專利名稱：電場傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測量在空間傳播的電磁波信號的電場強(qiáng)度的電場傳感器。


圖1是現(xiàn)有的電場傳感器的主要部分的正視圖。該電場傳感器包括接收用天線101、電場傳感器探頭102、入射光纖103、出射光纖104、光源(圖中末示出)和光檢測器(圖中未示出)。
上述接收用天線101接收輸入信號。上述電場傳感器探頭102能使透過的光的強(qiáng)度隨上述接收用天線101接收的輸入信號的電場強(qiáng)度的變化而變化。上述入射光纖103和上述出射光纖104與上述電場傳感器探頭102連接。上述光源與上述入射光纖103的一端連接，并且，向該入射光纖103發(fā)射光。上述光檢測器通過上述出射光纖104接收來自電場傳感器探頭102的透過光并檢測上述透過光。
上述電場傳感器探頭102包括基板105、入射光波導(dǎo)106、2個相移光波導(dǎo)107、出射光波導(dǎo)108和調(diào)制電極109。上述入射光波導(dǎo)106在上述基板105上形成，用以與上述入射光纖103連接。上述相移光波導(dǎo)107在上述基板105上形成，用來將入射光波導(dǎo)106分成兩支。上述出射光波導(dǎo)108在上述基板105上形成，用以與上述出射光纖104連接，并且，將上述2個相移光波導(dǎo)107匯合。上述調(diào)制電極109在上述2個相移光波導(dǎo)107的附近形成，并且與上述接收用天線101連接。
但是，在上述電場傳感器中，存在靈敏度比較低的問題。
本發(fā)明的目的在于提供靈敏度高的電場傳感器。
按照本發(fā)明的1個實(shí)施例，電場傳感器包括接收輸入信號的接收用天線(1)、能使透過的光的強(qiáng)度隨該接收用天線(1)接收的上述輸入信號的電場強(qiáng)度的變化而變化的電場傳感器探頭(3)、與該電場傳感器探頭(3)連接的入射光纖(4)及出射光纖(5)、與上述入射光纖(4)的一端連接并向該入射光纖(4)發(fā)射光的光源(6)和通過上述出射光纖(5)接收來自上述電場傳感器探頭(3)的透過光并檢測上述透過光的光檢測器(7)。上述電場傳感器探頭(3)包括基板(8)、在上述基板(8)上形成用來與上述入射光纖(4)連接的入射光波導(dǎo)(9)、在上述基板(8)上形成的從該入射光波導(dǎo)(9)分支的其折射率隨電場強(qiáng)度的變化而變化的2個相移光波導(dǎo)(10)、在上述基板(8)上形成的用來與上述出射光纖(5)連接并將上述2個相移光波導(dǎo)(10)匯合的出射光波導(dǎo)(11)和至少在上述2個相移光波導(dǎo)(10)中的任意一方附近形成的調(diào)制電極(12)。上述電場傳感器的特征在于還具有連接在上述調(diào)制電極(12)與上述接收用天線(1)之間的諧振電路(2)，并且，上述調(diào)制電極(12)的膜厚為1μm以上。
按照本發(fā)明的另一實(shí)施例，電場傳感器包括接收輸入信號的接收用天線(1)、能使透過的光的強(qiáng)度隨該接收用天線(1)接收的上述輸入信號的電場強(qiáng)度的變化而變化的電場傳感器探頭(3)、與該電場傳感器探頭(3)連接的入射光纖(4)及出射光纖(5)、與上述入射光纖(4)的一端連接并向該入射光纖(4)發(fā)射光的光源(6)、通過上述出射光纖(5)接收來自上述電場傳感器探頭(3)的透過光并檢測上述透過光的光檢測器(7)。上述電場傳感器探頭(3)包括基板(8)、在上述基板(8)上形成的用來與上述入射光纖(4)連接的入射光波導(dǎo)(9)、在上述基板(8)上形成的從該入射光波導(dǎo)(9)分支的其折射率隨電場強(qiáng)度的變化而變化的2個相移光波導(dǎo)(10)、在上述基板(8)上形成的用來與上述出射光纖(5)連接并將上述2個相移光波導(dǎo)(10)匯合的出射光波導(dǎo)(11)和至少在上述2個相移光波導(dǎo)(10)中的任意一方附近形成的調(diào)制電極(12)。上述電場傳感器的特征在于還具有連接在上述調(diào)制電極(12)與上述連收用天線(1)之間的諧振電路(2)，并且，上述調(diào)制電極(12)由沿光傳播方向組合并通過電容耦合的多個組合電極構(gòu)成。
圖1是現(xiàn)有的電場傳感器的主要部分的正視圖；圖2是本發(fā)明的第1實(shí)施例的框圖；圖3是本發(fā)明的第1實(shí)施例的主要部分的正視圖；圖4是本發(fā)明的第1實(shí)施例中的包括接收用天線和電場傳感器探頭在內(nèi)的諧振裝置的等效電路圖；圖5是本發(fā)明的第1實(shí)施例中的調(diào)制電極的膜厚與電場傳感器探頭的電阻之間的關(guān)系曲線圖；圖6是本發(fā)明的第2實(shí)施例的主要部分的正視圖；圖7是本發(fā)明的第2實(shí)施例中的接收用天線的斜視圖；圖8是本發(fā)明的第3實(shí)施例的框圖；圖9是本發(fā)明的第4實(shí)施例的框圖；圖10是本發(fā)明的第5實(shí)施例的框圖。
圖2是本發(fā)明的第1實(shí)施例的主要部分的框圖。如圖2所示，本發(fā)明的電場傳感器包括接收用天線1、諧振電路2、電場傳感器探頭3、入射光纖4、出射光纖5、光源6和光檢測器7。
上述接收用天線1接收輸入信號。上述電場傳感器探頭3通過上述諧振電路2與上述接收用天線1連接。上述電場傳感器探頭3通過上述諧振電路2接收來自上述接收用天線1的輸入信號，能使透過的光的強(qiáng)度隨電場強(qiáng)度的變化而變化。上述入射光纖4和上述出射光纖5與上述電場傳感器探頭3連接。上述光源6與上述入射光纖4的一端連接，并向該入射光纖4發(fā)射光。上述光檢測器7通過上述出射光纖5接收來自上述電場傳感器探頭3的透過光，并檢測上述透過光。
如圖3所示，上述電場傳感器探頭3包括基板8、入射光波導(dǎo)9、2個相移光波導(dǎo)10、出射光波導(dǎo)11和調(diào)制電極12。上述入射光波導(dǎo)9在上述基板8上形成，用來與上述入射光纖4連接。上述2個相移光波導(dǎo)10在上述基板8上形成，是從上述入射光波導(dǎo)9分支出來的，并且其折射率隨電場強(qiáng)度的變化而變化。上述出射光波導(dǎo)11在上述基板8上形成，用來與上述出射光纖5連接，并且將上述2個相移光波導(dǎo)10匯合。上述諧振電路2連接在上述調(diào)制電極12與上述接收用天線1之間。上述接收用天線1和諧振電路2通過電極衰減器13與調(diào)制電極12連接。
上述基板8由垂直于C軸切割的鈮酸鋰單晶片構(gòu)成。在該基板8上擴(kuò)散上鈦，形成上述入射光波導(dǎo)9、上述相移光波導(dǎo)10和上述出射光波導(dǎo)11。來自上述入射光波導(dǎo)4的入射光入射到入射光波導(dǎo)9內(nèi)后，分支到2個相移光波導(dǎo)10內(nèi)。接收用天線1接收到輸入信號時，該輸入信號在調(diào)制電極12上感應(yīng)出電壓，在2個相移光波導(dǎo)10中產(chǎn)生沿深度方向其方向彼此相反的電場分量。
結(jié)果，在2個相移光波導(dǎo)10中，由于電光效應(yīng)引起折射率變化，在2個相移光波導(dǎo)10中傳播的光之間產(chǎn)生與外加電場的大小對應(yīng)的相位差，這兩束光匯合之后，在出射光波導(dǎo)11中合成出射光時，由于干涉，光強(qiáng)發(fā)生變化。即，出射到出射光纖5內(nèi)的出射光的強(qiáng)度隨外加的電場強(qiáng)度的變化而變化，所以，利用光檢測器7測量該光強(qiáng)的變化，便可測量外加電場的強(qiáng)度。
通過使上述調(diào)制電極12的膜厚為1μm以上，并且，減小上述調(diào)制電極12的電阻，使由上述電場傳感器探頭3、上述接收用天線1和諧振電路2構(gòu)成的諧振裝置的Q值達(dá)到一定值(例如10)以上。該諧振裝置的等效電路示于圖4。在該諧振裝置中，設(shè)上述電場傳感器探頭3的總電阻為re、總電感為Le、總電容為Ce，上述接收用天線1的輻射電阻為ra、輸入信號的電壓為V，并且，上述諧振電路2由電感為Lp的線圈構(gòu)成。上述諧振電路2也可以由電容或者電容與電感耦合而構(gòu)成。
作為本發(fā)明的第1實(shí)施例的電場傳感器，為了放大加在上述調(diào)制電極12上的電壓，將上述諧振電路2與上述調(diào)制電極12連接，構(gòu)成上述諧振裝置，通過提高該諧振裝置的Q值(電壓比)來提高靈敏度。
通常，設(shè)頻率為f、電容為C、電阻為R，則諧振裝置的Q值可以用Q＝1/(2πfCR)表示。
因此，本發(fā)明的第1實(shí)施例為了提高靈敏度，通過增厚上述調(diào)制電極12的膜厚來減小上述電場傳感器探頭3的總電阻。上述調(diào)制電極12的膜厚與上述電場傳感器探頭3的總電阻之間的關(guān)系用圖5中的曲線A表示。在本發(fā)明的第1實(shí)施例中，上述調(diào)制電極12的膜厚大于1μm。
下面，參照圖6說明本發(fā)明的第2實(shí)施例。
在圖6所示的第2實(shí)施例中，上述調(diào)制電極12是由沿光傳播方向設(shè)置并且通過電容耦合的多個電極12a、12b組合而成的。另外，上述電場接收用天線1是低輻射電阻天線。在第2實(shí)施例中，通過減小上述電場傳感器探頭3的總電容和減小電場接收用天線1的輻射電阻，來提高上述諧振電路的Q值，從而提高電場傳感器的靈敏度。
如圖6所示，上述2個調(diào)制電極12中的1側(cè)電極由4個分電極12a構(gòu)成。上述2個調(diào)制電極12中的另一側(cè)電極由4個分電極12b構(gòu)成。位于上述各分電極12a中的一端的分電極12a與接收用天線1連接。另外，位于上述各分電極12b中的另一端的分電極12b通過上述諧振電路2與上述接收用天線1連接。與上述接收用天線1連接的分電極12a、12b以外的分電極12a、12b兩邊分別成對地連接。
上述接收用天線1是一種低輻射電阻天線，是由約翰·克勞斯發(fā)明的8JK定向天線。該8JK定向天線由圖7所示的基本形式構(gòu)成，L＝λ/2(λ電波的波長)的偶極子元件1a以W＝λ/8左右的窄間隔平行地排列。上述8JK定向天線以反相位激勵，所以，元件1a的間隔W越窄，輻射電阻越小。
本發(fā)明的電場傳感器也可以設(shè)置八木天線那樣的波導(dǎo)器或反射器，這時，通過將電波集中可以提高電場傳感器的靈敏度。
下面，說明本發(fā)明的多個具體的實(shí)施例。
先說明本發(fā)明的第1個具體的實(shí)施例。
上述基板8由鈮酸鋰晶片(Z片)形成。作為防止吸收光用的緩沖層，是用二氧化硅(SiO2)膜被敷在上述基板8的整個表面上，然后利用上述方法形成上述相移光波導(dǎo)10。在這2個相移光波導(dǎo)10上形成1對上述調(diào)制電極12。這時，用Au形成上述調(diào)制電極12，使上述電場傳感器探頭3的總電阻小于5Ω，使上述調(diào)制電極12的膜厚為1μm。另外，為了使上述電場傳感器探頭3的總電容為3pF，將調(diào)制電極12沿光傳播方向分割為4部分(參見圖6)。
利用網(wǎng)絡(luò)分析器測量上述電場傳感器3的電阻和電容時，電阻為5Ω(500MHz)，電容為3pF。另外，作為上述接收用天線1，作成使元件1a的間隔W為W＝λ/10、元件1a的長度L為L＝λ/2的8JK定向天線(參見圖7)，利用網(wǎng)絡(luò)分析器測量過該8JK定向天線的輻射電阻，該電阻為5Ω。
將上述諧振電路2和上述接收用的8JK定向天線與上述電場傳感器探頭3的上述調(diào)制電極12連接，測量電場的檢測靈敏度時，結(jié)果表明，與現(xiàn)有的電場傳感器相比，提高了與Q值相一致的靈敏度，對于500MHz的電波來說，電場強(qiáng)度為80dBμV/m時，光檢測器7的檢測信號輸出為75dBμV。
下面，作成下述那樣的現(xiàn)有的電場傳感器(參見圖1)，研究其靈敏度。
除了電極結(jié)構(gòu)為單一電極，膜厚為1000A、接收用天線為半波偶極子天線的結(jié)構(gòu)外，利用和本發(fā)明的電場傳感器一樣的材料和方法作成現(xiàn)有的電場傳感器。
可是，利用網(wǎng)絡(luò)分析器測量上述現(xiàn)有的電場傳感器探頭的電阻和電容時，電阻為50Ω(500MHz)，電容為12pF，并且，半波偶極子天線的輻射電阻為73Ω。
使上述光源6和光檢測器7等的測量條件與上述實(shí)施例完全相同，研究電場檢測靈敏度時，對于500MHz的電波來說，在本發(fā)明的實(shí)施例中，電場強(qiáng)度為80dBμV/m時，光檢測器7的檢測信號輸出為55dBμV。
如上所述，本發(fā)明的電場傳感器的靈敏度比現(xiàn)有的電場傳感器高20dB。另外將利用本實(shí)施例作成的電場傳感器與設(shè)有元件20的波導(dǎo)器的八木天線組合，可以進(jìn)一步提高10dB以上的靈敏度。
另外，如果將調(diào)制電極12的膜厚增大到2倍以上時，電場傳感器探頭的總電阻將小于4Ω，總電容約為1.5P，能比上述實(shí)施例進(jìn)一步改善15dB的靈敏度。
下面，說明本發(fā)明的第2個具體的實(shí)施例。
圖8是在發(fā)送點(diǎn)與接收點(diǎn)分離的電視中繼發(fā)射臺的信號收發(fā)之間的傳送系統(tǒng)中如上述第1個具體的實(shí)施例那樣使用電場傳感器的例子。該信號收發(fā)之間的傳送系統(tǒng)具有和圖2所示的第1實(shí)施例中相同符號的主要構(gòu)成部分。此外，該信號收發(fā)之間的傳送系統(tǒng)還具有將來自出射光纖5的光變換為電信號的光電變換電路14、接收該光電變換電路14輸出的信號的補(bǔ)償電路15和接收該補(bǔ)償電路15的輸出信號的變換放大電路16。上述變換放大電路16通過補(bǔ)償電路15接收光電變換電路14的輸出信號后，變換為IF信號(中頻信號)傳送給發(fā)射機(jī)。這樣，由于利用微弱的RF信號便可直接調(diào)制光信號，所以，在接收端不需要電源。
下面，說明本發(fā)明的第3個具體的實(shí)施例。
圖9是將本發(fā)明與外加高頻和高電壓的機(jī)器絕緣使用的例子。
為了節(jié)約經(jīng)費(fèi)，STL的接收用拋物面天線1b在多數(shù)情況下如圖9所示，安裝在100m左右的中波天線17上。這時，高頻和高電壓便加在中波天線17上。上述電場傳感器探頭3通過球間隙18接地。中波發(fā)射器19與上述電場傳感器探頭3和上述球間隙18的連接點(diǎn)相連接。如果使用本發(fā)明的電場傳感器，便可如圖9所示，不需要絕緣共用器，從而可以節(jié)約費(fèi)用。
下面，說明本發(fā)明的第4個具體的實(shí)施例。
圖10是將本發(fā)明用于有線線路的防止雷擊災(zāi)害的例子。在本例中，上述電場傳感器探頭3通過避雷器21和終端電阻22與外部有線線路20連接。如果使用本發(fā)明的電場傳感器，由于信號收發(fā)之間可以實(shí)現(xiàn)電氣分離，所以，可以防止由于雷擊等損壞接收端的機(jī)器。
另外，在以上的實(shí)施例中，還可以采用這樣的結(jié)構(gòu)，即采用將反射器設(shè)置在電場傳感器探頭的相移光波導(dǎo)的出射側(cè)，使反射光折回出射的反射型結(jié)構(gòu)，可使入射光纖和出射光纖公用。
權(quán)利要求
1.電場傳感器包括接收輸入信號的接收用天線(1)、能使透過光的強(qiáng)度隨該接收用天線(1)接收的上述輸入信號的電場強(qiáng)度的變化而變化的電場傳感器探頭(3)、與該電場傳感器探頭(3)連接的入射光纖(4)及出射光纖(5)、與上述入射光纖(4)的一端連接并向該入射光纖(4)發(fā)射光的光源(6)和通過上述出射光纖(5)接收來自上述電場傳感器探頭(3)的透過光并檢測上述透過光的光檢測器(7)，上述電場傳感器探頭(3)包括基板(8)、在上述基板(8)上形成的用來與上述入射光纖(4)連接的入射光波導(dǎo)(9)、在上述基板(8)上形成的從該入射光波導(dǎo)(9)分支的其折射率隨電場強(qiáng)度的變化而變化的2個相移光波導(dǎo)(10)、在上述基板(8)上形成的用來與上述出射光纖(5)連接并將上述2個相移光波導(dǎo)(10)匯合的出射光波導(dǎo)(11)和至少在上述2個相移光波導(dǎo)(10)中的任意一方附近形成的調(diào)制電極(12)，上述電場傳感器的特征在于還具有連接在上述調(diào)制電極(12)與上述接收用天線(1)之間的諧振電路(2)，并且，上述調(diào)制電極(12)的膜厚為1μm以上。
2.按權(quán)利要求1所述的電場傳感器的特征在于上述調(diào)制電極(12)由沿光傳播方向設(shè)置并且通過電容耦合的多個分電極構(gòu)成。
3.按權(quán)利要求1所述的電場傳感器的特征在于上述接收用天線(1)是低輻射電阻天線。
4.按權(quán)利要求1所述的電場傳感器的特征在于上述電場傳感器還至少具有一個與該電場傳感器耦合的波導(dǎo)器或反射器。
5.電場傳感器包括接收輸入信號的接收用天線(1)，能使透過光的強(qiáng)度隨該接收用天線(1)接收的上述輸入信號的電場強(qiáng)度的變化而變化的電場傳感器探頭(3)、與該電場傳感器探頭(3)連接的入射光纖(4)及出射光纖(5)、與上述入射光纖(4)的一端連接并向該入射光纖(4)發(fā)射光的光源(6)、通過上述出射光纖(5)接收上述電場傳感器探頭(3)的透過光并檢測上述透過光的光檢測器(7)，上述電場傳感器探頭(3)包括基板(8)、在上述基板(8)上形成的用來與上述入射光纖(4)連接的入射光波導(dǎo)(9)、在上述基板(8)上形成的從該入射光波導(dǎo)(9)分支的其折射率隨電場強(qiáng)度的變化而變化的2個相移光波導(dǎo)(10)、在上述基板(8)上形成的用來與上述出射光纖(5)連接并將上述2個相移光波導(dǎo)(10)匯合的出射光波導(dǎo)(11)和至少在上述2個相移光波導(dǎo)(10)中的任意一方附近形成的調(diào)制電極(12)，上述電場傳感器的特征在于還具有連接在上述調(diào)制電極(12)與上述接收用天線(1)之間的諧振電路(2)，并且，上述調(diào)制電極(12)由沿光傳播方向設(shè)置并通過電容耦合的多個分電極構(gòu)成。
6.按權(quán)利要求5所述的電場傳感器的特征在于上述接收用天線(1)是低輻射電阻天線。
7.按權(quán)利要求5所述的電場傳感器的特征在于上述電場傳感器還至少具有一個與該電場傳感器耦合的波導(dǎo)器或反射器。
全文摘要
電場傳感器具有能使透過光的強(qiáng)度隨接收用天線接收的輸入信號的電場強(qiáng)度的變化而變化的電場傳感器探頭。該探頭具有入射光波導(dǎo)，其折射率隨電場強(qiáng)度的變化而變化的2個相移光波導(dǎo)、出射光波導(dǎo)和至少在2個相移光波導(dǎo)中的任意一方附近形成的調(diào)制電極。電場傳感器還有連接在調(diào)制電極與接收用天線間的諧振電路，且調(diào)制電極的膜厚為1μm。調(diào)制電極也可以由沿光傳播方向設(shè)置并且通過電容耦合的多個分電極構(gòu)成。接收用天線最好用低輻射電阻天線構(gòu)成。
文檔編號G01R29/08GK1116310SQ95105369
公開日1996年2月7日 申請日期1995年5月12日 優(yōu)先權(quán)日1994年5月12日
發(fā)明者鳥羽良和, 近藤充和, 佐藤由郎, 生巖量久, 中尚, 石川匡 申請人:株式會社東金, 日本放送協(xié)會