大带宽集成光学电场传感器的频率分析范文

摘要：采用马赫－曾德尔光波导干涉仪与锥形天线阵列，研制了基于铌酸锂（LiNbO3）结构、可用于电力电场测量的大带宽电场传感器，并通过实验对传感器性能进行了测试。结果表明，该传感器在10kHz～18GHz的大带宽范围内，频响特性波动小于±10dB，最小可测电场强度达到0．4V／m，可测量场强达103V／m的纳秒脉冲电场。

关键词：集成光学传感器；电场传感器；脉冲电场测量；锥形天线阵列

0引言

电磁场强度测量在电力产业迅速发展的今天变得越发重要。目前，已有很多电磁场传感器应用于电场监测、电磁场兼容性测量与微波集成电路测试等领域。通常，电磁场脉冲（Electro－MagneticPulse，EMP）探测系统并不需要很高的灵敏度，但对带宽特性与频响特性要求较高。为了实现上述目标，人们采用了多种天线结构作为测量探头应用于电磁场脉冲测量领域［1－3］。但由于现有测量方式通常使用有源金属探头，这不仅会对被测电场产生干扰，还会使测量信号受到电磁噪声的干扰，从而无法测得正确结果。此外，现有天线结构由于其带宽特性存在缺陷，故无法同时满足对低频率（几十千赫兹）及超高频率（吉赫兹以上）纳秒电磁脉冲的测量。因此，在电磁场脉冲测量领域亟需一种抗电磁干扰、对被测电场干扰小、可实现大带宽电场测量的传感器［4－5］。利用铌酸锂（LiNbO3）马赫－曾德尔（Mach－Zehnder，M－Z）干涉仪集成光学波导元件研制的电光调制电场传感器，具有不会干扰被测电场、带宽大、器件工作特性稳定、体积小及易集成等优点。同时，还可通过光纤连接实现远距离控制与监测，避免由于电缆连接而造成的电磁干扰。因此，光波导电场传感器在电磁场测量领域具有广泛的应用前景［6－8］。鉴于集成光波导电场传感器所具备的多方面优势，本文提出了一种可用于大带宽电力电场测量的基于铌酸锂与M－Z干涉仪的锥形天线阵列结构的集成光学电场传感器，通过实验对传感器性能进行了测试。结果表明，该器件表现出了10kHz～18GHz的大带宽频响特性曲线。同时，该传感器也可用于纳秒电磁脉冲的测量。

1传感器结构

大带宽锥形天线阵列电场传感器结构，该传感器包含三个主要部分：激光器／偏振控制器模块、光探头模块与光电探测模块。传感器采用工作波长为1310nm的激光器，光源经偏振控制器后产生TE偏振模式光束。该光束经保偏（PolarizationMaintaining，PM）光纤耦合后进入光探头，并在经一段单模光纤（SingleModeFiber，SMF）传输后，在接收端由光电探测器进行检测。在上述模块中，最核心的部分为光探头模块。在该部分中，M－Z干涉仪采用退火质子交换技术制作于x切y传的LiNbO3晶体衬底上。为了保证光探头只传输TE模式光，在退火过程中，采用的质子交换源为苯甲酸掺杂少量的苯甲酸锂。随后，在M－Z干涉仪的其中一臂上，通过反应溅射法涂覆一层SiO2缓冲层，并在缓冲层上制作6对锥形天线。天线上层电镀金属铬（Cr），下层电镀金属金（Au），制作完成的M－Z干涉仪插入损耗为5dB，半波电压为5V，消光比为10dB。经前期数值模拟分析后，合理设计每对天线的长度与间隔，可对器件频响特性进行两方面改进。第一，锥形天线电阻值从天线底部至顶部逐渐增大，这可使天线尖端实现很小的折射率，甚至使折射率接近于零，从而避免驻波传输；第二，采用锥形天线加分段电极结构的设计（共设计6段锥形天线），可以降低器件的有效电容，从而在不影响传感灵敏度的情况下，大幅提高其测量带宽［9］。锥形天线阵列大带宽电场传感器工作原理如下：将传感器置于被测电场中，电场将在锥形天线上产生感应电压。该电压将对传感器中由锥形天线构成的M－Z干涉仪电极进行调制。激光器发出的光束通过M－Z干涉仪，并经被测电场调制后，携带电场信息，进入光电探测器。光电探测器对已调光信号进行接收，还原出被测电场，并通过频谱分析仪进行观测与参数测量。

2实验结果与分析

器件封装尺寸为85mm×15mm×10mm。对器件频率响应性能进行测试时，采用横电磁波（TransverseElectro－Magnetic，TEM）小室测量其1GHz以下的频响特性，采用GHzTEM（GTEM）小室测量其1GHz以上的频响特性。其中，外加电场强度为20V／m。传感器频响特性曲线在10kHz～1GHz范围内，波动小于±2dB；而在1～18GHz范围内，波动不超过±10dB。由此证明，器件在10kHz～18GHz的超大带宽范围内，频响特性良好，满足实际应用的要求。在TEM小室中，设定电场频率为1GHz，外加电场强度由0．4V／m变化至18．48V／m，进一步测得器件的灵敏度，其中系统外加噪声功率为－140dBm。传感器在0．4～18．48V／m（112～145．3dBμV／m）电场强度时，表现出了极好的线性度，其最小可测电场强度低至0．4V／m。在实际测试中，通常还可采用增大激光器发射功率的方式提高器件测试灵敏度。为了进一步分析传感器在脉冲电场中的工作特性。实验采用标准喇叭天线传输EMP信号进行测试。此时，传感器的放置位置应尽可能接近另一侧喇叭天线。实验中，由喇叭天线发出的电场强度值为103V／m，该电场将在每对锥形天线阵列中产生感应电压。激光器发出的光束在经过传感器时，受到感应电压的调制，已调光信号再经光电探测器进行接收。接收后的信号将通过示波器进行观察与分析。为方便进行波形比较，在传感器附近也放置一个喇叭天线用于接收空间电场，并将该电场输入示波器，用于同传感器的输出波形进行比较。由喇叭天线接收到的原电场波形与传感器的感应电场波形相比，二者波形形状与变化趋势近似相同，仅在幅值上有所差别，并存在一定的时延。这主要是由传感器与光电探测器的插入损耗、传输延迟与探测延迟造成的。对电场测量结果影响很小。因此，上述结果证明，本文所研制的集成光波导传感器可应用于EMP脉冲电场测量。

3结论

本文提出了一种基于光波导M－Z干涉仪与锥形天线阵列结构的大带宽集成光学电场传感器。经过实验验证，传感器表现出了预期的工作性能。结果表明，传感器的频响特性可达到10kHz～18GHz，频响特性波动小于±10dB，最小可测电场强度为0．4V／m，可以准确感应103V／m电场强度下的纳秒电场脉冲。因此，本文所研制的电场传感器可在不干扰被测电场的前提下，实现大带宽的电场测量，并可在实际应用中对EMP信号进行测量。

参考文献：

［1］郭起霖，钟伟锋，张浩川，等．智能电网中异构通信网络的自适应速率控制［J］．华南师范大学学报（自然科学版），2017，49（5）：26－30．

作者:陈博 尚博祥 刘晨 曹永盛 单位:国网天津市电力公司信息通信公司