大帶寬集成光學電場傳感器的頻率分析范文

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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(nèi)，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(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的今天變得越發(fā)重要。目前，已有很多電磁場傳感器應用于電場監(jiān)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(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)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(chǎn)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(xiàn)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(xiàn)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(diào)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(wěn)定、體積小及易集成等優(yōu)點。同時，還可通過光纖連接實現(xiàn)遠距離控制與監(jiān)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(yōu)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(xiàn)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(jīng)偏振控制器后產(chǎn)生TE偏振模式光束。該光束經(jīng)保偏（PolarizationMaintaining，PM）光纖耦合后進入光探頭，并在經(jīng)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(zhì)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(zhì)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(jīng)前期數(shù)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(xiàn)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(chǎn)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(diào)制。激光器發(fā)出的光束通過M－Z干涉儀，并經(jīng)被測電場調(diào)制后，攜帶電場信息，進入光電探測器。光電探測器對已調(diào)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(shù)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(nèi)，波動小于±2dB；而在1～18GHz范圍內(nèi)，波動不超過±10dB。由此證明，器件在10kHz～18GHz的超大帶寬范圍內(nèi)，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(tǒng)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(xiàn)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(fā)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(fā)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(chǎn)生感應電壓。激光器發(fā)出的光束在經(jīng)過傳感器時，受到感應電壓的調(diào)制，已調(diào)光信號再經(jīng)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(jīng)過實驗驗證，傳感器表現(xiàn)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(xiàn)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(wǎng)中異構通信網(wǎng)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(wǎng)天津市電力公司信息通信公司