光纤布拉格光栅(FBG)作为重要的光无源器件,广泛适用在全光通信网络、电子半导体等行业。倾斜光纤光栅(TFBG)在结构上特点是光栅平面相对光纤轴向存在倾斜角度,该改进的复杂结构能够强化芯模与包层模或辐射模间的耦合,也使得TFBG在传感与光滤波等领域产生应用潜力。本文主要研究了TFBG的传感特性、基于倾斜光栅的传感和解调技术,以及更进一步研究了级联倾斜光纤光栅(CTFBG)的结构特征和传感特性,全文内容如下:1、概述了光纤布拉格光栅的进展和研究现状,重点介绍了TFBG研究取得结构、写制技术以及应用范畴的创新成果,在此基础上提出了级联光栅的结构特点,光栅传感技术的进展。2、利用了耦合模式理论分析了TFBG芯区和包层的模式耦合方程,介绍了辐射模的耦合特点;利用传输矩阵法,分析了非均匀光栅的传输矩阵和光谱参数表达式。3、详细研究了不同结构参量下的倾斜光纤光栅光谱特性,参量含栅格倾角、长度以及周期等在内,作为后续光栅写制过程的理论指导;接着分析了在10℃-100℃的升温范围,TFBG纤芯模和各阶包层模的中心耦合波长变化情况;再对TFBG设置不同的芯区、包层和周围介质的折射率,分析了其折射率传感特性;结合不同结构参量影响,概括了它们的相互补偿作用。4、研究了CTFBG的原理和分析法。对两级级联结构,分析了不同的结构参量,包括倾斜角度,级联相移以及级联相对位置等,分析了各自级联TFBG的光谱特性;对二级和三级级联TFBG的温度传感特性进行了仿真,观察到透射谱纤芯模阻带数量同级联段数N一致,中心耦合波长移向长波长方向,同时温度灵敏度较TFBG有所提高。5、设计了基于相位掩模板的TFBG刻写系统,并对该方法写制的TFBG进行了传输谱测量;研究了边沿解调技术原理,利用TFBG的线性边沿设计了基于TFBG的双边传感解调系统,分别进行了双边双通道信号和双边四通道信号解调实验,经实验结果温度传感的灵敏度达到了0.01656 n W/℃(双通道)和0.0087 n W/℃(四通道),该解调系统可实现对于温度参数的快速测量,实验结果可作为光栅传感技术实用的参考。
随着天线技术的不断发展,相关技术备受关注。并且人们开始发掘天线在其它领域的应用,近年来应用天线来进行各种物理参数测量受到人们越来越多的关注,因此基于天线的各类传感器应运而生。本文立足于天线技术,同时将天线技术应用于应力测量,等离子体电子密度测量,以及5G波段宽带圆极化阵列天线的设计。基于天线谐振原理,利用天线的谐振频率与介质的等效相对介电常数相关的关系,设计了基于弹簧天线的应力传感器、基于低温共烧陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic,LTCC）天线的等离子体密度传感器。同时应用阵列技术,挖槽,增加表面EBG结构以及寄生枝节多种技术,探索拓展圆极化天线带宽、提高天线增益等技术,设计了应用于5G波段的宽带圆极化阵列天线。本文的主要内容包括:1.设计了一款基于天线的应力传感器。首先从传输线原理出发,分析应用传输线原理去设计基于弹簧天线测量应力的可行性,采用具有空气层的多层介质天线来实现应力传感器。本文设计的传感器的上下层之间放入四个弹簧,压力可以通过空气层厚度与设计传感器的S11参数之间的关系来反演得到。研究了空气层厚度对该传感器S11参数的影响,同时空气层的厚度变化会引起弹簧的伸缩从而导致应力的变化,由此可以间接建立传感器谐振频率与应力之间的数学关系,由此数学关系反演计算得到对应的应力值。最后通过仿真结果,理论结果和实验结果表明,空气层厚度与传感器的谐振频率呈近似线性关系,而弹簧伸缩与受到的压力之间也是线性关系。因此,可以用来制作应力传感器。2.设计了一款基于LTCC天线的等离子体密度传感器,本文设计的传感器结构分为三层,顶部和底部为LTCC介质板,起到保护辐射贴片内部结构,同时提高传感器的等效介电常数的作用,中间层为设计传感器的辐射结构。由于等离子体有效介电常数在不同等离子体频率下会发生变化,因此传感器的谐振频率随着等离子体密度的变化也会发生相应的变化。本文设计的天线包裹在等离子体中,使其成为等离子体密度传感器。可以将待测量的等离子体密度等效成一种介质,然而等离子的密度随着等离子体频率变化会发生相应的变化,相当于测量一种介电常数不断变化的介质,此时传感器的谐振频率也将随着等离子体密度变化而变化。当等离子体频率从0.3 GHz变化到7 GHz时,步进值为0.1 GHz,相应的传感器的谐振频率从4.076 GHz变化到5.213 GHz,测量精确度均在90%以上。该研究工作主要是对基于等离子体密度传感器设计进行了理论研究和数值分析。3.设计了一款2×2微带圆极化阵列天线,它采用顺序旋转相位馈电技术、通过开槽、加载寄生结构、电磁带隙（Electromagnetic Band Gap,EBG）结构来增加圆极化阵列天线的工作宽带和增益,并优化了天线的方向图。首先,从单个贴片的圆极化阻抗带宽和轴比带宽开始分析;然后,通过增加顺序旋转相位馈电技术增加阻抗带宽和轴比带宽,再优化开槽、加载寄生结构有效提升了阵列的轴比带宽,最后通过增加EBG结构和寄生枝节技术提升了峰值增益,并且使得天线增益更加稳定,增益提升了3d Bi C带宽。最终设计的阵列天线阻抗带宽为3.3 GHz-7.0 GHz（74%）,3 d B轴比带宽为3.5 GHz-6.4 GHz（58%）,增益峰值达到了10.2 d Bi C,3 d Bi C增益带宽为4.2 GHz-5.9 GHz（34%）,并加工实物进行测试,并对误差进行了分析。阵列天线工作于5 G频段,若能得到实际应用,将具有5 G通信的优点,即工作带宽宽、速度快,稳定性好。
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