[發明專利]三棱錐形三維脈沖電場測量裝置與方法

有效

• 申請號: 201510427657.0
• 申請日: 2015-07-17
• 公開（公告）號: CN105067897B
• 公開（公告）日: 2017-09-12
• 發明（設計）人: 李俊杰;李炎新
• 申請（專利權）人: 李俊杰
• 主分類號: G01R29/08
• 分類號: G01R29/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一、技術領域

本發明涉及一種三棱錐形三維脈沖電場測量裝置與方法，特別是一種用于三維雷電電磁脈沖電場的測量裝置與方法。

二、背景技術

雷電是自然界非常普遍且最強的放電現象，同時產生強烈的電磁輻射。雷電以其巨大的電磁能量嚴重威脅電子設備的安全可靠運行。在信息化電子設備廣泛使用的今天，因雷電的作用而蒙受損失的事件非常多，這類事件造成的損失越來越嚴重。而人們對雷電現象的認識還遠遠不夠，有大量的科學問題還沒解決，需要進行全面深入的觀測、理論研究和試驗驗證。不管是雷電機理研究，還是對雷電效應、雷電防護和雷電定位研究等，都需要對雷電電磁脈沖電場進行測量。

早期的雷電電磁脈沖測量采用的是一維傳感器，只能測量垂直方向上的脈沖電場。后來為了更全面地研究雷電電磁脈沖電場，發展為三維的傳感器，能得到更加豐富的雷電信息。目前的三維脈沖電場傳感器，采用平板天線或桿天線，水平方向上應用差分結構，克服共模干擾，測到了大量的雷電電磁脈沖電場數據，為雷電電磁脈沖的數據積累和研究起到了重要的作用。但是，這些三維電場傳感器外形基本上是六面體，是長方體或正方體，體積較大，從天線板或天線棒將信號引入到調理電路需要一段電纜。這些電纜存在電磁干擾和線纜兩端的匹配問題，尤其是對高頻信號影響非常大。而且在三維方向上的電場是獨立計算，當電場在三維方向上相互耦合時，就產生互耦，影響測量的準確性。現有三維脈沖電場測量裝置的天線和安裝調理電路的屏蔽殼是分體的，因此對生產加工和安裝調試要求較高，很不方便。水平方向上的一對差分平板天線或棒天線距離較大，占據空間體積也大，不易于在有界波模擬器或TEM小室中進行天線靈敏系數標定。

三、發明內容

針對現有的脈沖電場三維測量中所存的問題和不足，本發明的目的是設計一種三棱錐形三維脈沖電場測量裝置，利用PCB做裝置外殼，電場平板天線直接刻蝕在外側的PCB板銅層上，PCB板中間有接地銅層，起到屏蔽電磁干擾作用，內側PCB銅層布線和安裝貼片元件，天線匹配方便，抗電磁干擾能力強，加工、安裝方便，成本低廉。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種三棱錐形三維脈沖電場測量裝置，包括平板天線和調理電路一體化的三塊等腰直角三角形的多層PCB電路板、激光供能模塊、電光轉換模塊、等邊三角形的底板和全介質光纜；其特征在于，三塊等腰直角三角形的多層PCB電路板相互正交成直角錐狀，并且與等邊三角形底板構成一個三棱錐形的四面體。

所述的平板天線和調理電路一體化，其特征在于，平板天線和調理電路制作到同一塊4層PCB電路板上，在最外一層銅層直接刻蝕出平板天線；第二層銅層為地層，起屏蔽作用；第三層銅層為布線層；第四層銅層為元件層，用于安裝表面貼裝(貼片)電子元器件。

所述的三塊等腰直角三角形的多層PCB電路板和等邊三角形底板構成一個三棱錐形的四面體，其特征在于，PCB制板時，在其TopSolder層邊沿留出一條上錫且接地的線條，四面體組裝時，由細長的薄銅條將接縫用錫焊接起來，使整個測量裝置構成一個完整的屏蔽體。

所述的調理電路，其特征在于，平板天線直接與調理電路的高速運算放大器的反相輸入端連接，高速運算放大器的同相輸入端接地，形成低阻抗輸入。高速運算放大器反饋支路不接積分電容時，測量脈沖電場的變化率；接積分電容時還原被測脈沖電場的時域波形。

所述的電光轉換模塊，其特征在于，將調理電路輸出的電場信號轉換成光信號，由光纖從測量裝置輸出送到遠處的光接收機，轉換成電信號，再由數字采集系統轉換成計算機處理的數字信號。

所述的激光供能模塊，其特征在于，將遠處激光器發出且通過光纜送來的激光能量轉換成電能，給調理電路和電光模塊提供電能。

所述的全介質光纜，其特征在于，包括傳輸供能激光的光纜和傳輸測量信號的光纜，不含金屬加強筋，從測量裝置的底板穿過。

用三棱錐形脈沖電場測量裝置測量脈沖電場的方法如下：

(1)用有界波模擬器對三棱錐形脈沖電場測量裝置的每一塊正交平板天線進行標定；被標定的那一塊平板天線水平放到有界波模擬器的工作空間中，由有界波模擬器產生的脈沖電場峰值和天線的輸出電壓峰值，分別算出三塊平板天線的電場測量靈敏系數k₁，k₂，k₃；

(2)測量時將測量裝置按給定的位置放置，使測量裝置的底面與xoy水平面平行，第1塊平板天線的底線與x軸平行；