彭 博，王淞宇，齊萬泉，何 巍，2

（1.北京無線電計量測試研究所，北京100039；2.計量與校準(zhǔn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100039）

1 引言

脈沖場強(qiáng)廣泛應(yīng)用于脈沖雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)、遙測等領(lǐng)域，是表征其性能的一項基本指標(biāo)［1］。脈沖場強(qiáng)的校準(zhǔn)結(jié)果直接影響電磁環(huán)境監(jiān)測準(zhǔn)確性和電子設(shè)備在電磁環(huán)境適應(yīng)性評估的可靠性。由于脈沖場強(qiáng)幅值通常在數(shù)千伏／米，超過了常規(guī)二極管檢波探頭量程（常規(guī)電場探頭測量范圍一般不超過1 200 V／m），另外常規(guī)電場探頭受限于其直流檢波特性，對不同占空比脈沖場測量結(jié)果差異很大，也無法準(zhǔn)確反映脈沖電場上升／下降時間、脈寬、占空比等時域信息［2，3］。為了滿足脈沖場強(qiáng)的校準(zhǔn)需求，亟需探索脈沖場強(qiáng)校準(zhǔn)的技術(shù)。

從理論上推導(dǎo)了脈沖場強(qiáng)的產(chǎn)生機(jī)理，采用基于電光調(diào)制原理的鈮酸鋰光波導(dǎo)電場傳感技術(shù)對脈沖場強(qiáng)進(jìn)行校準(zhǔn)，并對校準(zhǔn)不確定度進(jìn)行了評估，最后采用接收天線法對校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究結(jié)果可提供一種基于電光調(diào)制技術(shù)的脈沖場強(qiáng)校準(zhǔn)方法。

2 脈沖場強(qiáng)校準(zhǔn)方法

2.1 脈沖場強(qiáng)產(chǎn)生機(jī)理

基于微波暗室標(biāo)準(zhǔn)場法［4］，由脈沖源產(chǎn)生一個脈寬和占空比已知的脈沖調(diào)制信號，經(jīng)由脈沖功率放大器放大后饋入微波暗室中的發(fā)射天線，通過測量饋入天線口面的凈峰值功率和天線增益，可通過理論計算得出在天線輻射區(qū)域內(nèi)任意場點(diǎn)處的標(biāo)準(zhǔn)脈沖場強(qiáng)，如圖1所示。

圖1 脈沖場強(qiáng)產(chǎn)生機(jī)理圖Fig.1 Generation mechanism of pulse-modulation field

在距離發(fā)射天線口面距離r處產(chǎn)生的脈沖峰值場強(qiáng)可由式（1）理論計算獲得：

式中：Epeak——脈沖峰值場強(qiáng)；Ppeak——饋入輻射天線的凈峰值功率；G——輻射天線的增益；r——輻射天線口面與接收場點(diǎn)距離。

2.2 鈮酸鋰光波導(dǎo)傳感校準(zhǔn)方法

鈮酸鋰光波導(dǎo)傳感法利用了鈮酸鋰（LiNbO3）晶體在外電場的作用下的電光效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電磁場的測量［5］，原理如圖2所示，包括可調(diào)諧激光器、保偏光纖／單模光纖、電光調(diào)制器、光探測器、信號處理電路等部分?？烧{(diào)諧激光器發(fā)出的激光經(jīng)過保偏光纖進(jìn)入電光調(diào)制器。空間電磁場被電光調(diào)制器中天線接收，引起感應(yīng)電壓，此感應(yīng)電壓對傳輸于電光調(diào)制器中的光波進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。被調(diào)制后的光經(jīng)單模光纖一路到達(dá)光探測器，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后，輸出的電信號反映出空間電場信號。

圖2 鈮酸鋰光波導(dǎo)傳感工作原理圖Fig.2 Principle of LiNbO3optic-waveguide sensor

電光調(diào)制器是光波導(dǎo)傳感系統(tǒng)的核心器件，通常采用M-Z 干涉儀結(jié)構(gòu)［6］，X 切Y 傳鈮酸鋰晶體形成的光波導(dǎo)M-Z 干涉儀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電光調(diào)制器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of electro-optic modulator

假設(shè)輸入光功率為Pin，則傳感器輸出光功率Pout為：

式中：E——外部電場強(qiáng)度；qE——光學(xué)探頭在電場E作用下產(chǎn)生的相位變化；Φ——光學(xué)偏置即電光調(diào)制器工作點(diǎn)。

當(dāng)Φ＝π／2 時，式（2）可寫成：

并且在qE?1 時，輸出光功率Pout和被傳感電場E近似成線性關(guān)系：

鈮酸鋰光波導(dǎo)傳感校準(zhǔn)方法原理如圖4所示，發(fā)射天線輻射到空間的脈沖場強(qiáng)由光波導(dǎo)傳感器接收，其輸出功率Pout經(jīng)光探測器后以感應(yīng)電壓U的形式呈現(xiàn)。接收到的峰值場強(qiáng)Epeak與鈮酸鋰光波導(dǎo)傳感器天線系數(shù)AF接收到的峰值電壓Upeak之間的關(guān)系同式（5），由X，Y，Z 三個軸向的場強(qiáng)合成：

圖4 鈮酸鋰光波導(dǎo)傳感校準(zhǔn)方法原理圖Fig.4 Schematic diagram of calibration method based on LiNbO3 optic-waveguide sensor

各軸向的峰值電壓Upeak可通過頻譜儀直接讀出；各軸天線系數(shù)AF可以通過查閱產(chǎn)品手冊或用標(biāo)準(zhǔn)場法標(biāo)定；接收的脈沖場強(qiáng)的脈寬、占空比和上升／下降時間可以通過數(shù)字示波器讀取。

2.3 實(shí)驗(yàn)布置及測試結(jié)果

選取S 頻段典型頻點(diǎn)3 GHz，采用鈮酸鋰光波導(dǎo)傳感法對脈沖場強(qiáng)進(jìn)行校準(zhǔn)。發(fā)射天線和鈮酸鋰光波導(dǎo)傳感器距離1 m，通過調(diào)節(jié)信號源分別產(chǎn)生占空比1 %～10 %的大功率脈沖場強(qiáng)，由頻譜儀讀取光波導(dǎo)探頭接收到的峰值電壓Upeak-x，Upeak-y和Upeak-z，3 GHz 頻率下3 kV／m 脈沖場強(qiáng)測量結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)式（5）可以計算出脈沖峰值場強(qiáng)Epeak，結(jié)果如表1所示，其中場強(qiáng)測量偏差δ可由式（6）表示，其中ET為光波導(dǎo)傳感器測量場強(qiáng)值，E0為理論計算脈沖場強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)值［7］：

表1 脈沖峰值場強(qiáng)校準(zhǔn)結(jié)果Tab.1 Calibration result of pulse-modulation peak field

從表1 可以得出，在占空比1 %，5 %和10 %條件下脈沖場強(qiáng)峰值測量線性差異最大分別為1.2 dB，0.9 dB 和0.6 dB。占空比越大，光波導(dǎo)探頭對能量的采集越準(zhǔn)確，場強(qiáng)測量偏差越小。

為驗(yàn)證鈮酸鋰光波導(dǎo)傳感器接收脈沖場與脈沖場發(fā)生系統(tǒng)輸出脈沖場的一致性，需要對脈沖場強(qiáng)的脈沖周期、脈寬、占空比和上升／下降時間進(jìn)行測量。按圖4所示，光波導(dǎo)傳感器接收到的脈沖信號經(jīng)過檢波器檢波后接入數(shù)字示波器，由數(shù)字示波器讀取脈沖時域參數(shù)。脈沖源輸出中心頻率3 GHz，脈沖周期1 000 μs、脈寬10 μs／100 μs時數(shù)字示波器的測量結(jié)果如圖6所示。接收信號脈沖周期為1 000 μs，脈寬9.988 μs／占空比1 %，脈寬99.98 μs／占空比10 %，最大上升／下降時間73.29 ns／32.53 ns 均小于100 ns，與信號源輸出一致。

圖6 脈沖周期、脈寬、占空比和上升／下降時間測量圖Fig.6 Measurement results of pulse period，pulse width，duty cycle and rising／falling time

2.4 校準(zhǔn)不確定度評定

脈沖場強(qiáng)校準(zhǔn)的參數(shù)是頻率響應(yīng)偏差，其數(shù)學(xué)模型同式（6）。式中各分量互不相關(guān)，場強(qiáng)的相對合成方差為：

脈沖場強(qiáng)校準(zhǔn)不確定度的來源主要由以下幾方面組成：

1）饋入發(fā)射天線的凈峰值凈功率引入的不確定度u1；

2）發(fā)射天線增益測量引入的不確定度u2；

3）發(fā)射天線口面到接收點(diǎn)距離測量引入的不確定度u3；

4）線纜衰減引入的不確定度u4；

5）天線阻抗失配引入的不確定度u5；

6）非理想的暗室環(huán)境（反射）引入的不確定度u6；

7）光波導(dǎo)傳感器的天線系數(shù)引入的不確定度u7；

8）接收端峰值功率測量引入的不確定度u8；

9）重復(fù)性測量引入的不確定度u9。

通過式（8）可以得到合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度u，具體評定結(jié)果如表2所示。

擴(kuò)展不確定度U為：U＝2u＝21．8%（k＝2），約為1.7 dB（k＝2）。

2.5 不確定度實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證鈮酸鋰光波導(dǎo)傳感法測量不確定度的可靠性，在（1～3）kV／m 峰值場強(qiáng)＠3 GHz，用接收天線法對峰值場強(qiáng)測試結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如表3所示。

接收天線法的擴(kuò)展不確定度U1＝2.0 dB（k＝2），鈮酸鋰光波導(dǎo)傳感法的擴(kuò)展不確定度U2＝1.7 dB（k＝2），比對結(jié)果最大差值的絕對值為占空比1 %時1 kV／m 峰值場強(qiáng)的測量值，最大偏差值為1.5 dB，測量結(jié)果的最大差值不大于下式計算結(jié)果：，比較結(jié)果滿足要求［8］。

3 結(jié)束語

通過對脈沖場強(qiáng)的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了理論分析和計算，提出了一種基于電光調(diào)制技術(shù)的鈮酸鋰光波導(dǎo)傳感方法對脈沖場強(qiáng)進(jìn)行校準(zhǔn)。通過評定脈沖場強(qiáng)測量不確定度，采用接收天線法對測量結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以進(jìn)一步拓展脈沖場強(qiáng)校準(zhǔn)領(lǐng)域的技術(shù)儲備，進(jìn)而滿足沖場強(qiáng)參數(shù)的量值溯源需求。