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)電磁場探測探針(以下簡稱光學(xué)探針)具有測量頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大、對被測場的干擾小、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)探針非常適合于對相控陣?yán)走_(dá)天線進(jìn)行測量校準(zhǔn)。目前，我國已開始研究利用光學(xué)電磁場探測技術(shù)對相控陣?yán)走_(dá)天線進(jìn)行測量校準(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量能力，提高光學(xué)探針對相控陣天線的近場幅度和相位的測量精度，實(shí)現(xiàn)對相控陣天線工作模式下的校準(zhǔn)和功效評估，目前缺少相應(yīng)的標(biāo)定方法，需要研究［1］。直透鏡對光纖中激光進(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，獲得電磁波信號的幅度和相位信息。因此光學(xué)探針和后端的光學(xué)主系統(tǒng)在被測電磁場信號與系統(tǒng)最終檢測得到的微波信號之間建立了一種對應(yīng)關(guān)系，這種測量方法的準(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。

目前電磁場測量探頭的標(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)的電場相對幅度及相位標(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。相比于微波暗室的天線喇叭輻射場，采用金屬波導(dǎo)不僅可以獲得更高的電場強(qiáng)度，還可以避免場地帶來的影響，更易實(shí)現(xiàn)。圖2所示為金屬波導(dǎo)內(nèi)部電場分布(僅TE10 基模)［2-3］。

圖2 金屬波導(dǎo)內(nèi)部場強(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)。對于每一種傳輸模，截至頻率

只有高于截至頻率的電磁場波才能在金屬波導(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)中的電場強(qiáng)度E 可表示為

由上式可見，電場在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)合兩臺功率計(jì)獲得［4］，其方案如圖3所示。

圖3 注入功率測量方法

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)中心處的場強(qiáng)。

在使用矩形金屬波導(dǎo)中的穩(wěn)定已知電磁場對電場探針進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，探針必須插入波導(dǎo)并停留在場強(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)，對金屬波導(dǎo)內(nèi)部的場分布影響較小，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，對光學(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

信號源輸出射頻信號進(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，該位置處的電場強(qiáng)度與注入波導(dǎo)的能量存在對應(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)中心位置處的電場強(qiáng)度，以此為依據(jù)對光學(xué)探針進(jìn)行標(biāo)定。

對于相控陣?yán)走_(dá)天線來說，天線的輻射方向圖是評價(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的相對幅度是影響天線輻射方向圖的最重要因素，因此需對光學(xué)探針對電場幅度的相對變化的響應(yīng)進(jìn)行測量標(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)下的電場強(qiáng)度測量曲線，對這些離散數(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)注的是相對相位的變化，因此對相位標(biāo)定時(shí)，需要對光學(xué)探針及后端處理系統(tǒng)的相位測量線性進(jìn)行標(biāo)定修正。圖4 不僅可以測量電場的幅度信息，還可以給出電場的相對相位信息，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，以此作為對光學(xué)探針及后端處理系統(tǒng)相位測量線性響應(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)的天線近場測量系統(tǒng)的指標(biāo)。

5 結(jié)論

采用矩形金屬波導(dǎo)的電場產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)幅度及相位實(shí)現(xiàn)對光學(xué)探針標(biāo)定的方法，建立了微波信號與光學(xué)信號的幅度和相位關(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幅度和相位測量準(zhǔn)確度，為光學(xué)探針在相控陣?yán)走_(dá)天線測量工程應(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.電磁場理論［M］.北京:電子工業(yè)出版社，1985.

［5］王奇峰.光纖磁場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.三維電場矢量微波光子檢測器集成天線的設(shè)計(jì)與優(yōu)化［D］.成都:電子科技大學(xué)，2011.