基于微波光子學的光電式高功率微波測試技術研究

楊 耀，孫 豹，胡天濤

（1.貴州航天計量測試技術研究所，貴陽550009；2.電子科技大學，成都611731）

1 引言

隨著高功率微波技術的發展，高功率微波發射源的功率不斷提升，而相應的高功率微波測試技術卻進步緩慢，現國內高功率微波脈沖場強測試技術仍以傳統的“天線接收＋晶體管檢波”方法也即總衰減量法［1］為主流。研究人員根據特定的應用需求，從傳感器技術指標優化、接收天線設計優化、測試系統整體優化、檢波器指標優化等方面開展了研究，解決了部分高功率微波測試需求，但由于沒有脫離傳統基本原理，始終無法解決接收天線體積大、對被測場擾動強和測試系統動態范圍小、抗干擾能力有限等固有缺陷，而這些缺陷已難以滿足高功率微波電磁環境測試需要。

在高功率微波電磁環境測試中，由于微波效應危害程度受功率、頻率、脈寬、重復頻率和占空比等因素的共同影響，需要完成對高功率微波電磁脈沖的時／頻域信號特征進行采集和分析。國內外高功率微波測試技術經歷了長期積累，形成了基于微波光子技術的新一代高功率微波場強測試系統［2-4］，例如，日本精工公司研制的SH-10EL 型號電場儀，可實現頻率范圍100 kHz～10 GHz，量程25 kV／m的電場測量；美國Srico 公司研發了兩款光電式高功率微波場強測試產品，對中國公開發售的Model 200-04型號光電電場測量儀，頻率范圍為10 Hz～1 GHz，場強測量范圍為10 V／m～10 kV／m。這些基于微波光子學的光電式電場測量儀雖然能測得場強，但往往不具備同時采集高功率微波時／頻域信號特征的能力。因此，急需研究具備低擾動、瞬時動態范圍大、抗干擾能力強且能同時采集高功率微波時／頻域信號等功能的高功率微波電磁環境測試系統。

2 高功率微波測試方法

2.1 傳統的高功率微波測試方法

傳統的高功率微波測試方法是使用接收天線接收高功率微波脈沖信號，經過衰減環節之后通過晶體管檢波器檢波，最后在示波器上讀取測得信號的特征［5］，測試原理框圖如圖1所示。

圖1 傳統高功率微波場強測試原理框圖Fig.1 Principle block diagram of traditional high power microwave field strength test

所測場強計算公式如式（1）：

式中：E——所測場強值；P——接收天線處接收到的功率大小；G——接收天線的增益；λ——所測微波頻率對應的波長。

由式（1）可知，場強值E與接收功率P成正比，與接收天線增益G成反比。且計算場強值E需要對接收天線增益、接收鏈路即衰減環節的衰減值進行測量，還需要對檢波器進行電壓-功率標定。之后，才能通過所測得電壓值，計算出總的接收功率P，然后將P和G帶入式（1）計算出電場值E。

2.2 基于微波光子學的高功率微波測試方法

基于微波光子學的高功率微波測試原理框圖［6］如圖2所示，激光器是光源，光傳感器是PIN傳感器，電場傳感器由錐形天線、調制電極和M-Z干涉儀共同構成，作為高功率微波接收前端。電場傳感器中只有錐形天線和調制電極為金屬材料，其余皆為非金屬材料，由于所使用的錐形天線和調制電極體積很小，與以天線作為接收前端的傳統測試方法相比極大的降低了接收端對被測場的擾動。

此種高功率微波測試方法的主要原理是，利用空間電場在電極上產生的感應電壓，對M-Z 干涉儀中的光波進行調制，通過對輸出光進行光電轉換，就可以得到空間電場的信息。具體過程為激光器發出的激光經過保偏光纖進入電場傳感器，此激光在M-Z 干涉儀被分至兩路波導臂中。當有外電場存在時，通過錐形天線［7］在電極之間產生感應電壓。此感應電壓引起一路波導臂中傳輸光的相位變化，而另一路波導臂不受此電壓影響。兩束光在干涉儀輸出端進行干涉。輸出光強為：

式中：α——電場傳感器的插入損耗；Pin——進入電場傳感器的激光強度；Vc——外電場在電極上引起的感應電壓；Vπ——電場傳感器的半電壓；φ——光學偏置。

由于Vc正比于外電場強度，因此，可以通過探測Pout來探測外電場強度。

2.3 光電式高功率微波測試系統

針對當前傳統高功率微波場強測試方法的固有缺陷，基于微波光子學的高功率微波場強探測技術和集成光學電場傳感器［8］的研究，提出一種光電式高功率微波測試系統。它的基本工作原理為：激光器產生激光源注入到光學場強傳感器中，光學場強傳感器接收高功率微波脈沖并調制激光信號形成激光調制信號。已調激光信號中包含了完整的微波脈沖信息，通過光纖將光信號傳輸至終端系統，進行信號處理。光信號傳輸到測試終端后由分光器分為兩路，其中一路經光電轉換后進行信號調理，由A／D 采樣進入FPGA，通過工作穩定點控制算法調整激光器波長，形成工作穩定點控制環路，使光學場強傳感器能夠在寬溫范圍內正常工作。另一路經光電傳感器轉換為微波脈沖信號，微波脈沖信號經下變頻后輸出中頻信號，經AD 高速采集后在數字域進行信號處理，實現波形數據和頻譜數據分析，輸出測試結果，其原理如圖3所示。

圖3 光電式高功率微波測試系統原理框圖Fig.3 Principle block diagram of photoelectric high power microwave test system

由于這種光電式高功率微波測試系統采用集成光學電場傳感器將強電磁脈沖信號直接調制到光波信號上，之后通過光纖等媒質輸出到后級處理設備，且采用無源傳感器以及光載微波傳輸方式，具有低擾動、瞬時動態范圍大、抗干擾能力強且能同時采集高功率微波時／頻域信號特征等優點，具體表現為：

1）傳感器尺寸小，對被測場幾乎無干擾；

由于電場傳感器由非金屬介質構成，內部只有微米量級寬度的金屬，相對于傳統電場傳感器，可以認為對被測場幾乎無干擾。采用集成光學技術，可將電場感應傳感器尺寸大幅縮小，提升了測量電場位置分辨能力，可以準確獲得特定位置的電場信息以及特定區域的電場分布，更重要的是可以解決狹小空間電場的測量。

2）瞬時動態范圍大；

基于集成光學的高功率微波測試技術，采用電光調制器將電信號轉換為光信號，光信號傳輸至測試終端后，再經光電調制器轉換為微波脈沖，最終通過電域信號處理，獲得信號參數。該測試技術具有寬帶響應和瞬時動態范圍大等優點，可同時滿足小場強和大場強測試的場景。

3）電場傳感器無源工作，光纖傳輸，抗干擾能力強；

基于集成光學的高功率微波測試技術，其電場傳感器無源工作，安裝時無需考慮供電，可以長時間無間斷連續工作，同時消除了附加電纜影響。光纖作為傳感器與測量主機之間的傳輸通道，被測電場也不會干擾光纖中傳輸的光信號增強了抗干擾能力，非常適于電磁環境測試等需遠程測試的場景。

4）可完成頻域、時域參數測試。

基于集成光學的高功率微波測試技術，可實現高功率微波參數的時域、頻域信息測量，多維度表征被測場的特性。

2.4 試驗驗證

基于上述原理及相關技術研究，對光電式電場傳感器進行了加工制作如圖4所示，并使用此套光電式高功率微波測試系統對高功率微波脈沖信號進行測試。

圖4 光電式電場傳感器實物圖Fig.4 Picture of photoelectric electric field sensor

試驗驗證現場布置示意圖及實測布置圖如圖5和圖6所示，將光電式電場探頭通過探頭支架放置在高功率微波發射天線前端，使其位于發射天線主波束范圍內。調整探頭的接收方向后，打開高功率微波發射源對其進行輻照。

圖5 光電式高功率微波測試系統現場驗證布置示意圖Fig.5 Schematic diagram of on-site verification layout of photoelectric high power microwave test system

圖6 光電式高功率微波測試系統驗證實測布置圖Fig.6 Layout of Photoelectric High Power Microwave Test System Verification and Measurement

其測得的高功率微波脈沖波形圖如圖7所示，從圖中可以得出所測脈沖信號的幅值、脈寬及其調制波等信息，能較完整的提取出其時域和頻域的信號特征，證明了這套測試系統和方法的可行性和有效性。通過對測量結果進行分析，光電式電場探頭在同一位置不同擺放方向所測得的結果存在較大差異，其原因是錐形天線與高功率微波輻照天線之間極化失配所導致。因此，還需進一步對探頭的架設工裝進行設計，確保測量結果的穩定性和可靠性。

圖7 光電式高功率微波測試系統測試結果圖Fig.7 Test results of photoelectric high power microwave test system

3 結束語

介紹了一種基于微波光子學的高功率微波場強測試方法，并基于此方法提出了一套光電式高功率微波測試系統，相比于傳統的高功率微波測試系統，它具有低擾動、瞬時動態范圍大、抗干擾能力強且能同時采集高功率微波時／頻域信號等優點。對這套光電式高功率微波測試系統進行加工后，在高功率微波環境下對其進行了試驗驗證，其測得結果能完整表征高功率微波脈沖在時域和頻域上的信號特征，證明了此種光電式電場探測方法的有效性，在一定程度上解決了當前高功率微波測試的難題，為后續高功率微波測試技術的研究做了鋪墊。