CN115267361A - 一种电极天线一体化的分体式光学三维脉冲电场探测器 - Google Patents
一种电极天线一体化的分体式光学三维脉冲电场探测器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及脉冲电场探测装置，具体涉及一种电极天线一体化的分体式光学三维脉冲电场探测器，解决现有的电场探测器大多用于测量单一极化方向的电场，且易受温度等外界环境的影响从而导致工作点的大范围漂移、影响电场测量范围、造成波形偏差甚至失真的不足之处。包括三个一维脉冲电场探测器和探测器卡壳；利用三棱柱模型，将一维脉冲电场探测器集成于六棱柱形状的探测器卡壳上，使感应电场的方向互相正交。一维脉冲电场探测器基于M‑Z结构，探头与偏置控制端分离，实现电场传感和偏置设置的同时避免了偏置控制端对探头的扰动。一体化电极与天线利用天线间的相互感应充当电极，不影响探头灵敏度的同时提高探测器的带宽上限。
Description
技术领域
本发明涉及一种脉冲电场探测装置，具体涉及一种电极天线一体化的分体式光学三维脉冲电场探测器。
背景技术
利用集成光学脉冲电场传感器是测量电磁脉冲的有效手段之一。其中最为典型的是以铌酸锂晶体作为衬底的马赫-曾德尔(M-Z)型集成光波导传感器。国外在这方面的研究较多，Bassen等人早在八十年代就研制出用于测小型电场的50MHz探测器，英国、法国、日本、德国等国家均做了大量研究，并有商用器件问世。目前此类器件的工作带宽已达到GHz级别，测量场强可达几百kV/m。国内开展研究相对较晚，但也取得一系列成果。清华大学于2005年研制出用于测量绝缘子表面工频电场的传感器；电子科技大学自2001年来研制出一系列不同类型的电场传感器，并在全向电场测量方面做出了尝试。另外，中山大学、长春光机所、西安交通大学等单位也做了相关研究。上世纪九十年代，国内针对高频强电磁脉冲研制的无源电光式EMP测量系统，频率响应已达700MHz。此类探测器具有体积小、带宽宽、灵敏度高等特点，自上世纪提出以来一直是研究热点。
然而此类探测器存在的严重问题是容易受温度等外界环境的影响，从而导致工作点的大范围漂移，影响电场测量范围，造成波形偏差甚至失真。为解决此问题，国内外学者采用多种办法进行了尝试，在一定程度上抑制了探测器温度的漂移。但要更好的解决此问题，根本上还是需要进行偏置的控制。
目前成熟器件大多用于测量单一极化方向的电场。而在测量过程中，有时候需要关注三个方向的电场。若用三个探头同时测量，三个探头之间势必会造成互相干扰；若采用重复性的测量方法，不仅较为繁琐，且不同发次之间电场存在偏差。当试验成本较高或不具有重复性时，能测量空间矢量电场的传感器显得尤为重要。
因此，需要针对性地研究偏置可设置的脉冲电场三维测量系统。
发明内容
本发明的目的是解决现有的电场探测器大多用于测量单一极化方向的电场，且易受温度等外界环境的影响从而导致工作点的大范围漂移、影响电场测量范围、造成波形偏差甚至失真的不足之处，而提供一种电极天线一体化的分体式光学三维脉冲电场探测器。
本发明的基本原理是：
探测器部分由光源、偏置控制端和探头构成。探头包括绝缘管壳和刻蚀于晶体表面的Y波导、一体化电极与天线，偏置控制端包括金属屏蔽壳和安装在金属屏蔽壳内的Y波导调制器、偏置电极、偏置控制器，Y波导和Y波导调制器通过保偏光纤连接，从而构成MZ干涉结构。偏置控制端和探头组成的MZ干涉仪基于晶体的电光效应，当晶体受到外加电场作用时，天线感应电场并施加于其中一个干涉臂(Y分支)上，致使其折射率发生变化，进而形成光功率变化。通过监测输出端光功率实现电场信号的测量。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种电极天线一体化的分体式光学三维脉冲电场探测器，其特殊之处在于：包括三个一维脉冲电场探测器2和探测器卡壳1；
所述一维脉冲电场探测器2包括位于待探测电场内的探头21，以及偏置控制端22、保偏光纤23和DFB光源；所述探头21与偏置控制端22，通过保偏光纤23连接；所述DFB光源设置在待探测电场外，用于为探头21提供光信号；
所述探测器卡壳1为六棱柱形状，在六棱柱形状的三个侧面分别设置卡槽，所述卡槽所在的平面围成三棱柱；
所述探头21分别安装在卡槽内，且三个所述一维脉冲电场探测器2感应电场的方向互相正交。
进一步地，所述探头21包括绝缘管壳213、设置在绝缘管壳213内的晶体和刻蚀于晶体表面的Y波导212、一体化电极与天线211；三个一体化电极与天线211的轴线分别与三棱柱轴线呈54.7°夹角；
所述一体化电极与天线211包括两个相对设置的三角形贴片结构天线，两个所述贴片结构天线的末端分别位于Y波导212的一个Y分支的两侧；
所述一体化电极与天线211的轴线与所述Y波导212的Y分支的倾角为49.8度，使一体化电极与天线211的最强感应电场方向互相正交，轴线分别与三棱柱轴线呈54.7°夹角，从而使三个一维脉冲电场探测器2的感应电场方向互相正交；Y波导的两个Y分支互相平行；
所述Y波导212的两个Y分支分别通过保偏光纤23与偏置控制端22连接；
所述Y波导212、一体化电极与天线211封装在绝缘管壳213内。
进一步地，所述偏置控制端22包括金属屏蔽壳223和安装在金属屏蔽壳内的Y波导调制器221、偏置电极222，以及偏置控制器；
所述偏置控制器与偏置电极222电连接，为偏置电极222提供驱动电压；
所述偏置电极222刻蚀在Y波导调制器221上；
所述Y波导调制器221和所述探头的Y波导212的两个Y分支分别通过保偏光纤23连接。
进一步地，所述一体化电极与天线211的天线末端宽度为1mm，两个贴片结构天线末端的间距为15μm。
进一步地，所述一体化电极与天线211为具有行波偶极子结构的锥形天线，可以贴片形式集成在探头上。
进一步地，所述保偏光纤23长度不超过2米。
进一步地，所述探头21体积小于5cm×5cm×5cm。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：
1、本发明电极天线一体化的分体式光学三维脉冲电场探测器中，探头与偏置控制端分离设置，通过保偏光纤连接，形成分体式的MZ型光信号强度调制结构，在实现电场传感和偏置设置的同时，避免了偏置端对前端探头的扰动；
2、本发明提供的探测器卡壳为改进的六棱柱形状，并在三个侧面分别设置卡槽，用于固定探头，此结构利用三棱柱模型，但相比于三棱柱具有更小的体积；
3、本发明中一体化电极与天线的轴线和Y波导的倾角为49.8度，使得三维脉冲电场探测器测得的三个场分量正交，方便对测得的信号进行调制；
4、本发明中一体化电极与天线利用天线间的相互感应充当电极，在不影响探头灵敏度的情况下，使电极长度缩短至与天线长度平齐，提高了探测器的带宽上限；
5、本发明中一体化电极与天线选择具有行波偶极子结构的锥形天线，可以贴片形式集成在探头上，减少了探头尺寸，也使探头更稳固；
6、本发明中保偏光纤长度不超过2米，控制了信号传输过程的噪声和引起的振动，保证了探测器的精确性和稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的三维电场探测器示意图；
图2为本发明实施例中提供的分体式MZ结构示意图；
图3为本发明实施例中探测器卡壳结构示意图；
图4为本发明实施例中三维正交一体化电极与天线的三棱柱模型示意图；
图5为本发明实施例中一体化电极与天线轴向与Y波导的不同夹角下天线间感应电压的仿真结果图；
图6为本发明实施例中一体化电极与天线结构及原理示意图；
图7为图6中A部分的局部放大图；
附图标记说明如下：
1-探测器卡壳，2-一维脉冲电场探测器，23-保偏光纤；
21-探头，211-一体化电极与天线，212-Y波导，213-绝缘管壳；
22-偏置控制端，221-Y波导调制器，222-偏置电极，223-金属屏蔽壳，224-偏置电极输入端。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的电极天线一体化的分体式光学三维脉冲电场探测器作进一步详细说明。
一种电极天线一体化的分体式光学三维脉冲电场探测器，包括三个一维脉冲电场探测器2和探测器卡壳1，安装好的三维脉冲电场探测器如图1所示。
本实施例的一维脉冲电场探测器2基于M-Z型集成光波导传感器。一般的M-Z结构，通常通过设置自然偏置点或外加应力来控制器件工作点，但这些控制方式在工作点产生漂移时无法实现调节。若直接施加直流电压，又会对被测电场产生干扰，造成测量的不准确。
因此，本实施例的M-Z结构采用探头21和偏置控制端22分离的方式进行偏置的控制，形成分体式的MZ型光信号强度调制。由前端探头21实现电场的传感，偏置控制端22实现偏置的设置。本实施例的M-Z结构由2个Y波导构成，波导之间通过保偏光纤23连接，一端Y波导与天线、电极共同形成探头，另一端Y波导可外加直流偏置进行工作点调节。
本实施例基于分体式MZ型光信号强度调制的一维脉冲电场探测器2具体结构如下：
一维脉冲电场探测器2包括位于待探测电场内的探头21，以及偏置控制端22、DFB光源和保偏光纤23。探头21与偏置控制端22通过保偏光纤23连接；DFB光源设置在待探测电场外，用于为探头21提供光信号。保偏光纤23长度不超过2米，保偏光纤23过长会使信号传输过程的噪声大，同时会引起振动，影响探测器的精确性和稳定性。
探头21包括绝缘管壳213、设置在绝缘管壳213内的晶体和刻蚀于晶体表面的Y波导212和一体化电极与天线211，Y波导212、一体化电极与天线211封装在绝缘管壳内。探头21的晶体的材料通常为铌酸锂。
偏置控制端22包括金属屏蔽壳223和安装在金属屏蔽壳223内的Y波导调制器221、偏置电极222，以及偏置控制器。偏置控制器与偏置电极222电连接，为偏置电极222提供驱动电压，偏置电极222刻蚀在Y波导调制器221上。
偏置控制端22的Y波导调制器和221探头21的Y波导212的两个Y分支分别通过保偏光纤23连接，共同构成分体式的M-Z结构，如图2。通过此结构使探头21和偏置控制端22分离，在实现电场传感和偏置设置的同时，避免了偏置控制端22对前端探头21的扰动。
如图3，探测器卡壳1为六棱柱形状，在六棱柱形状的三个侧面分别设置卡槽；所述卡槽所在的平面围成三棱柱。探头21分别安装在所述卡槽内，且三个一维脉冲电场探测器2感应电场的方向互相正交，方便对测得的信号进行调制。
探头21与偏置控制端22的分离还可减小探头21的体积，通过对三维测量模型三棱柱的改进，使探头21的体积控制在5cm×5cm×5cm内。
探头21的一体化电极与天线211包括两个相对设置的三角形贴片结构的行波偶极子结构锥形天线，两个贴片结构天线的末端分别位于于Y波导212的一个Y分支两侧，完成空间电场感应的同时实现了Y波导212单侧电场的加载。
由探头21构成的三棱柱模型如图4所示，三个一体化电极与天线211的轴线互相正交，且分别与三棱柱轴线呈54.7°夹角，从而使三个一维脉冲电场探测器2的感应电场方向互相正交。
由于天线非轴对称的特性，一体化电极与天线211最强感应电场方向与其轴线方向会存在细微的角度差异。角度的差异会导致测量结果产生误差。在设计时，需要搜寻合适的一体化电极与天线211相对于Y波导212的Y分支的倾斜角度θ，使一体化电极与天线211的最强感应电场方向与三棱柱轴线的夹角为54.7°。
通过仿真获得一体化电极与天线211之间的感应电压，以此寻找最佳角度θ。当一体化电极与天线211感应电场最强方向与外加场夹角较小时，感应电压对角度的变化并不敏感。为精确寻找夹角θ，可通过施加垂直于所需感应电场方向的电场来实现。当施加电场方向垂直于一体化电极与天线211感应方向时，感应电压应为零。
在仿真中，获得的感应电压越小，对应的θ越接近理想夹角。外加电场1V/m时，不同夹角下仿真所得天线间的感应电压如图5。从仿真结果看出，夹角θ＝49.8°时，感应电压非常小，此时的结果已经十分理想。考虑到探头布放时产生的角度误差，此处带来的影响已经可以忽略不计。
因此，本实施例中，一体化电极与天线211的轴线与Y波导212的倾角设计为49.8度。
一体化电极与天线211的结构及原理如图6。一体化电极与天线211末端连接集总参数电极，感应电压在电极之间形成电场加载至一侧波导，产生电光调制。一体化电极与天线211的设计原理如下：
通常在电光调制器设计中，会在波导两端制作一对电极，并可通过控制电极的尺寸来减小调制器的半波电压，如图7所示。在此类探测器的天线设计时，也通常将天线末端制作一对电极。假定外加电场为E，初始时刻t0，天线末端宽度W1，电极长度W2，电极间距d，可得波导干涉臂相位改变量
为：
其中，ne为探测器的光折射率，γ33为电光系数，λ为波长，he为天线等效高度，Lm为天线等效电感，Cm为电极间电容，Ca为天线电容；he和Lm均由天线自身结构确定，当天线结构确定时，he和Lm均为确定值。
S(ω)表示外加电场与波导相位变化之间的传递函数；
当
天线发生谐振，谐振频率为：
可得电极间距较小时天线谐振角频率。为提高天线间灵敏度，可通过减小天线间距和增加电极长度来实现。而随着天线间距的缩小，电极间电容Cm会不断增大。在一般的设计中，电极间距通常在微米量级，而天线尺寸在毫米量级，此时电极间电容Cm远远大于天线电容Ca，可得：
远离谐振频率时：
电极电容Cm可近似看作平板电容，即：
Cm∝W2/d
将Cm代入S(ω)中，可得：
S(ω)∝Ca
此时，波导中相位变化近似与电极长度和间距无关。也就是说，在天线自身结构确定时，并不能通过改变电极参数来无限提高探测器的灵敏度。因此在天线设计时无需考虑电极对灵敏度的影响。
而另一方面，电极长度决定光波和电场的作用时间，电极越短，探测器的探测带宽越宽。
本实施例的一体化电极及天线211，包括两个相对设置的三角形贴片结构天线，通过天线自身的靠近充当电极，形成电场加载在Y波导上。在不影响探头灵敏度的情况下，使电极长度缩短至与天线长度平齐(W1＝W2)，提高了探测器的带宽上限。为方便加工，同时兼顾探测器性能，两个三角形贴片结构天线末端的间距取15μm，天线末端宽度取1mm。
天线选择时主要考虑两方面因素：较宽的工作带宽和方便集成的天线结构。传统偶极棒天线克服了接地困难，但天线外露于探头外，易受折损，也增加了探头尺寸。本实施例选择了具有行波偶极子结构的锥形天线，可以贴片形式集成在探头上，减小了探头尺寸，也使探头更稳固。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种电极天线一体化的分体式光学三维脉冲电场探测器，其特征在于：包括三个一维脉冲电场探测器(2)和探测器卡壳(1)；
所述一维脉冲电场探测器(2)包括位于待探测电场内的探头(21)，以及偏置控制端(22)、保偏光纤(23)和DFB光源；所述探头(21)与偏置控制端(22)通过保偏光纤(23)连接；所述DFB光源设置在待探测电场外，用于为探头(21)提供光信号；
所述探测器卡壳(1)为六棱柱形状，在六棱柱形状的三个侧面分别设置卡槽，所述卡槽所在的平面围成三棱柱；
所述探头(21)分别安装在卡槽内，且三个所述一维脉冲电场探测器(2)感应电场的方向互相正交。
2.根据权利要求1所述的一种电极天线一体化的分体式光学三维脉冲电场探测器，其特征在于：
所述探头(21)包括绝缘管壳(213)、设置在绝缘管壳(213)内的晶体和刻蚀于晶体表面的Y波导(212)和一体化电极与天线(211)；三个一体化电极与天线(211)的轴线分别与三棱柱轴线呈54.7°夹角；
所述一体化电极与天线(211)包括两个相对设置的三角形贴片结构天线，两个所述贴片结构天线的末端分别位于Y波导(212)的一个Y分支的两侧；所述一体化电极与天线(211)的轴线与所述Y波导(212)的Y分支的倾角为49.8度；
所述Y波导(212)的两个Y分支分别通过保偏光纤(23)与偏置控制端(22)连接；
所述Y波导(212)、一体化电极与天线(211)封装在绝缘管壳(213)内。
3.根据权利要求2所述的一种电极天线一体化的分体式光学三维脉冲电场探测器，其特征在于：
所述偏置控制端(22)包括金属屏蔽壳(223)和安装在金属屏蔽壳内的Y波导调制器(221)、偏置电极(222)，以及偏置控制器；
所述偏置控制器与偏置电极(222)电连接，为偏置电极(222)提供驱动电压；
所述偏置电极(222)刻蚀在Y波导调制器(221)上；
所述Y波导调制器(221)和所述探头的Y波导(212)的两个Y分支分别通过保偏光纤(23)连接。
4.根据权利要求3所述的一种电极天线一体化的分体式光学三维脉冲电场探测器，其特征在于：所述一体化电极与天线(211)的天线末端宽度为1mm，两个贴片结构天线末端的间距为15μm。
5.根据权利要求4所述的一种电极天线一体化的分体式光学三维脉冲电场探测器，其特征在于：所述一体化电极与天线(211)为具有行波偶极子结构的锥形天线。
6.根据权利要求5所述的一种电极天线一体化的分体式光学三维脉冲电场探测器，其特征在于：所述保偏光纤(23)长度不超过2米。
7.根据权利要求6所述的一种电极天线一体化的分体式光学三维脉冲电场探测器，其特征在于：所述探头(21)体积小于5cm×5cm×5cm。
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- 2022-08-11 CN CN202210966915.2A patent/CN115267361B/zh active Active
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