CN114184849A - 一种微波光子学接收天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种微波光子学接收天线，属于电场测量技术领域。微波光子学接收天线由微波光子学电场传感器与金属天线组成，天线端口采用一种开路馈电匹配方法，测量信号以光信号的形式通过光纤输出，解决了传统天线用电缆输出信号时抗干扰能力弱的问题，可以有效应用于复杂电磁环境下的电场信号测量中。
Description
技术领域
本发明属于电场信号测量技术领域，尤其涉及一种微波光子学接收天线技术。
背景技术
随着现代电子技术的发展，空间电磁环境日益复杂，电磁信号的测量与接收很容易受到主动或被动的电磁干扰的影响。传统电磁测量的方法是采用金属天线加同轴线馈电的模式，金属天线将感应到的空间电磁波转化为表面电流，作用到匹配电阻上形成电压信号，再经同轴线传输至信号处理系统。对于该种测量模式，由于同轴线在进行较长距离信号传输时损耗较大，并且即使在有屏蔽层的情况下也容易在传输过程中受到干扰，另外由于天线与信号处理系统之间通过电连接，当天线受到强电场干扰时很容易将干扰传输至后端从而对系统造成一定的损坏，因此这种测量模式不具备抗干扰能力。
随着光电技术的发展，基于电光效应的电光调制式电场传感器的出现，打开了电场测量领域的一片新天地。此类传感器基于某些晶体的电光效应，通过电光调制将电场信号转化为光信号，通过光纤传输到光电探测器，再由光电探测器转换成电信号。由于该类型传感器具有体积小，频带宽，抗干扰能力强，通过光纤传输，传输距离远且传输损耗小等特点，因此比天线加同轴线的方法在测量电场信号时具有一定优势。
发明内容
本发明提出了一种微波光子学接收天线，由微波光子学电场传感器和金属天线组成，与传统天线采用同轴线输出接收信号的方式截然不同，微波光子学接收天线端口采用一种开路的馈电匹配方法，其输出的是经过调制的光信号，因此具有传统金属天线所没有的抗电磁干扰的能力，能够用于在复杂电磁环境下的电场测量。本发明的具体技术方案如下：
一种微波光子学接收天线，由微波光子学电场传感器和金属天线组成，天线端口采用一种开路的馈电匹配方法，测量信号以光信号的形式由光纤输出。其中传感器置于金属天线的末端开口处，这里的金属天线可以为振子天线、贴片天线或喇叭天线，金属天线的末端开口处为开路，也就是其匹配阻抗必须为无穷大，传感器通过光纤来输入输出光信号。由于工作机制的不同，微波光子学接收天线分为直通式和反射式，直通式采用两路光纤，光信号通过光纤从传感器的一端进，另一端出；反射式采用光纤加光环行器的方式，光信号通过光纤从光环行器的端口1输入，从端口2输出至传感器，经反射后再从光环行器的端口2输入，从端口3输出。无论采用哪种方式，输入光纤都连接至光源，输出光纤连接至光接收机。
微波光子学接收天线的工作原理：在工作带宽范围内，金属天线将空间中传播的电磁场捕获并在端口处形成一个感应电压信号。其中，金属天线采用与传统天线不同的馈电方法——开路馈电匹配方法。电场传感器测量的是金属天线端口处的电场强度大小，在端口a、b之间的距离一定时，电场强度的大小取决于端口a、b之间的电动势Vab，这样电场传感器所测量的电场强度可以表示为
其中，d是端口a、b之间的距离。我们假设端口a、b之间有一个匹配阻抗ZL，则金属天线部分的等效电路为匹配阻抗ZL、电压源VA和输入阻抗Zin的串联。
由于电场传感器测量的是端口a、b之间的电场强度，当距离一定时，端口a、b之间的电压越大，测量的灵敏度就越高。当匹配阻抗ZL为无穷大，也就是开路的时候，端口a、b之间的电压值最大。此时
其中，Zin是金属天线在感应空间电磁波时的输入阻抗，VA是天线上的感应电压。
假设空间中待测电场信号为
Ed(t)＝E0cos(ωt) (3)其中，E0为场强峰值，则感应电压为
VA＝FEd(t)＝FE0cos(ωt) (4)其中，F是感应系数。则金属天线端口a、b之间的电场强度为
将一个连续光信号经输入光纤进入微波光子学电场传感器，金属天线端口a、b之间的电场信号会被传感器调制到光信号上。假设光源发出的光功率为Iin，则理论上经过传感器出射的光功率为
其中，k被称为探头的电光调制系数，也叫调制深度。经调制后的光信号经过输出光纤后由光接收机接收，光接收机进行信号处理后，最终会输出的电压信号为
其中，η是光电二极管的转化效率(若激光为1550nm，η通常在0.6～0.9A/W)，RL为光接收机中跨阻放大器的放大倍数，α为损耗因子。
可以看出，光接收机输出的电压信号Vs(t)与待测电场信号Ed(t)是线性关系，两者之间的系数通过天线校准得到。
本发明的有益效果在于：
1.本发明的方法在测量电场信号时具有抗电磁干扰的能力。
2.本发明的方法与传统天线测量法相比具有传输距离远、传输损耗小的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施案例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1为微波光子学接收天线示意图，其中的金属天线采用了喇叭天线，其中，(a)为直通式微波光子学接收天线的示意图，由输入输出光纤、微波光子学电场传感器和金属天线组成，微波光子学电场传感器置于金属天线端口处，端口a、b之间开路，其中Iin为输入光的光功率，Iout为输出光的光功率；(b)为反射式微波光子学接收天线的示意图，与直通式不同之处在于通过光环行器实现了光信号的输入输出，光信号通过光纤从光环行器的端口1输入，从端口2输出至传感器，经反射后从光环行器的端口2输入，从端口3输出。
图2为振子天线形式的微波光子学接收天线示意图，其中，(a)为直通式微波光子学接收天线的示意图，(b)为反射式微波光子学接收天线的示意图。
图3为贴片天线形式的微波光子学接收天线示意图，其中，(a)为直通式微波光子学收天线的示意图，(b)为反射式微波光子学接收天线的示意图。
图4为金属天线部分等效电路模型，其中a，b两点代表图1中金属天线的a，b端口，ZL为金属天线端口a、b之间的匹配阻抗，Zin是金属天线在感应空间电磁波时的输入阻抗，VA是天线上的感应电压。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明中的金属天线可以采用喇叭天线、振子天线和贴片天线，图1、图2、图3分别为这三种形式下的微波光子学接收天线的示意图。下面以图1所示的喇叭天线形式的微波光子学接收天线示意图为例，说明微波光子学接收天线的组成以及工作原理。
如图1(a)所示，微波光子学天线由输入输出光纤、微波光子学电场传感器以及金属天线组成，微波光子学电场传感器置于金属天线端口a、b之间，端口a、b之间开路，其中Iin为输入光的光功率，Iout为输出光的光功率。图1(b)所示的反射式结构仅在输入输出时采用光环行器实现，光信号通过光纤从光环行器的端口1输入，从端口2输出至传感器，经反射后再从光环行器的端口2输入，从端口3输出，其它原理与直通式基本相同。
如图1所示，微波光子学电场传感器测量的是金属天线开路端口a、b之间的电场强度大小，在端口a、b之间的距离一定时，电场强度的大小取决于端口a、b之间的电动势Vab，这样探头所测量的电场强度可以表示为
其中，d是开路端口之间的距离。我们假设端口处有一个匹配阻抗ZL，则金属天线部分的等效电路模型可以由图4表示。
由于光学电场探头测量的是端口a、b之间的电场强度，当距离一定时，端口a、b之间的电压越大，测量的灵敏度就越高。当匹配阻抗ZL为无穷大，也就是开路的时候，端口a、b之间的电压值最大，此时
其中，Zin是金属天线在感应空间电磁波时的输入阻抗，VA是天线上的感应电压。因此只有满足金属天线端口开路，微波光子学电场传感器才会测量到最强的电场信号。
在测量电场信号时，需要将输入光纤连接至激光源，输出光纤连接至光接收机。光源发出一个光功率为Iin的连续光信号，经光纤传输后进入传感器中，传感器将金属天线端口处的电场强度调制在光信号上，假设空间中待测电场信号为
Ed(t)＝E0cos(ωt) (10)其中，E0为场强峰值，则感应电压为
VA＝FEd(t)＝FE0cos(ωt) (11)其中，F是感应系数。则金属天线端口a、b之间的电场强度为
将一个连续光信号经输入光纤进入微波光子学电场传感器，金属天线端口a、b之间的电场信号会被传感器调制到光信号上。假设光源发出的光功率为Iin，则理论上经过传感器出射的光功率为
其中，k被称为探头的电光调制系数，也叫调制深度。
经调制后的光信号经过输出光纤由光接收机接收。在实际中由于光纤结构的不均匀及接口处的反射，光在光路中传播是会有损耗的，设由光纤及其连接器带来的损耗为αF。由于组装时的误差，传感探头的插入损耗不可能为0，设电光传感探头因组装工艺产生的插入损耗为αEO，则进入光电探测器的光功率为
假设此光功率未超过光接收机中光电二极管的饱和光功率，光电二极管输出的光电流为
其中，η是光电二极管的转化效率(若激光为1550nm，η通常在0.6～0.9A/W)。
由式(15)可看出，光电二极管输出的光电流中有两个分量，其中交流分量重包含了待测电场的场强和频率信息，是需要处理的信号，将直流信号滤掉后，光电流再经过一个放大倍数为RL的跨阻放大器，则光接收机最终输出的电压信号值为
可以看出，光接收机输出的电压信号Vs(t)与被测电场信号Ed(t)是线性关系，两者之间的系数是可以进行天线校准得到的。因此微波光子学接收天线可以通过光输出而不是同轴线输出来进行电场信号的测量。
微波光子学接收天线的抗干扰能力。一、对于微波光子学接收天线本身，由于微波光子学电场传感器本身是由电光晶体和一些其他光学元件组成，这些光学元件在强电场下的稳定性很高，几乎不会被电场打坏，因此传感器本身具有很强的抗电损伤能力；对于金属天线部分，由于其端口开路，之后并没有通过电缆连接其他电子系统，并且天线本身只是一个金属体，同样对高场强电场具有极高的稳定性，几乎不会被电场打坏，更不可能因强电场发生结构变化，所以金属天线的抗干扰能力也很强。二、由于微波光子学接收天线与光源和光接收机之间仅仅通过光纤连接，而光纤在强电场下同样具有极高的稳定性，且由于光纤并不导电，不会把测量处的电场信号直接引入后端系统，所以对接收天线和后端处理系统做到了电隔离，因此也消除了后端信号处理系统受到电场干扰的风险。基于这两点分析，微波光子学天线具有极强的抗电场干扰的能力，可以弥补传统天线系统在该方面的不足。
Claims (2)
1.一种微波光子学接收天线，其特征在于，该接收天线由微波光子学电场传感器和金属天线组成，通过光纤输出射频信号调制后的光信号。其中传感器置于金属天线的末端开口处，这里的金属天线可以为振子天线、贴片天线或喇叭天线，金属天线的末端开口处为开路，也就是其匹配阻抗必须为无穷大，传感器通过光纤来输入输出光信号。由于工作机制的不同，微波光子学接收天线分为直通式和反射式，直通式采用两路光纤，光信号通过光纤从传感器的一端进，另一端出；反射式采用光纤加光环行器的方式，光信号通过光纤从光环行器的端口1输入，从端口2输出至传感器，经反射后再从光环行器的端口2输入，从端口3输出。无论采用哪种方式，输入光纤都连接至光源，输出光纤连接至光接收机。
微波光子学接收天线的工作原理：在工作带宽范围内，金属天线将空间中传播的电磁场捕获并在端口初形成一个感应电压信号，由于天线末端开路，端口处的电压近似等于感应电压，端口处的电场强度可以由端口电压除以端口间距得到，这样端口处的电场信号与被测信号之间呈线性关系。一个连续光波信号经输入光纤进入微波光子学电场传感器，金属天线收集的外界电场信号在传感器中直接调制到光信号上。假设端口处的电场E＝E0cos(ωt)，其中，E0为场强峰值，光源发出的光功率为Iin，则理论上经过传感探头出射的光功率为
其中，k被称为探头的电光调制系数，也叫调制深度。经调制后的光信号经过输出光纤后由光接收机接收，光接收机进行信号处理后，最终会输出的电压信号为
其中，η是光电二极管的转化效率(若激光为1550nm，η通常在0.6～0.9A/W)，RL为光接收机中跨阻放大器的放大倍数，α为损耗因子。
2.根据权利要求1所述的一种微波光子学接收天线中的开路馈电匹配方法。其特征在于，接收天线采用与传统天线不同的馈电方法——开路馈电匹配方法。由式1可知，电场传感器测量的是金属天线端口处的电场强度大小，假设两端口分别为端口a和端口b，当端口a、b之间的距离一定时，电场强度的大小取决于端口a、b之间的电动势Vab，这样探头所测量的电场强度可以表示为
其中，d是端口a、b之间的距离。我们假设端口a、b之间有一个匹配阻抗ZL，则金属天线部分的等效电路为匹配阻抗ZL、电压源VA和输入阻抗Zin的串联。
由于电场传感器测量的是端口a、b之间的电场强度，当距离一定时，端口a、b之间的电压越大，测量的灵敏度就越高。当匹配阻抗ZL为无穷大，也就是开路的时候，端口a、b之间的电压值最大。此时
其中，Zin是金属天线在感应空间电磁波时的输入阻抗，VA是天线上的感应电压。因此只有满足金属天线端口开路，微波光子学电场传感器才会测量到最强的电场信号。
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