集成光學(xué)電磁場(chǎng)傳感器研究.pdf

1、隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)環(huán)境電磁場(chǎng)的測(cè)量變得越來(lái)越重要。實(shí)際上，電磁場(chǎng)測(cè)量在很多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域都占有重要地位。過(guò)程控制、醫(yī)學(xué)設(shè)備的電場(chǎng)監(jiān)測(cè)、彈道控制、電磁兼容測(cè)量、微波集成電路測(cè)試、天線近場(chǎng)測(cè)量、雷電瞬態(tài)電場(chǎng)的測(cè)量、核爆脈沖電場(chǎng)的得測(cè)量等，都是電磁場(chǎng)測(cè)量的應(yīng)用領(lǐng)域。采用集成光學(xué)技術(shù)的電磁場(chǎng)傳感器，具有小型化、大帶寬、高靈敏度、抗電磁干擾等優(yōu)勢(shì)，正成為研究熱點(diǎn)。本文以LiNbO3材料的光波導(dǎo)電磁場(chǎng)傳感器及其系統(tǒng)作為研究對(duì)象，展開(kāi)相關(guān)研究。

2、主要工作如下：
　　 ⑴給出了集成光學(xué)電磁場(chǎng)傳感器的理論基礎(chǔ)，討論了信號(hào)和噪聲的構(gòu)成情況。從系統(tǒng)角度對(duì)組成集成光學(xué)電磁場(chǎng)傳感系統(tǒng)的各個(gè)部分進(jìn)行了分析研究，分析了可用于集成光學(xué)電磁場(chǎng)傳感器的天線結(jié)構(gòu)和調(diào)制器結(jié)構(gòu)。并結(jié)合多年的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)給出了集成光學(xué)電磁場(chǎng)傳感器的性能測(cè)試方法。指出了影響電場(chǎng)傳感器的最小可測(cè)量電場(chǎng)以及動(dòng)態(tài)范圍的各種因素。
　　 ⑵研究了一種基于分段電極結(jié)構(gòu)的拉桿天線電場(chǎng)傳感器，運(yùn)用等效電路的方法建立了這種電場(chǎng)傳

3、感器的物理模型，結(jié)果表明在分段數(shù)為七段時(shí)，分段電極之間有最大的電極電壓增益。對(duì)拉桿天線電場(chǎng)傳感器的電場(chǎng)傳感系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)試，結(jié)果表明系統(tǒng)的頻率響應(yīng)范圍為10 MHz到6 GHz；可測(cè)量最小電場(chǎng)為30mV/m；頻率為200 MHz時(shí)動(dòng)態(tài)范圍可以達(dá)到90 dB。
　　 ⑶提出了一種陣列錐形天線結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)傳感器，錐形天線的阻抗從錐狀的底部到尖端逐漸增大，這樣就形成了行波天線。使用這種結(jié)構(gòu)，天線尖端的反射電流可以大大減小甚至消除，可

4、以避免駐波的形成，從而提高響應(yīng)帶寬。對(duì)器件進(jìn)行的性能測(cè)試顯示其最小可測(cè)量電場(chǎng)為20 mV/m，響應(yīng)頻率為10 kHz到10 GHz，頻率為1 GHz時(shí)動(dòng)態(tài)范圍為100 dB。
　　 ⑷提出了一種雙負(fù)載結(jié)構(gòu)的集成光學(xué)磁場(chǎng)傳感器，從理論上證明了這種磁場(chǎng)傳感器在工作時(shí)不會(huì)引入電場(chǎng)的干擾。建立了磁場(chǎng)傳感器的等效電路模型，分析了其靈敏度、頻率響應(yīng)受傳感器環(huán)形天線參數(shù)的影響，結(jié)果表明：環(huán)帶寬度增加時(shí)，頻率響應(yīng)增加。通過(guò)更大孔徑的環(huán)可以得到更

5、高的頻率響應(yīng)。另一方面，靈敏度也隨著環(huán)的尺寸增大而增大。電極長(zhǎng)度減小將會(huì)提高頻率響應(yīng)，然而電極長(zhǎng)度減小又會(huì)降低靈敏度。對(duì)制作好的磁場(chǎng)傳感器進(jìn)行了性能測(cè)試，結(jié)果表明器件最小可測(cè)量磁場(chǎng)為51.8μA/m，±5 dB的響應(yīng)頻率為2 GHz～6 GHz，在測(cè)試頻率為1GHz時(shí)動(dòng)態(tài)范圍為98 dB。
　　 ⑸研究了一種以分段電極電場(chǎng)傳感器為基礎(chǔ)的集成光學(xué)強(qiáng)電場(chǎng)傳感器，并對(duì)制作好的電場(chǎng)傳感器進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，包括工頻電場(chǎng)測(cè)量，平板電極脈