基于微波光子学的光电式高功率微波测试技术研究

杨 耀，孙 豹，胡天涛

（1.贵州航天计量测试技术研究所，贵阳550009；2.电子科技大学，成都611731）

1 引言

随着高功率微波技术的发展，高功率微波发射源的功率不断提升，而相应的高功率微波测试技术却进步缓慢，现国内高功率微波脉冲场强测试技术仍以传统的“天线接收＋晶体管检波”方法也即总衰减量法［1］为主流。研究人员根据特定的应用需求，从传感器技术指标优化、接收天线设计优化、测试系统整体优化、检波器指标优化等方面开展了研究，解决了部分高功率微波测试需求，但由于没有脱离传统基本原理，始终无法解决接收天线体积大、对被测场扰动强和测试系统动态范围小、抗干扰能力有限等固有缺陷，而这些缺陷已难以满足高功率微波电磁环境测试需要。

在高功率微波电磁环境测试中，由于微波效应危害程度受功率、频率、脉宽、重复频率和占空比等因素的共同影响，需要完成对高功率微波电磁脉冲的时／频域信号特征进行采集和分析。国内外高功率微波测试技术经历了长期积累，形成了基于微波光子技术的新一代高功率微波场强测试系统［2-4］，例如，日本精工公司研制的SH-10EL 型号电场仪，可实现频率范围100 kHz～10 GHz，量程25 kV／m的电场测量；美国Srico 公司研发了两款光电式高功率微波场强测试产品，对中国公开发售的Model 200-04型号光电电场测量仪，频率范围为10 Hz～1 GHz，场强测量范围为10 V／m～10 kV／m。这些基于微波光子学的光电式电场测量仪虽然能测得场强，但往往不具备同时采集高功率微波时／频域信号特征的能力。因此，急需研究具备低扰动、瞬时动态范围大、抗干扰能力强且能同时采集高功率微波时／频域信号等功能的高功率微波电磁环境测试系统。

2 高功率微波测试方法

2.1 传统的高功率微波测试方法

传统的高功率微波测试方法是使用接收天线接收高功率微波脉冲信号，经过衰减环节之后通过晶体管检波器检波，最后在示波器上读取测得信号的特征［5］，测试原理框图如图1所示。

图1 传统高功率微波场强测试原理框图Fig.1 Principle block diagram of traditional high power microwave field strength test

所测场强计算公式如式（1）：

式中：E——所测场强值；P——接收天线处接收到的功率大小；G——接收天线的增益；λ——所测微波频率对应的波长。

由式（1）可知，场强值E与接收功率P成正比，与接收天线增益G成反比。且计算场强值E需要对接收天线增益、接收链路即衰减环节的衰减值进行测量，还需要对检波器进行电压-功率标定。之后，才能通过所测得电压值，计算出总的接收功率P，然后将P和G带入式（1）计算出电场值E。

2.2 基于微波光子学的高功率微波测试方法

基于微波光子学的高功率微波测试原理框图［6］如图2所示，激光器是光源，光传感器是PIN传感器，电场传感器由锥形天线、调制电极和M-Z干涉仪共同构成，作为高功率微波接收前端。电场传感器中只有锥形天线和调制电极为金属材料，其余皆为非金属材料，由于所使用的锥形天线和调制电极体积很小，与以天线作为接收前端的传统测试方法相比极大的降低了接收端对被测场的扰动。

此种高功率微波测试方法的主要原理是，利用空间电场在电极上产生的感应电压，对M-Z 干涉仪中的光波进行调制，通过对输出光进行光电转换，就可以得到空间电场的信息。具体过程为激光器发出的激光经过保偏光纤进入电场传感器，此激光在M-Z 干涉仪被分至两路波导臂中。当有外电场存在时，通过锥形天线［7］在电极之间产生感应电压。此感应电压引起一路波导臂中传输光的相位变化，而另一路波导臂不受此电压影响。两束光在干涉仪输出端进行干涉。输出光强为：

式中：α——电场传感器的插入损耗；Pin——进入电场传感器的激光强度；Vc——外电场在电极上引起的感应电压；Vπ——电场传感器的半电压；φ——光学偏置。

由于Vc正比于外电场强度，因此，可以通过探测Pout来探测外电场强度。

2.3 光电式高功率微波测试系统

针对当前传统高功率微波场强测试方法的固有缺陷，基于微波光子学的高功率微波场强探测技术和集成光学电场传感器［8］的研究，提出一种光电式高功率微波测试系统。它的基本工作原理为：激光器产生激光源注入到光学场强传感器中，光学场强传感器接收高功率微波脉冲并调制激光信号形成激光调制信号。已调激光信号中包含了完整的微波脉冲信息，通过光纤将光信号传输至终端系统，进行信号处理。光信号传输到测试终端后由分光器分为两路，其中一路经光电转换后进行信号调理，由A／D 采样进入FPGA，通过工作稳定点控制算法调整激光器波长，形成工作稳定点控制环路，使光学场强传感器能够在宽温范围内正常工作。另一路经光电传感器转换为微波脉冲信号，微波脉冲信号经下变频后输出中频信号，经AD 高速采集后在数字域进行信号处理，实现波形数据和频谱数据分析，输出测试结果，其原理如图3所示。

图3 光电式高功率微波测试系统原理框图Fig.3 Principle block diagram of photoelectric high power microwave test system

由于这种光电式高功率微波测试系统采用集成光学电场传感器将强电磁脉冲信号直接调制到光波信号上，之后通过光纤等媒质输出到后级处理设备，且采用无源传感器以及光载微波传输方式，具有低扰动、瞬时动态范围大、抗干扰能力强且能同时采集高功率微波时／频域信号特征等优点，具体表现为：

1）传感器尺寸小，对被测场几乎无干扰；

由于电场传感器由非金属介质构成，内部只有微米量级宽度的金属，相对于传统电场传感器，可以认为对被测场几乎无干扰。采用集成光学技术，可将电场感应传感器尺寸大幅缩小，提升了测量电场位置分辨能力，可以准确获得特定位置的电场信息以及特定区域的电场分布，更重要的是可以解决狭小空间电场的测量。

2）瞬时动态范围大；

基于集成光学的高功率微波测试技术，采用电光调制器将电信号转换为光信号，光信号传输至测试终端后，再经光电调制器转换为微波脉冲，最终通过电域信号处理，获得信号参数。该测试技术具有宽带响应和瞬时动态范围大等优点，可同时满足小场强和大场强测试的场景。

3）电场传感器无源工作，光纤传输，抗干扰能力强；

基于集成光学的高功率微波测试技术，其电场传感器无源工作，安装时无需考虑供电，可以长时间无间断连续工作，同时消除了附加电缆影响。光纤作为传感器与测量主机之间的传输通道，被测电场也不会干扰光纤中传输的光信号增强了抗干扰能力，非常适于电磁环境测试等需远程测试的场景。

4）可完成频域、时域参数测试。

基于集成光学的高功率微波测试技术，可实现高功率微波参数的时域、频域信息测量，多维度表征被测场的特性。

2.4 试验验证

基于上述原理及相关技术研究，对光电式电场传感器进行了加工制作如图4所示，并使用此套光电式高功率微波测试系统对高功率微波脉冲信号进行测试。

图4 光电式电场传感器实物图Fig.4 Picture of photoelectric electric field sensor

试验验证现场布置示意图及实测布置图如图5和图6所示，将光电式电场探头通过探头支架放置在高功率微波发射天线前端，使其位于发射天线主波束范围内。调整探头的接收方向后，打开高功率微波发射源对其进行辐照。

图5 光电式高功率微波测试系统现场验证布置示意图Fig.5 Schematic diagram of on-site verification layout of photoelectric high power microwave test system

图6 光电式高功率微波测试系统验证实测布置图Fig.6 Layout of Photoelectric High Power Microwave Test System Verification and Measurement

其测得的高功率微波脉冲波形图如图7所示，从图中可以得出所测脉冲信号的幅值、脉宽及其调制波等信息，能较完整的提取出其时域和频域的信号特征，证明了这套测试系统和方法的可行性和有效性。通过对测量结果进行分析，光电式电场探头在同一位置不同摆放方向所测得的结果存在较大差异，其原因是锥形天线与高功率微波辐照天线之间极化失配所导致。因此，还需进一步对探头的架设工装进行设计，确保测量结果的稳定性和可靠性。

图7 光电式高功率微波测试系统测试结果图Fig.7 Test results of photoelectric high power microwave test system

3 结束语

介绍了一种基于微波光子学的高功率微波场强测试方法，并基于此方法提出了一套光电式高功率微波测试系统，相比于传统的高功率微波测试系统，它具有低扰动、瞬时动态范围大、抗干扰能力强且能同时采集高功率微波时／频域信号等优点。对这套光电式高功率微波测试系统进行加工后，在高功率微波环境下对其进行了试验验证，其测得结果能完整表征高功率微波脉冲在时域和频域上的信号特征，证明了此种光电式电场探测方法的有效性，在一定程度上解决了当前高功率微波测试的难题，为后续高功率微波测试技术的研究做了铺垫。