专利名称：宽频带、无源电光式瞬态电磁场测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种瞬态电磁场测量系统，尤其是涉及一种宽频带、无源电光式瞬态电磁场测量系统。
背景技术：
中，在电磁兼容、电磁脉冲等研究领域中，要求提供一种宽频带、探头小体积，无源化的电磁场测量系统。目前对于瞬态电磁场测试，较常采用下述两种方法实现全波形的测量1、采用棒状单极子、网拍、球状天线等感应空间电场信号，配以有源射极跟随器或差分放大器，用高频同轴电缆传输信号；2、基于半导体激光器的有源光纤传输系统，将天线感应的空间电场信号转换为电压(电流)信号，并驱动线性区工作的激光器，实现电一光转换，在终端再将光信号转换为电信号。这两种方法通常用来测量频带不太宽、大空间内的脉冲电磁场，但因其体积大、带有有源电路等方面的限制，对于复杂电磁环境条件下尤其是小空间内的场测量很难实现。同时，因受驱动电路的影响，带宽也不可能做得很高。
本发明的目的在于克服上述背景技术中的不足之处，提供一种宽频带、无源电光式瞬态电磁场测量系统，它抗电磁干扰能力强，探头部分无源化、体积小、宽频带，解决了传统测量手段难以实现的复杂电磁环境及小空间内的空间场的测量问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术解决方案如下一种宽频带、无源电光式瞬态电磁场测量系统，其特殊之处在于包括依次相连的激光光源、偏振控制器、传感器、光电变换器和数字示波器，传感器与激光光源以及与光电变换器之间均采用传输光缆连接。
上述传感器可包括集总参数类型的铌酸锂集成光波导调制器，其采用双组电极结构，包括信号电极和偏置电极，分别用于信号传感测试和光束偏振状态调整，其中信号电极为上下对称方式，与偶极天线连接。
上述偶极天线可以是位于同一条直线上的两根金属棒，其分别与两个信号电极连接。
上述偏振控制器可以是波片组合式单模光纤偏振控制器。
上述激光光源中激光器输出光波波长可以是1.3μm，其连续波最大输出功率为0.3mW。
上述传输光缆可以是1.3μm波长的单模光缆。
图1为本发明系统组成方框图；图2为传感器内部调制器电极结构图；图3为传感器等效电路图；图4为系统频率响应曲线图；图5为系统输出幅值响应曲线图；图6为系统输出与激光功率大小依赖关系曲线图；图7为系统输出与偶极天线长度依赖关系曲线图。
参见图1和图2，包括依次相连的激光光源、偏振控制器、传感器、光电变换器和数字示波器，传感器与激光电源和光电变换器之间采用传输光缆连接。实际使用时，只将传感器置于被测场中，其余部分均放置在测试屏蔽室内。其中激光光源中激光器输出光波波长为1.3μm，其连续波最大输出光功率为3.0mW。偏振控制器为单模光纤偏振控制器，用来调整入射到传感器的光束偏振方向。传输光缆为两根1.3μm波长的单模光缆，一根单模光缆连接激光光源和传感器，另一根单模光纤连接传感器和光电变换器。传感器部分的核心部件是集总参数类型的铌酸锂光波导调制器，考虑到测试范围和偏振调节，调制器采用双组电极结构，其中信号电极1为上下对称式，半波电压较大，接偶极天线传感测试场信号。偏置电极2半波电压较小，与单模光纤偏振控制器配合使用，用于调节入射光束偏振态，它是全光学的，无需供电电源，体积很小。偶极天线采用金属铝棒或铜棒，两根金属棒位于同一条直线上，分别与集成光波导调制器两个信号电极1相接。光电变换器将调制的脉冲光信号变换为电信号，具有宽频带响应和大动态范围。示波器记录测试信号，根据被测信号特点选用采样频率满足要求，并具备存贮功能的数字示波器。
测量原理及系统分析
系统传感器部分的传感核心器件为集成光波导调制器，它基于铌酸锂(LiNbO3)晶体的电光效应原理，是一个输出光功率随所加电压成函数关系变化的干涉系统。连续激光注入单模光纤，调节单模光纤偏振控制器，形成线偏振光Pi，入射进调制器后，经分束分别进入两段光波导，每一束光均在调制电极下通过。当有外空间电场信号时，偶极子天线感应空间电磁信号产生的电压加到调制器电极上，形成横切这两束光的相反电场，使得两光程中的光波相位差发生了改变，经相位调制的两束光在第二个分支处再汇合进入输出段光波导，并干涉生成强度调制波，其输出光功率P0随感应电压信号V按下式的函数关系变化P0=Pi·Cos2(Δφ2)=Pi2·[1+Cos(φ+πVVπ)]]]>式中，Δφ为光出射时两光束总相位差，φ为两个干涉臂光程差引起的固有相移，Vπ为调制器的半波电压，当φ为π/2且V≤Vπ时，上式变为P0=Pi2·(1+πVVπ)]]>因此，光电变换器输出(去除直流分量)与感应电压V近似成线性关系，从而通过探测输出光强度就可以获得其幅度、相位信息。参见图3，图3所示为传感器部分的电学等效电路，对于瞬态电磁场测试，当在整个来波包含的频率范围内，均满足βh＜1时(β为波数，h为偶极天线长度的一半)，可将偶极子天线视为电小天线，天线阻抗近似为容抗。因此，为了使系统得到一个与频率无关的响应特性，在使用电小天线棒状偶极子时，其负载应该是电容性的。集成光波导调制器作为天线负载，设计时采用了Mach-Zehnder式集总参数强度调制器。传感器部分的电学等效电路如图3所示，图中ZL为调制器输入阻抗，Za为天线阻抗，he是偶极振子有效长度，Lm为金属棒天线和调制器电极之间的接触电感(在关心频带范围内，Lm相对为一小量，可忽略)。运用图3所示的等效电路，可推导出光电变换器输出Vr(t)与外加电场Ei(t)之间的关系为Vr(t)=α·he·Ei(t)Vπ(1+Cm/Ca)]]>其中α为包括光功率大小、光电变换器效率、调制器插入损耗和光纤损耗等在内的转换系数。
系统工作性能1、频度、幅值响应与灵敏度参见图4，选用2h＝155mm的天线配置，在横电磁波(TEM)小室和吉赫兹横电磁波(GTEM)小室内分别在0.1Hz～1MHz和500KHz～1GHz频段对全系统的频率响应进行了测定。测试时，在每个频率点上，调节功放增益，使传感器处的场强幅值均为100V/m，记录系统输出幅值，绘出如图4所示的频响曲线图。可以看出-3dB带宽约为0.1Hz～7MHz。参见图5，选取2h＝195mm(φ2)的天线配置，测定了系统的幅值响应，绘出如图5所示的系统输出幅值响应曲线图。可以看出，一直到约1200V/m的场强范围，系统显示出较理想的线性。当选取2h＝215mm的天线配置，激光输出功率为2.5mW，10米光纤传输时，系统最小可探测到0.5V/m的场强信号。
2、系统输出与光功率、偶极天线长度依赖关系参见图6，系统输出幅值与光功率依赖关系的实验在GTEM小室内进行。实验时，保持传感器处场强不变，调节激光器输出功率大小，记录系统输出电压幅值。由图6可以看出，随着光功率(＜3mW)的增大，系统输出幅值成线性增加，表明增大输入光功率可以有效地提高系统灵敏度。参见图7，系统输出幅值与偶极天线长度依赖关系的实验也在GTEM小室内进行。传感器位置的场强为100V/m，信号频率200MHz，保持输入光功率不变，改变偶极天线长度，测试光电探测器输出。从图7可以看出，在偶极天线长度小于175mm时，测量值几乎和计算值相同，传感器输出电压与偶极天线长度成线性比例。
与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下1、本发明具有抗干扰能力强、无源化、体积小、宽频带等优点，其动态范围约为60db，频率响应0.1Hz～700MHz，场强测试范围约V/m～KV/m，可用于复杂电磁环境下或小空间内的脉冲电磁场测量。
2、本发明设计合理，使用方便，具有较好的社会效益和经济效益。
权利要求
1.一种宽频带、无源电光式瞬态电磁场测量系统，其特征在于包括依次相连的激光光源，偏振控制器、传感器、光电变换器和数字示波器，传感器与激光源以及与光电变换器之间均采用传输光缆连接。
2.根据权利要求1所述的宽频带、无源电光式瞬态电磁场测量系统，其特征在于所述传感器包括集总参数类型的铌酸锂集成光波导调制器，其采用双组电极结构，包括信号电极(1)和偏置电极(2)，其中信号电极(1)为上下对称方式，与偶极天线连接。
3.根据权利要求2所述的宽频带、无源电光式瞬态电磁场测量系统，其特征在于所述偶极天线为位于同一条直线上的两根金属棒，其分别与两个信号电极连接。
4.根据权利要求3所述的宽频带、无源电光式瞬态电磁场测量系统，其特征在于所述偏振控制器为波片组合式单模光纤偏振控制器。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的宽频带、无源电光式瞬态电磁场测量系统，其特征在于所述激光光源中激光器输出光波波长为1.3μm，连续波最大输出光功率为3.0mW，所述传输光缆为1.3μm波长的单模光缆。
全文摘要
本发明涉及一种宽频带、无源电光式瞬态电磁场测量系统，它具有抗干扰能力强，探头部分无源化、体积小、宽频带的优点，可用于复杂电磁环境下或小空间内的脉冲电磁场测量。包括依次相连的激光光源、偏振控制器、传感器、光电变换器和数字示波器，传感器与偏振控制器以及光电变换器之间均采用传输光缆连接，传感器探头部分包括集成光波导调制器，其采用双组电极结构，其中信号电极与偶极天线连接。
文档编号G01R15/24GK1428609SQ01131849
公开日2003年7月9日 申请日期2001年12月28日 优先权日2001年12月28日
发明者谢彦召, 焦杰, 郑振兴, 孙蓓云, 祝敏, 周辉, 刘顺坤 申请人:西北核技术研究所