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集成光学电磁场传感器研究

作　者: 孙豹
导　师: 陈福深
学　校: 电子科技大学
专　业: 光学工程
关键词: 集成光学电场传感器磁场传感器分段电极环形天线锥形天线
分类号: TP212.13
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着电子技术的飞速发展,对环境电磁场的测量变得越来越重要。实际上,电磁场测量在很多科学技术领域都占有重要地位。过程控制、医学设备的电场监测、弹道控制、电磁兼容测量、微波集成电路测试、天线近场测量、雷电瞬态电场的测量、核爆脉冲电场的得测量等,都是电磁场测量的应用领域。采用集成光学技术的电磁场传感器,具有小型化、大带宽、高灵敏度、抗电磁干扰等优势,正成为研究热点。本文以LiNb03材料的光波导电磁场传感器及其系统作为研究对象,展开相关研究。主要工作如下：1、电磁场传感器的基本原理及模型分析本文给出集成光学电磁场传感器的理论基础,讨论了信号和噪声的构成情况。从系统角度对组成集成光学电磁场传感系统的各个部分进行了分析研究,分析了可用于集成光学电磁场传感器的天线结构和调制器结构。并结合多年的实验经验给出了集成光学电磁场传感器的性能测试方法。指出了影响电场传感器的最小可测量电场以及动态范围的各种因素。2、拉杆天线分段电极电场传感器研究研究了一种基于分段电极结构的拉杆天线电场传感器,运用等效电路的方法建立了这种电场传感器的物理模型,结果表明在分段数为七段时,分段电极之间有最大的电极电压增益。对拉杆天线电场传感器的电场传感系统进行了详细的测试,结果表明系统的频率响应范围为10 MHz到6 GHz；可测量最小电场为30mV/m；频率为200 MHz时动态范围可以达到90 dB。3、锥形天线电场传感器研究提出一种阵列锥形天线结构的电场传感器,锥形天线的阻抗从锥状的底部到尖端逐渐增大,这样就形成了行波天线。使用这种结构,天线尖端的反射电流可以大大减小甚至消除,可以避免驻波的形成,从而提高响应带宽。对器件进行的性能测试显示其最小可测量电场为20 mV/m,响应频率为10 kHz到10 GHz,频率为1 GHz时动态范围为100 dB。4、双负载结构集成光学磁场传感器研究提出了一种双负载结构的集成光学磁场传感器,从理论上证明了这种磁场传感器在工作时不会引入电场的干扰。建立了磁场传感器的等效电路模型,分析了其灵敏度、频率响应受传感器环形天线参数的影响,结果表明：环带宽度增加时,频率响应增加。通过更大孔径的环可以得到更高的频率响应。另一方面,灵敏度也随着环的尺寸增大而增大。电极长度减小将会提高频率响应,然而电极长度减小又会降低灵敏度。对制作好的磁场传感器进行了性能测试,结果表明器件最小可测量磁场为51.8μA/m,±5dB的响应频率为2GHz-6 GHz,在测试频率为1GHz时动态范围为98 dB。5、集成光学强电场传感器研究研究了一种以分段电极电场传感器为基础的集成光学强电场传感器,并对制作好的电场传感器进行了大量的实验测量,包括工频电场测量,平板电极脉冲电场测量,雷电波冲击强电场测量。对测量结果进行的分析表明：研制的强电场传感器最大可测量电场范围为-75kV/m-245 kV/m,并且适合于强电场的工频电场测量,雷电波(1.2μs/50μs)的全波、截波测量。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-19
第一章绪论  19-37
  1.1 引言  19-20
  1.2 研究现状  20-34
    1.2.1 集成光学电场传感器  20-31
    1.2.2 集成光学磁场传感器  31-33
    1.2.3 集成光学强电场传感器  33-34
  1.3 本文的研究意义  34-35
  1.4 本文主要工作及内容安排  35-36
  1.5 本文主要创新点  36-37
第二章集成光学电磁场传感系统基础  37-60
  2.1 系统概念与分析  37-40
    2.1.1 系统模型  37-39
    2.1.2 系统噪声  39-40
  2.2 天线  40-43
    2.2.1 短电偶极子  41-42
    2.2.2 环形天线  42-43
  2.3 调制器性能  43-45
    2.3.1 灵敏度与频率响应  43-44
    2.3.2 偏置点控制  44
    2.3.3 动态范围  44-45
  2.4 光波导结构  45-54
    2.4.1 Mach-Zehnder干涉仪  45-47
    2.4.2 Michelson干涉仪  47-48
    2.4.3 Pockels cell  48-49
    2.4.4 Fabry-Perot干涉仪  49-51
    2.4.5 四端口耦合器  51-52
    2.4.6 三端口耦合器  52-54
  2.5 探测器和激光器  54-55
  2.6 性能测试装置  55-58
    2.6.1 使用TEM cell测试  55-56
    2.6.2 使用GTEM cell测试  56-57
    2.6.3 使用微波暗室测试  57-58
  2.7 本章小结  58-60
第三章拉杆天线电场传感器  60-80
  3.1 工作原理  60-68
    3.1.1 等效电路模型  61-62
    3.1.2 最小可测量电场  62-64
    3.1.3 线性动态范围  64-68
  3.2 拉杆天线分段电极电场传感器  68-79
    3.2.1 结构和原理  68-72
    3.2.2 拉杆天线电场传感器的制作  72-73
    3.2.3 测试结果及分析  73-79
  3.3 本章小结  79-80
第四章锥形天线电场传感器  80-95
  4.1 原理与结构  80-88
    4.1.1 等效电路模型  81-82
    4.1.2 数值分析  82-87
    4.1.3 传感系统  87-88
  4.2 测试结果及分析  88-94
    4.2.1 灵敏度  89-90
    4.2.2 频率响应  90-93
    4.2.3 线性动态范围  93-94
  4.3 本章小结  94-95
第五章双负载环形天线磁场传感器  95-107
  5.1 原理与结构  95-101
  5.2 传感系统  101
  5.3 性能测试  101-106
    5.3.1 最小可测量磁场  103-104
    5.3.2 频率响应分析  104-105
    5.3.3 线性动态范围  105-106
  5.4 本章小结  106-107
第六章分段电极强电场传感器  107-126
  6.1 原理与结构  107-113
  6.2 传感系统  113-114
  6.3 性能测量  114-125
    6.3.1 工频高压电场实验  115-117
    6.3.2 平板脉冲强电场试验  117-121
    6.3.3 高压瞬态冲击电场试验  121-125
  6.4 本章小结  125-126
第七章总结与展望  126-130
  7.1 全文总结  126-128
  7.2 下一步工作展望  128-130
致谢  130-131
参考文献  131-141
附录器件制作技术  141-147
  附-1 制作工艺流程图  141-142
  附-2 掩模板的设计与制作  142-143
  附-3 质子交换与退火工艺  143-144
  附-4 缓冲层的制作  144-145
  附-5 电极的制作  145
  附-6 器件研磨抛光与耦合  145-147
博士研究生期间取得的研究成果  147-148
个人简介  148

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