本發(fā)明屬于電磁兼容測試領域，涉及的一種基于有源電光調制的套筒單極子電場傳感器及方法，主要用于測量電子設備表面處、狹小空間內電場，尤其適用于非平坦表面電場測量和殼體、材料屏蔽效能弱場信號測量。

背景技術：

在進行電磁兼容測試時，可能需要對非平坦導體表面上，如飛機機身、彈體表面等和狹小空間內的電場進行測量。此時，常用的場強計由于體積較大無法勝任，通常會使用一些自制的單極子天線進行測量，也即是天線直接感應法。而普通的單極子天線測量方法存在著一些缺點，如天線的頻帶較窄，根據不同頻段需要多次更換天線，天線饋線的引入不可避免對內部場產生擾動，同樣容易也引入干擾信號。

除了天線直接感應法外，還有基于電光調制的電場傳感器測量方法，其原理是將電場信號轉換為光調制信號，經光纖傳輸后由光解調還原為被測電場信號，根據對光信號調制方式的不同，可分為無源電光調制法和有源電光調制法。無源電光調制法受限于系統(tǒng)靈敏度及激光器穩(wěn)定性等原因，制作工藝復雜，成本偏高。而有源電光調制法則結合了天線直接感應法和無源電光調制法的優(yōu)點，將天線感應的電場信號進行有源電光調制后，經由光纖傳送到外部的光電轉換模塊，減小了測量系統(tǒng)體積偏大的問題，易于工程實現。但是，目前有源電光調制法主要應用于強場環(huán)境測試，使用電小天線接收，目的是為了在寬頻帶（如數Hz至GHz）內保持天線性能不變，從而達到脈沖波形的保真，同時也導致了天線在其工作頻段內回波損耗巨大，天線靈敏度較小，不適用于弱場測量。減小測試裝置、線纜對場的擾動，對非平坦表面上、狹小空間內的電場進行測量仍然是電磁兼容測試中必須面對的問題，尤其是在電磁屏蔽效能等弱場測量中急需具備的能力。

技術實現要素：

本發(fā)明基于有源電光調制技術，提供了一種基于有源電光調制的套筒單極子電場傳感器及方法，是測量電子設備內部小空間內及其表面處電場的傳感器，該電場傳感器通過倒錐形單極子設計和套筒加載技術，增大了天線的有效長度，展寬了天線工作帶寬。

本發(fā)明所采用的技術方案是：

一種基于有源電光調制的套筒單極子電場傳感器，包括套筒單極子天線1、屏蔽殼體2、匹配放大電路3、電光轉換電路4、光纖5、光電接收機6，所述屏蔽殼體2頂端的中心位置設置有套筒單極子天線1，屏蔽殼體2的腔體內設置有匹配放大電路3、電光轉換電路4，所述的套筒單極子天線1通過SMA接口與匹配放大電路3、電光轉換電路4相連，電光轉換電路4通過光纖5穿過套管與光電接收機6相連。

一種基于有源電光調制的套筒單極子電場傳感器，所述套筒單極子天線1由提高阻抗匹配性能的倒錐形單極子8和內套筒10和外套筒9結合組成，倒錐形單極子的上端直徑為5.60mm，下端直徑為1.27mm，長度為35mm；外套筒直徑為5.56mm、長度為14mm；內套筒直徑為2.92mm、長度為3.92mm。

一種基于有源電光調制的套筒單極子電場傳感器，所述屏蔽殼體2由兩個相同的開口腔體結構套裝組成，屏蔽殼體2套裝的內開口腔體結構的頂部的開口端設置有垂直的內套筒10，屏蔽殼體2套裝的外開口腔體結構的頂部的開口端設置有垂直的外套筒9；外套筒9與內套筒10之間設置有隔板，套裝的內開口腔體結構的側部與同向的外開口腔體結構的側部之間設置有套管。

一種基于有源電光調制的套筒單極子電場傳感器，所述屏蔽殼體2套裝的外開口腔體結構為圓桶形鋁制殼體，直徑R₁=75mm，高度H₄=28mm。

一種基于有源電光調制的套筒單極子電場傳感器的工作方法，采用倒錐形單極子8感應周圍空間的電場信號形成電壓信號，電壓信號經過匹配放大電路3后，經由電光轉換電路3將電壓信號轉為為光信號，光纖5將光信號傳輸至光電接收機6轉換為電壓信號，測量電子設備表面和狹小空間內的電場，對非平坦表面電場測量和殼體、材料屏蔽效能弱電場信號測量；其步驟如下：

1）、連接頻譜分析儀7，屏蔽殼體2頂部的套筒單極子天線1通過匹配放大電路3與電光轉換電路4連接，電光轉換電路4通過光纖5穿過套管與光電接收機6相連；光電接收機6通過同軸線纜連接頻譜分析儀7；

2）、套筒單極子天線1將感應到的電場信號轉換為電壓信號，電壓信號經匹配放大電路3放大后輸入到電光轉換電路4調制為光信號，再經光纖5從屏蔽殼體2側面開的小孔套管傳輸到光電接收機6轉換為電壓信號對外輸出；

當將接收前端放置在需要測量電子設備的非平坦表面上，然后將接收前端通過光纖與光電接收機6連接，在使用同軸線纜與頻譜分析儀7相連，給接收前端和光電接收機供電，并打開頻譜分析儀7，將頻譜分析儀7的中心頻率調諧到待測量頻點，讀取或記錄指定帶寬內的頻譜曲線，得到非平坦表面處的電場值；如需得到精確的電場值，還需要在標準場下進行標定，將頻譜分析儀7測量值進行換算；

當接收前端放置在需要測量電子設備的狹小空間內，然后將接收前端通過光纖與光電接收機6連接，在使用同軸線纜與頻譜分析儀7相連，給接收前端和光電接收機供電，并打開頻譜分析儀7，將頻譜分析儀7的中心頻率調諧到待測量頻點，讀取或記錄指定帶寬內的頻譜曲線，即可得到狹小空間處的電場值；如需得到精確的電場值，還需要在標準場下進行標定，將頻譜分析儀7測量值進行換算；

當接收前端放置在屏蔽體內部，然后將接收前端通過光纖與光電接收機6連接，在使用同軸線纜與頻譜分析儀7相連，給接收前端和光電接收機供電，并打開頻譜分析儀7，將頻譜分析儀7的中心頻率調諧到待測量頻點，讀取或記錄指定帶寬內的頻譜曲線，得到屏蔽體內部的電場值；如需得到精確的電場值，還需要在標準場下進行標定，將頻譜分析儀7測量值進行換算。

由于采用如上所述的技術方案，本發(fā)明具有如下優(yōu)越性：

（1）倒錐形單極子設計增大了天線的有效長度，在相同長度的圓柱形單極子天線相比擁有更低的諧振頻點，從2.038GHz降低到1.8GHz；

（2）內、外套筒的設計提高了天線的阻抗匹配性能，大大展寬了天線的可用帶寬（回波損耗小于-10dB），從145MHz增加到321MHz，提高了天線的靈敏度；

（3）有源電光調制法的使用縮小了接收部分的體積和對電場的擾動，光纖的使用減小了線纜對場的擾動以及線纜可能引入的干擾；

（4）基于以上設計本發(fā)明可以測量電子設備表面處、狹小空間內電場，尤其適用于非平坦表面電場測量和殼體、材料屏蔽效能弱場信號測量。

與通常的圓柱形單極子天線相比，本發(fā)明僅使用35mm長的倒錐形單極子天線即獲得了1.8GHz的諧振頻率，并將天線的可用帶寬的回波損耗小于10dB，從145MHz增加到321MHz，減小了天線高度、展寬了天線帶寬、提高了天線靈敏度。

附圖說明

圖1 是基于有源電光調制的套筒單極子電場傳感器組成框圖及其與頻譜分析儀組成的測量系統(tǒng)圖；

圖2 是接收前端部分設計圖剖面圖；

圖3 是接收前端部分設計圖俯視圖；

圖4為在非平坦表面上的弱電場測量圖；

圖5為狹小空間內的弱電場測量圖；

圖6為屏蔽體內部的弱電場測量圖。

具體實施方式

圖1是本發(fā)明一種基于有源電光調制的套筒單極子電場傳感器，主要由六個部分組成，分別是：套筒單極子天線1、屏蔽殼體2、匹配放大電路3、電光轉換電路4、光纖5、光電接收機6。其中，套筒單極子天線1、屏蔽殼體2、電光轉換電路4組成接收前端。屏蔽殼體2為圓柱形鋁制殼體，直徑R₁=75mm，高度H₄=28mm，用于防止外部電場對內部電路的干擾，其內部安裝了匹配放大電路3和電光轉換電路4。套筒單極子天線1將感應到的電場信號轉換為電壓信號，電壓信號經匹配放大電路3放大后輸入到電光轉換電路4調制為光信號，再經光纖5從屏蔽殼體2側面開的小孔傳輸到光電接收機6轉換為電壓信號對外輸出。

所述套筒單極子天線主要由倒錐形單極子8、外套筒9和內套筒10組成；其中倒錐形單極子8的設計方式主要為了減小天線的實際長度，減小天線的諧振頻點；外套筒9和內套筒10的引入則可以更好的對天線在諧振頻點附近的阻抗進行匹配，降低天線回波損耗，增大可用帶寬；

所述屏蔽殼體2用于放置匹配放大電路3和電光轉換電路4，兼做套筒單極子天線1的地面；

所述SMA接頭11用于連接倒錐形單極子8和匹配放大電路3；

所述匹配放大電路3用于天線阻抗匹配調整和信號放大；

所述電光轉換電路4用于將天線感應到的電壓信號轉換為光調制信號；

所述光纖5用于將調制后的光信號傳送至外部的光電接收機6；

所述光電接收機6用于將調制后的光信號轉換為電信號。

圖2為本發(fā)明中套筒單極子天線1和屏蔽外殼2的剖面圖，圖3為本發(fā)明中套筒單極子天線1和屏蔽外殼2的俯視圖。其中，套筒單極子天線1由倒錐形單極子8、外套筒9、內套筒10和屏蔽殼體2的上表面組成，通過SMA接口與內部電路連接。倒錐形單極子8的上端直徑為R₄=5.60mm，下端直徑為R₅=1.27mm與SMA接口11保持一致，可以直接安插在SMA接口11上，長度為H₁=35mm。外套筒9的直徑為R₂=5.56mm，長度為H₂=14mm。內套筒10的直徑為R₃=2.92mm，長度為H₃=3.92mm。倒錐形單極子8用于感應周圍電場，外套筒9、內套筒10用于提高倒錐形單極子8的阻抗匹配性能。

本發(fā)明的工作原理為：倒錐形單極子8感應周圍空間的電場信號形成電壓信號，電壓信號經過匹配放大電路3后，經由電光轉換電路3將電壓信號轉為為光信號，光纖5將光信號傳輸至光電接收機6轉換為電壓信號。

一種基于有源電光調制的套筒單極子電場傳感器的工作方法，包括配合頻譜分析儀，測量電子設備表面和狹小空間內的電場，對非平坦表面電場測量和殼體、材料屏蔽效能弱電場信號測量；其步驟如下：

1）、連接頻譜分析儀，屏蔽殼體2頂部的套筒單極子天線1通過匹配放大電路3與電光轉換電路4連接，電光轉換電路4通過光纖5穿過套管與光電接收機6相連；光電接收機6通過同軸線纜連接頻譜分析儀7；

2）、套筒單極子天線1將感應到的電場信號轉換為電壓信號，電壓信號經匹配放大電路3放大后輸入到電光轉換電路4調制為光信號，再經光纖5從屏蔽殼體2側面開的小孔套管傳輸到光電接收機6轉換為電壓信號對外輸出；

還可以將本發(fā)明裝置的接收前端放置在需要監(jiān)測的位置，經光電接收機6轉換為電壓信號后，使用同軸線纜連接頻譜分析儀7，即可測量非平坦表面電場（圖4）、狹小空間內（圖5）以及屏蔽體內部的弱電場（圖6），感知天線周圍的電場。

1）將本發(fā)明裝置的接收前端（圖2）放置在需要測量電子設備的非平坦表面上（圖4），然后將接收前端通過光纖與光電接收機6連接，在使用同軸線纜與頻譜分析儀7相連，給接收前端和光電接收機供電，并打開頻譜分析儀7，將頻譜分析儀7的中心頻率調諧到待測量頻點，讀取或記錄指定帶寬內的頻譜曲線，得到非平坦表面處的電場值。如需得到精確的電場值，還需要對本發(fā)明裝置在標準場下進行標定，將頻譜分析儀7測量值進行換算。

2）將本發(fā)明裝置的接收前端（圖2）放置在需要測量電子設備的狹小空間內（圖5），然后將接收前端通過光纖與光電接收機6連接，在使用同軸線纜與頻譜分析儀7相連，給接收前端和光電接收機供電，并打開頻譜分析儀7，將頻譜分析儀7的中心頻率調諧到待測量頻點，讀取或記錄指定帶寬內的頻譜曲線，即可得到狹小空間處的電場值。如需得到精確的電場值，還需要對本發(fā)明裝置在標準場下進行標定，將頻譜分析儀7測量值進行換算。

3）將本發(fā)明裝置的接收前端（圖2）放置在屏蔽體內部（圖6），然后將接收前端通過光纖與光電接收機6連接，在使用同軸線纜與頻譜分析儀7相連，給接收前端和光電接收機供電，并打開頻譜分析儀7，將頻譜分析儀7的中心頻率調諧到待測量頻點，讀取或記錄指定帶寬內的頻譜曲線，得到屏蔽體內部的電場值。如需得到精確的電場值，還需要對本發(fā)明裝置在標準場下進行標定，將頻譜分析儀7測量值進行換算。