大帶寬集成光學電場傳感器的頻率分析范文

本站小編為你精心準備了大帶寬集成光學電場傳感器的頻率分析參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要：采用馬赫－曾德爾光波導干涉儀與錐形天線陣列，研制了基于鈮酸鋰（LiNbO3）結構、可用于電力電場測量的大帶寬電場傳感器，并通過實驗對傳感器性能進行了測試。結果表明，該傳感器在10kHz～18GHz的大帶寬范圍內，頻響特性波動小于±10dB，最小可測電場強度達到0．4V／m，可測量場強達103V／m的納秒脈沖電場。

關鍵詞：集成光學傳感器；電場傳感器；脈沖電場測量；錐形天線陣列

0引言

電磁場強度測量在電力產業迅速發展的今天變得越發重要。目前，已有很多電磁場傳感器應用于電場監測、電磁場兼容性測量與微波集成電路測試等領域。通常，電磁場脈沖（Electro－MagneticPulse，EMP）探測系統并不需要很高的靈敏度，但對帶寬特性與頻響特性要求較高。為了實現上述目標，人們采用了多種天線結構作為測量探頭應用于電磁場脈沖測量領域［1－3］。但由于現有測量方式通常使用有源金屬探頭，這不僅會對被測電場產生干擾，還會使測量信號受到電磁噪聲的干擾，從而無法測得正確結果。此外，現有天線結構由于其帶寬特性存在缺陷，故無法同時滿足對低頻率（幾十千赫茲）及超高頻率（吉赫茲以上）納秒電磁脈沖的測量。因此，在電磁場脈沖測量領域亟需一種抗電磁干擾、對被測電場干擾小、可實現大帶寬電場測量的傳感器［4－5］。利用鈮酸鋰（LiNbO3）馬赫－曾德爾（Mach－Zehnder，M－Z）干涉儀集成光學波導元件研制的電光調制電場傳感器，具有不會干擾被測電場、帶寬大、器件工作特性穩定、體積小及易集成等優點。同時，還可通過光纖連接實現遠距離控制與監測，避免由于電纜連接而造成的電磁干擾。因此，光波導電場傳感器在電磁場測量領域具有廣泛的應用前景［6－8］。鑒于集成光波導電場傳感器所具備的多方面優勢，本文提出了一種可用于大帶寬電力電場測量的基于鈮酸鋰與M－Z干涉儀的錐形天線陣列結構的集成光學電場傳感器，通過實驗對傳感器性能進行了測試。結果表明，該器件表現出了10kHz～18GHz的大帶寬頻響特性曲線。同時，該傳感器也可用于納秒電磁脈沖的測量。

1傳感器結構

大帶寬錐形天線陣列電場傳感器結構，該傳感器包含三個主要部分：激光器／偏振控制器模塊、光探頭模塊與光電探測模塊。傳感器采用工作波長為1310nm的激光器，光源經偏振控制器后產生TE偏振模式光束。該光束經保偏（PolarizationMaintaining，PM）光纖耦合后進入光探頭，并在經一段單模光纖（SingleModeFiber，SMF）傳輸后，在接收端由光電探測器進行檢測。在上述模塊中，最核心的部分為光探頭模塊。在該部分中，M－Z干涉儀采用退火質子交換技術制作于x切y傳的LiNbO3晶體襯底上。為了保證光探頭只傳輸TE模式光，在退火過程中，采用的質子交換源為苯甲酸摻雜少量的苯甲酸鋰。隨后，在M－Z干涉儀的其中一臂上，通過反應濺射法涂覆一層SiO2緩沖層，并在緩沖層上制作6對錐形天線。天線上層電鍍金屬鉻（Cr），下層電鍍金屬金（Au），制作完成的M－Z干涉儀插入損耗為5dB，半波電壓為5V，消光比為10dB。經前期數值模擬分析后，合理設計每對天線的長度與間隔，可對器件頻響特性進行兩方面改進。第一，錐形天線電阻值從天線底部至頂部逐漸增大，這可使天線尖端實現很小的折射率，甚至使折射率接近于零，從而避免駐波傳輸；第二，采用錐形天線加分段電極結構的設計（共設計6段錐形天線），可以降低器件的有效電容，從而在不影響傳感靈敏度的情況下，大幅提高其測量帶寬［9］。錐形天線陣列大帶寬電場傳感器工作原理如下：將傳感器置于被測電場中，電場將在錐形天線上產生感應電壓。該電壓將對傳感器中由錐形天線構成的M－Z干涉儀電極進行調制。激光器發出的光束通過M－Z干涉儀，并經被測電場調制后，攜帶電場信息，進入光電探測器。光電探測器對已調光信號進行接收，還原出被測電場，并通過頻譜分析儀進行觀測與參數測量。

2實驗結果與分析

器件封裝尺寸為85mm×15mm×10mm。對器件頻率響應性能進行測試時，采用橫電磁波（TransverseElectro－Magnetic，TEM）小室測量其1GHz以下的頻響特性，采用GHzTEM（GTEM）小室測量其1GHz以上的頻響特性。其中，外加電場強度為20V／m。傳感器頻響特性曲線在10kHz～1GHz范圍內，波動小于±2dB；而在1～18GHz范圍內，波動不超過±10dB。由此證明，器件在10kHz～18GHz的超大帶寬范圍內，頻響特性良好，滿足實際應用的要求。在TEM小室中，設定電場頻率為1GHz，外加電場強度由0．4V／m變化至18．48V／m，進一步測得器件的靈敏度，其中系統外加噪聲功率為－140dBm。傳感器在0．4～18．48V／m（112～145．3dBμV／m）電場強度時，表現出了極好的線性度，其最小可測電場強度低至0．4V／m。在實際測試中，通常還可采用增大激光器發射功率的方式提高器件測試靈敏度。為了進一步分析傳感器在脈沖電場中的工作特性。實驗采用標準喇叭天線傳輸EMP信號進行測試。此時，傳感器的放置位置應盡可能接近另一側喇叭天線。實驗中，由喇叭天線發出的電場強度值為103V／m，該電場將在每對錐形天線陣列中產生感應電壓。激光器發出的光束在經過傳感器時，受到感應電壓的調制，已調光信號再經光電探測器進行接收。接收后的信號將通過示波器進行觀察與分析。為方便進行波形比較，在傳感器附近也放置一個喇叭天線用于接收空間電場，并將該電場輸入示波器，用于同傳感器的輸出波形進行比較。由喇叭天線接收到的原電場波形與傳感器的感應電場波形相比，二者波形形狀與變化趨勢近似相同，僅在幅值上有所差別，并存在一定的時延。這主要是由傳感器與光電探測器的插入損耗、傳輸延遲與探測延遲造成的。對電場測量結果影響很小。因此，上述結果證明，本文所研制的集成光波導傳感器可應用于EMP脈沖電場測量。

3結論

本文提出了一種基于光波導M－Z干涉儀與錐形天線陣列結構的大帶寬集成光學電場傳感器。經過實驗驗證，傳感器表現出了預期的工作性能。結果表明，傳感器的頻響特性可達到10kHz～18GHz，頻響特性波動小于±10dB，最小可測電場強度為0．4V／m，可以準確感應103V／m電場強度下的納秒電場脈沖。因此，本文所研制的電場傳感器可在不干擾被測電場的前提下，實現大帶寬的電場測量，并可在實際應用中對EMP信號進行測量。

參考文獻：

［1］郭起霖，鐘偉鋒，張浩川，等．智能電網中異構通信網絡的自適應速率控制［J］．華南師范大學學報（自然科學版），2017，49（5）：26－30．

作者:陳博 尚博祥 劉晨 曹永盛 單位:國網天津市電力公司信息通信公司