CC BY
9ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2013 Серия: Физика Вып. 3 (25)
УДК 537; 621.38
Методика определения чувствительности интегрально-оптического сенсора напряженности электрического поля высокой частоты
А. А. Журавлева, И. Л. Вольхинь, Д. И. Шевцовь, В. П. Первадчук0
а ОАО «Пермская научно-производственная приборостроительная компания» 614990, Пермь, ул. 25 Октября, 106
ь Пермский государственный национальный исследовательский университет 614990, Пермь, ул. Букирева, 15
0 Пермский национальный исследовательский политехнический университет 614990, Пермь, Комсомольский пр., 29
Предложено тестировать интегрально-оптический сенсор напряженности электрического поля высокой частоты в электрическом поле несимметричного волновода Н-образного сечения. Методика позволяет при относительно малой мощности СВЧ-генератора создавать высокие напряженности электрического поля за счет сгущения силовых линий на неоднородностях волновода. Условия тестирования сенсора приближены к реальным условиям распространения СВЧ-излучения в свободном пространстве.
Ключевые слова: интегральная оптика; СВЧ; сенсор; электрическое поле
1. Введение
В последние годы интерес к сенсорам напряженности электрического поля высокой частоты (Е-сенсорам) на основе интегральной оптики быстро растет. В настоящее время известны разработки подобных сенсоров на основе чувствительных элементов различного конструктивного исполнения [1-3].
Безэлектродные датчики вносят минимальное искажение в структуру исследуемого электрического поля, что является их основным преимуществом. Однако чувствительность измерительных систем с использованием таких датчиков несколько ниже, чем у систем на датчиках традиционного антенного типа, поэтому для исследования чувствительности
безэлектродных датчиков необходимо создавать высокие напряженности электрического поля. На низких частотах электрические поля обычно создаются между обкладками плоского конденсатора [4]. В диапазоне СВЧ применение данного метода ограничено большой электрической емкостью испытательного конденсатора. Поэтому для создания полей СВЧ-
диапазона с высокой напряженностью необходимо использовать СВЧ-генераторы высокой мощности [5] или резонаторные камеры [6]. В этой работе мы предлагаем проводить тестирование с использованием волновода Н-образного сечения, в котором можно создать высокие напряженности электрического поля и проводить исследования в режиме бегущей волны при относительно небольшой (порядка 1 Вт) мощности СВЧ-генератора.
2. Теоретические сведения
Для увеличения напряженности электрического поля в области тестирования диэлектрических сенсоров было рассмотрено три варианта конструкций волноводов, представленных на рис. 1. Слева показан волновод прямоугольного сечения и распределение напряженности электрического поля в его сечении В центре и справа показаны поперечные сечения волноводов Н-образного сечения и графики распределения напряженности поля в их сечениях. Численное моделирование этих волноводов показало, что максимальная напряженность электрического поля внутри достигается при использовании волновода Н-образного сечения
О Журавлев А. А., Вольхин И. Л., Шевцов Д. И., Первадчук В. П., 2013
78
асимметричной конструкции. Это достигается за счет сгущения силовых линий поля на неоднород-ностях и сближения стенок волновода. Коэффициент усиления по напряженности электрического поля для Н-образного волновода асимметричной конструкции был рассчитан по формуле (1) тг
—' О ШОУ ^ ^
КБ =
ЕЛ
lmax
3. Постановка эксперимента
На основе прямоугольного волновода сечением 23 10 мм нами был разработан и изготовлен волновод Н-образного сечения асимметричной конструкции, представленный на рис. 3.
?/ \
где £отах - максимальная напряженность поля в центре Н-образного волновода, а ЕЫах - максимальная напряженность поля в области источника сигнала. Максимальная расчетная напряженность поля в цент-ре волновода 2?отах = 14.6 кВ/м, при максимальной напряженности поля в области источника сигнала Л§[тах = 2.56 кВ/м. таким образом, коэффициент усиления по напряженности поля для Н-образного волновода асимметричной конструкции составил Кд = 5.7.
Однако сближение стенок волновода приводит к появлению дополнительных резонаторов в структуре волновода, что ведет к неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ).
Рис. 3. Н-образный волновод асимметричной конструкции Н-образный волновод являлся частью схемы испытания Е-сенсора, которая представлена на рис. 4.
Рис. 1. Конструкции волноводов для тестирования Е-сенсоров и распределения напряженностей электрического поля
На рис. 2 представлены Б-параметры Н-образного волновода асимметричной конструкции, полученные путем численного моделирования по методу конечных элементов. Расчетная частота первого резонанса такого волновода составила А - К.44 ГГц.
Рис. 4. Схема испытания Е-сенсора
S-Parameter Magnitude in dB
ЯН 521
Frequency ! GHz
Рис. 2. Зтарштгри Н-образного волновода асимметричной конструкции
Нами был измерен спектр оптического излучения на выходе волоконно-оптического усилителя (ВОУ). Спектрограмма представлена на рис. 5
' AQ6370C OPTICAL SPECTRUM ANALYZER -
2013 Nay 22 15:46
MEAN WL PEAK WL TOTAL POWER
Рис. 5, Спектрограмма оптического излучения
Ширина спектра на уровне -3 дБ составила порядка 16 пм. Центральная длина волны Д,* 1549.762 нм.
Амплитудная характеристика (АХ) усилителя мощности СВЧ-сигнала (рис. 6) измерена с помощью измерителя мощности Agilent U2022XA.
0 50 мВт Ю0
Рис. 6. АХ усилителя мощности СВЧ
Измерения амплитудной характеристики были выполнены на расчетной частоте первого резонанса Н-образного волновода асимметричной конструкции (рис. 6)2 = 8.44 ГГц.
В эксперименте использовался Е-сенсор производства ОАО «ПНППК» МЗМ-Х-018. Исследуемый образец Е-сенсора помещался в зазор волновода Н-образного сечения асимметричной конструкции таким образом, что вектор напряженности электрического поля внутри волновода был направлен вдоль оси Ъ кристалла ниобата лития (рис. 7). Положение Е-сенсора в волноводе схематично показано на рис. 8.
Оценка чувствительности Е-сенсора проводилась с использованием оптического осциллографа Agilent 86100D. Для оценки полосы пропускания Е-сенсора изменялась частота / СВЧ-генератора в пределах от 8 до 10 ГГц. Максимальный сигнал на выходе Е-сенсора, помещенного в волновод Н-образнош сечения асимметричной конструкции, был получен на частоте/= 8.65 ГГц, его осциллограмма на выходе Е-сенсора, приведена на рис. 9.
А ,
© Е
Domain inverted region
А-А
Optical
Рис. 7. Конструкция Е-сенсора и направление внешнего электрического поля
Optical input
/^Optical output E-sensor
Рис. 8. Схема размещения Е-сенсора
В V" - V WWW/ V, 1Ч <ч .V
.Т-
Рис. 9. Осциллограмма продетектирован-ного сигнала на выходе Е-сенсора при частоте СВЧ-генератора 8.65ГГц
Здесь верхняя кривая отображает сигнал на входе осциллографа без фильтрации, а нижняя - после обработки сигнала фильтрами Хемминга.
Период колебаний мощности оптического излучения на выходе Е-сенсора составляет Т= 118 пс, что соответствует частоте СВЧ-сигнала /= 8.47 ГГц, это хорошо коррелирует с расчетной частотой frl = 8.44 ГГц первого резонанса волновода Н-образного сечения асимметричной конструкции.
Эффективное значение напряжения на выходе СВЧ-усилителя мощности можно рассчитать по формуле (2)
Uout = ylPout-R, (2)
где Pout = 1360 мВт - мощность СВЧ сигнала на выходе усилителя, R = 50 Ом - волновое сопротивление коаксиального тракта, при этом Uout= 8.24 В.
Эффективное значение напряженности электрического поля в области тестирования Е-сенсора находится по формуле (3)
где КЕ = 5.70 (1), D = 1.00 мм - величина зазора в области тестирования Е-сенсора. Напряженность поля в области тестирования составила Е = 47.0 кВ/м.
Нами предложено рассчитывать чувствительность Е-сенсора согласно формуле (4).
s = ^£í (4)
Е
где APopt = 60 мкВт - амплитуда изменения мощности оптического излучения на выходе Е-сенсора, Е - напряженность электрического поля в области тестирования (3). Чувствительность Е-сенсора, исследованного по данной методике, составила S= 1.2-10"3 мкВт-м/В.
Величина чувствительности S отражает амплитуду изменения мощности оптического излучения на выходе Е-сенсора, помещенного в электрическое поле с напряженностью 1 В/м, при положении рабочей точки Е-сенсора на линейном участке передаточной характеристики.
4. Заключение
Предложена новая методика исследования чувствительности интегрально-оптического безэлектродного сенсора напряженности электрического поля. Собрана экспериментальная установка. Проведены испытания Е-сенсора МЗМ-Х-018 по разработанной методике с использованием волновода Н-образного сечения асимметричной конструкции.
Разработанная методика может быть использована для определения чувствительности датчиков напряженности электрического поля других конструкций и позволяет тестировать их в условиях, приближенных к условиям распространения бегущей СВЧ-волны в свободном пространстве. Предложенная методика может быть адаптирована для других диапазонов частот при изменении размеров волновода Н-образного сечения.
При выполнении работы использован усилитель мощности СВЧ-излучения Agilent 83020А, приобретенный в рамках программы развития Пермского государственного национального исследовательского университета.
Работа проведена при финансовой поддержке программы кооперации Высшей школы и организаций, реализующих комплексные проекты в сфере высоких технологий, проект №13.G25.31.0004.
Список литературы
1. Bao S., Fushen С. Integrated optical waveguide electric field sensor for lightning electric field measurements // Photonics and Optoelectronics Meetings (POEM): Proc. SPIE 7514, 2009. 751400. P. 1-6.
2. Tulli D., Janner D., Garcia-Granda M, Ricken R., Pruneri V. Electrode-free optical sensor for high voltage using a domain-inverted LiNb03 waveguide near cut-off // Journal of Applied Physics B. 2011. Vol. 103. P. 399-403.
3. Zhang F., Chen F., Qiu K. An integrated electro-optic E-field sensor with segmented electrodes // Journal of Microwave and Optical Technology Letters. 2004. Vol. 40. P. 302-305.
4. Долматов Т. В., Букин В. В., Летунов А. А. Электрооптическая система регистрации нано-секундных СВЧ-импульсов большой мощности // Сб. науч. тр. Первой Между народно й научно-практической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем» Ч. 1 Радиоинфоком. М. 2013. С. 303-308.
5. Naghski D. Н., Boyd J. Т., Jackson Н. Е., Sriram S., Kingsley S. A., Latess J. An integrated photonic Mach-Zehnder interferometer with no electrodes for sensing electric fields // Journal of Lightwave Technology. 1994. Vol. 12. P. 1092-1098.
6. Gopalakrishnam G. K., Bums W. K., McElhanon R. W., Bulmer С. H. Performance and modeling of broadband LiNb03 traveling wave optical intensity modulators // Journal of Lightwave Technology. 1994. Vol. 12. P. 1807-1819.
The method of sensitivity determining of integrated optical sensor of high frequency electric field
A. A. Zhuravleva, I. L. Volkhin\ D. I. Shevtsov\ V. P. Pervadchukc
a Perm Scientific-Industrial Instalment Making Company, 25th October St., 106, 614990, Perm b Perm State University, Bukirev St. 15, 614990, Perm
0 Perm National Research Polytechnic University, Komsomolsky St., 29, 614990, Perm
We proposed to test integrated optical voltage sensor of high frequency electric field in the electric field of asymmetrical waveguide H-shaped cross section. The method allows creating high electric field using low power microwave generator on account of concentration of electric field lines on the waveguide inhomogeneity. The testing conditions are close to the real conditions of microwave propagation in free space.
Keywords: integrated optical; microwave; sensor; electric field
