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随着通信技术的飞速发展，恶劣的电磁环境会直接影响系统和设备的正常运行，因此电场强度的测量在电磁兼容方面占有重要地位。传统的电场测量方法在实际应用中表现出诸多缺点。采用先进的集成光学技术构成的集成光波导电场传感器，使得整个电场测量系统变成超小型，并具有稳定、可靠、带宽大、抗电磁干扰及微扰小等特点，此外，可通过光纤连接实现远距离遥控和监测。目前，利用集成光学技术实现以LiNbO3晶体为衬底的电场传感器，正成为研究热点之一。在这种情况下，本文选取了集成光波导电场传感器及其传感系统作为研究对象，展开相关研究。一、电场传感基本原理及模型研究本文给出集成光学调制器的理论基础以及描述集成光学调制器性能的基本参数和基本结构，然后重点介绍光波导和微波电极分析方法，并进行了性能优化，为研究光波导电场传感器奠定了理论基础。在总结光波导电场传感器基本结构的基础上，指出光波导电场传感器的一般性概念，并给出描述光波导电场传感器性能的基本参数，建立光波导电场传感器的基本模型。借鉴普通模拟光纤通信系统模型，指出集成光波导电场传感系统的概念，并分析系统的基本结构和原理，给出系统的参数描述，建立描述系统模型的基本关系式。二、分段电极电场传感器及其传感系统研究本文对分段电极电场传感器在静电场中的性能进行了理论和实验分析，仿真计算表明单个分段电极长度、电极总长度、分段电极段数对电压长度积有很大的影响，进而影响电场探测灵敏度，静电场实验的数据表明电场传感器半波电压Vπ小于10V，固有相位差φ0小于10°。针对分段电极电场传感器的等效电路模型，讨论了分段电极电场传感器的频率响应和分段数的关系；采用数值方法仿真，得到了电极总长度、分段电极占总电极的比例、电极厚度对分段电极电场传感器频率响应和灵敏度的影响。通过分析由分段电极电场传感器构成的电场传感系统，得到了描述探测灵敏度的基本公式，并对负载电阻、固有相位差、光功率、RIN等参数做了优化，指出了特定分段电极结构下，电场传感器的探测灵敏度极限为19.4dBμV／m。对由单个分段电极电场传感器构成的电场传感系统的测试结果表明，频率响应、灵敏度、方向图的测试结果与理论分析较为一致。三、偶极子天线电场传感器及其传感系统的研究本文结合分段电极电场传感器，研究了一种基于分段电极结构的偶极子天线电场传感器，运用等效电路的方法建立了这种新型电场传感器的物理模型，结果表明在分段数为七段时，分段电极之间有最大的电极电压增益。本文还提出了一种新型的基于变长度拉杆式偶极子天线的光波导电场传感器，它的特点是将光波导电场传感器的偶极子天线做成拉杆天线，调节拉杆天线的长度，就可实现高灵敏度或高带宽的电场探测。对基于偶极子天线电场传感器的电场传感系统详细的测试表明偶极子天线最短时系统的频率响应范围为10 MHz到6 GHz；偶极子最短、频率为400 MHz，信号电平高于噪声电平6 dB时，系统灵敏度为60 mV／m，偶极子最长、频率为400 MHz，信号电平高于噪声电平6 dB时系统灵敏度为30 mV／m；频率为200 MHz时，动态范围可以达到90 dB。四、集成光波导全向电场传感系统研究本文借鉴传统全向天线的基本原理，提出基于集成光波导分段电极电场传感器的全向电场探头的结构，以及传感系统的结构，建立了相应的数学模型。利用TEM室和GTEM室，全向电场传感系统的测试数据和结论表明，在频谱分析仪的参数设置为RBW=3 Hz，VBW=100 Hz，SPAN=200 Hz，三个激光器的出射光功率为1 mW，1.4 mW，1.7 mW，频率为250 MHz，信噪比6 dB时，灵敏度为20 mV／m；±5 dB频率响应在频谱分析仪的参数设置为RBW=100 Hz，VBW=1 kHz，SPAN=5 kHz，可以达到2.5 GHz，频率为250 MHz时，动态范围为70 dB，在3 dB范围内实现了全向探测。本文研究的集成光波导电场传感系统可看作是基于LiNbO3晶体电光效应的新材料新物理机制的接收天线；具有几百kHz到几个GHz范围的频率响应；体积大大的减小；光纤不受电磁干扰具有极低的损耗，故可通过光纤实现远程监控，也可通过光纤连接组成阵列。基于上述优点，可望在如下领域获得应用，电磁兼容方面电场测量；天线的远场方向图测量和近场测量；新型接收天线。另外，如何提高光波导电场传感系统的探测灵敏度和探测带宽则是下一步需要努力的方向。