基于電光調制技術的脈沖場強校準方法

彭 博，王淞宇，齊萬泉，何 巍，2

（1.北京無線電計量測試研究所，北京100039；2.計量與校準技術重點實驗室，北京100039）

1 引言

脈沖場強廣泛應用于脈沖雷達、相控陣雷達、遙測等領域，是表征其性能的一項基本指標［1］。脈沖場強的校準結果直接影響電磁環境監測準確性和電子設備在電磁環境適應性評估的可靠性。由于脈沖場強幅值通常在數千伏／米，超過了常規二極管檢波探頭量程（常規電場探頭測量范圍一般不超過1 200 V／m），另外常規電場探頭受限于其直流檢波特性，對不同占空比脈沖場測量結果差異很大，也無法準確反映脈沖電場上升／下降時間、脈寬、占空比等時域信息［2，3］。為了滿足脈沖場強的校準需求，亟需探索脈沖場強校準的技術。

從理論上推導了脈沖場強的產生機理，采用基于電光調制原理的鈮酸鋰光波導電場傳感技術對脈沖場強進行校準，并對校準不確定度進行了評估，最后采用接收天線法對校準結果進行了實驗驗證。研究結果可提供一種基于電光調制技術的脈沖場強校準方法。

2 脈沖場強校準方法

2.1 脈沖場強產生機理

基于微波暗室標準場法［4］，由脈沖源產生一個脈寬和占空比已知的脈沖調制信號，經由脈沖功率放大器放大后饋入微波暗室中的發射天線，通過測量饋入天線口面的凈峰值功率和天線增益，可通過理論計算得出在天線輻射區域內任意場點處的標準脈沖場強，如圖1所示。

圖1 脈沖場強產生機理圖Fig.1 Generation mechanism of pulse-modulation field

在距離發射天線口面距離r處產生的脈沖峰值場強可由式（1）理論計算獲得：

式中：Epeak——脈沖峰值場強；Ppeak——饋入輻射天線的凈峰值功率；G——輻射天線的增益；r——輻射天線口面與接收場點距離。

2.2 鈮酸鋰光波導傳感校準方法

鈮酸鋰光波導傳感法利用了鈮酸鋰（LiNbO3）晶體在外電場的作用下的電光效應，實現電磁場的測量［5］，原理如圖2所示，包括可調諧激光器、保偏光纖／單模光纖、電光調制器、光探測器、信號處理電路等部分。可調諧激光器發出的激光經過保偏光纖進入電光調制器。空間電磁場被電光調制器中天線接收，引起感應電壓，此感應電壓對傳輸于電光調制器中的光波進行強度調制。被調制后的光經單模光纖一路到達光探測器，經光電轉換后，輸出的電信號反映出空間電場信號。

圖2 鈮酸鋰光波導傳感工作原理圖Fig.2 Principle of LiNbO3optic-waveguide sensor

電光調制器是光波導傳感系統的核心器件，通常采用M-Z 干涉儀結構［6］，X 切Y 傳鈮酸鋰晶體形成的光波導M-Z 干涉儀結構如圖3所示。

圖3 電光調制器結構圖Fig.3 Structure diagram of electro-optic modulator

假設輸入光功率為Pin，則傳感器輸出光功率Pout為：

式中：E——外部電場強度；qE——光學探頭在電場E作用下產生的相位變化；Φ——光學偏置即電光調制器工作點。

當Φ＝π／2 時，式（2）可寫成：

并且在qE?1 時，輸出光功率Pout和被傳感電場E近似成線性關系：

鈮酸鋰光波導傳感校準方法原理如圖4所示，發射天線輻射到空間的脈沖場強由光波導傳感器接收，其輸出功率Pout經光探測器后以感應電壓U的形式呈現。接收到的峰值場強Epeak與鈮酸鋰光波導傳感器天線系數AF接收到的峰值電壓Upeak之間的關系同式（5），由X，Y，Z 三個軸向的場強合成：

圖4 鈮酸鋰光波導傳感校準方法原理圖Fig.4 Schematic diagram of calibration method based on LiNbO3 optic-waveguide sensor

各軸向的峰值電壓Upeak可通過頻譜儀直接讀出；各軸天線系數AF可以通過查閱產品手冊或用標準場法標定；接收的脈沖場強的脈寬、占空比和上升／下降時間可以通過數字示波器讀取。

2.3 實驗布置及測試結果

選取S 頻段典型頻點3 GHz，采用鈮酸鋰光波導傳感法對脈沖場強進行校準。發射天線和鈮酸鋰光波導傳感器距離1 m，通過調節信號源分別產生占空比1 %～10 %的大功率脈沖場強，由頻譜儀讀取光波導探頭接收到的峰值電壓Upeak-x，Upeak-y和Upeak-z，3 GHz 頻率下3 kV／m 脈沖場強測量結果如圖5所示。

根據式（5）可以計算出脈沖峰值場強Epeak，結果如表1所示，其中場強測量偏差δ可由式（6）表示，其中ET為光波導傳感器測量場強值，E0為理論計算脈沖場強標準值［7］：

表1 脈沖峰值場強校準結果Tab.1 Calibration result of pulse-modulation peak field

從表1 可以得出，在占空比1 %，5 %和10 %條件下脈沖場強峰值測量線性差異最大分別為1.2 dB，0.9 dB 和0.6 dB。占空比越大，光波導探頭對能量的采集越準確，場強測量偏差越小。

為驗證鈮酸鋰光波導傳感器接收脈沖場與脈沖場發生系統輸出脈沖場的一致性，需要對脈沖場強的脈沖周期、脈寬、占空比和上升／下降時間進行測量。按圖4所示，光波導傳感器接收到的脈沖信號經過檢波器檢波后接入數字示波器，由數字示波器讀取脈沖時域參數。脈沖源輸出中心頻率3 GHz，脈沖周期1 000 μs、脈寬10 μs／100 μs時數字示波器的測量結果如圖6所示。接收信號脈沖周期為1 000 μs，脈寬9.988 μs／占空比1 %，脈寬99.98 μs／占空比10 %，最大上升／下降時間73.29 ns／32.53 ns 均小于100 ns，與信號源輸出一致。

圖6 脈沖周期、脈寬、占空比和上升／下降時間測量圖Fig.6 Measurement results of pulse period，pulse width，duty cycle and rising／falling time

2.4 校準不確定度評定

脈沖場強校準的參數是頻率響應偏差，其數學模型同式（6）。式中各分量互不相關，場強的相對合成方差為：

脈沖場強校準不確定度的來源主要由以下幾方面組成：

1）饋入發射天線的凈峰值凈功率引入的不確定度u1；

2）發射天線增益測量引入的不確定度u2；

3）發射天線口面到接收點距離測量引入的不確定度u3；

4）線纜衰減引入的不確定度u4；

5）天線阻抗失配引入的不確定度u5；

6）非理想的暗室環境（反射）引入的不確定度u6；

7）光波導傳感器的天線系數引入的不確定度u7；

8）接收端峰值功率測量引入的不確定度u8；

9）重復性測量引入的不確定度u9。

通過式（8）可以得到合成標準不確定度u，具體評定結果如表2所示。

擴展不確定度U為：U＝2u＝21．8%（k＝2），約為1.7 dB（k＝2）。

2.5 不確定度實驗驗證

為驗證鈮酸鋰光波導傳感法測量不確定度的可靠性，在（1～3）kV／m 峰值場強＠3 GHz，用接收天線法對峰值場強測試結果進行了實驗驗證，如表3所示。

接收天線法的擴展不確定度U1＝2.0 dB（k＝2），鈮酸鋰光波導傳感法的擴展不確定度U2＝1.7 dB（k＝2），比對結果最大差值的絕對值為占空比1 %時1 kV／m 峰值場強的測量值，最大偏差值為1.5 dB，測量結果的最大差值不大于下式計算結果：，比較結果滿足要求［8］。

3 結束語

通過對脈沖場強的產生機理進行了理論分析和計算，提出了一種基于電光調制技術的鈮酸鋰光波導傳感方法對脈沖場強進行校準。通過評定脈沖場強測量不確定度，采用接收天線法對測量結果進行了實驗驗證，可以進一步拓展脈沖場強校準領域的技術儲備，進而滿足沖場強參數的量值溯源需求。