摘要：本文設計并研制了一種基于半導體激光器和光纖傳輸的有源電場傳感器，該傳感器可用于電磁脈沖測量。該傳感器利用一個漸近圓錐天線來感應電場，通過基于高速運算放大器的有源積分器來處理天線的微分信號，并通過DFB-LD(分布反饋半導體激光器)將電信號轉換為光信號。實驗結果表明，此類傳感器可用于檢測納秒級的電磁脈沖。

　　關鍵詞：半導體激光器;光纖傳輸;傳感器;有源積分器;光電轉換

　　引言

　　傳統的激光器設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、穩定性和波長，不僅取決于恒流源驅動電流的大小，而且受溫度的影響很大。半導體激光器擁有廣闊的應用范圍和極大的應用潛力，廣泛應用于軍事、醫療、商業貿易和工業生產等多個領域。但是傳統的半導體激光器內部的設計模式并不好，使用壽命也很短，大大限制住了半導體激光器的使用路徑[1]。通過對內部驅動電源的設計分析，可以優化半導體激光器的電力結構，有效延長半導體激光器的使用壽命。在大功率電磁學領域，我們不可避免的要測量上升時間僅為幾納秒的電磁脈沖信號，用來檢測此類瞬變脈沖信號的傳感器必須具有很大的帶寬以捕獲納秒信號。本文設計并研制了一種用于檢測納秒級快速瞬變秒沖的電場傳感器。D-dot探頭天線是由卡爾·鮑姆提出的一種寬頻帶電場天線，其工作帶寬一般可達到幾GHz。電場傳感器的接收天線可以選擇ACD(漸近錐形天線)，但是ACD的輸出信號是電場的導數，一般通過以下兩種方法得到原始的電場信號：一種方法是利用無源積分器對天線的輸出信號積分，另一種方式是利用計算機軟件對數字信號進行積分。本文提出了一種有源積分電路以得到原始的電場信號。本文所研究的傳感器中還集成了一個光電轉換電路，信號可以通過光纖傳輸以減少電磁環境的干擾。

　　一、半導體激光器的特點與應用

　　半導體激光器擁有體積小巧，重量很輕的特點，一般用于通訊、醫療等信息傳播較高的領域，在很多行業都有著廣泛的應用，而且還可以結合電子光片與電子電器集成的優勢，可以在醫療事業，尤其是電波電磁等醫療救護行業當中有著重要作用，但是半導體激光器比較脆弱，容易被高電壓或者電流的沖擊導致損壞。那其電源的耐磨損程度就要重新設計，在醫療事業當中也不允許經常性損壞，如果電源輸出的電壓或者電波的質量不好，再加上沒有穩壓器對電源進行保護，會導致激光性能有所下降，應該有設計優良的電源可以更好的發出電力，來穩定電壓工作[2]。

　　半導體激光器LD對于工作影響

　　實際上，造成LD損壞的云因主要還是因為內腔面污染和浪涌的擊穿。腔面的污染可以通過清潔環境來解決，那么浪涌擊穿會產生半導體激光器的PN結損傷，這里面的原因有很多：包括開機的瞬間電流強度大小，電網中其他電力設備的啟停，外部天氣因素比如雷雨雷電，以及一些靜電磁場的影響。還有就是工作環境下的高壓電流，靜電的存在，都會造成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措施來進行保護的。

　　三、傳感器設計

　　1.總體結構

　　電磁脈沖傳感器由漸近錐形天線、有源積分器以及光電轉換電路三部分組成，接收天線為單極ACD天線。單極天線需要一個較大的金屬面作為鏡像天線，天線的高度必須小于保護殼邊長的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處理ACD的輸出信號，而光電轉換電路的目的則是將傳感器的測量信號由電信號轉換為光信號并通過光纖傳輸。整個電路由電池供電，并且集成在鋁制的保護殼中。

　　ACD天線設計

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

　　根據錐形天線的半錐角可得到單極天線的特性阻抗：

　　由可計算得到天線的截止頻率。當頻率低于時，天線的輸出信號為電場的導數，如果天線高度為10mm，截止頻率可高達24GHz，但 是由于錐形天線的頂部變形，這一理論上限頻率在實際中是無法實現的[3]。天線和積分電路的連接接頭還會導致阻抗的不連續性。

　　3.有源積分器及光電轉換電路

　　有源積分器由運算放大器、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，我們需要選擇高速運算放大器。實驗表明，積分電容的寄生電感會使信號明顯失真，因此選擇高頻率的微波電容作為積分電容。為了抑制運算放大器的輸出漂移，將一個反饋電阻與積分電容相并聯。相應的時間常數應不小于測量信號脈沖寬度的10倍[4]。為了利用光纖作為傳輸介質，本文通過分布反饋激光器(DFB laser)將電信號轉換為光信號。我們要給激光器一個偏置電流以使其工作在線性范圍，電感L用來限制激光器通過耦合電容調制的驅動信號。

　　四、半導體激光器對驅動電源的要求

　　一般來說，在注入半導體激光的電流時，需要注入電流小于額定的閾值，因為輸出的功率很小，只能發出一些很弱的光。射出的光也只能是半導體激光器自己發出的輻射光的能量，而并不是從物質原子鐘發出的。注入半導體的激光器的電流大于閾值的時候，激光器在穩定很定的失手輸出的功率超過電流最大的上限的時候，驅動電源就會被燒毀，如果嚴重的話還會發生爆炸，會傷到現場的工作人員和其他設備的損毀。

　　因為半導體的激光器反應時間很快，可以用微秒來計算進行，那么在極端的時間內內部驅動的電源要承擔起保護線路安全的責任，盡可能減小或者消除沖擊性電流所帶來的破壞性效果[5]。一方面，像半導體激光器這種非感性的電力負載，在閉合開關和斷開電源的瞬間都會產生一股很大的沖擊性電流。半導體激光器的驅動電源必須要將電力的輸入和輸出設計成一種啟動較慢的安全性電流回路。通過降低激光波長的紋波系數和濾除電路中的交流分量來保證流通電流和輸入電壓的穩定性[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半導體激光器的激光輸出功率有著顯著的負面影響。半導體激光器的驅動電源必須要有一套自動控制電路溫度，同時增益輸出功率的設計方案，使半導體激光器能夠在恒溫的狀態下進行正常的工作。

　　五、傳感器性能

　　脈沖發生器產生脈沖寬度為50ns的方波，TEM室(橫電磁傳輸室)產生均勻平面電磁波，傳感器被放置在TEM室的中間來測量脈沖電場。傳感器的測量結果，其中實線為脈沖發生器產生的電壓信號，虛線為傳感器的測量信號[7]。實線的上升時間約為1ns，接收信號的上升時間約為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很多，兩個信號之間有一定的時延。

　　機械論文投稿刊物：《測控技術》雜志是測控方面核心級期刊，在測控領域是權威雜志，1982年北京市創刊，刊出的測控方面論文的技術先進、方法新穎、實用性強。

　　結論

　　為了檢測納秒級電磁脈沖的上升時間，本文設計了一種基于D-dot探頭天線和有源積分器的電場傳感器。實驗結果表明，該傳感器可以檢測到上升時間為幾納秒的瞬變脈沖。在以后的研究中，可以通過優化天線和積分器的連接結構，減小阻抗的不連續性，來進一步提高傳感器的性能，并通過優化電路的PCB設計以及選用高頻性能更好的電路元件，來減少寄生參數的影響。

　　參考文獻：

　　[1]宋金巖.基于半導體激光器和環形腔的強度檢測光學傳感器研究[D].浙江大學，2013.

　　[2]王陽陽，畢軍建，陳翔，王璐璐.有源電光調制式高功率瞬態電場傳感器的研制[J].計算機測量與控制，2012，(4).

　　[3]孟萃，郭曉強，陳向躍，聶鑫，毛從光，相輝，程建平.脈沖電場傳感器靈敏度響應系數一致性的實驗研究[J].核技術，2007，(01).

　　[4]張衛東，崔翔.光纖瞬態電場傳感器的研究[J].測控技術，2004，(04).

　　作者：吳貽標