摘要：本文設(shè)計(jì)并研制了一種基于半導(dǎo)體激光器和光纖傳輸?shù)挠性措妶?chǎng)傳感器，該傳感器可用于電磁脈沖測(cè)量。該傳感器利用一個(gè)漸近圓錐天線來(lái)感應(yīng)電場(chǎng)，通過(guò)基于高速運(yùn)算放大器的有源積分器來(lái)處理天線的微分信號(hào)，并通過(guò)DFB-LD(分布反饋半導(dǎo)體激光器)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此類傳感器可用于檢測(cè)納秒級(jí)的電磁脈沖。

　　關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體激光器;光纖傳輸;傳感器;有源積分器;光電轉(zhuǎn)換

　　引言

　　傳統(tǒng)的激光器設(shè)備主要由激光器和激光電源組成，激光電源是激光器的能源，為激光器泵浦模塊提供能量。激光器的能量、穩(wěn)定性和波長(zhǎng)，不僅取決于恒流源驅(qū)動(dòng)電流的大小，而且受溫度的影響很大。半導(dǎo)體激光器擁有廣闊的應(yīng)用范圍和極大的應(yīng)用潛力，廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、商業(yè)貿(mào)易和工業(yè)生產(chǎn)等多個(gè)領(lǐng)域。但是傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器內(nèi)部的設(shè)計(jì)模式并不好，使用壽命也很短，大大限制住了半導(dǎo)體激光器的使用路徑[1]。通過(guò)對(duì)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)分析，可以優(yōu)化半導(dǎo)體激光器的電力結(jié)構(gòu)，有效延長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器的使用壽命。在大功率電磁學(xué)領(lǐng)域，我們不可避免的要測(cè)量上升時(shí)間僅為幾納秒的電磁脈沖信號(hào)，用來(lái)檢測(cè)此類瞬變脈沖信號(hào)的傳感器必須具有很大的帶寬以捕獲納秒信號(hào)。本文設(shè)計(jì)并研制了一種用于檢測(cè)納秒級(jí)快速瞬變秒沖的電場(chǎng)傳感器。D-dot探頭天線是由卡爾·鮑姆提出的一種寬頻帶電場(chǎng)天線，其工作帶寬一般可達(dá)到幾GHz。電場(chǎng)傳感器的接收天線可以選擇ACD(漸近錐形天線)，但是ACD的輸出信號(hào)是電場(chǎng)的導(dǎo)數(shù)，一般通過(guò)以下兩種方法得到原始的電場(chǎng)信號(hào)：一種方法是利用無(wú)源積分器對(duì)天線的輸出信號(hào)積分，另一種方式是利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行積分。本文提出了一種有源積分電路以得到原始的電場(chǎng)信號(hào)。本文所研究的傳感器中還集成了一個(gè)光電轉(zhuǎn)換電路，信號(hào)可以通過(guò)光纖傳輸以減少電磁環(huán)境的干擾。

　　一、半導(dǎo)體激光器的特點(diǎn)與應(yīng)用

　　半導(dǎo)體激光器擁有體積小巧，重量很輕的特點(diǎn)，一般用于通訊、醫(yī)療等信息傳播較高的領(lǐng)域，在很多行業(yè)都有著廣泛的應(yīng)用，而且還可以結(jié)合電子光片與電子電器集成的優(yōu)勢(shì)，可以在醫(yī)療事業(yè)，尤其是電波電磁等醫(yī)療救護(hù)行業(yè)當(dāng)中有著重要作用，但是半導(dǎo)體激光器比較脆弱，容易被高電壓或者電流的沖擊導(dǎo)致?lián)p壞。那其電源的耐磨損程度就要重新設(shè)計(jì)，在醫(yī)療事業(yè)當(dāng)中也不允許經(jīng)常性損壞，如果電源輸出的電壓或者電波的質(zhì)量不好，再加上沒(méi)有穩(wěn)壓器對(duì)電源進(jìn)行保護(hù)，會(huì)導(dǎo)致激光性能有所下降，應(yīng)該有設(shè)計(jì)優(yōu)良的電源可以更好的發(fā)出電力，來(lái)穩(wěn)定電壓工作[2]。

　　半導(dǎo)體激光器LD對(duì)于工作影響

　　實(shí)際上，造成LD損壞的云因主要還是因?yàn)閮?nèi)腔面污染和浪涌的擊穿。腔面的污染可以通過(guò)清潔環(huán)境來(lái)解決，那么浪涌擊穿會(huì)產(chǎn)生半導(dǎo)體激光器的PN結(jié)損傷，這里面的原因有很多：包括開(kāi)機(jī)的瞬間電流強(qiáng)度大小，電網(wǎng)中其他電力設(shè)備的啟停，外部天氣因素比如雷雨雷電，以及一些靜電磁場(chǎng)的影響。還有就是工作環(huán)境下的高壓電流，靜電的存在，都會(huì)造成LD的損壞，要么就是使用壽命的縮短，這些都是需要采取防護(hù)措施來(lái)進(jìn)行保護(hù)的。

　　三、傳感器設(shè)計(jì)

　　1.總體結(jié)構(gòu)

　　電磁脈沖傳感器由漸近錐形天線、有源積分器以及光電轉(zhuǎn)換電路三部分組成，接收天線為單極ACD天線。單極天線需要一個(gè)較大的金屬面作為鏡像天線，天線的高度必須小于保護(hù)殼邊長(zhǎng)的1/8，此外天線的高度還受到傳感器上限工作頻率的限制。我們采用有源積分電路來(lái)處理ACD的輸出信號(hào)，而光電轉(zhuǎn)換電路的目的則是將傳感器的測(cè)量信號(hào)由電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)并通過(guò)光纖傳輸。整個(gè)電路由電池供電，并且集成在鋁制的保護(hù)殼中。

　　ACD天線設(shè)計(jì)

　　漸近錐是索爾基于等效電荷法而設(shè)計(jì)提出的，天線的幾何形狀是由特殊靜電荷分布的等勢(shì)面所確定。天線的等效電容、等效面積等重要的電磁參數(shù)都可以準(zhǔn)確的計(jì)算得到。

　　根據(jù)錐形天線的半錐角可得到單極天線的特性阻抗：

　　由可計(jì)算得到天線的截止頻率。當(dāng)頻率低于時(shí)，天線的輸出信號(hào)為電場(chǎng)的導(dǎo)數(shù)，如果天線高度為10mm，截止頻率可高達(dá)24GHz，但 是由于錐形天線的頂部變形，這一理論上限頻率在實(shí)際中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的[3]。天線和積分電路的連接接頭還會(huì)導(dǎo)致阻抗的不連續(xù)性。

　　3.有源積分器及光電轉(zhuǎn)換電路

　　有源積分器由運(yùn)算放大器、積分電容以及電阻R組成。為確保積分器具有良好的高頻響應(yīng)，我們需要選擇高速運(yùn)算放大器。實(shí)驗(yàn)表明，積分電容的寄生電感會(huì)使信號(hào)明顯失真，因此選擇高頻率的微波電容作為積分電容。為了抑制運(yùn)算放大器的輸出漂移，將一個(gè)反饋電阻與積分電容相并聯(lián)。相應(yīng)的時(shí)間常數(shù)應(yīng)不小于測(cè)量信號(hào)脈沖寬度的10倍[4]。為了利用光纖作為傳輸介質(zhì)，本文通過(guò)分布反饋激光器(DFB laser)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。我們要給激光器一個(gè)偏置電流以使其工作在線性范圍，電感L用來(lái)限制激光器通過(guò)耦合電容調(diào)制的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

　　四、半導(dǎo)體激光器對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的要求

　　一般來(lái)說(shuō)，在注入半導(dǎo)體激光的電流時(shí)，需要注入電流小于額定的閾值，因?yàn)檩敵龅墓β屎苄。�只能發(fā)出一些很弱的光。射出的光也只能是半導(dǎo)體激光器自己發(fā)出的輻射光的能量，而并不是從物質(zhì)原子鐘發(fā)出的。注入半導(dǎo)體的激光器的電流大于閾值的時(shí)候，激光器在穩(wěn)定很定的失手輸出的功率超過(guò)電流最大的上限的時(shí)候，驅(qū)動(dòng)電源就會(huì)被燒毀，如果嚴(yán)重的話還會(huì)發(fā)生爆炸，會(huì)傷到現(xiàn)場(chǎng)的工作人員和其他設(shè)備的損毀。

　　因?yàn)榘雽?dǎo)體的激光器反應(yīng)時(shí)間很快，可以用微秒來(lái)計(jì)算進(jìn)行，那么在極端的時(shí)間內(nèi)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)的電源要承擔(dān)起保護(hù)線路安全的責(zé)任，盡可能減小或者消除沖擊性電流所帶來(lái)的破壞性效果[5]。一方面，像半導(dǎo)體激光器這種非感性的電力負(fù)載，在閉合開(kāi)關(guān)和斷開(kāi)電源的瞬間都會(huì)產(chǎn)生一股很大的沖擊性電流。半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電源必須要將電力的輸入和輸出設(shè)計(jì)成一種啟動(dòng)較慢的安全性電流回路。通過(guò)降低激光波長(zhǎng)的紋波系數(shù)和濾除電路中的交流分量來(lái)保證流通電流和輸入電壓的穩(wěn)定性[6]。另一方面，氣候溫度和空氣濕度以及線路老化等原因都對(duì)半導(dǎo)體激光器的激光輸出功率有著顯著的負(fù)面影響。半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電源必須要有一套自動(dòng)控制電路溫度，同時(shí)增益輸出功率的設(shè)計(jì)方案，使半導(dǎo)體激光器能夠在恒溫的狀態(tài)下進(jìn)行正常的工作。

　　五、傳感器性能

　　脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖寬度為50ns的方波，TEM室(橫電磁傳輸室)產(chǎn)生均勻平面電磁波，傳感器被放置在TEM室的中間來(lái)測(cè)量脈沖電場(chǎng)。傳感器的測(cè)量結(jié)果，其中實(shí)線為脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的電壓信號(hào)，虛線為傳感器的測(cè)量信號(hào)[7]。實(shí)線的上升時(shí)間約為1ns，接收信號(hào)的上升時(shí)間約為3ns。由于連接傳感器和接收器的光纖比連接TEM室和示波器的同軸電纜長(zhǎng)很多，兩個(gè)信號(hào)之間有一定的時(shí)延。

　　機(jī)械論文投稿刊物：《測(cè)控技術(shù)》雜志是測(cè)控方面核心級(jí)期刊，在測(cè)控領(lǐng)域是權(quán)威雜志，1982年北京市創(chuàng)刊，刊出的測(cè)控方面論文的技術(shù)先進(jìn)、方法新穎、實(shí)用性強(qiáng)。

　　結(jié)論

　　為了檢測(cè)納秒級(jí)電磁脈沖的上升時(shí)間，本文設(shè)計(jì)了一種基于D-dot探頭天線和有源積分器的電場(chǎng)傳感器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該傳感器可以檢測(cè)到上升時(shí)間為幾納秒的瞬變脈沖。在以后的研究中，可以通過(guò)優(yōu)化天線和積分器的連接結(jié)構(gòu)，減小阻抗的不連續(xù)性，來(lái)進(jìn)一步提高傳感器的性能，并通過(guò)優(yōu)化電路的PCB設(shè)計(jì)以及選用高頻性能更好的電路元件，來(lái)減少寄生參數(shù)的影響。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　[2]王陽(yáng)陽(yáng)，畢軍建，陳翔，王璐璐.有源電光調(diào)制式高功率瞬態(tài)電場(chǎng)傳感器的研制[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2012，(4).

　　[3]孟萃，郭曉強(qiáng)，陳向躍，聶鑫，毛從光，相輝，程建平.脈沖電場(chǎng)傳感器靈敏度響應(yīng)系數(shù)一致性的實(shí)驗(yàn)研究[J].核技術(shù)，2007，(01).

　　[4]張衛(wèi)東，崔翔.光纖瞬態(tài)電場(chǎng)傳感器的研究[J].測(cè)控技術(shù)，2004，(04).

　　作者：吳貽標(biāo)