光子天线的理论与关键技术

随着现代社会向信息化、 网络化、 智能化的飞速发展, 无线移动通信的频带资源越来越紧张, 如果能将光纤通信几乎无限的频带资源与无线通信几乎无限的频带需求结合起来就可以解决无线通信频带需求的问题。 光子天线就是能解决此问题的有效途径。 光子天线将承载调制信号的光波通过天线直接以微波、毫米波或太赫兹波的形式发射出去,避免了由光波调制解调变成电信号,再由电信号解调调制微波或毫米波的复杂过程。承载调制信号的光波与没有承载调制信号的光波在光电探测器中拍频产生的电信号,经天线直接发射成有承载信号的微波或毫米波。高频微波、毫米波、太赫兹波信号由于频率很高,在自由空间传输时损耗很大,严重地影响了其传输距离。基于光纤拉远的光子天线恰好是解决长距离无线传输的有效方法。本书通过理论推导、仿真设计、测试验证等方式证明了光子天线的可行性。天线作为光子天线的重要组成部分,其性能的好坏对整个光子天线具有重要影响。如何实现高增益、宽频带、多频段、小型化是提高光子天线性能的主要研究内容。
本书介绍了三大类共九款结构新颖的多频宽带、高辐射、小型化天线和回波损耗、方向图、增益和效率等相关性能参数的测试结果。天线可覆盖GSM900、DCS1800、TDSCDMA、WCDMA、CDMA2000、LTE、5G、蓝牙、GPS、北斗、WLAN和WiMAX等全部或部分通信的频段。针对高频微波、毫米波、太赫兹波传输距离受限的问题,本书介绍采用基于射频拉远的光载无线通信(radiooverfiber,RoF)技术,在光载无线通信系统的接收端采用相干探测的方式实现对光信号的线性探测,采用数字信号处理(digital signal processing,DSP)技术补偿信号的传输损伤。针对光纤传输的桥接和补环的应用需求,介绍了采用光纤无线一体化的传输方案。
本书可作为微波光子学专业的高年级本科生和研究生的教学参考书,也可供研发5G/6G移动通信系统的工程师及相关研究人员参考。
本书总结了作者主持的国家自然科学基金项目、国家“863”项目及参与此类项目研究的博士生和硕士生学位论文，在撰写过程中王斓、赵伦、于臻（现工作单位华北科技学院）、李依桐、黄雍涛、李凯乐等同学做了很多有益的工作，在此对各位同学表示感谢！
由于时间仓促,作者水平有限,不妥之处,请读者批评指正!
余建国
2020年10月

本书通过理论推导，仿真设计，测试验证等方式证明了光子天线的可行性。介绍了三大类共9款结构新颖的多频宽带、高辐射、小型化天线和回波损耗、方向图、增益和效率等相关性能参数的测试结果。针对高频微波、毫米波、太赫兹波传输距离受限的问题，介绍采用基于射频拉远的光载无线通信（Radio over Fiber, RoF）技术，在光载无线通信系统的接收端采用相干探测的方式实现对光信号的线性探测，采用数字信号处理（Digital Signal Processing, DSP）技术补偿信号的传输损伤。针对光纤传输的桥接和补环的应用需求，介绍了采用光纤无线一体化的传输方案。

余建国：北京邮电大学教授，博士生导师。1997年4月毕业于北京邮电大学，获电磁场与微波技术专业博士学位。在武汉邮科院-烽火科技集团公司工作15年，历任工程师、高级工程师、教授级高工、副总经理，分院副院长等职。1998年入选“国家 863”跨光电子、通信、计算机网络主题重大专项总体组。长期从事微波、毫米波、太赫兹波、光波的研究，负责完成多项国家重大专项、国家 863、国家自然基金重点项目，负责完成了 SDH/DWDM、3G/4G 基站、光纤拉远基站、ROF激光器探测器阵列芯片、放大器、光子天线等项目研发，设计并建立了“全国个多厂家设备互联互通、互操作、统一网络管理的高速信息光网络”。2003年获国家科技进步二等奖，2006 年获国家信息产业部授予的“科技创新先进个人”荣誉称号

第1章绪论.

1. 1研究背景与意义 .

1.2国内外研究现状...........

1.3光子天线概述 .

1.4 本书的结构安排 .........

第2章光子天线技术的理论基础。

2.1光子天线的基本原理................

2.2高频信号产生技术分析.......................

2.3基于光外差法的高频信号产生.................

2.4基于外调制器的高频信号产生..

2.5本章小结.....

第3章光子阵列天线的设计

3.1微带光子天线的分析方法..

3.1.1光子天线传输线法 .............

3.1.2，光子天线腔膜理论...........

3.1.3光子天线多端口网络模型.......

3.1.4光子天线数值分析法....

3.2光子天线阵元设计.........

3.2.1微带天线的工作原理

3.2.2阵元结构与设计

3.3光子天线阵列的设计...

3.3.1 天线阵原理...

3.3.2 阵列结构与设计 .

3.4仿真与实验.........

3.5本章小结......

第4章 光子天线的系统测试与验证...

4.1光子天线系统概述.........

4.2光子天线的系统设计.....

4.2.1高频信号的产生.....

4.2.2 基于光外差法产生高频信号的系统模型仿真.

4.2.3基于外调制器法产生高频信号的系统模型仿真..

4.3系统测试与验证.............

4.4本章小结.......

第5章数字相干光通信系统的理论研究·

5.1相干光探测的基本原理....

5.2数字相干光通信系统的信号处理算法..

5.2.1重抽样模块  

5.2.2基于GSOP的IQ正交化模块 ...

5.2.3时域色散补偿模块....

5.2.4基于数字滤波平方定时估计算法的时钟恢复模块..

5.2.5基于自适应均衡的偏振解复用模块.

5.2.6 基于共轭 M 次方和 FFT 的频偏估计模块

5.2.7 基于 M 次方的相位噪声估计模块............

5.3本章小结.....

第6章16 QAM矢量毫米波信号产生技术的研究.

6.1毫米波产生技术分析...

6.1.1基于相位调制器的毫米波产生技术 .

6.1.2基于 MZM的毫米波产生技术

6.2 基于相位调制器的16 QAM 矢量毫米波信号产生的原理

6.3相调制器的16QAM量毫米波信号产生的仿真分析9

6.3.1相位预编码分析和仿真

6.3.2仿真系统搭建.....

6.3.3仿真结果 .....

6.4基于相位调制器的16QM毫米波信号产生的实验设置.... 7

6.5实验结果和讨论.

6.6本章小结.....

第7章 PM-16 QAM 中的载波相位恢复算法研究...... 83

7.1基于分区的CPE算法.

7.1.1基于部分星座点的 CPE算法 ....

7.1.2 基于 QPSK 分区的 CPE 算法..

..

7.2基于 BPS的 CPE算法 ...........

7.3一种改进的二阶 CPE算法 ...

7.3.1改进的二阶 CPE算法..

7.3.2仿真平台搭建 ............

7.3.3仿真结果 ........

7.3.4算法复杂度分析 ..........

7.4本章小结..........

第8章高效率低成本的光纤无线一体化系统....

8.1基于16 QAM调制和相干检测的Q波段光纤无线一体化传

8.1.1光纤无线一体化光子天线在桥接和补环中的应用............

8.1.2基于16 QAM调制和相干检测Q波段光纤无线一体化

系统的原理.

8.1.3基于16QAM调制和相干检测Q波段光纤无线一体化

系统实验 ..

8.1.4实验结果和分析..

基于DML实现电/光转换的W波段光纤无线一体化系统.......

8.2

8.2.1电/光转换新结构和新模式.......

8.2.22基于 DML实现电/光转换的W波段光纤无线一体化

系统的原理....

光子天线的理论与关键技术

8.2,3基于DML实现电/光转换的W波段光纤无线一体化.....

系统实验...........

8.2.4 实验结果和分析....

8.3本章小结...

第9章天线的基础理论与分析方法.

9.1有限元方法

9.2时域有限积分法......

9.3矩量法....

9.4时域有限差分方法.....

第10章多频段小型化天线的理论研究 .....

10.1分形几何理论............

10.2分形几何的基本性质.........

10.3天线的多频段小型化理论与方法

10.3.2小型化加载技术的方法.

10.4缝隙天线理论与方法...

10.5天线参数的计算与设计...

10.5.1天线的电参数...

10.5.2天线尺寸的设计...

0.5.3介质板的选取..................

10.5.4缝隙天线尺寸的确定..

10.5.5馈电方式的选择...

第11章几种多频段小型化分形结构天线的设计....

11.1用于无线通信的多频段古币结构分形天线.

11.1.1引言......

11.1.2古币结构分形天线的结构.

11.1.3古币结构分形天线仿真结果与参数分析.

11.1.4古币结构分形天线测试结果与性能分析...

11.2用于2G/3G/4G/5G/WLAN/导航的Koch Sierpinski

分形天线...

11.2.1 天线分形结构理论.

11.2.2Koch雪花 Sierpinski三角垫组合型分形天线............

14411.2.3Koch雪花 Sierpinski三角垫组合型分形天线仿真

与分析.....

11.2.4 Koch雪花 Sierpinski三角垫组合型分形天线测试

与分析....

11.3改进型多频带小型化 Koch雪花分形天线

11.3.1 多频带 Koch 雪花分形天线的结构

15611.3.2 多频带 Koch 雪花分形天线仿真结果与参数分析 ........

 15611.3.3 多频带 Koch 雪花分形天线测试结果与性能分析 .

11.4 宽带 Koch雪花分形天线 .........

11.4.1宽带 Koch雪花分形天线的结构...

16511.4.2 宽带 Koch雪花分形天线仿真结果与参数分析............

 16611.4.3 宽带 Koch雪花分形天线测试结果与性能分析.

11.5 多频段 Koch 雪花分形缝隙天线 ...

11.5.1多频段 Koch 雪花分形缝隙天线的原理结构 ...............

17411.5.2多频段 Koch雪花分形缝隙天线仿真结果与参数

分析 ......

11.5.3多频段 Koch 雪花分形缝隙天线测试结果与性能.

分析.

11.6 多频段 W形花瓣分形天线的设计与仿真.

11.6.1W形花瓣分形天线的原理结构.......

11.6.2W形花瓣分形天线仿真结果与参数分析........

11.6.3W形花瓣分形天线测试结果与性能分析.....

11.7 二叉型树枝仿生结构分形天线............

11.7.1二叉型树枝仿生结构分形天线的结构....

11.7.2二叉型树枝仿生结构分形天线仿真结果与参数分析....

.11.7.3二叉型树枝仿生结构分形天线测试结果与性能分析.....

第12章几种多频段小型化缝隙天线及阵列的设计.

12.1多频段三角形缝隙阵列天线

光子天线的理论与关键技术

12.1.1三角形缝隙阵列天线的结构.....

12.1.2三角形缝隙阵列天线仿真结果与参数分析........

12.1.3三角形缝隙阵列天线测试结果与性能分析.......

12.2多频段矩形缝隙环天线.....

12.2.1多频段矩形缝隙环天线的结构........

12.2.2多频段矩形缝隙环天线仿真结果与参数分析..

.12.2.3多频段矩形缝隙环天线测试结果与性能分析..

第13章 总结和展望

13.1内容总结.

.13.2未来展望..................

索引.....

参考文献.

光子天线的理论与关键技术

12.1.1三角形缝隙阵列天线的结构.....

12.1.2三角形缝隙阵列天线仿真结果与参数分析........

12.1.3三角形缝隙阵列天线测试结果与性能分析.......

12.2多频段矩形缝隙环天线.......................

12.2.1多频段矩形缝隙环天线的结构........

12.2.2多频段矩形缝隙环天线仿真结果与参数分析...

12.2.3多频段矩形缝隙环天线测试结果与性能分析..

第13章总结和展望

13.1内容总结....................

13.2未来展望..................

索引.....

参考文献............

本书通过理论推导，仿真设计，测试验证等方式证明了光子天线的可行性。介绍了三大类共9款结构新颖的多频宽带、高辐射、小型化天线和回波损耗、方向图、增益和效率等相关性能参数的测试结果。针对高频微波、毫米波、太赫兹波传输距离受限的问题，介绍采用基于射频拉远的光载无线通信（Radio over Fiber, RoF）技术，在光载无线通信系统的接收端采用相干探测的方式实现对光信号的线性探测，采用数字信号处理（Digital Signal Processing, DSP）技术补偿信号的传输损伤。针对光纤传输的桥接和补环的应用需求，介绍了采用光纤无线一体化的传输方案。

余建国：北京邮电大学教授，博士生导师。1997年4月毕业于北京邮电大学，获电磁场与微波技术专业博士学位。在武汉邮科院-烽火科技集团公司工作15年，历任工程师、高级工程师、教授级高工、副总经理，分院副院长等职。1998年入选“国家 863”跨光电子、通信、计算机网络主题重大专项总体组。长期从事微波、毫米波、太赫兹波、光波的研究，负责完成多项国家重大专项、国家 863、国家自然基金重点项目，负责完成了 SDH/DWDM、3G/4G 基站、光纤拉远基站、ROF激光器探测器阵列芯片、放大器、光子天线等项目研发，设计并建立了“全国个多厂家设备互联互通、互操作、统一网络管理的高速信息光网络”。2003年获国家科技进步二等奖，2006 年获国家信息产业部授予的“科技创新先进个人”荣誉称号