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集成光学电磁场传感器研究

孙豹  
【摘要】: 随着电子技术的飞速发展,对环境电磁场的测量变得越来越重要。实际上,电磁场测量在很多科学技术领域都占有重要地位。过程控制、医学设备的电场监测、弹道控制、电磁兼容测量、微波集成电路测试、天线近场测量、雷电瞬态电场的测量、核爆脉冲电场的得测量等,都是电磁场测量的应用领域。采用集成光学技术的电磁场传感器,具有小型化、大带宽、高灵敏度、抗电磁干扰等优势,正成为研究热点。本文以LiNb03材料的光波导电磁场传感器及其系统作为研究对象,展开相关研究。主要工作如下: 1、电磁场传感器的基本原理及模型分析 本文给出集成光学电磁场传感器的理论基础,讨论了信号和噪声的构成情况。从系统角度对组成集成光学电磁场传感系统的各个部分进行了分析研究,分析了可用于集成光学电磁场传感器的天线结构和调制器结构。并结合多年的实验经验给出了集成光学电磁场传感器的性能测试方法。指出了影响电场传感器的最小可测量电场以及动态范围的各种因素。 2、拉杆天线分段电极电场传感器研究 研究了一种基于分段电极结构的拉杆天线电场传感器,运用等效电路的方法建立了这种电场传感器的物理模型,结果表明在分段数为七段时,分段电极之间有最大的电极电压增益。对拉杆天线电场传感器的电场传感系统进行了详细的测试,结果表明系统的频率响应范围为10 MHz到6 GHz;可测量最小电场为30mV/m;频率为200 MHz时动态范围可以达到90 dB。 3、锥形天线电场传感器研究 提出一种阵列锥形天线结构的电场传感器,锥形天线的阻抗从锥状的底部到尖端逐渐增大,这样就形成了行波天线。使用这种结构,天线尖端的反射电流可以大大减小甚至消除,可以避免驻波的形成,从而提高响应带宽。对器件进行的性能测试显示其最小可测量电场为20 mV/m,响应频率为10 kHz到10 GHz,频率为1 GHz时动态范围为100 dB。 4、双负载结构集成光学磁场传感器研究 提出了一种双负载结构的集成光学磁场传感器,从理论上证明了这种磁场传感器在工作时不会引入电场的干扰。建立了磁场传感器的等效电路模型,分析了其灵敏度、频率响应受传感器环形天线参数的影响,结果表明:环带宽度增加时,频率响应增加。通过更大孔径的环可以得到更高的频率响应。另一方面,灵敏度也随着环的尺寸增大而增大。电极长度减小将会提高频率响应,然而电极长度减小又会降低灵敏度。对制作好的磁场传感器进行了性能测试,结果表明器件最小可测量磁场为51.8μA/m,±5dB的响应频率为2GHz-6 GHz,在测试频率为1GHz时动态范围为98 dB。 5、集成光学强电场传感器研究 研究了一种以分段电极电场传感器为基础的集成光学强电场传感器,并对制作好的电场传感器进行了大量的实验测量,包括工频电场测量,平板电极脉冲电场测量,雷电波冲击强电场测量。对测量结果进行的分析表明:研制的强电场传感器最大可测量电场范围为-75kV/m-245 kV/m,并且适合于强电场的工频电场测量,雷电波(1.2μs/50μs)的全波、截波测量。


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