Sistemas de generación de señales de radiofrecuencia basados en Fotónica de Microondas

Abstract

La utilización de la tecnología Fotónica para la generación de señales arbitrarias de microondas ha permitido superar las limitaciones propias de los sistemas eléctricos y también su integración directa en entornos de radio sobre fibra. Entre las diferentes arquitecturas fotónicas propuestas en la literatura para la generación de señales de microondas, destaca aquella cuyos esquemas están basados en filtros fotónicos de microondas. La facilidad de reconfiguración de la forma de onda generada y su sintonización en frecuencia, así como la robustez y simplicidad de las distintas estructuras, son algunas de las características de esta técnica de generación, las cuales, la convierten en una solución prometedora frente a otras propuestas de la literatura. En esta tesis doctoral, se ha llevado a cabo el estudio e implementación de generadores de señales arbitrarias de microondas mediante el uso de filtros fotónicos de microondas como procesadores fotónicos. En primer lugar, se ha realizado un desarrollo teórico de la función de transferencia general de sistemas fotónicos basados en filtros fotónicos de microondas particularizada según si el procesador óptico está formado por líneas de retardo o por elementos dispersivos. Este desarrollo ha permitido evaluar la distorsión armónica generada en este tipo de estructuras, poniendo de manifiesto la importancia de considerarla en el diseño de las mismas. En segundo lugar, se han propuesto sistemas basados en esquemas de filtrado fotónico de microondas con los que se han generado formas de onda propias de la tecnología de comunicación inalámbrica Ultra-Wideband y señales con chirp, en concreto, pulsos eléctricos con chirp. Así mismo, se han demostrado las capacidades de reconfiguración, sintonización y ajuste de la señal generada que permiten los esquemas propuestos. Por otra parte, el estudio teórico realizado previamente ha permitido obtener la respuesta simulada de los esquemas fotónicos de generación propuestos, obteniendo una gran correspondencia con las medidas experimentales. Esta comparativa entre los resultados teóricos y experimentales, ha permitido la validación del desarrollo teórico para los sistemas de filtros fotónicos realizado en esta tesis, resultando ser una buena herramienta para el diseño de sistemas fotónicos de generación de señales arbitrarias de microondas basados en estas estructuras de filtrado.

The use of Photonics technology for the generation of arbitrary microwave signals permits to overcome the limitations of electrical systems and its direct integration in radio over fibre systems. Among the different photonic architectures proposed in the literature for the generation of microwave signals, microwave photonic filters stand out from the rest of techniques. The ease of reconfiguration and the frequency tuning of the generated waveform, as well as the robustness and simplicity of the different structures, are some of the main characteristics for this generation technique. Due to these characteristics, this technique is considered as a promising one compared to alternative proposals reported in the literature. In this thesis, the study and implementation of arbitrary microwave signal generators with optical processors based on microwave photonic filters is introduced. Firstly, a theoretical development of the general transfer function is found for the photonic systems based on microwave photonic filters with optical processors composed by delay lines or dispersive devices. This theoretical development has permitted to evaluate the harmonic distortion generated in these systems, which has revealed its relevance when a design of these systems is carried out. Secondly, arbitrary microwave signal generators based on microwave photonic filters have been proposed and specific waveforms have been generated for Ultra-Wideband technology as well as chirped signals, specifically, electrical chirped pulses. Moreover, capabilities of reconfiguration and tuning of the generated signal have been demonstrated for the proposed systems. Regarding theoretical response in relation to experimental measurements, a good concordance has been found and, consequently, the theoretical development has been validated. In this way, this theoretical development has been proved as a suitable tool to design photonic generators of arbitrary microwave signals based on microwave photonics filters.

La utilització de la tecnologia Fotònica per a la generació de senyals arbitràries de microones ha permés superar les limitacions pròpies dels sistemes elèctrics i també la seua integració directa en entorns de radio sobre fibra. Entre les diferents arquitectures fotòniques propostes en la literatura per a la generació de senyals de microones, destaca aquella en què els esquemes estan basats en filtres fotònics de microones. La facilitat de reconfiguració de la forma d'ona generada i la seua sintonització en freqüència, així com la robustesa i simplicitat de les distintes estructures, són algunes de les característiques d'esta tècnica de generació, les quals, la converteixen en una solució prometedora front a unes altres propostes de la literatura. En aquesta tesi doctoral, s'ha dut a terme l'estudi e implementació de generadors de senyals arbitràries de microones mitjançant l'ús de filtres fotònics de microones com a processadors fotònics. En primer lloc, s'ha realitzat un desenvolupament teòric de la funció de transferència general de sistemes fotònics basats en filtres fotònics de microones particularitzada segons si el processador òptic està format per línies de retard o per elements dispersius. Aquest desenvolupament ha permés avaluar la distorsió harmònica generada en aquest tipus d'estructures, posant en relleu la importància de considerar-la en el disseny de las mateixes. En segon lloc, s'han proposat sistemes basats en esquemes de filtrat fotònic de microones amb els que s'han generat formes d'ona pròpies de la tecnologia de comunicació inalàmbrica Ultra-Wideband i senyals amb chirp, en concret, polsos elèctrics amb chirp. Així mateix, s'han demostrat les capacitats de reconfiguració, sintonització i ajust de la senyal generada que permeten els esquemes propostos. Per una altra banda, l'estudi teòric realitzat prèviament ha permés obtenir la resposta simulada dels esquemes fotònics de generació propostos, obtenint una gran correspondència amb les mesures experimentals. Aquesta comparativa entre els resultats teòrics i experimentals ha permés la validació del desenvolupament teòric dels sistemes fotònics realitzat en aquesta tesi, resultant ser una bona eina per al disseny d'arquitectures fotòniques de generació de senyals arbitràries de microones basades en estructures de filtrat fotònic.