光學(xué)電磁場(chǎng)探測(cè)探針標(biāo)定技術(shù)研究

張思敏，盛永鑫，田曉光

(中國電子科技集團(tuán)公司第38 研究所，安徽合肥230031)

0 引言

光學(xué)電磁場(chǎng)探測(cè)探針(以下簡(jiǎn)稱光學(xué)探針)具有測(cè)量頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大、對(duì)被測(cè)場(chǎng)的干擾小、空間分辨力高、不受外界環(huán)境電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)決定了光學(xué)探針非常適合于對(duì)相控陣?yán)走_(dá)天線進(jìn)行測(cè)量校準(zhǔn)。目前，我國已開始研究利用光學(xué)電磁場(chǎng)探測(cè)技術(shù)對(duì)相控陣?yán)走_(dá)天線進(jìn)行測(cè)量校準(zhǔn)，美國、日本、韓國和法國也在開展類似的工作。如何標(biāo)定光學(xué)探針的幅度和相位測(cè)量能力，提高光學(xué)探針對(duì)相控陣天線的近場(chǎng)幅度和相位的測(cè)量精度，實(shí)現(xiàn)對(duì)相控陣天線工作模式下的校準(zhǔn)和功效評(píng)估，目前缺少相應(yīng)的標(biāo)定方法，需要研究［1］。直透鏡對(duì)光纖中激光進(jìn)行聚焦，將激光聚焦在電光晶體上，激光透過電光晶體，經(jīng)其端面(鍍介質(zhì)全反射膜)反射返回光纖內(nèi)。探針前端的電光晶體在外加電場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生電光效應(yīng)，其光學(xué)折射率分布發(fā)生變化，從而影響在其中傳輸?shù)募す馄裉匦裕?jīng)過后端光學(xué)主系統(tǒng)的偏振相關(guān)檢測(cè)解調(diào)，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(cè)，獲得電磁波信號(hào)的幅度和相位信息。因此光學(xué)探針和后端的光學(xué)主系統(tǒng)在被測(cè)電磁場(chǎng)信號(hào)與系統(tǒng)最終檢測(cè)得到的微波信號(hào)之間建立了一種對(duì)應(yīng)關(guān)系，這種測(cè)量方法的準(zhǔn)確性關(guān)鍵取決于探針的標(biāo)定。

圖1 光學(xué)探針的原理圖

1 光學(xué)探針工作原理

光學(xué)探針的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，光纖的尾端連接準(zhǔn)

2 光學(xué)探針標(biāo)定方法研究

探針標(biāo)定又分為幅度標(biāo)定和相位標(biāo)定。因此標(biāo)定過程中主要需要解決三個(gè)問題:首先，要獲得標(biāo)準(zhǔn)已知的電磁場(chǎng)作為標(biāo)定參考坐標(biāo)系;其次，使用的標(biāo)定方法具有可參考的行業(yè)方法;最后，使用的標(biāo)定設(shè)備滿足被標(biāo)定設(shè)備的標(biāo)定需求。

目前電磁場(chǎng)測(cè)量探頭的標(biāo)定及校準(zhǔn)遵循IEEE Std 1309-2005 標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)介紹了幾種標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)的獲取方法，我們擬采用的標(biāo)定方法是該標(biāo)準(zhǔn)中介紹的基于矩形金屬波導(dǎo)的電場(chǎng)相對(duì)幅度及相位標(biāo)定方法。

矩形金屬波導(dǎo)作為常規(guī)的微波傳輸器件，具有損耗低、性能穩(wěn)定、不易受干擾的優(yōu)點(diǎn)，且在較好的匹配條件下，金屬波導(dǎo)的駐波比很低(接負(fù)載VSWR ＜1.05)，可以極大消除駐波影響，在金屬波導(dǎo)內(nèi)部形成一個(gè)穩(wěn)定分布的電磁場(chǎng)。相比于微波暗室的天線喇叭輻射場(chǎng)，采用金屬波導(dǎo)不僅可以獲得更高的電場(chǎng)強(qiáng)度，還可以避免場(chǎng)地帶來的影響，更易實(shí)現(xiàn)。圖2所示為金屬波導(dǎo)內(nèi)部電場(chǎng)分布(僅TE10 基模)［2-3］。

圖2 金屬波導(dǎo)內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)分布圖

根據(jù)麥克斯韋方程和邊界條件，金屬波導(dǎo)內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)使用時(shí)，通常只保留基模而限制其他高階模，波導(dǎo)中可傳輸?shù)哪Ｊ脚c傳輸波的波長及波導(dǎo)截面尺寸a，b 有關(guān)。對(duì)于每一種傳輸模，截至頻率

只有高于截至頻率的電磁場(chǎng)波才能在金屬波導(dǎo)中傳播，以金屬波導(dǎo)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(dǎo)滿足X 波段僅存在TE10 基模要求。

當(dāng)僅有TE10 存在時(shí)，波導(dǎo)中的電場(chǎng)強(qiáng)度E 可表示為

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

當(dāng)金屬波導(dǎo)中為空氣介質(zhì)時(shí)，η=377 Ω。注入金屬波導(dǎo)的功率Pnet可以通過雙定向耦合器結(jié)合兩臺(tái)功率計(jì)獲得［4］，其方案如圖3所示。

圖3 注入功率測(cè)量方法

Pnet=CfwdP1- CrevP2

式中:Cfwd，Crev分別是前向耦合系數(shù)與反向耦合系數(shù)，通過矢網(wǎng)標(biāo)定。通過監(jiān)控Port1，Port2 的功率值就可以獲得準(zhǔn)確的Pnet，進(jìn)而獲得波導(dǎo)中心處的場(chǎng)強(qiáng)。

在使用矩形金屬波導(dǎo)中的穩(wěn)定已知電磁場(chǎng)對(duì)電場(chǎng)探針進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，探針必須插入波導(dǎo)并停留在場(chǎng)強(qiáng)最大的中心位置，通常采用在金屬波導(dǎo)側(cè)壁開口的方法，當(dāng)開口尺寸不超過側(cè)壁尺寸1/3 時(shí)，對(duì)金屬波導(dǎo)內(nèi)部的場(chǎng)分布影響較小，光學(xué)探針的尺寸約為1 ～2 mm，且為光學(xué)介質(zhì)材料構(gòu)成，具有低侵入性，滿足標(biāo)定要求［5］。

3 光學(xué)探針標(biāo)定實(shí)施

利用矩形金屬波導(dǎo)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的電磁場(chǎng)，對(duì)光學(xué)探針進(jìn)行標(biāo)定。具體方案原理如圖4所示［6］。

圖4 光學(xué)探針標(biāo)定方案原理框圖

信號(hào)源輸出射頻信號(hào)進(jìn)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(dǎo)，在波導(dǎo)中形成穩(wěn)定的電場(chǎng)分布，在波導(dǎo)金屬側(cè)壁上開小口，將光學(xué)探針插入并固定，使光學(xué)探針頭處于金屬波導(dǎo)中心位置，該位置處的電場(chǎng)強(qiáng)度與注入波導(dǎo)的能量存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此通過功率計(jì)監(jiān)控注入的能量可以得到金屬波導(dǎo)中心位置處的電場(chǎng)強(qiáng)度，以此為依據(jù)對(duì)光學(xué)探針進(jìn)行標(biāo)定。

對(duì)于相控陣?yán)走_(dá)天線來說，天線的輻射方向圖是評(píng)價(jià)天線最重要的指標(biāo)。相控陣?yán)走_(dá)天線眾多天線陣元之間的輻射場(chǎng)的相對(duì)幅度是影響天線輻射方向圖的最重要因素，因此需對(duì)光學(xué)探針對(duì)電場(chǎng)幅度的相對(duì)變化的響應(yīng)進(jìn)行測(cè)量標(biāo)定。如圖4所示，搭建好系統(tǒng)，監(jiān)控功率計(jì)1，2 的顯示，調(diào)節(jié)功放與衰減器的搭配，使金屬矩形波導(dǎo)饋入所需的功率，觀察后端處理系統(tǒng)的讀數(shù)并記錄;不斷調(diào)整衰減器，穩(wěn)定后記錄后端處理系統(tǒng)讀數(shù)，獲得該頻點(diǎn)下的電場(chǎng)強(qiáng)度線性響應(yīng)曲線。更換其他工作頻點(diǎn)，重復(fù)上述操作，即可獲得所有頻點(diǎn)下的電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量曲線，對(duì)這些離散數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，數(shù)值擬合，可以獲得完整的工作頻帶內(nèi)的響應(yīng)曲線，以此為基礎(chǔ)對(duì)光學(xué)探針及后端處理系統(tǒng)進(jìn)行線性修正以獲得全測(cè)量范圍內(nèi)的線性響應(yīng)區(qū)，從而達(dá)到幅度標(biāo)定。

相控陣?yán)走_(dá)天線更多關(guān)注的是相對(duì)相位的變化，因此對(duì)相位標(biāo)定時(shí)，需要對(duì)光學(xué)探針及后端處理系統(tǒng)的相位測(cè)量線性進(jìn)行標(biāo)定修正。圖4 不僅可以測(cè)量電場(chǎng)的幅度信息，還可以給出電場(chǎng)的相對(duì)相位信息，不斷改變移相器，記錄后端處理系統(tǒng)的相位讀數(shù)，獲得相位測(cè)量線性數(shù)據(jù)。變換其他頻點(diǎn)，重復(fù)上述操作，獲得整個(gè)工作頻帶內(nèi)的相位響應(yīng)，通過數(shù)值方法進(jìn)行擬合即可獲得相位響應(yīng)線性曲線，以此作為對(duì)光學(xué)探針及后端處理系統(tǒng)相位測(cè)量線性響應(yīng)的修正依據(jù)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將光學(xué)探針標(biāo)定方案原理框圖中可調(diào)衰減器/移相器用標(biāo)準(zhǔn)件代替，進(jìn)行光學(xué)探針標(biāo)定方法準(zhǔn)確性的驗(yàn)證。

光學(xué)探針幅度標(biāo)定準(zhǔn)確度驗(yàn)證時(shí)，使用的標(biāo)準(zhǔn)件是選用經(jīng)上級(jí)計(jì)量單位校準(zhǔn)過的可調(diào)衰減器。通過改變衰減器衰減量，記錄光學(xué)探針及后端處理系統(tǒng)的讀數(shù)變化，以此來驗(yàn)證光學(xué)探針幅度標(biāo)定方法準(zhǔn)確性。具體驗(yàn)證數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 光學(xué)探針幅度標(biāo)定準(zhǔn)確度驗(yàn)證數(shù)據(jù)

光學(xué)探針相位標(biāo)定準(zhǔn)確度驗(yàn)證時(shí)，使用的標(biāo)準(zhǔn)件是經(jīng)上級(jí)計(jì)量機(jī)構(gòu)校準(zhǔn)過的可調(diào)移相器。通過改變移相器移相量，記錄光學(xué)探針及后端處理系統(tǒng)的讀數(shù)變化，以此來驗(yàn)證光學(xué)探針相位標(biāo)定方法準(zhǔn)確性。具體驗(yàn)證數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 光學(xué)探針相位標(biāo)定準(zhǔn)確度驗(yàn)證數(shù)據(jù)

驗(yàn)證表明在X 波段，光學(xué)探針使用矩形金屬波導(dǎo)中的穩(wěn)定已知電磁場(chǎng)進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，幅度誤差在0.20 dB以內(nèi)，相位誤差在0.60°以內(nèi)，優(yōu)于傳統(tǒng)的天線近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的指標(biāo)。

5 結(jié)論

采用矩形金屬波導(dǎo)的電場(chǎng)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)幅度及相位實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)探針標(biāo)定的方法，建立了微波信號(hào)與光學(xué)信號(hào)的幅度和相位關(guān)系，解決了光學(xué)探針幅度和相位標(biāo)定的難題，且準(zhǔn)確度高于微波暗室近場(chǎng)幅度和相位測(cè)量準(zhǔn)確度，為光學(xué)探針在相控陣?yán)走_(dá)天線測(cè)量工程應(yīng)用提供了關(guān)鍵性技術(shù)支撐。

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

［2］國防科工委科技與質(zhì)量司.無線電電子學(xué)計(jì)量［M］.北京:原子能出版社，2002.

［3］梁瓊崇，王實(shí).1 ～18GHz 電場(chǎng)探頭校準(zhǔn)技術(shù)研究［J］.電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2013(6):46-47.

［4］吳萬春.電磁場(chǎng)理論［M］.北京:電子工業(yè)出版社，1985.

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

［6］黃春陽.三維電場(chǎng)矢量微波光子檢測(cè)器集成天線的設(shè)計(jì)與優(yōu)化［D］.成都:電子科技大學(xué)，2011.