基于半导体激光器的有源电场传感器研究
本文设计并研制了一种基于半导体激光器和光纤传输的有源电场传感器，该传感器可用于电磁脉冲测量。该传感器利用一个渐近圆锥天线来感应电场，通过基于高速运算放大器的有源积分器来处理天线的微分信号，并通过DFB-LD （分布反馈半导体激光器）将电信号转换为光信号。实验结果表明，此类传感器可用于检测纳秒级的电磁脉冲。
标签：半导体激光器光纤传输传感器有源积分器光电转换
一、引言
在大功率电磁学领域，我们不可避免的要测量上升时间仅为几纳秒的电磁脉冲信号，用来检测此类瞬变脉冲信号的传感器必须具有很大的带宽以捕获纳秒信号。本文设计并研制了一种用于检测纳秒级快速瞬变秒冲的电场传感器。
D-dot探头天线是由卡尔·鲍姆提出的一种宽频带电场天线，其工作带宽一般可达到几GHz。电场传感器的接收天线可以选择ACD（渐近锥形天线），但是ACD的输出信号是电场的导数，一般通过以下两种方法得到原始的电场信号：一种方法是利用无源积分器对天线的输出信号积分，另一种方式是利用计算机软件对数字信号进行积分。本文提出了一种有源积分电路以得到原始的电场信号。本文所研究的传感器中还集成了一个光电转换电路，信号可以通过光纤传输以减少电磁环境的干扰。
二、传感器设计
1.总体结构
电磁脉冲传感器由渐近锥形天线、有源积分器以及光电转换电路三部分组成，其结构示意图如图1所示，接收天线为单极ACD天线。单极天线需要一个较大的金属面作为镜像天线，天线的高度必须小于保护壳边长的1/8，此外天线的高度还受到传感器上限工作频率的限制。我们采用有源积分电路来处理ACD 的输出信号，而光电转换电路的目的则是将传感器的测量信号由电信号转换为光信号并通过光纤传输。整个电路由电池供电，并且集成在铝制的保护壳中。传感器的外形如图2所示。
2.ACD天线设计
渐近锥是索尔基于等效电荷法而设计提出的，天线的几何形状是由特殊静电荷分布的等势面所确定。天线的等效电容、等效面积等重要的电磁参数都可以准确的计算得到。
根据锥形天线的半锥角，由公式（1）可得到单极天线的特性阻抗：
由可计算得到天线的截止频率。当频率低于时，天线的输出信号为电场的导数，如果天线高度为10mm，截止频率可高达24GHz，但是由于锥形天线的顶部变形，这一理论上限频率在实际中是无法实现的。天线和积分电路的连接接头还会导致阻抗的不连续性。
3.有源积分器及光电转换电路
图4为此类传感器的电路示意图。有源积分器由运算放大器、积分电容以及电阻R组成。为确保积分器具有良好的高频响应，我们需要选择高速运算放大器。实验表明，积分电容的寄生电感会使信号明显失真，因此，本文选择高频率的微波电容作为积分电容。为了抑制运算放大器的输出漂移，我们将一个反馈电阻与积分电容相并联。相应的时间常数应不小于测量信号脉冲宽度的10倍。
为了利用光纤作为传输介质，本文通过分布反馈激光器（DFB laser）将电信号转换为光信号。我们要给激光器一个偏置电流以使其工作在线性范围，电感L 用来限制激光器通过耦合电容调制的驱动信号。
三、传感器性能
图5为校准系统。脉冲发生器产生脉冲宽度为50ns的方波，TEM室（横电磁传输室）产生均匀平面电磁波，传感器被放置在TEM室的中间来测量脉冲电场。
图6为传感器的测量结果，其中实线为脉冲发生器产生的电压信号，虚线为传感器的测量信号。实线的上升时间约为1ns，接收信号的上升时间约为3ns。由于连接传感器和接收器的光纤比连接TEM室和示波器的同轴电缆长很多，两个信号之间有一定的时延。
四、结论
为了检测纳秒级电磁脉冲的上升时间，本文设计了一种基于D-dot探头天线和有源积分器的电场传感器。实验结果表明，该传感器可以检测到上升时间为几纳秒的瞬变脉冲。
在以后的研究中，可以通过优化天线和积分器的连接结构，减小阻抗的不连续性，来进一步提高传感器的性能，并通过优化电路的PCB设计以及选用高频性能更好的电路元件，来减少寄生参数的影响。
参考文献
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