CN108957153A - 一种平行板型天线集成光波导全向电场传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种平行板型天线集成光波导全向电场传感器，属于电场测量技术领域。本发明提供的集成光波导全向MZI型全向电场传感器由六片LiNbO3晶片粘固成一个方形体。其中，分别在前、后、下三片LiNbO3晶片内表面上制作反射式集成光波导MZI和调制电极，并在三片晶片末端端面制作反射膜；在上、下、前、后、左、右六片LiNbO3晶片外表面上制作金属薄膜，构成两两互相垂直的三对平行板型天线，平行板型天线和调制电极之间使用连接导线连接在一起。本发明提供的平行板型天线集成光波导全向电场传感器具有体积小、灵敏度高、低频特性好的优点，并且接收天线具有全向性，能对任意方向的电场进行探测。
Description
技术领域
本发明涉及一种平行板型天线集成光波导全向电场传感器，属于电场测量技术领域。
背景技术
雷电脉冲场、间隙放电电场、电晕放电电场、快速暂态过电压等都会直接或间接影响电力电子系统的稳定运行，尤其近年来随着我国超高压、特高压输变电技术的推广应用，暂态电场对输变电系统的影响越来越显著。电场的测量理论与技术是研究这类暂态电场产生机理、获取电场特性参数，研究系统电磁防护措施、设计电气设备绝缘参数的重要基础。
传统的电场测量多采用电磁感应式全向电场传感器，这种电场传感器具有灵敏度高、成本低的优点，但是也存在体积大、对被测电场干扰大、全金属结构易受电磁干扰、需要外部供电等问题。以集成光学技术为基础的光波导全向电场传感器，利用晶体的电光效应，通过晶体基片中的光波导来检测空间电场信号，将电场信号调制到光载波上，使光强度随着被测电场相应地变化，再经过光电探测器转换后输出的电流信号即反映被检测的电场信号。采用先进的微光学加工工艺技术，使整个集成光波导电场测量系统变得小型化，并具有稳定、可靠、抗电磁干扰及微扰小等特点，从而实现测量系统的高性能。
但是，现有对集成光波导全向电场传感器的研究大多集中在如何提高传感器的带宽和灵敏度，以便适用于电磁兼容领域频率更高的射频电场测量。实际应用中，接收电磁波的天线往往要求高增益、方向性好，而在电磁兼容测试中，又要求接收天线具有全向性，对来自任何方向的电磁信号都能够探测。注意到上述高压工程领域中的暂态电场带宽宽（频谱分量主要分布在几十Hz到几百MHz），而现有的集成光波导全向电场传感器频率响应一般从几十kHz开始，低频响应较差。
因此，在高电压工程研究领域非常迫切需要研究一种集成光波导低频全向电场传感器，实现对频率在kHz以下的低频电场进行测量。
发明内容
本发明克服现有技术的不足，提供了一种平行板型天线集成光波导全向电场传感器，能够探测空间方向任意的电场，同时通过采用一种平行板型偶极子天线，增大了天线的时间常数，可实现对频率在kHz以下的低频电场进行测量。
本发明提供的一种平行板型天线集成光波导全向电场传感器，由上、下、前、后、左、右六片LiNbO3晶片粘固成一个方形体；分别在所述前、后、下三片LiNbO3晶片末端端面制作反射膜，并在它们的内表面上制作输入Y分支波导和直波导，以构成反射式集成光波导MZI（Mach Zehnder Interferometer, 马赫增德尔干涉仪，MZI），然后在反射式集成光波导MZI直波导臂两侧制作金属调制电极；分别在所述上、下、前、后、左、右六片LiNbO3晶片外表面上制作金属薄膜，形成由上和下，前和后，左和右的金属薄膜构成的三对两两互相垂直的平行板型偶极子天线，分别用于测量空间方向任意的电场的三个垂直分量。
六片LiNbO3晶片的表面上开孔，并通过导线将所述制作在六片LiNbO3晶片外表面上的三对两两互相垂直的平行板型偶极子天线，与所述制作在三片LiNbO3晶片内表面上的调制电极连接在一起。
其中六片LiNbO3晶片之间使用紫外胶粘固在一起，使用光纤与所述的制作有反射式集成光波导MZI的输入Y分支光波导耦合，进行传感器的光输入和光输出。
本发明提供的一种平行板型天线集成光波导全向电场传感器的有益效果是：
（1）通过采用平行板型偶极子天线，增大了传感器天线的时间常数，从而使传感器具有良好的低频响应特性；
（2）采用光刻等微光学的制作工艺技术将反射式集成光波导MZI及其调制电极制作在三片LiNbO3晶片的内表面上，同时将三对两两互相垂直的平行板型偶极子天线制作在六片LiNbO3晶片外表面上，使得传感器同时具有微型化、全向性的特点；
（3）采用晶体的电光效应和光波导来探测空间电场，不需要供电，很好地解决了传统电磁感应式全向电场传感器供电困难的问题。
附图说明
图1为本发明提供的平行板型天线集成光波导全向电场传感器结构图；
图2为本发明提供的平行板型天线集成光波导全向电场传感器前、后、下三片LiNbO3晶片内表面的结构示意图；
图3为本发明提供的平行板型天线集成光波导全向电场传感器六片LiNbO3晶片外表面的结构示意图；
图4为本发明提供的平行板型天线集成光波导全向电场传感器纵截面示意图；
图5为一种采用本发明提供的平行板型天线集成光波导全向电场传感器测量电场的系统框图；
图中各标号：1-LiNbO3晶片，2-金属薄膜，3-反射式集成光波导MZI，4-调制电极，5-导线，6-紫外胶，7-反射膜，8-单波长保偏激光源，9-保偏光纤，10-1×3保偏光耦合器，11-保偏光环形器，12-平行板型天线集成光波导全向电场传感器，13- 1×3光电转换模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明的内容并不限于所述范围。
实施例1：如图1-4所示，本发明提供的一种平行板型天线集成光波导全向电场传感器，由上、下、前、后、左、右六片LiNbO3晶片1粘固成方形体；其中分别在前、后、下三片LiNbO3晶片1的末端端面制作反射膜7，并在它们的内表面上采用质子交换技术制作由输入Y分支光波导和平行直波导构成的反射式集成光波导MZI 3，最后在直波导的臂两侧制作金属调制电极4；
在六片LiNbO3晶片1外表面上制作金属薄膜2，形成由上表面和下表面，前表面和后表面，左表面和右表面的金属薄膜2构成的三对两两互相垂直的平行板型偶极子天线，分别用于测量方向任意的电场的三个垂直分量；在六片LiNbO3晶片1的表面上开孔，三对两两互相垂直的平行板型偶极子天线和调制电极4之间使用导线5连接在一起。
其中六片LiNbO3晶片1之间是使用紫外固化胶6粘固在一起的，使用本传感器时，是通过光纤与反射式集成光波导MZI3的输入Y分支光波导耦合，进行传感器的光输入和光输出。
实施例2：如图5所示为，一种采用本发明提供的平行板型天线集成光波导全向电场传感器搭建的测量系，包括：
单波长保偏激光源8，用于产生线偏振光束；
保偏光纤9，用于将保偏光源8输出的线偏振光输入1×3的保偏光耦合器10；
1×3的保偏光耦合器10，用于将保偏光源8输出的光信号分成三部分；
保偏光环行器11，用于将光信号输入平行板型天线集成光波导全向电场传感器12，同时将平行板型天线集成光波导全向电场传感器12输出光输入1×3光电转换模块13；
平行板型天线集成光波导全向电场传感器12，用于接收空间被测电场信号；
1×3光电转换模块13，用于将平行板型天线集成光波导全向电场传感器12输出的己调光信号转换为电信号。
如图5所示，采用本发明提供的一种平行板型天线集成光波导全向电场传感器测量电场的具体原理是：
保偏激光源8产生的线偏振光经保偏光纤9输入1×3保偏光耦合器10分成三部分，再经保偏光环行器11输入平行板型天线集成光波导全向电场传感器12，当平行板型天线集成光波导全向电场传感器12接收到空间待测电场信号后，会在调制电极4之间形成感应电压，利用LiNbO3晶体1的电光效应，该电压将使反射式集成光波导MZI3的有效折射率发生相应地变化，从而使波导中传输的光波相位发生变化，再经过反射膜7反射后在输入Y分支波导处由干涉效应转化成光强度的变化，并经由保偏光环形器11输入1×3光电转换模块14转换成电信号输出，最后使用信号处理即可得到被测电场的信息。
如图5所示，采用本发明提供的平行板型天线集成光波导全向电场传感器12测量电场时，单波长保偏激光源8可采用光纤通信用中心波长1550 nm的半导体激光器。保偏光纤9可采用中心波长1550 nm的光纤通信用标准光纤，长度可根据实际信号传输距离需求而定。1×3保偏光耦合器10、保偏光环形器11可选用中心波长1550 nm的商用器件。3×1光电探测器13可根据实际测量需求选择商品化产品或自主研制。
本发明提供的一种平行板型天线集成光波导全向电场传感器：
（1）采用平行板天线一方面可增大天线的时间常数，从而使传感器具有很好的低频特性，以便用于测量频率在kHz以下的低频电场，另一方面采用平行板型天线相当于增加了天线的有效面积，从而可获得较高的测量灵敏度。
（2）采用微光学的制作工艺技术在六片LiNbO3晶片外表面上制作金属薄膜，构成三对两两互相垂直的平行板型天线，使传感器能测量空间任意方向的电场，具有全向性、微型化的特点。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本 发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (4)
1.一种平行板型天线集成光波导全向电场传感器，其特征在于，由六片LiNbO3晶片（1）粘固成一个方形体，在所述方形体的前面、后面和下面的三片LiNbO3晶片（1）的末端端面设置反射膜（7），并在它们的内表面上设置由输入Y分支波导和直波导构成的反射式集成光波导MZI（3），在反射式集成光波导MZI（3）直波导的臂两侧设置金属调制电极（4）；在所述方形体的六个面的外表面上设置有金属薄膜（2），构成三对两两互相垂直的平行板型偶极子天线，分别用于测量空间方向任意的电场的三个垂直分量。
2.根据权利要求1所述的平行板型天线集成光波导全向电场传感器，其特征在于，所述六片LiNbO3晶片（1）的表面上开孔，并通过导线（5）将所述制作在六片LiNbO3晶片（1）外表面上的三对两两互相垂直的平行板型偶极子天线，与所述制作在三片LiNbO3晶片（1）内表面上的调制电极（4）连接在一起。
3.根据权利要求1或2所述的平行板型天线集成光波导全向电场传感器，其特征在于，所述三对两两互相垂直的平行板型偶极子天线分别由方形体的上表面和下表面、前表面和后表面以及左表面和右表面的金属薄膜（2）构成。
4.根据权利要求1所述的平行板型天线集成光波导全向电场传感器，其特征在于，所述六片LiNbO3晶片（1）之间使用紫外胶（6）粘固在一起。
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