DE19506408A1

DE19506408A1 - Vorrichtung zur Detektion und Messung elektromagnetischer Felder

Info

Publication number: DE19506408A1
Application number: DE1995106408
Authority: DE
Inventors: Peter Young
Original assignee: British Aerospace PLC
Current assignee: MBDA UK Ltd
Priority date: 1994-02-24
Filing date: 1995-02-23
Publication date: 1995-08-31
Also published as: GB2287313A; FR2716537A1; GB9403562D0; GB2287313B; FR2716537B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Messung elektromagnetischer Felder, und insbesondere auf die Messung derartiger Felder, die in kleinen Gehäusen vorhanden sind.

Beim Entwurf von Gehäusen für elektronische Apparate ist es oft notwendig, die elektromagnetische Abschirmung zu bestimmen, die durch das Gehäuse bewirkt wird. Beispielsweise muß ein elektronisches Instrumentengehäuse die darin befindlichen Bau teile gegen übermäßige elektromagnetische Strahlung schützen, die sonst eine Fehlfunktion des Instrumentes verursachen könn ten, wenn das Feld nicht genügend abgeschirmt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schutzvorrich tung für elektromagnetische Felder zu schaffen, die einen Sen sor besitzt, der klein genug ist, um in einem begrenzten Raum arbeiten zu können.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Vorrich tung zur Messung des elektromagnetischen Feldes zu schaffen, die eine hohe Empfindlichkeit von vorzugsweise 10 mV·m^-1 hat und im Bereich zwischen 100 MHz und 18 GHz arbeitsfähig ist.

Weiter bezweckt die Erfindung die Schaffung einer Vorrichtung zur Messung des elektromagnetischen Feldes, die einen Sensor besitzt, der nur eine minimale Verzerrung des zu messenden Feldes bewirkt.

Eine bekannte Vorrichtung zur Messung elektromagnetischer Fel der ist in der US-PS 4 070 621 beschrieben. Die darin be schriebene Vorrichtung weist einen elektro-optischen Modulator auf, der über Elektroden, die an gegenüberliegenden Oberflächen der Vorrichtung festgelegt sind, entweder an einen Dipol oder an eine Schleifenantenne angeschlossen werden kann.

Der elektro-optische Modulator besteht aus einem Kristall, der den Pockel-Effekt aufweist, wodurch die Polarisation eines hindurchtretenden Lichtstrahles gemäß der Größe des Feldes an der Antenne moduliert wird.

Die mit dieser bekannten Anordnung verknüpften Probleme bestehen erstens in der Größe der Dipol-Antenne, die zu groß ist, um ge mäß der Erfindung in einem begrenzten Raum, beispielsweise einem elektronischen Instrumentengehäuse, untergebracht zu werden, und zweitens in der schlechten Empfindlichkeit von etwa 10 V·m^-1. Diese beiden Nachteile sind in erster Linie eine Folge der Be schränkung der Dipol-Antennen-Konfiguration. Eine weitere Be schränkung ist die Arbeitsfrequenz von 10-30 MHz.

Die Benutzung eines elektro-optischen Modulators, der als Mach-Zehnder-Interferometer für elektromagnetische Feldmessun gen ausgebildet ist, wird in IEEE Trans. Antennas and Propa gation, Vol. AP-31, Nr. 5, September 1983, Seiten 710 bis 717, beschrieben. Dieser Modulator ist mit einer 3 cm langen Dipol- Antenne versehen. Ein Nachteil besteht darin, daß der Frequenz bereich dieses Apparates auslegungsmäßig zwischen einem und wenigen Hundert MHz liegt.

Gemäß der Erfindung weist eine Vorrichtung zur Detektion eines elektromagnetischen Feldes folgende Merkmale auf:

- einen elektro-optischen Modulator, der erste und zweite Oberflächen besitzt und auf diesen Elektroden trägt, und der außerdem dritte und vierte Oberflächen besitzt, die einen optischen Pfad schneiden,
- eine Antenne, die mit den Elektroden verbunden ist, um ein elektromagnetisches Feld in den Modulator einzukoppeln;
- eine Lichtquelle zum Aussenden von Licht längs des optischen Pfades und in den Modulator über die dritte Oberfläche hinein; und
- einen Lichtdetektor zum Detektieren von Licht, das durch den Modulator moduliert ist und über die vierte Oberfläche austritt.

Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne aus einer Scheibenkonus-Antenne besteht.

Es kann ein Spannungsmesser an den Ausgang des Lichtdetektors angeschlossen werden (dies könnte beispielsweise eine Photo diode sein), so daß die Stärke des detektierten elektromagne tischen Feldes gemessen werden kann.

Dieser Spannungsmesser kann ein abstimmbares Voltmeter sein.

Die Benutzung einer optischen Technik zur Messung des elektro magnetischen Feldes statt einer Benutzung elektrisch leitfähiger metallischer Komponenten gewährleistet eine minimale Störung des zu messenden Feldes.

Störungen des zu messenden Feldes können weiter noch dadurch vermindert werden, daß der elektro-optische Modulator in ein dielektrisches Gehäuse statt in ein metallisches Gehäuse ein gebracht wird. Ein metallisches Gehäuse hat jedoch den Vorteil, eine gewisse Abschirmung für den elektro-optischen Modulator zu bieten und kann demgemäß in gewissen Fällen die bevorzugte Option sein, wenn die Sensorgenauigkeit ausschlaggebend ist.

Weitere Vorteile der optischen Technik sind die Unempfindlich keit gegen Störungen und ein breitbandiges Potential.

Die Benutzung der Scheibenkonus-Antenne gewährleistet die er forderliche Empfindlichkeit und Bandbreite, während gleichzei tig ein Sensor geschaffen wird, der klein genug ist, um in ein enges Gehäuse einzupassen. Eine Beschreibung einer typischen Scheibenkonus-Antenne findet sich in "Reference Date for Radio Engineers", veröffentlicht von ITT.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der optische Modulater als Mach-Zehnder-Interferometer ausgebildet.

Bei einem interferometrischen, elektro-optischen Modulator der Bauart Mach-Zehnder wird der Lichtpfad, der den elektro-opti schen Kristall durchläuft, in zwei Lichtpfade aufgespalten, über die zwei getrennte Lichtstrahlen laufen können. Jede Ver änderung in den relativen Brechungsindizes in jedem Pfad führen zu einer relativen Phasenverschiebung zwischen den beiden Strah len und zu einer daraus folgenden Veränderung in der Ausgangs intensität bei der Rückkombination der Strahlen.

Der elektro-optische Mach-Zehnder-Kristall kann eine elektri sche Gleichstrom-Vorspannung erfordern, damit er in seinem Bereich linearen Ansprechens arbeiten kann. Statt dessen ist es möglich, Kristalle durch Chargenprüfung auszuwählen und einen zu benutzen, der bei Null-Vorspannung eine natürliche Quadra tur-Vorspannung besitzt.

Ein geeignetes Material zur Benutzung als elektro-optischer Modulator ist ein Lithium-Niobat-Kristall. Lithium-Niobat (LiNbO₃) ist ein elektro-optisches Material, dessen Brechungs index sich mit der angelegten elektrischen Feldenergie ändert.

Nunmehr wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezug nahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ist ein schematisches Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Detektion und Messung des elektromagnetischen Feldes;

Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht einer Scheiben konus-Antenne;

Fig. 3 ist eine dreidimensionale Darstellung eines elektro-optischen Modulators; und

Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, welche die Übertragungsfunktion eines elektro-optischen Modulators zeigt.

In Fig. 1 liefert eine Laserdiode 1 einen Lichtstrahl, der über ein faseroptisches Kabel 3 mit einer elektro-optischen Zelle 2 gekoppelt ist. Die Laserdiode 1 ist mit einer sehr stabilen Spannungsquelle verbunden. An die elektro-optische Zelle 2 ist eine Scheibenkonus-Antenne 5 angekoppelt, die weiter unten im einzelnen unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrie ben wird. Die elektro-optische Zelle 2 und die Antenne 5 kön nen klein genug ausgebildet werden, um gerade einen Raum von 5×5×5 cm einzunehmen, und sie sind gemäß der Darstellung innerhalb eines Gehäuses 6, beispielsweise eines Instrumenten gehäuses, untergebracht, dessen Abschirmungseigenschaften be stimmt werden sollen. Das Gehäuse 6 wird innerhalb eines elektrisch abgeschirmten Raumes 7 zusammen mit einer Hochfre quenzquelle 8 elektromagnetischer Strahlung untergebracht.

Eine Ausgangsverbindung der Zelle 2 nach einem fernen Ort außer halb des abgeschirmten Raumes 7 wird über ein zweites faser optisches Kabel 9 bewirkt. Dieses Kabel 9 ist an einen Photo detektor 10 angeschlossen, dessen elektrischer Ausgang durch einen abstimmbaren Voltmeter (Empfänger) 11 gemessen wird.

Nunmehr wird auf Fig. 2 Bezug genommen. Die Antenne 5 besteht aus einer metallischen Scheibe 12 und einem metallischen Konus 13. Ein schmaler Luftspalt besteht zwischen der Spitze des Konus 13 und dem Mittelpunkt der Scheibe 12. Der Mittelpunkt der Scheibe ist mit dem Innenleiter 12a der Übertragungsleitung verbunden, und der Außenleiter 13a der Leitung ist am Scheitel des Konus 13 angeschlossen. Die Antenne 5 ist innerhalb eines Isoliergehäuses 14 untergebracht. Die Abmessungen eines Proto typs eines eingeschlossenen Scheibenkonus sind 15 mm in der Höhe und 18 mm im Durchmesser. Die Antenne 5 ist über Innen- und Außenleiter 12a, 13a an die elektro-optische Zelle 2 angeschlos sen, die nunmehr unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben wird.

Gemäß Fig. 3 besteht die elektro-optische Zelle 2 aus einem Kristall als Mach-Zehnder-Interferometer. Polarisiertes Laser licht der Laserdiode 1 (Fig. 1) wird über das Faseroptikkabel 3 in eine Stirnfläche des Kristalls 2 eingekoppelt. Das Licht wird über eine Y-Verbindung 15 innerhalb des Kristalls in zwei Strahlen aufgeteilt. Die beiden Strahlen schreiten längs zweier getrennter Wellenleiter 16, 17 fort, und sie werden in der Nähe der gegenüberliegenden Oberfläche des Kristalls 2 durch ein zweites optisches Kabel 9 wieder vereinigt. Zwei Elektroden 19, 20 sind auf gegenüberliegenden Seiten des Kristalls abgelagert, und sie befinden sich auf jeweils einer Seite eines der Wellen leiter 16. Die Scheibenkonus-Antenne 5 ist an den Kristall 2 über die Elektroden 19, 20 angeschlossen, so daß ein elektro magnetisches Feld in jenen Teil des Kristalls eingekoppelt wird, das den Wellenleiter 16 enthält.

Im Betrieb wird die Hochfrequenzquelle 8 auf eine vorgewählte Frequenz und Intensität eingestellt, und der abstimmbare Volt meter 11 wird so eingestellt, daß er ein Signal mit der vorge wählten Frequenz empfängt. Statt dessen kann die Frequenz zwi schen oberen und unteren Grenzwerten gewobbelt werden. Der größte Teil der von der Quelle 8 ausgehenden Strahlung wird durch das Gehäuse 6 abgeschwächt, aber eine gewisse Reststrah lung durchdringt das Gehäuse 6 und wird in die Zelle 2 durch die Scheibenkonus-Antenne 5 eingekoppelt. Die resultierende Spannung, die über dem einen Wellenleiter 16 auftritt, verur sacht eine Phasenverschiebung im Lichtstrahl, der längs des Wellenleiters 16 fortschreitet. Bei der Wiedervereinigung der beiden Strahlen an der zweiten Y-Verbindung 18 vereinen sich die in Phase befindlichen Komponenten und gelangen zu dem zweiten faseroptischen Kabel 9, während die phasenverschobenen Komponenten, die nicht fortschreiten können, im Kristall ver lorengehen. Auf diese Weise wird eine Amplitudenmodulation des Eingangslichts von der Laserquelle 1 bewirkt, während die Hoch frequenzquelle das Laserlicht bei seinem Fortschreiten nach der Feldstärke an der Scheibenkonus-Antenne 5 frequenzmoduliert. Das die Zelle 2 verlassende Licht wird durch die Photodiode 10 detektiert, deren Ausgang das ursprüngliche Hochfrequenz-Modula tionssignal ist, das eine Amplitude besitzt, die proportional der elektrischen Feldstärke ist. Die Amplitude dieses Hochfre quenz-Modulationssignals wird durch den abstimmbaren Voltmesser 11 gemessen.

Fig. 4 zeigt die Übertragungsfunktion des Kristalls 2, wobei V die an die Zelle angelegte Spannung ist, und V_π eine Span nung ist, die eine Phasenverschiebung von π Radians ergibt, während P die Amplitude des wiedervereinigten Lichtstrahls ist. "A" repräsentiert den Quadraturpunkt oder den linearen Arbeits bereich der Zelle 2, der bei diesem Beispiel keine Gleichspan nungs-Vorspannung erfordert.

Eine derart ausgebildete Vorrichtung kann eine Empfindlichkeit im typischen Falle von 5 mV·m^-1 bei 18 GHz ergeben und besitzt einen Dynamikbereich von 100 dB.

Claims

1. Vorrichtung zur Detektion eines elektromagnetischen Feldes mit den folgenden Merkmalen:

- ein elektro-optischer Modulator (2) ist an einer ersten und einer zweiten Oberfläche mit Elektroden (19, 20) versehen, und dritte und vierte Oberflächen schneiden einen optischen Pfad;
- es ist eine Antenne (5) mit den Elektroden verbun den, um ein elektromagnetisches Feld in den Modulator (2) einzukoppeln;
- es ist eine Lichtquelle (1) vorgesehen, um Licht längs des optischen Pfades in den Modulator über die dritte Oberfläche zu schicken; und
- es ist ein Lichtdetektor (10) vorgesehen, um das vom Modulator (2) modulierte Licht zu detektieren, welches aus der vierten Oberfläche austritt,

dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne aus einer Scheibenkonus- Antenne (5) besteht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Voltmesser (11) an den Ausgang des Lichtdetektors (10) angeschaltet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsmesser ein abstimmbarer Spannungsmesser (11) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektro-optische Modulator (2) als Mach-Zehnder-Interferometer ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle ein Laser (1) ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein optisches Kabel (3) zwischen der Lichtquelle (1) und dem Modulator (2) angeordnet ist, um dazwischen Licht zu leiten.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein faseroptisches Kabel (9) zwi schen dem Modulator (2) und dem Lichtdetektor (10) angeordnet ist, um dazwischen moduliertes Licht zu leiten.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtdetektor eine Photodiode (10) ist.