CN101871977B - 高压瞬变电磁脉冲探测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高压瞬变电磁脉冲探测仪，包括探头(1)、接收单元(3)以及连接探头(1)和接收单元(3)的连接部件，所述连接部件为光纤(6)，所述探头(1)包括天线(2)、圆柱体密封式屏蔽壳体(5)、设置在屏蔽壳体(5)内的信号处理单元(4)。本发明解决了现有的电场测试仪在强电场工作下容易被强电场烧坏，而且受强电场干扰，测试波形失真比较严重的技术问题。具有抗干扰性强，可防止电路失真，也可防止信号处理电路被强电场烧坏等的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种电磁脉冲探测仪，尤其涉及一种可以应用于宽带高频强电场的探测仪。
背景技术
随着电子技术迅猛发展，基于安全性考虑，评估电子设备承受宽带高频强电磁脉冲干扰的能力十分重要。这首先要求测量宽带高频强电磁脉冲的特性，因此需要一种可探测信号上升前沿陡、频率范围宽、峰值场强高、使用方便的电场测试仪器。
现有电场测试仪器一般用于测试弱电场，当强行用于强电场测试时，往往会被强电场烧坏，导致仪器功能失效。另外在强电场作用下，现有电场测试仪器内部电路会受到强烈干扰，测试波形严重失真，天线长度、阻抗匹配、信号放大不合适，无法反映实际瞬变高频强电磁脉冲的特性。在这种情况下，现有的电场测试仪器大都满足不了这种需求。
对于将电磁脉冲转化为电压信号，再经阻抗变换器、放大电路输送给光激励电路，然后由光纤激励器将电压信号转化为光信号输出的电场测试仪器必不可少的探头单元要求也就比较高，因此寻求一种适合在宽带高频工作环境下工作、静态功耗低、可给探头长期供电的探头电源电路是非常必要的。
为了适应宽带高频的工作环境，需要提供一种能够防止信号失真、畸变，不易受高频干扰的接收单元放大电路。
发明内容
本发明目的是提供一种可满足在强电场下作用的高压瞬变电磁脉冲探测仪，以解决现有的电场测试仪在强电场工作下容易被强电场烧坏，而且受强电场干扰，测试波形失真比较严重的技术问题。
本发明的技术解决方案：
一种高压瞬变电磁脉冲探测仪，包括探头1、接收单元3以及连接探头1和接收单元3的连接部件，与现有技术相比的特殊之处在于：所述连接部件为光纤6，所述探头1包括天线2、圆柱体密封式屏蔽壳体5、设置在屏蔽壳体5内的信号处理单元4。
上述天线2为50Ω的SMA公头压接铜线，所述天线2的伸出长度为5±2mm。
上述接收单元3包括接收单元电源电路33以及依次连接的光纤接收器JP2、接收单元放大电路32、输出接口，所述光纤接收器JP2与光纤6连接，所述输出接口包括示波器接口P2。
上述接收单元放大电路32包括滤波电路和放大电路，所述放大电路包括高速宽带运放(U3)、比例调节电路、设置在高速宽带运放输入端的负极输入端延时调节电路、设置在高速宽带运放输出端的输出端延时调节电路；所述比例调节电路包括设置在高速宽带运放输出端和负极输入端之间的反馈电阻R3以及与输入端延时调节电路并联的通路电阻R2；所述负极输入端延时调节电路由两个不同电容值的前端高频延时调节电容C10、C11并联构成；所述输出端延时调节电路由三个不同电容值的后端高频延时调节电容并联构成C12、C13、C14。
上述输出接口包括显示接口P3。
上述信号处理单元4包括天线回路41、阻抗变换电路42、驱动放大电路43、光激励器44以及探头电源电路45，所述天线2与天线回路41连接，所述天线回路41、阻抗变换电路42、驱动放大电路43、光激励器44依次连接，所述光激励器44的输出端与光纤6连接，所述探头电源电路45可向阻抗变换电路42和驱动放大电路43供电。
上述探头电源电路包括依次相连的电源P1、稳压器VR1以及滤波电路，其特征在于：所述的稳压器VR1为低压差线性稳压器；所述探头电源电路还包括设置在电源P1与稳压器VR1之间电源开关S1；所述电源P1为多个串联的干电池；所述滤波电路由高频滤波电容C6、C7、中频滤波电容C6、C4和低频滤波电容C2并联构成。
上述光纤6为双层紫外固化丙烯酸脂涂层光纤。
本发明的优点：
1、现有天线只把感应信号传递出来，然后通过远距离电缆传输再进行外部电路处理，易受干扰，信号易失真。本发明采用光纤连接、信号处理单元设置在屏蔽壳体内，抗干扰性强，可防止电路失真。
2、本发明根据电场强度采用合理的天线长度，天线太长则感应信号太强，容易烧坏信号处理电路，天线太短则感应信号过弱，信号处理电路无法有效工作；采用圆柱体密封式屏蔽壳体进行有效的屏蔽，也可防止信号处理电路被强电场烧坏。
3、本发明接收单元放大电路通过对输入端延时调节电路的两个前端高频延时调节电容以及输出端延时调节电路的三个后端高频延时调节电容的合理设置，同时通过比例调节电路的合理调整，可保证接收单元放大电路的无失真放大，可适应宽带高频工作环境要求，有效防止信号失真、畸变。放大电路采用了高速宽带运放，使得仪器可探测上升前沿陡(上升时间为2.3±0.5ns)的瞬变信号。
4、本发明探头中的电源电路采用低压差线性稳压器(LDO芯片)，工作输入输出最小压差仅为50mV，大大降低了对输入电压的精度要求，且静态功耗很低，输出电压恒定。加之采用电源开关，适合探头长期稳定供电。另外，电源为干电池提供的直流电源，采用了合理的滤波电路，所以电源干扰少、纹波小。
5、输出接口多，直观，使用方便。
6、本发明经实验验证，达到以下技术指标：
1]可探测信号上升前沿陡。可探测到上升时间为2.3±0.5ns的瞬变信号。
2]可探测信号频率范围宽。可探测到半高宽时间为23±5ns的模拟信号，这种信号频带宽。
3]可探测信号峰值场强高。可探测峰值场强大于等于50kV/m的强电场信号。
附图说明
图1为本发明高压瞬变电磁脉冲探测仪的结构示意图；
图2为本发明高压瞬变电磁脉冲探测仪系统框图；
图3为本发明信号处理单元电源电路原理图；
图4为本发明信号处理单元天线回路电路原理图；
图5为本发明信号处理单元阻抗变换电路原理图；
图6为本发明信号处理单元探头驱动放大电路及光激励器原理图；
图7为本发明接收单元电源电路原理图；
图8为本发明接收单元放大电路和显示接口原理图；
其中：1-探头，2-天线，3-接收单元，32-接收单元放大电路，33-接收单元电源电路，4-信号处理单元，41-天线回路，42-阻抗变换电路，43-驱动放大电路，44-光激励器，45-探头电源电路，5-屏蔽壳体，6-光纤，P1-电源，P2-示波器接口，P3-显示接口，P5-天线接口，S1-电源开关，VR1-稳压器，R2-通路电阻，R3-反馈电阻，U3-高速宽带运放，JP1-电源插座，JP2-光纤接收器，C1-匹配电容，C3、C5、C31-耦合电容，C2-低频滤波电容、C4-中频滤波电容、C6、C7-高频滤波电容，C10、C11-前端高频延时调节电容，C12、C13、C14-后端高频延时调节电容，Q1-场效应管，Q2-三极管，U1-正压稳压器、U2-负压稳压电路。
具体实施方式
本发明高压瞬变电磁脉冲探测仪结构示意图参见图1、图2，包括探头、接收单元以及连接探头和接收单元的光纤。探头的功能是将高压瞬变电磁脉冲转化为电压信号，再经阻抗变换电路、放大电路输送给光激励器，然后由光激励器将电压信号转化为光信号输出。探头输出的信号转换为光信号后，通过光纤进行传输。接收单元的功能是接收光纤传输的信号，将此信号经运放放大后输出给示波器显示。其中探头包括天线、圆柱体密封式屏蔽壳体以及设置在屏蔽壳体内的信号处理单元；天线为50Ω的SMA公头压接铜线，所述天线伸出长度为5±2mm。而其中信号处理单元又包括天线回路、阻抗变换电路、驱动放大电路、光激励器以及电源电路。天线与天线回路连接，天线回路、阻抗变换电路、驱动放大电路、光激励器依次连接，光激励器的输出端与光纤连接，电源电路可向阻抗变换电路和驱动放大电路供电。接收单元包括依次连接的光纤接收器、接收单元放大电路、输出接口，光纤接收器与光纤连接，输出接口包括示波器接口和显示接口。
如图3所示，探头电源电路包括依次相连的由四节干电池组成的电源、低压差线性稳压器(LDO芯片)、设置在电源与低压差线性稳压器之间的电源开关以及由并联的高频滤波电容、中频滤波电容和低频滤波电容构成滤波电路。低压差线性稳压器采用TI公司的LDO芯片(REG101-5芯片)，P1为电源座，内装4节5号电池，4节电池串联后向探头供电，探头开关S1闭合时，电池供电电压加到REG101-5芯片1脚与2脚之间，电池总电压约为6V，该电压经过LDO稳压后输出为5V，电容C2、C4、C6、C7分别构成高、低、中频电源滤波电路。
天线由50Ω的SMA公头压接约5±2mm铜线做成。天线感应的电压大小可由鞭状天线理论计算得出。波长λ与频率f的关系： 式中υ是波在真空中传播速度3×108m/s，只要 天线都适用，因而5mm天线的工作带宽约为15GHz，对于本系统来说带宽足够宽。鞭状天线在接收信号波长远小于天线的截止波长其有效高度为 h是天线的几何高度。而 V是天线感应电压，E是入射电场，因而可以得出 研制的近场探头最大电场强度Emax≥50kV/m，根据天线长度可知道鞭状天线的感应的最大电压约为125V。通过以上分析得出这样的结论，当在确定的均匀电场中，天线几何高度与感应的电压成正比。天线太短时，由于加工精度的影响，感应电压会有较大幅度的变化，因此设计中没有选择更短的天线。天线回路电路由天线分布电容的匹配电容C1与耦合电容C3、C5、C31构成，如图4所示。由于前面天线感应电压约为125V，电路采用5V供电，不能直接将信号送到阻抗变换电路，这里采用了电容衰减电路，使信号适合后面电路做进一步处理。
探头阻抗变换电路如图5所示，该电路采用场效应管Q1，电路具有高的输入阻抗低的输出阻抗特性，该电路将输入电压转换输出电流，输出电流的变化反映了输入电压的变化。
探头驱动放大电路及光激励器如图6所示，该电路中采用三极管Q2，其偏置电流由阻抗变换电路提供，电容用于增加电路的高频增益，电阻值为光纤激励器确定静态工作点。
光纤选用双层紫外固化丙烯酸脂涂层，它具有优越的保护光纤的能力，同时使光纤具有非常优良的抗微弯性能，大大提高了光纤对不同环境的适应能力，提高了产品的性能。光激励器采用1GHz带宽的光激励器LDM3S0504-ZZ，该器件内置高稳定性激光芯片、光强监测光敏二极管、光隔离器，专用于模拟信号传输，该器件折射率分布控制精确，几何特性优越和衰落低，具有优良的抗微弯性能，稳定的动态抗疲劳特性，适用于高速率、长距离传输。该光激励器带宽：≥1000MHz，工作波长：1310nm，最大传输功率：10mW，最小弯曲半径：30mm，激光器二极管最大工作电流：150mA。该器件工作时静态电流为驱动放大器的发射极电流，LDM3S-504-ZZ门槛电流为8mA，因而电路设计时采用15mA左右静态工作电流，这样一方面满足动态范围，一方面降低探头静态功耗，信号由LDM3S-504-ZZ输出。
接收单元电源电路如图7所示，接收单元采用220V 50Hz交流供电，220V交流电源通过变压器转换为5V交流电，5V交流电通过电源插座JP1接到接收单元电路板上，通过整流桥滤波稳压后变为±5V直流电源，正压稳压器U1和负压稳压器U2分别采用芯片MC780M05CDTRK与MC79M05CDT实现。
如图8所示，接收单元放大电路包括滤波电路和放大电路，放大电路包括高速宽带运放、比例调节电路、设置在高速宽带运放输入端的负极输入端延时调节电路、设置在高速宽带运放输出端的输出端延时调节电路；比例调节电路包括设置在高速宽带运放输出端和负极输入端之间的反馈电阻以及与输入端延时调节电路并联的通路电阻；负极输入端延时调节电路由两个不同电容值的前端高频延时调节电容并联构成；输出端延时调节电路由三个不同电容值的后端高频延时调节电容并联构成。光纤接收器JP2的功能是接收光纤传输的信号并将此信号转化为电信号，经本实用新型高速宽带运放U3放大后由示波器接口P2输出给示波器进行显示；显示接口P3用来与显示模块(成品)连接，主要用于显示光纤系统的工作状态。
Claims (6)
1.一种高压瞬变电磁脉冲探测仪，包括探头(1)、接收单元(3)以及连接探头(1)和接收单元(3)的连接部件，其特征在于：所述连接部件为光纤(6)，所述探头(1)包括天线(2)、圆柱体密封式屏蔽壳体(5)、设置在屏蔽壳体(5)内的信号处理单元(4)，
所述天线(2)为50Ω的SMA公头压接铜线，所述天线(2)的伸出长度为5±2mm；
所述接收单元(3)包括接收单元电源电路(33)以及依次连接的光纤接收器(JP2)、接收单元放大电路(32)、输出接口，所述光纤接收器(JP2)与光纤(6)连接，所述输出接口包括示波器接口(P2)，
所述接收单元放大电路(32)包括滤波电路和放大电路，所述放大电路包括高速宽带运放(U3)、比例调节电路、设置在高速宽带运放输入端的负极输入端延时调节电路、设置在高速宽带运放输出端的输出端延时调节电路；所述比例调节电路包括设置在高速宽带运放输出端和负极输入端之间的反馈电阻(R3)以及与输入端延时调节电路并联的通路电阻(R2)；所述负极输入端延时调节电路由两个不同电容值的前端高频延时调节电容(C10、C11)并联构成；所述输出端延时调节电路由三个不同电容值的后端高频延时调节电容(C12、C13、C14)并联构成。
2.一种高压瞬变电磁脉冲探测仪，包括探头(1)、接收单元(3)以及连接探头(1)和接收单元(3)的连接部件，其特征在于：所述连接部件为光纤(6)，所述探头(1)包括天线(2)、圆柱体密封式屏蔽壳体(5)、设置在屏蔽壳体(5)内的信号处理单元(4)，
所述接收单元(3)包括接收单元电源电路(33)以及依次连接的光纤接收器(JP2)、接收单元放大电路(32)、输出接口，所述光纤接收器(JP2)与光纤(6)连接，所述输出接口包括示波器接口(P2)，
所述接收单元放大电路(32)包括滤波电路和放大电路，所述放大电路包括高速宽带运放(U3)、比例调节电路、设置在高速宽带运放输入端的负极输入端延时调节电路、设置在高速宽带运放输出端的输出端延时调节电路；所述比例调节电路包括设置在高速宽带运放输出端和负极输入端之间的反馈电阻(R3)以及与输入端延时调节电路并联的通路电阻(R2)；所述负极输入端延时调节电路由两个不同电容值的前端高频延时调节电容(C10、C11)并联构成；所述输出端延时调节电路由三个不同电容值的后端高频延时调节电容(C12、C13、C14)并联构成。
3.根据权利要求1或2所述的高压瞬变电磁脉冲探测仪，其特征在于：所述输出接口包括显示接口(P3)。
4.根据权利要求1或2所述的高压瞬变电磁脉冲探测仪，其特征在于：所述信号处理单元(4)包括天线回路(41)、阻抗变换电路(42)、驱动放大电路(43)、光激励器(44)以及探头电源电路(45)，所述天线(2)与天线回路(41)连接，所述天线回路(41)、阻抗变换电路(42)、驱动放大电路(43)、光激励器(44)依次连接，所述光激励器(44)的输出端与光纤(6)连接，所述探头电源电路(45)可向阻抗变换电路(42)和驱动放大电路(43)供电。
5.根据权利要求4所述的高压瞬变电磁脉冲探测仪，其特征在于：所述探头电源电路包括依次相连的电源(P1)、稳压器(VR1)以及滤波电路所述稳压器(VR1)为低压差线性稳压器；所述探头电源电路还包括设置在电源(P1)与稳压器(VR1)之间电源开关(S1)；所述电源(P1)为多个串联的干电池；所述探头电源电路所包括的滤波电路由高频滤波电容(C6、C7)、中频滤波电容(C6、C4)和低频滤波电容(C2)并联构成。
6.根据权利要求5所述的高压瞬变电磁脉冲探测仪，其特征在于：所述光纤(6)为双层紫外固化丙烯酸脂涂层光纤。
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2009
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