随着现代人们在无线通信、卫星通信、雷达探测以及军事设施中对无线电频带需求的增加,现行的微波频带资源越来越紧张。这一现状使人们开始重视更高的微波频段,比如30-300GHz的毫米波波段。对如此高频率微波信号的处理是一个难题。通常的做法是,在处理之前,将接收信号的频率下变换到频率较低的中频。传统的微波变频器可以完成这一功能,却存在较大的损耗。结合光子技术实现微波下变频的功能,可以极大的降低了变频损耗。于是,微波光子下变频技术成为了当今的一个研究热点。它在毫米波通信、深空探测、相控阵雷达和无线电定位等领域均有广阔的应用前景。目前微波光子下变频技术的主要限制因素有两个：首先是目前电光、光电变换的转换效率太低,这直接影响了系统的变频效率；其次是电光调制设备内在的非线性传输函数导致的失真。这种非线性失真会限制系统的动态范围,从而限制微波系统的覆盖面积。针对这两个主要问题,本论文对光子变频系统的原理与结构作了深入研究。提出了改善链路增益和动态范围的方法。论文的主要创新点如下：1.全光谱利用技术的研究。相位调制是目前微波光子领域研究较多的调制方式。但是相位调制上下边带抵消的特性使得它无法被光电探测器直接探测。通常需要在光电探测前,利用光学滤波器滤除其中的一些边带。但是,这就浪费了其中的一部分光谱功率。我提出了利用光纤布拉格光栅(FBG)结合平衡探测器的差分功能将FBG的透射和反射光谱同时利用。由于全光谱的利用,系统的转换效率提高了6dB。2.数字线性化技术的研究。我研究了全光谱利用系统中的输出信号传递函数。发现其泰勒级数展开的表达式非常近似于一个有特定参数的正弦函数。利用这一特性,我提出了用反正弦函数对输出信号进行简单数字线性化的方案。经过实验验证系统的三阶交调失真(IMD3)降低了17.81dB,无杂散动态范围提高了5dB。3.反复光调制技术的研究。为了提高系统的转换效率,我利用行波相位调制器的速率失配原理,在调制器的两端分别放置一个FBG。让光波在调制器内部振荡。在载波抑制和反复调制的作用下,系统的转换效率大大提高。实验结果显示：变频转换效率提高了29dB。同时由于差分探测的作用噪底也下降了4.倍频线性化技术的研究。光学倍频系统可以将输入端对电、光设备的频率要求降低一半。然而,倍频系统中的主要交调失真——二阶交调(IMD2)的功率比倍频信号功率还大。为了解决这个问题,我提出了一种基于双平行强度调制器和幅相匹配技术的IMD2抑制系统。经过精确的幅度和相位控制,将IMD2信号抑制了35dB。