基于电光调制技术的脉冲场强校准方法

彭 博，王淞宇，齐万泉，何 巍，2

（1.北京无线电计量测试研究所，北京100039；2.计量与校准技术重点实验室，北京100039）

1 引言

脉冲场强广泛应用于脉冲雷达、相控阵雷达、遥测等领域，是表征其性能的一项基本指标［1］。脉冲场强的校准结果直接影响电磁环境监测准确性和电子设备在电磁环境适应性评估的可靠性。由于脉冲场强幅值通常在数千伏／米，超过了常规二极管检波探头量程（常规电场探头测量范围一般不超过1 200 V／m），另外常规电场探头受限于其直流检波特性，对不同占空比脉冲场测量结果差异很大，也无法准确反映脉冲电场上升／下降时间、脉宽、占空比等时域信息［2，3］。为了满足脉冲场强的校准需求，亟需探索脉冲场强校准的技术。

从理论上推导了脉冲场强的产生机理，采用基于电光调制原理的铌酸锂光波导电场传感技术对脉冲场强进行校准，并对校准不确定度进行了评估，最后采用接收天线法对校准结果进行了实验验证。研究结果可提供一种基于电光调制技术的脉冲场强校准方法。

2 脉冲场强校准方法

2.1 脉冲场强产生机理

基于微波暗室标准场法［4］，由脉冲源产生一个脉宽和占空比已知的脉冲调制信号，经由脉冲功率放大器放大后馈入微波暗室中的发射天线，通过测量馈入天线口面的净峰值功率和天线增益，可通过理论计算得出在天线辐射区域内任意场点处的标准脉冲场强，如图1所示。

图1 脉冲场强产生机理图Fig.1 Generation mechanism of pulse-modulation field

在距离发射天线口面距离r处产生的脉冲峰值场强可由式（1）理论计算获得：

式中：Epeak——脉冲峰值场强；Ppeak——馈入辐射天线的净峰值功率；G——辐射天线的增益；r——辐射天线口面与接收场点距离。

2.2 铌酸锂光波导传感校准方法

铌酸锂光波导传感法利用了铌酸锂（LiNbO3）晶体在外电场的作用下的电光效应，实现电磁场的测量［5］，原理如图2所示，包括可调谐激光器、保偏光纤／单模光纤、电光调制器、光探测器、信号处理电路等部分。可调谐激光器发出的激光经过保偏光纤进入电光调制器。空间电磁场被电光调制器中天线接收，引起感应电压，此感应电压对传输于电光调制器中的光波进行强度调制。被调制后的光经单模光纤一路到达光探测器，经光电转换后，输出的电信号反映出空间电场信号。

图2 铌酸锂光波导传感工作原理图Fig.2 Principle of LiNbO3optic-waveguide sensor

电光调制器是光波导传感系统的核心器件，通常采用M-Z 干涉仪结构［6］，X 切Y 传铌酸锂晶体形成的光波导M-Z 干涉仪结构如图3所示。

图3 电光调制器结构图Fig.3 Structure diagram of electro-optic modulator

假设输入光功率为Pin，则传感器输出光功率Pout为：

式中：E——外部电场强度；qE——光学探头在电场E作用下产生的相位变化；Φ——光学偏置即电光调制器工作点。

当Φ＝π／2 时，式（2）可写成：

并且在qE≪1 时，输出光功率Pout和被传感电场E近似成线性关系：

铌酸锂光波导传感校准方法原理如图4所示，发射天线辐射到空间的脉冲场强由光波导传感器接收，其输出功率Pout经光探测器后以感应电压U的形式呈现。接收到的峰值场强Epeak与铌酸锂光波导传感器天线系数AF接收到的峰值电压Upeak之间的关系同式（5），由X，Y，Z 三个轴向的场强合成：

图4 铌酸锂光波导传感校准方法原理图Fig.4 Schematic diagram of calibration method based on LiNbO3 optic-waveguide sensor

各轴向的峰值电压Upeak可通过频谱仪直接读出；各轴天线系数AF可以通过查阅产品手册或用标准场法标定；接收的脉冲场强的脉宽、占空比和上升／下降时间可以通过数字示波器读取。

2.3 实验布置及测试结果

选取S 频段典型频点3 GHz，采用铌酸锂光波导传感法对脉冲场强进行校准。发射天线和铌酸锂光波导传感器距离1 m，通过调节信号源分别产生占空比1 %～10 %的大功率脉冲场强，由频谱仪读取光波导探头接收到的峰值电压Upeak-x，Upeak-y和Upeak-z，3 GHz 频率下3 kV／m 脉冲场强测量结果如图5所示。

根据式（5）可以计算出脉冲峰值场强Epeak，结果如表1所示，其中场强测量偏差δ可由式（6）表示，其中ET为光波导传感器测量场强值，E0为理论计算脉冲场强标准值［7］：

表1 脉冲峰值场强校准结果Tab.1 Calibration result of pulse-modulation peak field

从表1 可以得出，在占空比1 %，5 %和10 %条件下脉冲场强峰值测量线性差异最大分别为1.2 dB，0.9 dB 和0.6 dB。占空比越大，光波导探头对能量的采集越准确，场强测量偏差越小。

为验证铌酸锂光波导传感器接收脉冲场与脉冲场发生系统输出脉冲场的一致性，需要对脉冲场强的脉冲周期、脉宽、占空比和上升／下降时间进行测量。按图4所示，光波导传感器接收到的脉冲信号经过检波器检波后接入数字示波器，由数字示波器读取脉冲时域参数。脉冲源输出中心频率3 GHz，脉冲周期1 000 μs、脉宽10 μs／100 μs时数字示波器的测量结果如图6所示。接收信号脉冲周期为1 000 μs，脉宽9.988 μs／占空比1 %，脉宽99.98 μs／占空比10 %，最大上升／下降时间73.29 ns／32.53 ns 均小于100 ns，与信号源输出一致。

图6 脉冲周期、脉宽、占空比和上升／下降时间测量图Fig.6 Measurement results of pulse period，pulse width，duty cycle and rising／falling time

2.4 校准不确定度评定

脉冲场强校准的参数是频率响应偏差，其数学模型同式（6）。式中各分量互不相关，场强的相对合成方差为：

脉冲场强校准不确定度的来源主要由以下几方面组成：

1）馈入发射天线的净峰值净功率引入的不确定度u1；

2）发射天线增益测量引入的不确定度u2；

3）发射天线口面到接收点距离测量引入的不确定度u3；

4）线缆衰减引入的不确定度u4；

5）天线阻抗失配引入的不确定度u5；

6）非理想的暗室环境（反射）引入的不确定度u6；

7）光波导传感器的天线系数引入的不确定度u7；

8）接收端峰值功率测量引入的不确定度u8；

9）重复性测量引入的不确定度u9。

通过式（8）可以得到合成标准不确定度u，具体评定结果如表2所示。

扩展不确定度U为：U＝2u＝21．8%（k＝2），约为1.7 dB（k＝2）。

2.5 不确定度实验验证

为验证铌酸锂光波导传感法测量不确定度的可靠性，在（1～3）kV／m 峰值场强＠3 GHz，用接收天线法对峰值场强测试结果进行了实验验证，如表3所示。

接收天线法的扩展不确定度U1＝2.0 dB（k＝2），铌酸锂光波导传感法的扩展不确定度U2＝1.7 dB（k＝2），比对结果最大差值的绝对值为占空比1 %时1 kV／m 峰值场强的测量值，最大偏差值为1.5 dB，测量结果的最大差值不大于下式计算结果：，比较结果满足要求［8］。

3 结束语

通过对脉冲场强的产生机理进行了理论分析和计算，提出了一种基于电光调制技术的铌酸锂光波导传感方法对脉冲场强进行校准。通过评定脉冲场强测量不确定度，采用接收天线法对测量结果进行了实验验证，可以进一步拓展脉冲场强校准领域的技术储备，进而满足冲场强参数的量值溯源需求。