随着通信技术的迅猛发展，电子系统业务量快速增加，高频率、大带宽、多频段一体化的技术需求对未来电子系统提出巨大挑战。作为射频接收前端核心模块，振荡器直接决定着通信系统的信号处理能力。鉴于传统微波振荡器在进一步提升相位噪声、频率调谐范围等指标方面的困难，引入微波与光子技术结合的光电振荡器(OptoelEctronic Oscillator，OEO)技术解决射频接收前端关键问题，已成为一个重要研究方向。本文以5G通信系统射频接收前端为应用背景，建立了耦合式光电振荡器(Coupled OptoelEctronic Oscillator，COEO)的相位噪声相位域以及频率调谐模型，进而深入研究了宽带频率可调谐COEO的关键技术与系统设计。结合本振对微波光子下变频系统影响的量化模型，设计了一种双本振架构的微波光子下变频系统，同时验证了可调谐COEO的性能。本文具体工作如下：
　　(1)为实现COEO的宽带可调，首次提出一种压控可调光纤法布里泊罗耦合式光电振荡器(Fiber Fabry-Perot Coupled OptoelEctronic Oscillator，FFP-COEO)的设计方案。振荡器无需激光光源提供能量，通过电压控制法布里泊罗腔腔长，进而改变起振频率，实现COEO频率可调。振荡器工作带宽为24-38GHz，在输出频率为24GHz时，边模抑制比可达47.4dB，输出功率大于11dBm，能够为基于正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)的5G新空口(5G New Ratio，5G NR)FR2波段(24.2-52.6 GHz)提供高性能本振信号。
　　(2)结合5GNR通信FR1频段(450MHz-6GHz)应用需求，设计了一种基于光纤光栅Sagnac环的低相位噪声频率可调COEO。通过调节光纤光栅Sagnac环臂长差和光谱波长间隔改变起振频率，振荡器工作带宽为1.3-18.3GHz，频率调谐步长20.2MHz/0.01mm。通过改进光环路滤波性能以及增加二次锁模环路，进一步优化了系统的相位噪声，在产生18.3GHz微波信号时，振荡器的相位噪声仅为-126dBc/Hz@10KHz。
　　(3)深入分析了本振对微波光子下变频系统的影响，建立了本振直流偏置电压及相位噪声对微波光子下变频系统影响的量化模型，并通过Optisystem软件仿真及数据分析对模型进行了验证，可为微波光子下变频系统设计提供参考。
　　(4)针对5GNR通信FR1频段(450MHz-6GHz)，结合量化模型，设计了一种基于光纤光栅Sagnac的可调COEO与微波压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator，VCO)的双本振结构微波光子下变频系统，并通过实验对系统各通路性能进行了验证。系统采用复用本振源架构，通过鉴频鉴相器(Phase Frequency Detector，PFD)以及电压比较器将接收到的射频信号划分为高、低频段，由比较器输出控制光开关选择本振。双本振结构微波光子下变频系统既解决了光电振荡器难以提供低频本振信号的问题，同时也可以根据不同通信频段的需要，增减本振通路数量，实现系统接收频段的拓展。该架构的微波光子下变频系统具有较强的可重构性。
　　本文研究了应用于5G通信的耦合式光电振荡器，采用光环路替代激光光源结构，通过调节梳状滤波腔参数改变输出光谱模式间隔，从而达到宽带调谐目的。与现有OEO相比，具有低相噪、宽带可调等显著优势。此外，结合本振源对微波光子下变频系统影响的量化模型，通过设计双本振结构微波光子下变频系统，进一步验证了宽带频率可调谐COEO的性能优势。论文研究成果将有助于推动5G通信系统的发展应用。