微波混频可实现微波信号的频率上变换和下变换,是雷达、卫星、无线通信、电子侦察与对抗、深空探测等电子系统必不可缺的关键模块。它还广泛应用于矢量信号调制与解调、频谱分析、相位噪声测量、自动相位控制、锁相环等系统。随着电子业务量的增加,现代电子系统在向高频段、大带宽、大动态、多功能一体化方向发展。传统微波混频技术面临带宽受限、频率可调性差、隔离度差、电磁干扰严重等电子瓶颈,逐渐难以满足未来电子系统发展需要。微波光子混频在光域实现微波混频,具有大带宽、宽频段可调谐、高隔离度、无电磁干扰等显著优势,且与其它微波信号光子学产生、传输、处理系统兼容,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。然而普通的微波光子混频技术存在变频损耗大、动态范围受限、光纤传输后功率色散衰落等待解决的问题。本文面向未来电子系统发展需求,针对目前微波光子混频技术存在的技术难题,研究高变频效率、大动态范围、低本振频率需求、适用于光纤传输的微波光子混频技术,具体开展以下研究:论文第二章理论分析了微波光子混频系统中变频增益、噪声系数(NF)和无杂散动态范围(SFDR)等几个重要技术参数,概括了目前的一些优化方法。从抑制光载波、降低NF和抑制三阶交调失真(IMD3)入手,提出了采用光纤布拉格光栅(FBG)结合色散光纤来提高SFDR的调制方案,以及采用单驱动双电极马曾调制器(DEMZM)结合色散光纤提高SFDR的调制方案,并分别进行了实验验证。论文第三章针对微波混频应用中高频本振信号的产生难题,研究低相噪、频率可调谐的微波本振信号的光子学产生方法,及其在微波光子谐波混频中的应用。提出了基于级联调制器的微波本振信号六倍频产生方案,以及基于双平行QPSK(DP-QPSK)调制器的微波本振信号八倍频产生方案。另外,提出了基于双平行马曾调制器(DPMZM)、高变频增益的微波光子二次谐波混频系统,并进行了实验验证。论文第四章将微波光子混频和模拟光链路结合,实现混频信号的长距离光纤传输,并对光纤色散可能引起的周期性功率衰落进行了研究。提出了基于萨格奈克(Sagnac)环中相位调制器(PM)双向工作的新型双边带调制方案,补偿色散引起的周期性功率衰落。接着提出了基于Sagnac环中DEMZM双向调制的混频和传输方案,在提高变频效率的同时实现混频信号的无功率衰落传输。另外提出了基于偏振复用马曾调制器(PDM-MZM)的混频和传输方案,可实现混频信号的多通道不同距离的光纤传输,通过每通道偏振控制,可实现所有通道的功率补偿。论文第五章对微波光子混频的其它潜在应用进行了探索。概括了基于微波光子混频的相位噪声测量、多普勒频移测量、到达角测量及矢量信号调制与解调的实现方法,提出了一种基于PDM-MZM、可同时实现微波信号下变频和多通道移相的光子系统,并利用两个正交下变频通道,将多种调制格式的宽带微波矢量信号直接下变频到同相和正交(IQ)两路基带,实现矢量信号解调。综上所述,本文面向未来电子系统对微波混频高频段、大带宽、大动态的发展需求,对微波光子混频技术进行了系统研究并取得众多创新成果:提出了提高变频效率和SFDR的调制和混频方案;提出了多种微波信号光子学倍频技术,降低了微波本振的频率需求;提出了多种新型的双边带调制和混频技术,补偿光纤传输后色散引起的混频信号功率衰落;提出了可同时实现宽带微波信号下变频和多路移相的光子学系统,实现了宽带矢量信号的IQ解调。