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摘要：采用馬赫－曾德?tīng)柟獠▽?dǎo)干涉儀與錐形天線陣列，研制了基于鈮酸鋰（LiNbO3）結(jié)構(gòu)、可用于電力電場(chǎng)測(cè)量的大帶寬電場(chǎng)傳感器，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)傳感器性能進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，該傳感器在10kHz～18GHz的大帶寬范圍內(nèi)，頻響特性波動(dòng)小于±10dB，最小可測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到0．4V／m，可測(cè)量場(chǎng)強(qiáng)達(dá)103V／m的納秒脈沖電場(chǎng)。

關(guān)鍵詞：集成光學(xué)傳感器；電場(chǎng)傳感器；脈沖電場(chǎng)測(cè)量；錐形天線陣列

0引言

電磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)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(chǎng)傳感器應(yīng)用于電場(chǎng)監(jiān)測(cè)、電磁場(chǎng)兼容性測(cè)量與微波集成電路測(cè)試等領(lǐng)域。通常，電磁場(chǎng)脈沖（Electro－MagneticPulse，EMP）探測(cè)系統(tǒng)并不需要很高的靈敏度，但對(duì)帶寬特性與頻響特性要求較高。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，人們采用了多種天線結(jié)構(gòu)作為測(cè)量探頭應(yīng)用于電磁場(chǎng)脈沖測(cè)量領(lǐng)域［1－3］。但由于現(xiàn)有測(cè)量方式通常使用有源金屬探頭，這不僅會(huì)對(duì)被測(cè)電場(chǎng)產(chǎn)生干擾，還會(huì)使測(cè)量信號(hào)受到電磁噪聲的干擾，從而無(wú)法測(cè)得正確結(jié)果。此外，現(xiàn)有天線結(jié)構(gòu)由于其帶寬特性存在缺陷，故無(wú)法同時(shí)滿足對(duì)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(cè)量。因此，在電磁場(chǎng)脈沖測(cè)量領(lǐng)域亟需一種抗電磁干擾、對(duì)被測(cè)電場(chǎng)干擾小、可實(shí)現(xiàn)大帶寬電場(chǎng)測(cè)量的傳感器［4－5］。利用鈮酸鋰（LiNbO3）馬赫－曾德?tīng)枺∕ach－Zehnder，M－Z）干涉儀集成光學(xué)波導(dǎo)元件研制的電光調(diào)制電場(chǎng)傳感器，具有不會(huì)干擾被測(cè)電場(chǎng)、帶寬大、器件工作特性穩(wěn)定、體積小及易集成等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，還可通過(guò)光纖連接實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制與監(jiān)測(cè)，避免由于電纜連接而造成的電磁干擾。因此，光波導(dǎo)電場(chǎng)傳感器在電磁場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景［6－8］。鑒于集成光波導(dǎo)電場(chǎng)傳感器所具備的多方面優(yōu)勢(shì)，本文提出了一種可用于大帶寬電力電場(chǎng)測(cè)量的基于鈮酸鋰與M－Z干涉儀的錐形天線陣列結(jié)構(gòu)的集成光學(xué)電場(chǎng)傳感器，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)傳感器性能進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)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(shí)，該傳感器也可用于納秒電磁脈沖的測(cè)量。

1傳感器結(jié)構(gòu)

大帶寬錐形天線陣列電場(chǎng)傳感器結(jié)構(gòu)，該傳感器包含三個(gè)主要部分：激光器／偏振控制器模塊、光探頭模塊與光電探測(cè)模塊。傳感器采用工作波長(zhǎng)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(jìn)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(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。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(shù)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(guò)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(guò)反應(yīng)濺射法涂覆一層SiO2緩沖層，并在緩沖層上制作6對(duì)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(shè)計(jì)每對(duì)天線的長(zhǎng)度與間隔，可對(duì)器件頻響特性進(jìn)行兩方面改進(jìn)。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(shí)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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)（共設(shè)計(jì)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(cè)量帶寬［9］。錐形天線陣列大帶寬電場(chǎng)傳感器工作原理如下：將傳感器置于被測(cè)電場(chǎng)中，電場(chǎng)將在錐形天線上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。該電壓將對(duì)傳感器中由錐形天線構(gòu)成的M－Z干涉儀電極進(jìn)行調(diào)制。激光器發(fā)出的光束通過(guò)M－Z干涉儀，并經(jīng)被測(cè)電場(chǎng)調(diào)制后，攜帶電場(chǎng)信息，進(jìn)入光電探測(cè)器。光電探測(cè)器對(duì)已調(diào)光信號(hào)進(jìn)行接收，還原出被測(cè)電場(chǎng)，并通過(guò)頻譜分析儀進(jìn)行觀測(cè)與參數(shù)測(cè)量。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

器件封裝尺寸為85mm×15mm×10mm。對(duì)器件頻率響應(yīng)性能進(jìn)行測(cè)試時(shí)，采用橫電磁波（TransverseElectro－Magnetic，TEM）小室測(cè)量其1GHz以下的頻響特性，采用GHzTEM（GTEM）小室測(cè)量其1GHz以上的頻響特性。其中，外加電場(chǎng)強(qiáng)度為20V／m。傳感器頻響特性曲線在10kHz～1GHz范圍內(nèi)，波動(dòng)小于±2dB；而在1～18GHz范圍內(nèi)，波動(dòng)不超過(guò)±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(shí)際應(yīng)用的要求。在TEM小室中，設(shè)定電場(chǎng)頻率為1GHz，外加電場(chǎng)強(qiáng)度由0．4V／m變化至18．48V／m，進(jìn)一步測(cè)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(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，表現(xiàn)出了極好的線性度，其最小可測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度低至0．4V／m。在實(shí)際測(cè)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(cè)試靈敏度。為了進(jìn)一步分析傳感器在脈沖電場(chǎng)中的工作特性。實(shí)驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線傳輸EMP信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。此時(shí)，傳感器的放置位置應(yīng)盡可能接近另一側(cè)喇叭天線。實(shí)驗(yàn)中，由喇叭天線發(fā)出的電場(chǎng)強(qiáng)度值為103V／m，該電場(chǎng)將在每對(duì)錐形天線陣列中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。激光器發(fā)出的光束在經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)，受到感應(yīng)電壓的調(diào)制，已調(diào)光信號(hào)再經(jīng)光電探測(cè)器進(jìn)行接收。接收后的信號(hào)將通過(guò)示波器進(jìn)行觀察與分析。為方便進(jìn)行波形比較，在傳感器附近也放置一個(gè)喇叭天線用于接收空間電場(chǎng)，并將該電場(chǎng)輸入示波器，用于同傳感器的輸出波形進(jìn)行比較。由喇叭天線接收到的原電場(chǎng)波形與傳感器的感應(yīng)電場(chǎng)波形相比，二者波形形狀與變化趨勢(shì)近似相同，僅在幅值上有所差別，并存在一定的時(shí)延。這主要是由傳感器與光電探測(cè)器的插入損耗、傳輸延遲與探測(cè)延遲造成的。對(duì)電場(chǎng)測(cè)量結(jié)果影響很小。因此，上述結(jié)果證明，本文所研制的集成光波導(dǎo)傳感器可應(yīng)用于EMP脈沖電場(chǎng)測(cè)量。

3結(jié)論

本文提出了一種基于光波導(dǎo)M－Z干涉儀與錐形天線陣列結(jié)構(gòu)的大帶寬集成光學(xué)電場(chǎng)傳感器。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，傳感器表現(xiàn)出了預(yù)期的工作性能。結(jié)果表明，傳感器的頻響特性可達(dá)到10kHz～18GHz，頻響特性波動(dòng)小于±10dB，最小可測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度為0．4V／m，可以準(zhǔn)確感應(yīng)103V／m電場(chǎng)強(qiáng)度下的納秒電場(chǎng)脈沖。因此，本文所研制的電場(chǎng)傳感器可在不干擾被測(cè)電場(chǎng)的前提下，實(shí)現(xiàn)大帶寬的電場(chǎng)測(cè)量，并可在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)EMP信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。

參考文獻(xiàn)：

［1］郭起霖，鐘偉鋒，張浩川，等．智能電網(wǎng)中異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)速率控制［J］．華南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，49（5）：26－30．

作者:陳博 尚博祥 劉晨 曹永盛 單位:國(guó)網(wǎng)天津市電力公司信息通信公司