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Nuclear explosion Electromagnetic pulse has the characteristics of large energy, short rise time and wide spectrum. Through the coupling and conduction, the high voltage and high current can damage and interference electronic equipment. Based on the discovery of nuclear explosion electromagnetic pulse and the great destructive effect of electromagnetic pulse (EMP), the demand for the development of EMP simulator for further study of EMP effect has been produced, and it has also brought about the requirement of ultrafast, even sub-nanosecond. Nuclear explosion Electromagnetic pulse has the characteristics of large energy, short rise time and wide spectrum. Through the coupling and conduction, the high voltage and high current can damage and interference electronic equipment. Based on the discovery of nuclear explosion electromagnetic pulse and the great destructive effect of electromagnetic pulse (EMP), the demand for the development of EMP simulator for further study of EMP effect has been produced, and it has also brought about the requirement of ultrafast, even sub-nanosecond. The traditional measurement methods will have an impact on the measured electric field, while its anti-interference ability is weak, slow response and other characteristics, restricting the sub-nanosecond EMP measurement applications. As the integrated optical electric field sensor (IOES) has the characteristics of small volume, passive, fast response and anti-electromagnetic interference of optical fiber transmission system, it has received more and more attention and is the hotspot of current pulse electric field sensor research. In this paper, the multi - physics simulation and optimization design of the integrated optical pulse electric field sensor are carried out for the test technology problem of the fast - front electromagnetic pulse electric field. In this paper, the characteristics and measurement requirements of the sub-nanosecond EMP are analyzed, and the overall design scheme of IOES is presented. The theory of electro-optical modulation, antenna and optical waveguide is studied. Secondly, the relationship between the half-wave voltage and the length of the electrode is obtained, and the equivalent circuit model of the electro-optical modulation structure is obtained. The effects of different antenna length, bottom width, Electrode length, spacing on the return loss and frequency response characteristics is analyzed for optimizing the antenna and electrode structure size. Thirdly, the multi-physics coupling simulation of the key parameters such as the 3dB coupler which affects the performance of the optical waveguide is carried out. The optimal optical waveguide for the symmetrical structure IOES is obtained. Combined with the antenna simulation data and COMSOL, the performance of symmetric IOES is obtained. Finally, the influence of two factors on the adjustment range of the operating point is analyzed. An asymmetric IOES with 90° adjustable optimum operating point error is designed. The effects of different arm length difference on the maximum allowable operating point angle error. The structure of the cosine bending waveguide is optimized. The performance of the asymmetric IOES is given by simulation. Simulation and calculation results show that the two sensors meet the measurement requirements of the sub-nanosecond EMP, with the frequency of 1~10GHz within 3dB deviation. Symmetric IOES has a measurement range from 140.7 to 279.3 kV/m and R2 is 0.9821. Asymmetric IOES measurement range from 0 to 90 kV/m, and R2 is 0.986. Therefore, the optimal design scheme and simulation analysis of symmetrical structure and asymmetric structure IOES proposed in this paper have some guidance and reference for the test of fast electric pulse electric field. In this paper, the characteristics and measurement requirements of the sub-nanosecond EMP are analyzed, and the overall design scheme of IOES is presented. The theory of electro-optical modulation, antenna and optical waveguide is studied. Secondly, the relationship between the half-wave voltage and the length of the electrode is obtained, and the equivalent circuit model of the electro-optical modulation structure is obtained. The effects of different antenna length, bottom width, Electrode length, spacing on the return loss and frequency response characteristics is analyzed for optimizing the antenna and electrode structure size. Thirdly, the multi-physics coupling simulation of the key parameters such as the 3dB coupler which affects the performance of the optical waveguide is carried out. The optimal optical waveguide for the symmetrical structure IOES is obtained. Combined with the antenna simulation data and COMSOL, the performance of symmetric IOES is obtained. Finally, the influence of two factors on the adjustment range of the operating point is analyzed. An asymmetric IOES with 90° adjustable optimum operating point error is designed. The effects of different arm length difference on the maximum allowable operating point angle error. The structure of the cosine bending waveguide is optimized. The performance of the asymmetric IOES is given by simulation. Simulation and calculation results show that the two sensors meet the measurement requirements of the sub-nanosecond EMP, with the frequency of 1~10GHz within 3dB deviation. Symmetric IOES has a measurement range from 140.7 to 279.3 kV/m and R2 is 0.9821. Asymmetric IOES measurement range from 0 to 90 kV/m, and R2 is 0.986. Therefore, the optimal design scheme and simulation analysis of symmetrical structure and asymmetric structure IOES proposed in this paper have some guidance and reference for the test of fast electric pulse electric field.

L’impulso elettromagnetico (EMP) associato a una detonazione nucleare è caratterizzato da elevata energia, rapidi tempi di salita e ampio spettro. Attraverso l’accoppiamento e la conduzione, l’alta tensione e l’alta corrente possono danneggiare ed interferire con dispositivi elettronici. In considerazione dell’effetto potenzialmente distruttivo di tali impulsi studi recenti sono stati rivolti allo studio, simulazione e misura di tali fenomeni. I metodi di misura EMP tradizionali hanno un impatto sulla misura del campo elettrico, modesta immunità alle interferenze, risposta lenta e altre caratteristiche che restringono le applicazioni di misure EMP al campo dei nanosecondi. Viceversa, il sensore ottico integrato del campo elettrico (IOES) oggetto di questo studio è caratterizzato da dimensioni ridotte, è un componente passivo, possiede risposta veloce ed è intrinsecamente protetto dalle interferenze elettromagnetiche in un sistema di trasmissione a fibre ottiche. Per queste ragioni, ha recentemente ricevuto attenzione crescente e attualmente rappresenta il punto focale della ricerca nell’ambito dei sensori per impulsi di campo elettrico. In questo lavoro di tesi, le simulazioni multi – fisica e l’ottimizzazione della progettazione di sensori ottici per impulsi elettrici sono realizzati con riferimento alle tecnologie di test attualmente utilizzate. Nel presente lavoro di tesi sono analizzate le caratteristiche e i requisiti di misura degli EMP al di sotto dei nanosecondi, ed è presentato lo schema di progettazione generale dell’IOES. Si studia la teoria della modulazione elettro ottica, l’antenna e i sistemi direzionali di microonde. Inoltre, si propone un modello circuitale equivalente della modulazione elettro-ottica. Vengono inoltre analizzati in dettaglio gli effetti della diversa lunghezza delle antenne, della larghezza della base, della lunghezza dell’elettrodo incidenti sulla spaziatura delle caratteristiche della risposta in frequenza e sulle perdite di ritorno allo scopo di ottimizzare le dimensioni e struttura dell’antenna e dell’elettrodo. Infine, viene analizzato mediante simulazione multi-fisica l’accoppiamento di parametri chiave, quali (ad esempio) l’accoppiatore 3dB che influenza le prestazioni del sistema direzionale di microonde. La ricerca ha consentito l’ottimizzazione del sistema direzionale ottico per strutture IOES simmetriche e asimmetriche. La simulazione e i risultati dei calcoli mostrano che i due sensori soddisfano i requisiti degli EMP al di sotto dei nanosecondi con frequenze nell’intervallo compreso tra 1 GHz e 10 GHz con deviazione dell’ordine di 3 dB. L’IOES simmetrico ha un campo di misurazione compreso tra 140.7 e 279.3 kV/m. Il range di misura di IOES asimmetrico è tra 0 e 90 kV/m. Quindi, lo schema di progettazione ottimale e l’analisi della simulazione di struttura IOES simmetria e asimmetrica proposta in questo lavoro di tesi rappresentano una guida per i test di immunità a impulsi EMP. In considerazione dell’effetto potenzialmente distruttivo di tali impulsi studi recenti sono stati rivolti allo studio, simulazione e misura di tali fenomeni. I metodi di misura EMP tradizionali hanno un impatto sulla misura del campo elettrico, modesta immunità alle interferenze, risposta lenta e altre caratteristiche che restringono le applicazioni di misure EMP al campo dei nanosecondi. Viceversa, il sensore ottico integrato del campo elettrico (IOES) oggetto di questo studio è caratterizzato da dimensioni ridotte, è un componente passivo, possiede risposta veloce ed è intrinsecamente protetto dalle interferenze elettromagnetiche in un sistema di trasmissione a fibre ottiche. Per queste ragioni, ha recentemente ricevuto attenzione crescente e attualmente rappresenta il punto focale della ricerca nell’ambito dei sensori per impulsi di campo elettrico. In questo lavoro di tesi, le simulazioni multi – fisica e l’ottimizzazione della progettazione di sensori ottici per impulsi elettrici sono realizzati con riferimento alle tecnologie di test attualmente utilizzate. Nel presente lavoro di tesi sono analizzate le caratteristiche e i requisiti di misura degli EMP al di sotto dei nanosecondi, ed è presentato lo schema di progettazione generale dell’IOES. Si studia la teoria della modulazione elettro ottica, l’antenna e i sistemi direzionali di microonde. Inoltre, si propone un modello circuitale equivalente della modulazione elettro-ottica. Vengono inoltre analizzati in dettaglio gli effetti della diversa lunghezza delle antenne, della larghezza della base, della lunghezza dell’elettrodo incidenti sulla spaziatura delle caratteristiche della risposta in frequenza e sulle perdite di ritorno allo scopo di ottimizzare le dimensioni e struttura dell’antenna e dell’elettrodo. Infine, viene analizzato mediante simulazione multi-fisica l’accoppiamento di parametri chiave, quali (ad esempio) l’accoppiatore 3dB che influenza le prestazioni del sistema direzionale di microonde. La ricerca ha consentito l’ottimizzazione del sistema direzionale ottico per strutture IOES simmetriche e asimmetriche. La simulazione e i risultati dei calcoli mostrano che i due sensori soddisfano i requisiti degli EMP al di sotto dei nanosecondi con frequenze nell’intervallo compreso tra 1 GHz e 10 GHz con deviazione dell’ordine di 3 dB. L’IOES simmetrico ha un campo di misurazione compreso tra 140.7 e 279.3 kV/m. Il range di misura di IOES asimmetrico è tra 0 e 90 kV/m. Quindi, lo schema di progettazione ottimale e l’analisi della simulazione di struttura IOES simmetria e asimmetrica proposta in questo lavoro di tesi rappresentano una guida per i test di immunità a impulsi EMP.

Multi-physics simulation and optimization design of integrated optical pulse electric field sensor

WAN, LU
2016/2017

Abstract

Nuclear explosion Electromagnetic pulse has the characteristics of large energy, short rise time and wide spectrum. Through the coupling and conduction, the high voltage and high current can damage and interference electronic equipment. Based on the discovery of nuclear explosion electromagnetic pulse and the great destructive effect of electromagnetic pulse (EMP), the demand for the development of EMP simulator for further study of EMP effect has been produced, and it has also brought about the requirement of ultrafast, even sub-nanosecond. Nuclear explosion Electromagnetic pulse has the characteristics of large energy, short rise time and wide spectrum. Through the coupling and conduction, the high voltage and high current can damage and interference electronic equipment. Based on the discovery of nuclear explosion electromagnetic pulse and the great destructive effect of electromagnetic pulse (EMP), the demand for the development of EMP simulator for further study of EMP effect has been produced, and it has also brought about the requirement of ultrafast, even sub-nanosecond. The traditional measurement methods will have an impact on the measured electric field, while its anti-interference ability is weak, slow response and other characteristics, restricting the sub-nanosecond EMP measurement applications. As the integrated optical electric field sensor (IOES) has the characteristics of small volume, passive, fast response and anti-electromagnetic interference of optical fiber transmission system, it has received more and more attention and is the hotspot of current pulse electric field sensor research. In this paper, the multi - physics simulation and optimization design of the integrated optical pulse electric field sensor are carried out for the test technology problem of the fast - front electromagnetic pulse electric field. In this paper, the characteristics and measurement requirements of the sub-nanosecond EMP are analyzed, and the overall design scheme of IOES is presented. The theory of electro-optical modulation, antenna and optical waveguide is studied. Secondly, the relationship between the half-wave voltage and the length of the electrode is obtained, and the equivalent circuit model of the electro-optical modulation structure is obtained. The effects of different antenna length, bottom width, Electrode length, spacing on the return loss and frequency response characteristics is analyzed for optimizing the antenna and electrode structure size. Thirdly, the multi-physics coupling simulation of the key parameters such as the 3dB coupler which affects the performance of the optical waveguide is carried out. The optimal optical waveguide for the symmetrical structure IOES is obtained. Combined with the antenna simulation data and COMSOL, the performance of symmetric IOES is obtained. Finally, the influence of two factors on the adjustment range of the operating point is analyzed. An asymmetric IOES with 90° adjustable optimum operating point error is designed. The effects of different arm length difference on the maximum allowable operating point angle error. The structure of the cosine bending waveguide is optimized. The performance of the asymmetric IOES is given by simulation. Simulation and calculation results show that the two sensors meet the measurement requirements of the sub-nanosecond EMP, with the frequency of 1~10GHz within 3dB deviation. Symmetric IOES has a measurement range from 140.7 to 279.3 kV/m and R2 is 0.9821. Asymmetric IOES measurement range from 0 to 90 kV/m, and R2 is 0.986. Therefore, the optimal design scheme and simulation analysis of symmetrical structure and asymmetric structure IOES proposed in this paper have some guidance and reference for the test of fast electric pulse electric field. In this paper, the characteristics and measurement requirements of the sub-nanosecond EMP are analyzed, and the overall design scheme of IOES is presented. The theory of electro-optical modulation, antenna and optical waveguide is studied. Secondly, the relationship between the half-wave voltage and the length of the electrode is obtained, and the equivalent circuit model of the electro-optical modulation structure is obtained. The effects of different antenna length, bottom width, Electrode length, spacing on the return loss and frequency response characteristics is analyzed for optimizing the antenna and electrode structure size. Thirdly, the multi-physics coupling simulation of the key parameters such as the 3dB coupler which affects the performance of the optical waveguide is carried out. The optimal optical waveguide for the symmetrical structure IOES is obtained. Combined with the antenna simulation data and COMSOL, the performance of symmetric IOES is obtained. Finally, the influence of two factors on the adjustment range of the operating point is analyzed. An asymmetric IOES with 90° adjustable optimum operating point error is designed. The effects of different arm length difference on the maximum allowable operating point angle error. The structure of the cosine bending waveguide is optimized. The performance of the asymmetric IOES is given by simulation. Simulation and calculation results show that the two sensors meet the measurement requirements of the sub-nanosecond EMP, with the frequency of 1~10GHz within 3dB deviation. Symmetric IOES has a measurement range from 140.7 to 279.3 kV/m and R2 is 0.9821. Asymmetric IOES measurement range from 0 to 90 kV/m, and R2 is 0.986. Therefore, the optimal design scheme and simulation analysis of symmetrical structure and asymmetric structure IOES proposed in this paper have some guidance and reference for the test of fast electric pulse electric field.
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
27-lug-2017
2016/2017
L’impulso elettromagnetico (EMP) associato a una detonazione nucleare è caratterizzato da elevata energia, rapidi tempi di salita e ampio spettro. Attraverso l’accoppiamento e la conduzione, l’alta tensione e l’alta corrente possono danneggiare ed interferire con dispositivi elettronici. In considerazione dell’effetto potenzialmente distruttivo di tali impulsi studi recenti sono stati rivolti allo studio, simulazione e misura di tali fenomeni. I metodi di misura EMP tradizionali hanno un impatto sulla misura del campo elettrico, modesta immunità alle interferenze, risposta lenta e altre caratteristiche che restringono le applicazioni di misure EMP al campo dei nanosecondi. Viceversa, il sensore ottico integrato del campo elettrico (IOES) oggetto di questo studio è caratterizzato da dimensioni ridotte, è un componente passivo, possiede risposta veloce ed è intrinsecamente protetto dalle interferenze elettromagnetiche in un sistema di trasmissione a fibre ottiche. Per queste ragioni, ha recentemente ricevuto attenzione crescente e attualmente rappresenta il punto focale della ricerca nell’ambito dei sensori per impulsi di campo elettrico. In questo lavoro di tesi, le simulazioni multi – fisica e l’ottimizzazione della progettazione di sensori ottici per impulsi elettrici sono realizzati con riferimento alle tecnologie di test attualmente utilizzate. Nel presente lavoro di tesi sono analizzate le caratteristiche e i requisiti di misura degli EMP al di sotto dei nanosecondi, ed è presentato lo schema di progettazione generale dell’IOES. Si studia la teoria della modulazione elettro ottica, l’antenna e i sistemi direzionali di microonde. Inoltre, si propone un modello circuitale equivalente della modulazione elettro-ottica. Vengono inoltre analizzati in dettaglio gli effetti della diversa lunghezza delle antenne, della larghezza della base, della lunghezza dell’elettrodo incidenti sulla spaziatura delle caratteristiche della risposta in frequenza e sulle perdite di ritorno allo scopo di ottimizzare le dimensioni e struttura dell’antenna e dell’elettrodo. Infine, viene analizzato mediante simulazione multi-fisica l’accoppiamento di parametri chiave, quali (ad esempio) l’accoppiatore 3dB che influenza le prestazioni del sistema direzionale di microonde. La ricerca ha consentito l’ottimizzazione del sistema direzionale ottico per strutture IOES simmetriche e asimmetriche. La simulazione e i risultati dei calcoli mostrano che i due sensori soddisfano i requisiti degli EMP al di sotto dei nanosecondi con frequenze nell’intervallo compreso tra 1 GHz e 10 GHz con deviazione dell’ordine di 3 dB. L’IOES simmetrico ha un campo di misurazione compreso tra 140.7 e 279.3 kV/m. Il range di misura di IOES asimmetrico è tra 0 e 90 kV/m. Quindi, lo schema di progettazione ottimale e l’analisi della simulazione di struttura IOES simmetria e asimmetrica proposta in questo lavoro di tesi rappresentano una guida per i test di immunità a impulsi EMP. In considerazione dell’effetto potenzialmente distruttivo di tali impulsi studi recenti sono stati rivolti allo studio, simulazione e misura di tali fenomeni. I metodi di misura EMP tradizionali hanno un impatto sulla misura del campo elettrico, modesta immunità alle interferenze, risposta lenta e altre caratteristiche che restringono le applicazioni di misure EMP al campo dei nanosecondi. Viceversa, il sensore ottico integrato del campo elettrico (IOES) oggetto di questo studio è caratterizzato da dimensioni ridotte, è un componente passivo, possiede risposta veloce ed è intrinsecamente protetto dalle interferenze elettromagnetiche in un sistema di trasmissione a fibre ottiche. Per queste ragioni, ha recentemente ricevuto attenzione crescente e attualmente rappresenta il punto focale della ricerca nell’ambito dei sensori per impulsi di campo elettrico. In questo lavoro di tesi, le simulazioni multi – fisica e l’ottimizzazione della progettazione di sensori ottici per impulsi elettrici sono realizzati con riferimento alle tecnologie di test attualmente utilizzate. Nel presente lavoro di tesi sono analizzate le caratteristiche e i requisiti di misura degli EMP al di sotto dei nanosecondi, ed è presentato lo schema di progettazione generale dell’IOES. Si studia la teoria della modulazione elettro ottica, l’antenna e i sistemi direzionali di microonde. Inoltre, si propone un modello circuitale equivalente della modulazione elettro-ottica. Vengono inoltre analizzati in dettaglio gli effetti della diversa lunghezza delle antenne, della larghezza della base, della lunghezza dell’elettrodo incidenti sulla spaziatura delle caratteristiche della risposta in frequenza e sulle perdite di ritorno allo scopo di ottimizzare le dimensioni e struttura dell’antenna e dell’elettrodo. Infine, viene analizzato mediante simulazione multi-fisica l’accoppiamento di parametri chiave, quali (ad esempio) l’accoppiatore 3dB che influenza le prestazioni del sistema direzionale di microonde. La ricerca ha consentito l’ottimizzazione del sistema direzionale ottico per strutture IOES simmetriche e asimmetriche. La simulazione e i risultati dei calcoli mostrano che i due sensori soddisfano i requisiti degli EMP al di sotto dei nanosecondi con frequenze nell’intervallo compreso tra 1 GHz e 10 GHz con deviazione dell’ordine di 3 dB. L’IOES simmetrico ha un campo di misurazione compreso tra 140.7 e 279.3 kV/m. Il range di misura di IOES asimmetrico è tra 0 e 90 kV/m. Quindi, lo schema di progettazione ottimale e l’analisi della simulazione di struttura IOES simmetria e asimmetrica proposta in questo lavoro di tesi rappresentano una guida per i test di immunità a impulsi EMP.
Tesi di laurea Magistrale
Tesi di laurea Magistrale
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