光學電磁場探測探針標定技術研究

張思敏，盛永鑫，田曉光

(中國電子科技集團公司第38 研究所，安徽合肥230031)

0 引言

光學電磁場探測探針(以下簡稱光學探針)具有測量頻帶寬、動態范圍大、對被測場的干擾小、空間分辨力高、不受外界環境電磁干擾等優點，這些優點決定了光學探針非常適合于對相控陣雷達天線進行測量校準。目前，我國已開始研究利用光學電磁場探測技術對相控陣雷達天線進行測量校準，美國、日本、韓國和法國也在開展類似的工作。如何標定光學探針的幅度和相位測量能力，提高光學探針對相控陣天線的近場幅度和相位的測量精度，實現對相控陣天線工作模式下的校準和功效評估，目前缺少相應的標定方法，需要研究［1］。直透鏡對光纖中激光進行聚焦，將激光聚焦在電光晶體上，激光透過電光晶體，經其端面(鍍介質全反射膜)反射返回光纖內。探針前端的電光晶體在外加電場的作用下，產生電光效應，其光學折射率分布發生變化，從而影響在其中傳輸的激光偏振特性，經過后端光學主系統的偏振相關檢測解調，將光載波中攜帶的電磁波信息分離出來，通過外差相干探測，獲得電磁波信號的幅度和相位信息。因此光學探針和后端的光學主系統在被測電磁場信號與系統最終檢測得到的微波信號之間建立了一種對應關系，這種測量方法的準確性關鍵取決于探針的標定。

圖1 光學探針的原理圖

1 光學探針工作原理

光學探針的結構示意如圖1所示，光纖的尾端連接準

2 光學探針標定方法研究

探針標定又分為幅度標定和相位標定。因此標定過程中主要需要解決三個問題:首先，要獲得標準已知的電磁場作為標定參考坐標系;其次，使用的標定方法具有可參考的行業方法;最后，使用的標定設備滿足被標定設備的標定需求。

目前電磁場測量探頭的標定及校準遵循IEEE Std 1309-2005 標準。該標準介紹了幾種標準場的獲取方法，我們擬采用的標定方法是該標準中介紹的基于矩形金屬波導的電場相對幅度及相位標定方法。

矩形金屬波導作為常規的微波傳輸器件，具有損耗低、性能穩定、不易受干擾的優點，且在較好的匹配條件下，金屬波導的駐波比很低(接負載VSWR ＜1.05)，可以極大消除駐波影響，在金屬波導內部形成一個穩定分布的電磁場。相比于微波暗室的天線喇叭輻射場，采用金屬波導不僅可以獲得更高的電場強度，還可以避免場地帶來的影響，更易實現。圖2所示為金屬波導內部電場分布(僅TE10 基模)［2-3］。

圖2 金屬波導內部場強分布圖

根據麥克斯韋方程和邊界條件，金屬波導內部可存在多種電磁波傳輸模式，除了TE10 基模以外，還存在其他高階傳輸模。在作為標準場使用時，通常只保留基模而限制其他高階模，波導中可傳輸的模式與傳輸波的波長及波導截面尺寸a，b 有關。對于每一種傳輸模，截至頻率

只有高于截至頻率的電磁場波才能在金屬波導中傳播，以金屬波導工作頻率在X 波段(8 ～12 GHz)為例，必須滿足:

即2.5 cm ＞a ＞1.875 cm，b ＜1.25 cm。符合該尺寸的金屬波導滿足X 波段僅存在TE10 基模要求。

當僅有TE10 存在時，波導中的電場強度E 可表示為

由上式可見，電場在y 方向是均勻分布的，在x方向呈正弦分布，在波導中間位置具有最大值和最低的變化率，當向金屬波導中注入功率Pnet，則波導中心處的電場可以表示為

當金屬波導中為空氣介質時，η=377 Ω。注入金屬波導的功率Pnet可以通過雙定向耦合器結合兩臺功率計獲得［4］，其方案如圖3所示。

圖3 注入功率測量方法

Pnet=CfwdP1- CrevP2

式中:Cfwd，Crev分別是前向耦合系數與反向耦合系數，通過矢網標定。通過監控Port1，Port2 的功率值就可以獲得準確的Pnet，進而獲得波導中心處的場強。

在使用矩形金屬波導中的穩定已知電磁場對電場探針進行標定時，探針必須插入波導并停留在場強最大的中心位置，通常采用在金屬波導側壁開口的方法，當開口尺寸不超過側壁尺寸1/3 時，對金屬波導內部的場分布影響較小，光學探針的尺寸約為1 ～2 mm，且為光學介質材料構成，具有低侵入性，滿足標定要求［5］。

3 光學探針標定實施

利用矩形金屬波導產生標準的電磁場，對光學探針進行標定。具體方案原理如圖4所示［6］。

圖4 光學探針標定方案原理框圖

信號源輸出射頻信號進入功率放大器，放大至需要的輸出功率，通過雙定向耦合器饋入矩形金屬波導，在波導中形成穩定的電場分布，在波導金屬側壁上開小口，將光學探針插入并固定，使光學探針頭處于金屬波導中心位置，該位置處的電場強度與注入波導的能量存在對應關系，因此通過功率計監控注入的能量可以得到金屬波導中心位置處的電場強度，以此為依據對光學探針進行標定。

對于相控陣雷達天線來說，天線的輻射方向圖是評價天線最重要的指標。相控陣雷達天線眾多天線陣元之間的輻射場的相對幅度是影響天線輻射方向圖的最重要因素，因此需對光學探針對電場幅度的相對變化的響應進行測量標定。如圖4所示，搭建好系統，監控功率計1，2 的顯示，調節功放與衰減器的搭配，使金屬矩形波導饋入所需的功率，觀察后端處理系統的讀數并記錄;不斷調整衰減器，穩定后記錄后端處理系統讀數，獲得該頻點下的電場強度線性響應曲線。更換其他工作頻點，重復上述操作，即可獲得所有頻點下的電場強度測量曲線，對這些離散數據進行處理，數值擬合，可以獲得完整的工作頻帶內的響應曲線，以此為基礎對光學探針及后端處理系統進行線性修正以獲得全測量范圍內的線性響應區，從而達到幅度標定。

相控陣雷達天線更多關注的是相對相位的變化，因此對相位標定時，需要對光學探針及后端處理系統的相位測量線性進行標定修正。圖4 不僅可以測量電場的幅度信息，還可以給出電場的相對相位信息，不斷改變移相器，記錄后端處理系統的相位讀數，獲得相位測量線性數據。變換其他頻點，重復上述操作，獲得整個工作頻帶內的相位響應，通過數值方法進行擬合即可獲得相位響應線性曲線，以此作為對光學探針及后端處理系統相位測量線性響應的修正依據。

4 實驗驗證

將光學探針標定方案原理框圖中可調衰減器/移相器用標準件代替，進行光學探針標定方法準確性的驗證。

光學探針幅度標定準確度驗證時，使用的標準件是選用經上級計量單位校準過的可調衰減器。通過改變衰減器衰減量，記錄光學探針及后端處理系統的讀數變化，以此來驗證光學探針幅度標定方法準確性。具體驗證數據如表1所示。

表1 光學探針幅度標定準確度驗證數據

光學探針相位標定準確度驗證時，使用的標準件是經上級計量機構校準過的可調移相器。通過改變移相器移相量，記錄光學探針及后端處理系統的讀數變化，以此來驗證光學探針相位標定方法準確性。具體驗證數據如表2所示。

表2 光學探針相位標定準確度驗證數據

驗證表明在X 波段，光學探針使用矩形金屬波導中的穩定已知電磁場進行標定時，幅度誤差在0.20 dB以內，相位誤差在0.60°以內，優于傳統的天線近場測量系統的指標。

5 結論

采用矩形金屬波導的電場產生標準幅度及相位實現對光學探針標定的方法，建立了微波信號與光學信號的幅度和相位關系，解決了光學探針幅度和相位標定的難題，且準確度高于微波暗室近場幅度和相位測量準確度，為光學探針在相控陣雷達天線測量工程應用提供了關鍵性技術支撐。

［1］李海鷗，李思敏，陳明，等.微波光子技術的研究進展［J］.光通信技術，2011(8):26-26.

［2］國防科工委科技與質量司.無線電電子學計量［M］.北京:原子能出版社，2002.

［3］梁瓊崇，王實.1 ～18GHz 電場探頭校準技術研究［J］.電子產品可靠性與環境試驗，2013(6):46-47.

［4］吳萬春.電磁場理論［M］.北京:電子工業出版社，1985.

［5］王奇峰.光纖磁場傳感器換能器及系統研究［D］.成都:電子科技大學，2005.

［6］黃春陽.三維電場矢量微波光子檢測器集成天線的設計與優化［D］.成都:電子科技大學，2011.