基于微波光子學(xué)的光電式高功率微波測試技術(shù)研究

楊 耀，孫 豹，胡天濤

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

1 引言

隨著高功率微波技術(shù)的發(fā)展，高功率微波發(fā)射源的功率不斷提升，而相應(yīng)的高功率微波測試技術(shù)卻進(jìn)步緩慢，現(xiàn)國內(nèi)高功率微波脈沖場強(qiáng)測試技術(shù)仍以傳統(tǒng)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(jù)特定的應(yīng)用需求，從傳感器技術(shù)指標(biāo)優(yōu)化、接收天線設(shè)計(jì)優(yōu)化、測試系統(tǒng)整體優(yōu)化、檢波器指標(biāo)優(yōu)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(tǒng)基本原理，始終無法解決接收天線體積大、對被測場擾動強(qiáng)和測試系統(tǒng)動態(tài)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(huán)境測試需要。

在高功率微波電磁環(huán)境測試中，由于微波效應(yīng)危害程度受功率、頻率、脈寬、重復(fù)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(jìn)行采集和分析。國內(nèi)外高功率微波測試技術(shù)經(jīng)歷了長期積累，形成了基于微波光子技術(shù)的新一代高功率微波場強(qiáng)測試系統(tǒng)［2-4］，例如，日本精工公司研制的SH-10EL 型號電場儀，可實(shí)現(xiàn)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(fā)了兩款光電式高功率微波場強(qiáng)測試產(chǎn)品，對中國公開發(fā)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(qiáng)測量范圍為10 V／m～10 kV／m。這些基于微波光子學(xué)的光電式電場測量儀雖然能測得場強(qiáng)，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(tài)范圍大、抗干擾能力強(qiáng)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(huán)境測試系統(tǒng)。

2 高功率微波測試方法

2.1 傳統(tǒng)的高功率微波測試方法

傳統(tǒng)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(jīng)過衰減環(huán)節(jié)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(tǒng)高功率微波場強(qiáng)測試原理框圖Fig.1 Principle block diagram of traditional high power microwave field strength test

所測場強(qiáng)計(jì)算公式如式（1）：

式中：E——所測場強(qiáng)值；P——接收天線處接收到的功率大??；G——接收天線的增益；λ——所測微波頻率對應(yīng)的波長。

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

2.2 基于微波光子學(xué)的高功率微波測試方法

基于微波光子學(xué)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(diào)制電極和M-Z干涉儀共同構(gòu)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(diào)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(diào)制電極體積很小，與以天線作為接收前端的傳統(tǒng)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(chǎn)生的感應(yīng)電壓，對M-Z 干涉儀中的光波進(jìn)行調(diào)制，通過對輸出光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，就可以得到空間電場的信息。具體過程為激光器發(fā)出的激光經(jīng)過保偏光纖進(jìn)入電場傳感器，此激光在M-Z 干涉儀被分至兩路波導(dǎo)臂中。當(dāng)有外電場存在時，通過錐形天線［7］在電極之間產(chǎn)生感應(yīng)電壓。此感應(yīng)電壓引起一路波導(dǎo)臂中傳輸光的相位變化，而另一路波導(dǎo)臂不受此電壓影響。兩束光在干涉儀輸出端進(jìn)行干涉。輸出光強(qiáng)為：

式中：α——電場傳感器的插入損耗；Pin——進(jìn)入電場傳感器的激光強(qiáng)度；Vc——外電場在電極上引起的感應(yīng)電壓；Vπ——電場傳感器的半電壓；φ——光學(xué)偏置。

由于Vc正比于外電場強(qiáng)度，因此，可以通過探測Pout來探測外電場強(qiáng)度。

2.3 光電式高功率微波測試系統(tǒng)

針對當(dāng)前傳統(tǒng)高功率微波場強(qiáng)測試方法的固有缺陷，基于微波光子學(xué)的高功率微波場強(qiáng)探測技術(shù)和集成光學(xué)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(tǒng)。它的基本工作原理為：激光器產(chǎn)生激光源注入到光學(xué)場強(qiáng)傳感器中，光學(xué)場強(qiáng)傳感器接收高功率微波脈沖并調(diào)制激光信號形成激光調(diào)制信號。已調(diào)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(tǒng)，進(jìn)行信號處理。光信號傳輸?shù)綔y試終端后由分光器分為兩路，其中一路經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后進(jìn)行信號調(diào)理，由A／D 采樣進(jìn)入FPGA，通過工作穩(wěn)定點(diǎn)控制算法調(diào)整激光器波長，形成工作穩(wěn)定點(diǎn)控制環(huán)路，使光學(xué)場強(qiáng)傳感器能夠在寬溫范圍內(nèi)正常工作。另一路經(jīng)光電傳感器轉(zhuǎn)換為微波脈沖信號，微波脈沖信號經(jīng)下變頻后輸出中頻信號，經(jīng)AD 高速采集后在數(shù)字域進(jìn)行信號處理，實(shí)現(xiàn)波形數(shù)據(jù)和頻譜數(shù)據(jù)分析，輸出測試結(jié)果，其原理如圖3所示。

圖3 光電式高功率微波測試系統(tǒng)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(tǒng)采用集成光學(xué)電場傳感器將強(qiáng)電磁脈沖信號直接調(diào)制到光波信號上，之后通過光纖等媒質(zhì)輸出到后級處理設(shè)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(tài)范圍大、抗干擾能力強(qiáng)且能同時采集高功率微波時／頻域信號特征等優(yōu)點(diǎn)，具體表現(xiàn)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(zhì)構(gòu)成，內(nèi)部只有微米量級寬度的金屬，相對于傳統(tǒng)電場傳感器，可以認(rèn)為對被測場幾乎無干擾。采用集成光學(xué)技術(shù)，可將電場感應(yīng)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(zhǔn)確獲得特定位置的電場信息以及特定區(qū)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(tài)范圍大；

基于集成光學(xué)的高功率微波測試技術(shù)，采用電光調(diào)制器將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，光信號傳輸至測試終端后，再經(jīng)光電調(diào)制器轉(zhuǎn)換為微波脈沖，最終通過電域信號處理，獲得信號參數(shù)。該測試技術(shù)具有寬帶響應(yīng)和瞬時動態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)，可同時滿足小場強(qiáng)和大場強(qiáng)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(qiáng)；

基于集成光學(xué)的高功率微波測試技術(shù)，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(xù)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(jī)之間的傳輸通道，被測電場也不會干擾光纖中傳輸?shù)墓庑盘栐鰪?qiáng)了抗干擾能力，非常適于電磁環(huán)境測試等需遠(yuǎn)程測試的場景。

4）可完成頻域、時域參數(shù)測試。

基于集成光學(xué)的高功率微波測試技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)高功率微波參數(shù)的時域、頻域信息測量，多維度表征被測場的特性。

2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

基于上述原理及相關(guān)技術(shù)研究，對光電式電場傳感器進(jìn)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(tǒng)對高功率微波脈沖信號進(jìn)行測試。

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

試驗(yàn)驗(yàn)證現(xiàn)場布置示意圖及實(shí)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(fā)射天線前端，使其位于發(fā)射天線主波束范圍內(nèi)。調(diào)整探頭的接收方向后，打開高功率微波發(fā)射源對其進(jìn)行輻照。

圖5 光電式高功率微波測試系統(tǒng)現(xiàn)場驗(yàn)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(tǒng)驗(yàn)證實(shí)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(diào)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(tǒng)和方法的可行性和有效性。通過對測量結(jié)果進(jìn)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(jié)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(dǎo)致。因此，還需進(jìn)一步對探頭的架設(shè)工裝進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保測量結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性。

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

3 結(jié)束語

介紹了一種基于微波光子學(xué)的高功率微波場強(qiáng)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(tǒng)，相比于傳統(tǒng)的高功率微波測試系統(tǒng)，它具有低擾動、瞬時動態(tài)范圍大、抗干擾能力強(qiáng)且能同時采集高功率微波時／頻域信號等優(yōu)點(diǎn)。對這套光電式高功率微波測試系統(tǒng)進(jìn)行加工后，在高功率微波環(huán)境下對其進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，其測得結(jié)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(dāng)前高功率微波測試的難題，為后續(xù)高功率微波測試技術(shù)的研究做了鋪墊。