CN1096610C - 电场传感器 - Google Patents

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Abstract

电场传感器具有能使透过光的强度随接收用天线接收的输入信号的电场强度的变化而变化的电场传感器探头。该探头具有入射光波导，其折射率随电场强度的变化而变化的2个相移光波导、出射光波导和至少在2个相移光波导中的任意一方附近形成的调制电极。电场传感器还有连接在调制电极与接收用天线间的谐振电路，且调制电极的膜厚为1μm。调制电极也可以由沿光传播方向设置并且通过电容耦合的多个分电极构成。接收用天线最好用低辐射电阻天线构成。

Description

电场传感器
技术领域
本发明涉及用于测量在空间传播的电磁波信号的电场强度的电场传感器。
背景技术
图1是现有的电场传感器的主要部分的正视图。该电场传感器包括接收用天线101、电场传感器探头102、入射光纤103、出射光纤104、光源(图中未示出)和光检测器(图中未示出)。
所述接收用天线101接收输入信号。所述电场传感器探头102能使透过的光的强度随所述接收用天线101接收的输入信号的电场强度的变化而变化。所述入射光纤103和所述出射光纤104与所述电场传感器探头102连接。所述光源与所述入射光纤103的一端连接，并且，向该入射光纤103发射光。所述光检测器通过所述出射光纤104接收来自电场传感器探头102的透过光并检测所述透过光。
所述电场传感器探头102包括基板105、入射光波导106、两个相移光波导107、出射光波导108和调制电极109。所述入射光波导106在所述基板105上形成，用以与所述入射光纤103连接。所述相移光波导107在所述基板105上形成，用来将入射光波导106分成两支。所述出射光波导108在所述基板105上形成，用以与所述出射光纤104连接，并且，将所述两个相移光波导107汇合。所述调制电极109在所述两个相移光波导107的附近形成，并且与所述接收用天线101连接。
但是，在所述电场传感器中，存在灵敏度比较低的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供灵敏度高的电场传感器。
按照本发明的一个方面，一种电场传感器，包括：
一个用于接收输入信号的接收用天线；
一个电场传感器探头，用于使透过该探头的传播光束的强度随所述输入信号的电场强度的变化而变化；
一个入射光纤和一个出射光纤，所述入射和出射光纤两者连接至所述电场传感器探头；
一个与所述入射光纤的一端连接并向该入射光纤发射作为所述传播光束的光源；
一个通过所述出射光纤接收来自所述电场传感器探头的传播光束以检测所述传播光束的光检测器；
所述电场传感器探头包括一个基板、一个在所述基板上形成的用来与所述入射光纤连接的入射光波导、两个在所述基板上形成并且从所述入射光波导分支的具有随所述电场强度的变化而变化的折射率的相移光波导、一个在所述基板上形成以使其一端与所述出射光纤连接并其另一端与所述两个相移光波导汇合处的出射光波导、和至少一个在所述两个相移光波导的至少其中一个附近形成的调制电极，所述至少一个调制电极的膜厚不小于1μm；和
一个连接在所述至少一个调制电极和所述接收用天线之间的谐振电路元件，并且，其中所述谐振电路元件、所述电场传感器和所述接收用天线一起构成一个谐振装置。
按照本发明的另一个方面，一种电场传感器，包括：
一个用于接收输入信号的接收用天线；
一个电场传感器探头，用于使透过该探头的传播光束的强度随所述输入信号的电场强度的变化而变化；
一个入射光纤和一个出射光纤，所述入射和出射光纤两者连接至所述电场传感器探头；
一个与所述入射光纤的一端连接并向该入射光纤发射作为所述传播光束的光源；
一个通过所述出射光纤接收来自所述电场传感器探头(3)的传播光束以检测所述传播光束的光检测器；
所述电场传感器探头包括一个基板、一个在所述基板上形成的用来与所述入射光纤连接的入射光波导、两个在所述基板上形成并且从所述入射光波导分支的具有随所述电场强度的变化而变化的折射率的相移光波导、一个在所述基板上形成以使其一端与所述出射光纤连接并其另一端与所述两个相移光波导汇合处的出射光波导、和至少一个在所述两个相移光波导的至少其中一个附近形成的调制电极，所述至少一个调制电极包括沿光传播方向分离并通过电容耦合的多个分电极；和
一个连接在所述至少一个调制电极和所述接收用天线之间的谐振电路元件，并且，其中所述谐振电路元件、所述电场传感器和所述接收用天线一起构成一个谐振装置。
附图说明
图1是现有的电场传感器的主要部分的正视图；
图2是本发明的第1实施例的框图；
图3是本发明的第1实施例的主要部分的正视图；
图4是本发明的第1实施例中的包括接收用天线和电场传感器探头在内的谐振装置的等效电路图；
图5是本发明的第1实施例中的调制电极的膜厚与电场传感器探头的电阻之间的关系曲线图；
图6是本发明的第2实施例的主要部分的正视图；
图7是本发明的第2实施例中的接收用天线的斜视图；
图8是本发明的第3实施例的框图；
图9是本发明的第4实施例的框图；
图10是本发明的第5实施例的框图。
实施例详细描述
图2是本发明的第1实施例的主要部分的框图。如图2所示，本发明的电场传感器包括接收用天线1、谐振电路元件2、电场传感器探头3、入射光纤4、出射光纤5、光源6和光检测器7。
所述接收用天线1接收输入信号。所述电场传感器探头3通过所述谐振电路元件2与所述接收用天线1连接。所述电场传感器探头3通过所述谐振电路元件2接收来自所述接收用天线1的输入信号，能使透过的光的强度随电场强度的变化而变化。所述入射光纤4和所述出射光纤5与所述电场传感器探头3连接。所述光源6与所述入射光纤4的一端连接，并向该入射光纤4发射光。所述光检测器7通过所述出射光纤5接收来自所述电场传感器探头3的透过光，并检测所述透过光。
如图3所示，所述电场传感器探头3包括基板8、入射光波导9、两个相移光波导10、出射光波导11和调制电极12。所述入射光波导9在所述基板8上形成，用来与所述入射光纤4连接。所述两个相移光波导10在所述基板8上形成，是从所述入射光波导9分支出来的，并且其折射率随电场强度的变化而变化。所述出射光波导11在所述基板8上形成，用来与所述出射光纤5连接，并且将所述两个相移光波导10汇合。所述谐振电路元件2连接在所述调制电极12与所述接收用天线1之间。所述接收用天线1和谐振电路元件2通过电极衰减器13与调制电极12连接。
所述基板8由垂直于C轴切割的铌酸锂单晶片构成。在该基板8上扩散上钛，形成所述入射光波导9、所述相移光波导10和所述出射光波导11。来自所述入射光波导4的入射光入射到入射光波导9内后，分支到两个相移光波导10内。接收用天线1接收到输入信号时，该输入信号在调制电极12上感应出电压，在两个相移光波导10中产生沿深度方向其方向彼此相反的电场分量。
结果，在两个相移光波导10中，由于电光效应引起折射率变化，在两个相移光波导10中传播的光之间产生与外加电场的大小对应的相位差，这两束光汇合之后，在出射光波导11中合成出射光时，由于干涉，光强发生变化。即，出射到出射光纤5内的出射光的强度随外加的电场强度的变化而变化，所以，利用光检测器7测量该光强的变化，便可测量外加电场的强度。
通过使所述调制电极12的膜厚为1μm以上，并且，减小所述调制电极12的电阻，使由所述电场传感器探头3、所述接收用天线1和谐振电路元件2构成的谐振装置的Q值达到一定值(例如10)以上。该谐振装置的等效电路示于图4。在该谐振装置中，设所述电场传感器探头3的总电阻为re、总电感为Le、总电容为Ce，所述接收用天线1的辐射电阻为ra、输入信号的电压为V，并且，所述谐振电路元件2由电感为Lp的线圈构成。所述谐振电路元件2也可以由电容或者电容与电感耦合而构成。
作为本发明的第1实施例的电场传感器，为了放大加在所述调制电极12上的电压，将所述谐振电路元件2与所述调制电极12连接，构成所述谐振装置，通过提高该谐振装置的Q值(电压比)来提高灵敏度。
通常，设频率为f、电容为C、电阻为R，则谐振装置的Q值可以用Q＝1/(2πfCR)表示。
因此，本发明的第1实施例为了提高灵敏度，通过增厚所述调制电极12的膜厚来减小所述电场传感器探头3的总电阻。所述调制电极12的膜厚与所述电场传感器探头3的总电阻之间的关系用图5中的曲线A表示。在本发明的第1实施例中，所述调制电极12的膜厚大于1μm。
下面，参照图6说明本发明的第2实施例。
在图6所示的第2实施例中，所述调制电极12是由沿光传播方向设置并且通过电容耦合的多个电极12a、12b组合而成的。另外，所述电场接收用天线1是低辐射电阻天线。在第2实施例中，通过减小所述电场传感器探头3的总电容和减小电场接收用天线1的辐射电阻，来提高谐振电路装置的Q值，从而提高电场传感器的灵敏度。
如图6所示，所述两个调制电极12中的1侧电极由4个分电极12a构成。所述两个调制电极12中的另一侧电极由4个分电极12b构成。位于所述各分电极12a中的一端的分电极12a与接收用天线1连接。另外，位于所述各分电极12b中的另一端的分电极12b通过所述谐振电路元件2与所述接收用天线1连接。与所述接收用天线1连接的分电极12a、12b以外的分电极12a、12b两边分别成对地连接。
所述接收用天线1是一种低辐射电阻天线，是由约翰·克劳斯发明的8JK定向天线。该8JK定向天线由图7所示的基本形式构成，L＝λ/2(λ：电波的波长)的偶极子元件1a以W＝λ/8左右的窄间隔平行地排列。所述8JK定向天线以反相位激励，所以，元件1a的间隔W越窄，辐射电阻越小。
本发明的电场传感器也可以设置八木天线那样的波导器或反射器，这时，通过将电波集中可以提高电场传感器的灵敏度。
下面，说明本发明的多个具体的实施例。
先说明本发明的第1个具体的实施例。
所述基板8由铌酸锂晶片(Z片)形成。作为防止吸收光用的缓冲层，是用二氧化硅(SiO2)膜被敷在所述基板8的整个表面上，然后利用所述方法形成所述相移光波导10。在这两个相移光波导10上形成1对所述调制电极12。这时，用Au形成所述调制电极12，使所述电场传感器探头3的总电阻小于5Ω，使所述调制电极12的膜厚为1μm。另外，为了使所述电场传感器探头3的总电容为3pF，将调制电极12沿光传播方向分割为4部分(参见图6)。
利用网络分析器测量所述电场传感器3的电阻和电容时，电阻为5Ω(500MHz)，电容为3pF。另外，作为所述接收用天线1，作成使元件1a的间隔W为W＝λ/10、元件1a的长度L为L＝λ/2的8JK定向天线(参见图7)，利用网络分析器测量过该8JK定向天线的辐射电阻，该电阻为5Ω。
将所述谐振电路元件2和所述接收用的8JK定向天线与所述电场传感器探头3的所述调制电极12连接，测量电场的检测灵敏度时，结果表明，与现有的电场传感器相比，提高了与Q值相一致的灵敏度，对于500MHz的电波来说，电场强度为80dBμV/m时，光检测器7的检测信号输出为75dBμV。
下面，作成下述那样的现有的电场传感器(参见图1)，研究其灵敏度。
除了电极结构为单一电极，膜厚为1000A、接收用天线为半波偶极子天线的结构外，利用和本发明的电场传感器一样的材料和方法作成现有的电场传感器。
可是，利用网络分析器测量所述现有的电场传感器探头的电阻和电容时，电阻为50Ω(500MHz)，电容为12pF，并且，半波偶极子天线的辐射电阻为73Ω。
使所述光源6和光检测器7等的测量条件与所述实施例完全相同，研究电场检测灵敏度时，对于500MHz的电波来说，在本发明的实施例中，电场强度为80dBμV/m时，光检测器7的检测信号输出为55dBμV。
如上所述，本发明的电场传感器的灵敏度比现有的电场传感器高20dB。另外将利用本实施例作成的电场传感器与设有元件20的波导器的八木天线组合，可以进一步提高10dB以上的灵敏度。
另外，如果将调制电极12的膜厚增大到2倍以上时，电场传感器探头的总电阻将小于4Ω，总电容约为1.5P，能比所述实施例进一步改善15dB的灵敏度。
下面，说明本发明的第2个具体的实施例。
图8是在发送点与接收点分离的电视中继发射台的信号收发之间的传送系统中如所述第1个具体的实施例那样使用电场传感器的例子。该信号收发之间的传送系统具有和图2所示的第1实施例中相同符号的主要构成部分。此外，该信号收发之间的传送系统还具有将来自出射光纤5的光变换为电信号的光电变换电路14、接收该光电变换电路14输出的信号的补偿电路15和接收该补偿电路15的输出信号的变换放大电路16。所述变换放大电路16通过补偿电路15接收光电变换电路14的输出信号后，变换为IF信号(中频信号)传送给发射机。这样，由于利用微弱的RF信号便可直接调制光信号，所以，在接收端不需要电源。
下面，说明本发明的第3个具体的实施例。
图9是将本发明与外加高频和高电压的机器绝缘使用的例子。
为了节约经费，STL的接收用抛物面天线1b在多数情况下如图9所示，安装在100m左右的中波天线17上。这时，高频和高电压便加在中波天线17上。所述电场传感器探头3通过球间隙18接地。中波发射器19与所述电场传感器探头3和所述球间隙18的连接点相连接。如果使用本发明的电场传感器，便可如图9所示，不需要绝缘共用器，从而可以节约费用。
下面，说明本发明的第4个具体的实施例。
图10是将本发明用于有线线路的防止雷击灾害的例子。在本例中，所述电场传感器探头3通过避雷器21和终端电阻22与外部有线线路20连接。如果使用本发明的电场传感器，由于信号收发之间可以实现电气分离，所以，可以防止由于雷击等损坏接收端的机器。
另外，在以上的实施例中，还可以采用这样的结构，即采用将反射器设置在电场传感器探头的相移光波导的出射侧，使反射光折回出射的反射型结构，可使入射光纤和出射光纤公用。

Claims (7)

1.一种电场传感器，包括：
一个用于接收输入信号的接收用天线(1)；
一个电场传感器探头(3)，用于使透过该探头的传播光束的强度随所述输入信号的电场强度的变化而变化；
一个入射光纤(4)和一个出射光纤(5)，所述入射和出射光纤两者连接至所述电场传感器探头(3)；
一个与所述入射光纤(4)的一端连接并向该入射光纤(4)发射作为所述传播光束的光源(6)；
一个通过所述出射光纤(5)接收来自所述电场传感器探头(3)的传播光束以检测所述传播光束的光检测器(7)；
所述电场传感器探头(3)包括一个基板(8)、一个在所述基板(8)上形成的用来与所述入射光纤(4)连接的入射光波导(9)、两个在所述基板(8)上形成并且从所述入射光波导(9)分支的具有随所述电场强度的变化而变化的折射率的相移光波导(10)、一个在所述基板(8)上形成以使其一端与所述出射光纤(5)连接并其另一端与所述两个相移光波导(10)汇合处的出射光波导(11)、和至少一个在所述两个相移光波导(10)的至少其中一个附近形成的调制电极(12)，所述至少一个调制电极(12)的膜厚不小于1μm；和
一个连接在所述至少一个调制电极(12)和所述接收用天线(1)之间的谐振电路元件(2)，并且，其中所述谐振电路元件、所述电场传感器和所述接收用天线一起构成一个谐振装置。
2.按照权利要求1所述的电场传感器，其特征在于，所述至少一个调制电极(12)包括沿光传播方向分离并且通过电容耦合的多个分电极。
3.按照权利要求1所述的电场传感器，其特征在于，所述接收用天线(1)包括一个低辐射电阻天线。
4.按照权利要求1所述的电场传感器，其特征在于，一个波导器和一个反射器的至少其中之一耦合到所述电场传感器。
5.一种电场传感器，包括：
一个用于接收输入信号的接收用天线(1)；
一个电场传感器探头(3)，用于使透过该探头的传播光束的强度随所述输入信号的电场强度的变化而变化；
一个入射光纤(4)和一个出射光纤(5)，所述入射和出射光纤两者连接至所述电场传感器探头(3)；
一个与所述入射光纤(4)的一端连接并向该入射光纤(4)发射作为所述传播光束的光源(6)；
一个通过所述出射光纤(5)接收来自所述电场传感器探头(3)的传播光束以检测所述传播光束的光检测器(7)；
所述电场传感器探头(3)包括一个基板(8)、一个在所述基板(8)上形成的用来与所述入射光纤(4)连接的入射光波导(9)、两个在所述基板(8)上形成并且从所述入射光波导(9)分支的具有随所述电场强度的变化而变化的折射率的相移光波导(10)、一个在所述基板(8)上形成以使其一端与所述出射光纤(5)连接并其另一端与所述两个相移光波导(10)汇合处的出射光波导(11)、和至少一个在所述两个相移光波导(10)的至少其中一个附近形成的调制电极(12)，所述至少一个调制电极(12)包括沿光传播方向分离并通过电容耦合的多个分电极；和
一个连接在所述至少一个调制电极(12)和所述接收用天线(1)之间的谐振电路元件(2)，并且，其中所述谐振电路元件、所述电场传感器和所述接收用天线一起构成一个谐振装置。
6.按照权利要求5所述的电场传感器，其特征在于，所述接收用天线(1)包括一个低辐射电阻天线。
7.按照权利要求5所述的电场传感器，其特征在于，一个波导器和一个反射器的至少其中之一耦合到所述电场传感器。
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