

微波技术与天线实验指导书 南京工业大学信息科学与工程学院 通信工程系

目录 实验一微波测量系统的熟悉和调整.................. - 2 -实验二电压驻波比的测量......................... - 9 -实验三微波阻抗的测量与匹配 .................... - 12 -实验四二端口微波网络阻抗参数的测量 ............. - 17 -

实验一 微波测量系统的熟悉和调整 一、实验目的 1. 熟悉波导测量线的使用方法； 2. 掌握校准晶体检波特性的方法； 3. 观测矩形波导终端的三种状态（短路、接任意负载、匹配）时，TE 10波的电场分量沿轴向方向上的分布。 二、实验原理 1. 传输线的三种状态 对于波导系统，电场基本解为ift rm ift r e E e a b r V E --== ) /ln(0 (1) 当终端接短路负载时，导行波在终端全部被反射――纯驻波状态。 ift y ift y y e x a E e x a E E )sin( )sin( 00π π -=- 在x=a/2处 z E e e E E y ift ift y y βsin 2)(00-=+=+- 其模值为：z E E y y βsin 20= 最大值和最小值为： 2min 0max ==r r r E E E (2) 终端接任意负载时，导行波在终端部分被反射――行驻波状态。 ift y ift y y e x a E e x a E E )sin( )sin( ' 00π π +=- 在x=a/2处 z E e E E e E e E e E e E e E e E E y ift y y fit y fit y fit y ift y fit y fit y y βcos 2)()()('0 ' 0'0 '0'00'00+-=++-=+=----- 由此可见，行驻波由一行波与一驻波合成而得。其模值为：

微波光子信号处理技术

I 光纤布拉格光栅FBG 1、光纤布拉格光栅简述 光纤Bragg 光栅是掺锗单模石英光纤经紫外光照射成栅技术形成的全新光纤型光栅，其结构如图1-1所示。成栅后的光纤纤芯折射率呈现周期性分布条纹并产生Bragg 光栅效应。这种光栅的基本光学特性就是以共振波长为中心的窄带光学滤波器，像镜子一样工作，它只反射Bragg 中心波长B λ的光，而对所有其 它的波长进行传输 。图1-2用输入光波的反射谱和透射谱很直观地说明了这个问题。布拉格波长为 2B eff B n λ=Λ （1-1） 其中eff n 为有效折射率，B Λ为光栅的布拉格周期。 图1-1 光纤布拉格光栅结构示意图 图1-2 光纤布拉格光栅光谱特性说明

2、光纤布拉格光栅的分类 光纤Bragg光栅的周期一般在100nm数量级，按照折射率调制的周期和幅度的不同，可以分为均匀光纤Bragg光栅、啁啾光纤Bragg光栅、相移光纤Bragg 光栅和取样光纤Bragg光栅等等。 均匀光纤Bragg光栅的特点就是光栅的周期和折射率调制度大小均为常数，是最常见的一种光纤光栅。 啁啾光纤Bragg光栅就是在普通的均匀光栅中引入啁啾量，即光栅周期不再是一个恒定值，而是随位置而改变。光栅的Bragg反射波长是关于光栅周期的一个函数，因此它也随位置而改变。图1-3所示为啁啾光纤光栅的结构示意图。 图1-3 啁啾光纤光栅的结构图 相移光纤光栅的特点是光栅在某些位置发生相位跳变，通常是P相位跳变，从而改变光谱的分布。相移的作用是在相应的反射谱中打开一个缺口，相移的大小决定了缺口在反射谱中的位置，而相移在光栅波导中出现的位置决定缺口的深度，当相移恰好出现在光栅中央时缺口深度最大，因此相移光纤光栅可用来制作窄带通滤波器，也可用于分布反馈式光纤激光器。 采样光纤光栅的特点是光栅由许多小段光栅构成，折变区域不连续，如果这种不连续区域的出现有一定周期性则又称为超结构光栅，其反射谱出现类似梳状滤波的等间距尖峰，且光栅长度越长则每个尖峰的带宽越窄，反射率越高；采样光栅结构示意图如图1-4所示。

微波光子学研究的进展

微波光子学研究的进展 2009-08-1916:31 摘要:微波光子学注重微波与光子在概念、器件和系统的结合，典型研究包括微波信号的光产生、处理和转换，微波信号在光链路中的分配和传输等。其研究成果促进了新技术的出现，如光载无线(RoF)通信、有线电视(CATV)的副载波复用和光纤传输、相控阵雷达的光控波束形成网络以及微波频域的测量技术等. 英文摘要:In microwave photonics, the combination of concepts, devices and system is emphasized. Its typical research includes: photonic microwave generation, photonic signal processing and conversion, distribution of microwave signals in optical links, and so on. These research results promote new technologies such as Radio over Fiber (RoF) communications, the subcarrier multiplex and fiber transmission of Cable Television (CATV), optical control beam forming network in phased array radar, test technologies in microwave frequency, and so on. 基金项目：国家自然科学基金资助项目(60736002、60807026) 1 微波光子学产生的背景 光波分复用技术的出现和掺铒光纤放大器的发明使光通信得到迅速发展。光纤通信具有损耗低，抗电磁干扰，超宽带，易于在波长、空间、偏振上复用等很多优点，目前已实现了单路40～160 Gb/s、单根光纤10 Tb/s的传输。 随着容量传输速率的不断提高，光纤系统需要在光发射和接收机中采用微波技术。 与此同时，随着对无线通信容量需求的增加，微波技术也在迅速发展。微波通信能够在任意方向上发射、易于构建和重构，实现与移动设备的互联；蜂窝式系统的出现，使微波通信具备高的频谱利用率。但目前微波频段的有限带宽成为严重问题，人们开始考虑30～70 GHz新频段的利用。60 GHz光载无线(ROF)系统由于接入速率高和不需要另外申请牌照等优点正成为宽带接入的热门技术。60 GHz信号在大气中的传输损耗高达14 dB/km，意味着在蜂窝移动通信中信道频率可更加频繁地重复使用。但传统的微波传输介质在长距离传输时具有很大损耗，而光纤系统具有低损耗、高带宽特性，对于微波传输和处理充满吸引力。 光纤技术与微波技术相互融合成为一个重要新方向。从理论上来讲，微波技术和光纤技术的理论基础都是电磁波波动理论。在光电器件中，当波长足够小时要考虑波动效应，采用电磁波理论来设计和研究光电器件，如波导型或行波型器件。理论基础的统一，使得微波器件和光电子器件可使用相同材料和技术在同一芯片上集成，这极大促进了两个学科的结合，促进了一门新的交叉学科——微波光子学的诞生。 微波光子学概念最早于1993年被提出[1]。其研究内容涉及了与微波技术和光纤

光子晶体并行Matlab仿真研究与实现

基金项目:国家自然科学基金(60571020) 收稿日期:2007-08-09 修回日期:2007-08-22 第25卷 第9期 计 算 机 仿 真 2008年9月 文章编号:1006-9348(2008)09-0312-04 光子晶体并行M atl ab 仿真研究与实现 刘 瑜,梁 正,杨梓强 (电子科技大学物理电子学院,四川成都610054) 摘要:由于M atl ab 软件的网络通信局限,使得在并行时域有限差分(FDTD)计算仿真中,难以实现子域间的消息发送与接收操作。针对这个问题,提出一种新的基于磁盘-内存互逆映射的解决方法,在简化并行F DTD 算法实现的同时,显著提高了算法执行性能。作为算法实现的应用,对光子晶体光波导的电磁耦合效应进行了数值仿真研究,结果证实:波导耦合区域内不同半径比介质柱所导致的结构变化将造成耦合长度的改变,且其耦合关系曲线具有平稳区与迅变区两类不同特性的变化范围区间。 关键词:并行时域有限差分算法;磁盘-内存互逆映射;光子晶体;电磁耦合效应中图分类号:TP391.9 文献标识码:A Study and I mple m entati on of Parallel FDTD A l gorith m for Si m ul ati on of Photonic C rystals U si ng M atl ab L I U Yu ,LI ANG Zheng ,YANG Z i-qiang (Schoo l of Phy si ca l E l ec tron i cs ,U nivers it y of E lectronic Sc ience and T echno l ogy of Chi na , S i chuan Chengdu 610054,China) ABSTRACT :O n account o f the li m itati on of the communicati ons i n M a tlab soft w are ,it is d ifficult to carry out mes sage send i ng and rece iv i ng a m ong subdo m a i ns fo r the pa ra lle l fi n ite-diff e rence ti m e-doma i n (FDTD )a l gor it hm .T o reso l ve t h is proble m,a new m ethod based on m ut ua lly i nv erse m apping o f the d i sk-m e m ory is presented ,w hich can s i m p lify and i m prove obv i ousl y t he para llel FDTD a l go rith m.By usi ng this me t hod ,si m ulati on o f the e lectro m ag ne tic coupli ng effect of photon i c crystals w avegu i de i s co m pleted .N u m erical resu lts show that the structural changes caused by d ifferent rad i us rati o of die l ectric cy li ndersw ill a lter the coupli ng length o f the w aveguide ,and the coup li ng re l ationsh i p curve has t wo k i nds of d ifferent v ary i ng scope zone :stab l e zone and a ltering zone . KEY W ORDS :P ara ll e l fi n ite-difference ti m e-do m a i n a l go rith m;M utua ll y i nverse m appi ng o f the disk-m e m ory ;Photon i c crystals ;E lectro m agne tic coupli ng effect 1 引言 作为一种强有力的工程仿真工具,M a tlab 在光子晶体的FDTD (时域有限差分法)模拟中得到了广泛应用。由于M at lab 具有数值计算与图形处理能力,可以很好的简化FDTD 算法的编程实现,使研究者将重点放在模拟算法本身上,而不必在编程细节上花费过多时间。因此,对于光子晶体数值研究的一些原型问题,M atlab 平台是算法实现的一种很好选择。 M a tl ab 软件本身不具备网络通信的功能,限制了其在并行与协同仿真计算中的应用,但数值模拟问题规模的不断扩大,使单机的内存容量与计算能力都难以承担。对此,文献 [1]通过开发M a tlab 环境下的网络通信工具箱来扩展并行功能,而M atlab 软件本身也从7.0版本后增加了分布式计算工具箱[2],对并行计算提供一定的支持。但是,这些工具箱存在种种使用上的限制,对FDTD 仿真缺乏通用性,计算性能也难以令人满意。本文针对光子晶体并行FDTD 仿真的实际情况,利用操作系统提供的内存-网络-硬盘三者之间的映射与重定向功能,通过统一简洁的M atlab 文件I /O (输入/输出)方式来实现并行协同计算。并以此为工具,对光子晶体光波导的电磁耦合效应进行了FDTD 仿真研究。 2 M atlab 并行FDTD 仿真原理 FDTD 算法的基础是对M ax w e ll 方程组中两个旋度方程在时间和空间上进行差分离散[3],空间离散在计算机内存中的表示形式是多维数组,而时间离散则表现为紧耦合多维数

微波光子链路无杂散动态范围概述

龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/9712211162.html, 微波光子链路无杂散动态范围概述 作者：孙文龙田伟 来源：《数字技术与应用》2013年第12期 摘要：本文介绍了微波光子学应用前景和微波光子链路研究现状，研究限制微波光子链路动态范围的首要因素三阶交调失真，以及提高链路动态范围的现有技术，并且提出了未来微波光链路设计中需要解决的问题。 关键词：微波光子链路无杂散动态范围三阶交调失真 中图分类号：TN929.1 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）12-0235-02 1 引言 微波光子学是融合了模拟光纤技术和微波技术的新兴学科，其是利用光子技术来完成微波系统中的射频信号处理和传输。微波光子链路是微波光子学的核心之一，其可以实现微波与光波之间的相互转化、传输、处理等功能，因其具有低损耗、低功耗、质量轻、大带宽、抗电磁干扰等优点，在民用以及军事领域都有着广泛的运用。 相对于同轴电缆的高损耗，微波光链路损耗低并且与传输信号频率无关，微波光链路的优势则随着传输信号频率的提高以及传输距离的提升而愈发明显。随着微波光链路性能的不断提高，特别是相位噪声性能、多倍频程动态范围、信号处理能力的提升，将使微波光链路未来在高性能雷达、射电天文学以及下一代无线通信得到广泛应用。因此，大动态范围、低噪声的微波光子链路的设计与实现一直都是微波光子学的研究热点。[1] 相对于欧美国家而言，国内由于理论、器材等的限制，迫切需要加强微波光子链路的研究。 2 微波光子链路的无杂散动态范围的分析 微波光子链路一般包括激光器、调制器、光纤、光电探测器等部分，其按调制方式可为直接调制链路和外部调制链路。直接调制微波光链路一般使用半导体激光器作为光源，在链路中直接把微波信号作为激光器的驱动电流，优点是成本低、且利于未来的集成技术，但是直接调制带宽窄，因为调制信号频率达到GHz后，调制后的信号会产生啁啾，在经过传输过程中，会转化成噪声和非线性失真，这将对提高链路的动态范围产生非常不利的影响。因此，对于需要大动态范围的微波光子链路设计中，一般采用外部调制的方案。外调制微波光子链路（如图一）则是通过外部调制设备把微波信号加载在光波上，具有调制带宽大，性能高等优点。对于外调制方式的模拟微波光子链路，光源必须具有较低的相对强度噪声以及高输出功率。 3 微波光子链路研究动态

常见光学仿真设计软件

1.APSS.v 2.1.Winall.Cracked 光子学设计软件，可用于光材料、器件、波导和光路等的设计 2.ASAP.v7.14/7.5/8.0.Winall.cracked/Full 世界各地的光学工程师都公认ASAPTM（Advanced Systems Analysis Program，高级系统分析程序）为光学系统定量分析的业界标准。 注：另附9张光源库 3.Pics3d.v200 4.1.28.winall.cracked 电子.光学激光2D/3D有限元分析及模形化装置软件 https://www.360docs.net/doc/9712211162.html,stip.v2004.1.28.winall.cracked 半导体激光装置2D模拟软件 5.Apsys.2D/3D.v2004.1.28.winall.cracked 激光二极管3D模拟器 6.PROCOM.v2004.1.2.winall.cracked 化合物半导体模拟软件 7.Zemax.v2003.winall.cracked/EE ZEMAX 是一套综合性的光学设计仿真软件，它将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表集成在一起。 8.ZEBASE Zemax镜头数据库 9.OSLO.v6.24.winall.licensed/Premium OSLO 是一套处理光学系统的布局和优化的代表性光学设计软件。最主要的，它是用来决定光学系统中最佳的组件大小和外型，例如照相机、客户产品、通讯系统、军事 /外太空应用以及科学仪器等。除此之外，它也常用于仿真光学系统性能以及发展出一套对光学设计、测试和制造的专门软件工具。 10.TracePro.v324.winall.licensed/Expert TracePro 是一套能进行常规光学分析、设计照明系统、分析辐射度和亮度的软件。它是第一套以符合工业标准的ACIS(固体模型绘图软件)为核心所发展出来的光学软件，是一个结合真实固体模型、强大光学分析功能、信息转换能力强及易上手的使用界面的仿真软件，它可将真实立体模型及光学分析紧紧结合起来，其绘图界面非常地简单易学。 11.Lensview.UPS.winall.cracked LensVIEW 为搜集在美国以及日本专利局申请有案的光学设计的数据库，囊括超过 18,000个多样化的光学设计实例，支持Zemax，OSLO，Code V等光学设计软件。 12.Code V.v940.winall.licensed CODE V是美国著名的Optical Research Associates公司研制的具有国际领先水平的大型光学工程软件。 13.LightTools.v4.0/sr1.winall.cracked LightTools是一个全新的具有光学精度的交互式三维实体建模软件体系，提供最现代化的手段直接描述光学系统中

微波技术与天线实验4利用HFSS仿真分析矩形波导

实验3：利用 HFSS 仿真分析矩形波导 一、 实验原理 矩形波导的结构（如图1），尺寸a×b, a>b ，在矩形波导内传播的电磁波可分为TE 模和TM 模。 图1 矩形波导 1） TE 模，0=z E 。 cos cos z z mn m x n y H H e a b γππ-= 2 cos sin x mn c z n m x n y E H b a b j k e γπππωμ-= 2 sin cos z y mn c j m m x n y E H e k a a b γωμπππ-=- 2sin cos z x mn c m m x n y H H e k a a b γλπ ππ-= 2cos sin z y mn c n m x n y H H e k b a b γλπ ππ-= 其中，c k =2 2 m n a b ππ???? ? ????? +而mn H 是与激励源有关的待定常数。 2） TM 模 Z H =0，由Z E 的边界条件同样可得无穷多个TM 模。注意：对于mn TM 和mn TE 模， m, n 不能同时为零，否则全部的场分量为零。 mn TM 和mn TE 模具有相同的截止波数计算公式，即

c k （mn TM ）=c k （mn TE ） = 所以，它们的截止波长c λ和截止频率c f 的计算公式也是一样的，即 c λ（mn TM ）=c λ（mn TE ）= 2 2 2?? ? ??+??? ??b n a m c f （mn TM ）=c f （mn TE ） 对于给定的工作频率或波长，只有满足传播条件（f >c f 或λ

微波技术与天线实验3利用ADS设计集总参数匹配电路

一、实验目的 学会用ADS进行集总参数匹配电路设计。 二、实验步骤 1、打开“ADS（Advanced Design System）”软件：点击图标。 2、点击“Close”键，关闭Getting start with ADS窗口（如图1）。 图1 3、在“Advanced Design System 2009（Main）”窗口中点击“File>New Project”（如图2）， 图2 在“New project”窗口中的“C:\users\default\”后输入“matching”，点击“OK”（如图3）。

图3 4、默认窗口中的选项（如图4（a）），关闭窗口“Schematic Wizard:1”，进入 “[matching-prj]untitled1(Schematic):1”窗口（如图4（b））。 图4（a） 图4（b） 5、找到“Smith Chart Matching”，并点击（如图5）。

图5 点击“Palette”下的“Smith chart”图标，弹出“Place SmartComponent:1”窗口,点击“OK”按钮（如图6（a））。在操作窗口中点击出一个smith chart，然后点击鼠 标右键选择“End Command”（如图6（b））。 图6 （a）

图6（b） 6、点击“Tools>Smith Chart”（如图7（a）），出现“Smith Chart Utility”以及 “SmartComponent Sync”窗口，点击“Smartcomponent Sync”窗口中的“OK”（如 图7（b））。 图7 （a）

《微波技术与天线实验》2

《微波技术与天线实验》课程实验报告 实验二: 学院通信工程 班级13083414 学号13041403 姓名李倩 指导教师魏一振 2015年11 月12 日

实验名称：集总参数滤波器设计 1.实验目的 （1）通过此次实验，我们需要熟悉集总参数滤波器软件仿真过程，且通过亲自实验来进一步熟悉MWO2003 的各种基本操作。 （2）本次实验我们需要用到MWO2003 的优化和Tune 等工具，要求熟练掌握MWO 提供的这些工具的使用方法和技巧。 2.实验内容 设计一个九级集总参数低通滤波器，要求如下： 通带频率范围：0MHz～400MHz 增益参数S 21：通带内0MHz～400MHz S 21 >--0.5dB 阻带内600MHZ以上S 21 <-50dB 反射系数S 11：通带内0MHz～400MHz S 11 <-10dB 3.实验结果 实验电路原理结构图：

运行结果： 4.思考题 （1）如果要你设计的是高通滤波器，与前面相比，需要变化那几个步骤？ 带宽和截止频率参数的设计、结构图的设计需要改变，所以原理图属性设置、画结构图、元件参数设置、参数优化步骤需要改变。 首先需要改变电路图的结构，如下图

将原来的电容接地改成电感接地。 之后在优化参数进行重新设置。也就是将原来0~400MHZ的优化条件改成400MHZ~MAX的频率范围。原来的600~MAX的改为0~600MHZ的频率范围。如下图

之后重复上述仿真可以得到如下结果 可见这样设计并不是十分的完美，在0~300MHZ内基本满足条件，在之后增益略微有偏差。反射系数在某个区域内比较符合。 （2）你在优化设计过程中，那些参量调解对优化结果影响最大？（最敏感）在优化过程中，电容c1和c0的参量调节对优化结果影响最大。

微波光子学

掺铒光纤（EDF）是使掺铒光纤放大器(EDFA)具有放大特性的关键技术之一，它多用石英光纤作为基质，也有采用氟化物光纤的。掺铒光纤的制作是以传统的改进化学气相沉积工艺，气相轴向沉积工艺，外气相沉积工艺为基础，结合气相掺杂技术或液相掺杂技术来完成的，其中液相掺杂技术使用的更为普遍。在掺铒光纤放大器技术中，掺铒光纤工艺至关重要，在光纤中可认为信号光与泵浦光的场近似高斯分布，在光纤芯轴线上的光强最强，所以掺杂时尽量使杂志粒子集中在近轴区域，以使光域物质的作用最充分，从而提高能量转换效率。一般单模光纤纤芯直径在9微米左右，如果将掺杂光纤拉得比常规光纤更细，可提高信号光和泵浦光的能量密度，从而提高其相互作用的效率。但芯径的减小将会带来新的问题，芯径小的掺杂光纤与常规光纤的模场不匹配，从而带来较大的反射和连接损耗。通常的解决办法是在光纤中掺氟(F)元素，以降低其折射率（但并不改变半径），从而改变模场直径，使之增大到与常规光纤可匹配程度，此时连接损耗可以降至0.5dB以下，这种方法称为扩散成锥法，即在光纤尾端形成模场直径锥。 在掺铒光纤的制造过程中还有一个最佳掺杂光纤长度的问题。掺杂光纤太短，掺杂离子对泵浦光的吸收不充分，不能形成离子数反转；掺杂光纤太长，在输出端介质吸收激光光子，使输出功率下降。因而掺铒光纤存在一个最佳长度，以获得最小的阀值功率，使所能得到的泵浦光子数和离子反转数在泵浦端达到最大值，以充分得到高的泵浦光转换效率。 掺铒光纤的设计对于宽带平坦的增益是非常重要的，掺铒光纤的参量包括材料特性和波导特性两个方面。掺铒光纤的优化设计包括优化芯部组分（芯部共掺杂离子，掺杂浓度及在纤芯的分布等）和波导结构两方面内容。优化芯部组分设计，提高铒离子掺杂离子在石英玻璃中的分散性是光纤材料设计的重要内容。目前掺铒光纤采用的最多的基质材料是Ge/Al/Si体系，同时进行共掺杂的还有其它稀离子（如La3+等）、研究发现，改变掺量，将引起吸收峰和荧光带中心的移动和峰值的改变，可以有效地改善EDFA的增益平坦度。 铒离子的掺杂浓度和与铒离子共掺杂元素的选择对EDF的性能产生重要的影响，若掺杂浓度过低，在掺杂离子总数有效数低于入射光子的区域，基态有可能耗尽倒空，增益作用被终止。原则上，铒离子掺入的浓度越高，单位光纤长度上的光增益越高，从而可以用较短的光纤长度获得所需要的光增益。若掺杂浓度过高，则可能出现浓度抑制问题，即过高地掺杂浓度可能使铒离子靠得很近，铒离子之间将存在能量转移，导致激光上能级的有效粒子数降低，荧光寿命降低，激光过程受到限制，从而使光纤的性能退化，故存在适宜的掺杂浓度范围。适度提高掺杂浓度的前提是提高分散性，可以通过改善基质材料的溶解特性，如采取高掺杂AlLa材料设计，可以改进制备工艺．提高掺杂离子的分散性和均匀性，避免掺杂不均匀带来的浓度偏析影响。为获得最佳泵浦效果，铒离子沿光纤剖面理想的浓度分布应与泵浦光束的光强度匹配，但在实际掺杂工艺条件下，实现上述理想分布较为困难。一股可行的工艺设计是考虑将铒离子集中掺杂在纤芯的中央区域，这样可以避免光强较弱的边缘部分因铒离子未被充分激励而成为吸收体，使增益下降，同时可以使中央区域的铒离子到充分激励。所以掺铒光纤的增益系数井不单纯与纤芯半径有关，还取决于掺杂的半径。 掺铒光纤的设计，除了选定基质与掺杂浓度外，对光纤波导参数（芯径或模场直径、数值孔径．截止波长等）的合理选择也是很重要的。这直接关系到信号光与泵浦光、放大光纤与传输单模光纤之间的模场匹配与能量耦合效率。掺铒光纤的光学结构说到底是由EDF在EDFA中的性能要求和光纤制造工艺共同决定的。增益和泵浦效率是EDFA的重要参数。它们依赖于折射率剖面、铒离子掺杂区域和浓度等光纤结构。获得高增益和泵浦效率需要粒子数反转率高，目的是使较小的泵浦功率下获得最大的信号增益功率，尽可能充分利用耦合入EDF的泵浦功率，因此，EDF选择合适的结构及光学参数及其重要。 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，在纤芯内形成空间相位光栅。所谓光纤中的光敏性是指掺杂光纤中通过激光时，光纤的折射率将随着光强的空间分布发生相应的变化，这种现象也称为光致折射率变化效应，如用激光干涉条纹侧面辐照掺锗光纤，就会在光纤中的一段长度内，形成光纤长度方向折射率的周期扰动，从而形成光纤光栅，或称为光纤Bragg光栅，而且这种光栅在 C 500以下稳定不变，用C 500以上高温可擦抹。光纤光栅的作用实质是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜，利用这一特性可构成许多性能独特的光纤无源器件，且光纤光栅（FBG）具有体积小、重量轻、波长选择性好、不受非线性效应影响、极化不敏感、带宽范围大、附加损耗小、器件微型化、耦合性能好、可与其他光纤器件融成一体等特性，其制作工艺比较成熟，易于形成规模生产，成本低，具有很好的实用性，其优越性是其他许多器件无法替代的，这使得光纤光栅以及基于光纤光栅的器件成为光学领域理想的关键器件之一。 光纤光栅的传统应用主要集中在光纤

光子晶体光纤设计与分析

光子晶体光纤设计与分析 摘要：光学物理学家探索的光子晶体材料应用中，光纤无疑是最具有前景的一项应用。光子晶体光纤（以下简称PCF）是一种新型光波导，具有与普通光纤截然不同的特性。这种新型光纤可以分为两个基本类型——折射率波导和带隙波导。由于横向折射率分布有很大的自由度，所以折射率波导型PCF可以设计成具有高度反常色散、非线性以及双折射等特性的光纤。关键词：PCF原理结构分析制备特性应用 正文： 一.PCF的导光原理 按导光机理来说，PCF可以分为两类：折射率导光机理和光子能隙导光机理。 1.1折射率导光机理 周期性缺陷的纤芯折射率(石英玻璃)和周期性包层折射率(空气)之间有一定差别，从而使光能够在纤芯中传播，这种 同，由于包层包含空气，所以这种机理称为改进的全内反射，这是因为空芯PCF中的小孔尺寸比传导光的波长还小的缘故[3]。 1.2光子能隙导光机理 理论上求解光波在光子晶体中的本征方程即可导出实芯和空芯PCF的传导条件，即光子能隙导光理论。如图2所示，光纤中心为空芯，虽然空芯折射率比包层石英玻璃低，但仍能保证光不折射出去，这是因为包层中的小孔点阵构成光子晶体。当小孔间距和小孔直径满足一定条件时，其光子能隙范围内就能阻止相应光传播，光被限制在中心空芯之内传输。最近有研究表明，这种PCF可传输99%以上的光能，而空间光衰减极低，光纤衰减只有标准光纤的1/2～1/4[4]。 空芯PCF光子能隙传光机理具体解释为：在空芯PCF中形成周期性的缺陷是空气，传光机理是利用包层对一定波长的光形成光子能隙，光波只能在空气芯形成的缺陷中存在和传播。虽然在空芯PCF中不能发生全内反射，包层中的小孔点阵结构起到反射镜的作用，使光在许多小孔的空气和石英玻璃界面多次发生反射。 二．PCF的结构与制作 PCF的结构一般是在石英光纤中沿径向有规律地排列着许多空气孔道，这些微小的孔道沿光纤轴线平行排列。根据其结构类型可以分为实心光纤和空心光纤。实心光纤是纤芯为石英玻璃、包层为石英玻璃中分布许多空气孔道和石英玻璃壁的组合体。空心光纤的纤芯为一条直径较大的空气孔道，包层与实心光纤类似。通过设计这些空气孔的位置、大小、间距及占空比等波长量级的特征参数，对某以波段形成带隙，从而对这一波段的光传播是实现控制。 光子晶体的制作都要经过拉伸、堆积和熔合等过程,如Knight J C等的制作方法: (1)取一根直径为30mm的石英棒,沿其轴线方向上钻一条直径为16mm的孔,随后将石英棒研磨成一个正六棱柱; (2)把该石英棒放在2000℃的光纤拉丝塔中,将它拉成直径为0.8mm的细长正六棱柱丝; (3)把正六棱柱丝切成适当长度的若干段,然后堆积成需要的晶体结构,再把它们放到拉丝塔中熔合、拉伸,使内部空气孔的间距减小到50Λm左右,形成更细的石英丝; (4)在以上工作的基础上,把上述石英丝高温拉伸,形成最后的PCF。在以上3个阶段的拉伸过程中,晶胞减少了104数量级以上,最后形成的光子晶体的孔间距在2Λm左右。PCF 沿着石英丝的轴向均匀排列着空气孔,从PCF 的横切面看,存在着周期性的二维结构。如果核心处引入一个多余的空气孔,或者在应该出现空气孔的地方由均匀硅代替,从而在光子晶体中引入一

微波技术与天线(重点)

微波：是电磁波中介于超短波与红外线之间的波段，它属于无线电波中波长最短（频率最高）的波段，其频率范围从300Mhz（波长1m）至3000GHz（波长0.1m）. 微波的特性：1.似光性2.穿透性3.宽频带特性4.热效应特性5.散射特性6.抗低频干扰特性. 与低频区别：趋肤效应，辐射效应，长线效应，分布参数。 微波传输线的三种类型:1.双导体传输线，2.金属波导管3.介质传输线。 集总参数：在一般的电路分析中,电路的所有参数,如阻抗、容抗、感抗都集中于空间的各个点上,各个元件上,各点之间的信号是瞬间传递的,这种理想化的电路模型称为集总电路。 这类电路所涉及电路元件的电磁过程都集中在元件内部进行。用集总电路近似实际电路是有条件的，这个条件是实际电路的尺寸要远小于电路工作时的电磁波长。对于集总参数电路，由基尔霍夫定律唯一地确定了电压电流。 分布参数： 电路是指电路中同一瞬间相邻两点的电位和电流都不相同。这说明分布参数电路中的电压和电流除了是时间的函数外，还是空间坐标的函数。 分布参数电路的实际尺寸能和电路的工作波长相比拟。 对于分布参数电路由传输线理论对其进行分析。 均匀传输线方程（电报方程）： t t z i L t z Ri z t z u ? ? + = ? ?) , ( ) , ( ) , (， t t z u C t z Gi z t z i ? ? + = ? ?) , ( ) , ( ) , ( 传输线瞬时电压电流： ) cos( ) cos( ) , ( 2 1 z t e A z t e A t z u z zβ ω β ωα α- + + =- + )] cos( ) cos( [ 1 ) , ( 2 1 z t e A z t e A Z t z i z zβ ω β ωα α- + + =- + 特性阻抗: C j G L j R Z ω ω + + = (无耗传输线R=G=0.) 平行双导线(直径为d,间距为 D): d D Z r 2 ln 120 ε = 同轴线（内外导体半径a,b）: a b Z r ln 60 ε = 相移常数： λ π ω β 2 = =LC 输入阻抗： ) tan( ) tan( 1 1 0z Z Z z Z Z Z Z inβ β + + = 反射系数：z j z j e e Z Z Z Z zβ β- -Γ = + - = Γ 1 1 1 ) ( 终端反射系数:1 | | 1 1 1 1 φj e Z Z Z Z Γ = + - = Γ

南昌大学微波技术与天线实验报告

实验报告 实验课程：微波技术与天线 学生姓名： 学号： 专业班级： 2011年 6月3日

目录 实验一微波测量系统的认识及功率测量 实验二微波波导波长、频率的测量、分析和计算 实验三微波驻波比、反射系数及阻抗特性测量、分析和计算 实验四微波网络参数的测量、分析和计算

实验一微波测量系统的认识及功率测量 一、实验目的： （1）熟悉基本微波测量仪器； （2）了解各种常用微波元器件； （3）学会功率的测量。 二、实验内容： 1、基本微波测量仪器 微波测量技术是通信系统测试的重要分支，也是射频工程中必备的测试技术。它主要包括 微波信号特性测量和微波网络参数测量。 微波信号特性参量主要包括：微波信号的频率与波长、电平与功率、波形与频谱等。微波网络参数包括反射参量（如反射系数、驻波比）和传输参量（如[S]参数）。 测量的方法有：点频测量、扫频测量和时域测量三大类。所谓点频测量是信号只能工作在单一频点逐一进行测量；扫频测量是在较宽的频带内测得被测量的频响特性，如加上自动网络 分析仪，则可实现微波参数的自动测量与分析；时域测量是利用超高速脉冲发生器、采样示波器、时域自动网络分析仪等在时域进行测量，从而得到瞬态电磁特性。 图1-1 是典型的微波测量系统。它由微波信号源、调配器/ 衰减器/隔离器、波长/频率计、测量线、终端负载、选频放大器及小功率计等组成。

图1-1 微波测量系统 2、常用微波元器件简介 微波元器件的种类很多，下面主要介绍实验室里常见的几种元器件：（1）检波器（2）E-T 接头（3）H-T 接头（4）双T 接头 （5）波导弯曲（6）波导开关（7）可变短路器（8）匹配负载 （9）吸收式衰减器（10）定向耦合器（11）隔离器 3、功率测量 按图1-1 所示连接微波测量系统，在终端处接上微波小功率计探头，接通电源开关，调整衰减器，观察微波功率计指示并作相应记录。 三、实验数据及处理 1、实验数据如下表： 0 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 衰减器位置 (mm) 11.5 11.3 10.8 9.4 7.5 6.0 4.1 2.6 1.8 1.0 功率计读数 (μw)