CN102539943B - 介质内部充电电荷的测量探头结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种介质内部电荷测量装置的探头结构，包括：利用印刷电路板工艺在三层FR4基板上设置6层印刷电路板中栅网，三个基板外周部分上依次设置有第一过孔，第二过孔、第三过孔和第四过孔，四个过孔的上下端面还设置有6条栅网以分别形成三个法拉第筒，从而对介质内部的电荷进行测量。本发明的介质内部电荷测量装置的探头结构，可用于航天器内带电效应在轨监测载荷的研制，为航天器内带电效应在轨监测技术的提供了一种很好的技术手段。

Description

介质内部充电电荷的测量探头结构

技术领域

本发明属于航天器空间环境及效应的测量领域，具体涉及一种用于航天器内带电效应的在轨监测结构。 

背景技术

航天器充放电效应已经成为航天器在轨故障甚至损坏的主要原因之一。根据发生部位，航天器带电效应可以分为表面带电和内带电。航天器内带电是指空间高能带电粒子穿过航天器表面，在航天器构件的电介质材料内部传输并沉积从而建立电场的过程，是区别于表面充电效应的另一种由空间高能粒子辐射引起的航天器充电效应。当介质材料内部充电产生的电场超过介质材料的击穿阈值时，就会发生放电。同步轨道所处的地球外辐射带存在大量高能电子，这些高能电子具有很强的穿透能力，它们可以穿透卫星表面屏蔽层进人卫星内部的电介质中，从而产生内带电效应。内带电放电极易损坏电路板、屏蔽较差的电缆等介质材料，以及热防护层，所产生的电磁脉冲将干扰甚至破坏星内电子系统的正常工作，严重时会导致整星失效。因此大力发展航天器内带电效应研究具有重要意义。 

由于在地面模拟试验中很难复现真实的空间环境，同时测试技术的局限性也极大限制了参数获取的有效性，因此积极开展航天器内带电效应飞行试验与数值仿真技术是当前该领域的主流趋势。 

鉴于现阶段卫星带电效应数值仿真模型在基础参数方面的缺乏，以及地面模拟试验手段的局限性，急需大力开展卫星内带电效应在轨飞行试验技术研究。通过实时在轨监测诱发卫星内带电的环境因素，以及真实空间环境下星用介质材料及关键部件的性能参数和充放电特性，为地面模拟试验和数值仿真提供输入和评估依据；结合飞行试验与地面模拟试验结果，发展有效的、工程化的卫星内带电风险评估方法，进而为卫星带电防护设计提供支撑。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种介质内部充电的内部电荷测量探头结构，以用于航天器内带电效应在轨监测，研制航天器内带电效应飞行探测载荷，从而结 合在轨监测数据和地面模拟结果反演出与内带电效应有关的材料介电参数、内部电场等参量，为地面模拟试验和仿真模拟计算进行指导和评估。 

本发明目的是通过如下技术方案实现的： 

一种介质内部电荷测量装置的探头结构，包括：利用印刷电路板工艺在三层FR4基板上设置6层印刷电路板中栅网，三层电路板材料FR4基板即第一层基板、第二层基板和第三层基板，三个基板外周部分上依次设置有一对第一过孔，一对第二过孔，第一过孔的高度和直径大于第二过孔的高度和直径，第二过孔内中间的第二层基板上下设置有分别贯穿第一层基板和第三层基板但不接触第二层基板的一对第三过孔和一对第四过孔，第三过孔的高度和直径大于第四过孔的高度和直径且两过孔以第二层基板为对称面上下对称，且四对过孔的上下端面还设置有6条外部栅网，一对第一过孔、一对第二过孔以及其上连接的栅网构成第三法拉第筒以测量量第二层基板中的内部电荷量，两相对靠外的栅网为法拉第筒外壳并接地，两相对靠内的栅网与第二过孔为内壳；一对第三过孔和一对第四过孔及其上连接的栅网分别在中间的第二层基板的上下构成1号法拉第筒和2号法拉第筒以用于测量第一层基板和第三层基板中的内部电荷量，且同样分别的相对靠外的栅网为法拉第筒外壳并接地，两相对靠内的印刷电路板中栅网与第四过孔为内壳。 

其中，在电路板表面和各个层上进行大面积网状覆铜，利用电路板的过孔实现电路板层与层之间的电性连接，构成封闭或者半封闭的法拉第筒。 

其中，利用φ2mm的焊盘进行外层铜丝网的封闭，再采用铜螺栓连接固定外部铜丝网。 

本发明的介质内部电荷测量装置的探头结构，可用于航天器内带电效应在轨监测载荷的研制，为航天器内带电效应在轨监测技术的提供了一种很好的技术手段。 

附图说明

图1为介质内部电荷测量装置的探头结构示意图。 

图中：1、2、3、10、11、12为外部栅网，4、5、6、7、8、9为印刷电路板中栅网，竖立的白色框表示过孔。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的介质内部电荷测量装置的探头结构作进一步的说明。 

如图1所示，本发明的介质内部电荷测量装置的探头结构，包括：利用印刷电路板工艺在三层FR4基板上设置6层印刷电路板中栅网4、5、6、7、8、9，三层电路板材料FR4基板即第一层基板、第二层基板和第三层基板，三个基板外周部分上依次设置有第一过孔，第二过孔，第一过孔的高度和直径大于第二过孔的高度和直径，第二过孔内中间的第二层基板上下设置有分别贯穿第一层基板和第三层基板但不接触第二层基板的第三过孔和第四过孔，第三过孔的高度和直径大于第四过孔的高度和直径且两过孔以第二层基板为对称面上下对称，且四个过孔的上下端面还设置有6条栅网1、2、3、10、11、12(外部栅网)，第一过孔、第二过孔以及其上连接的栅网1、2、11、12构成第三法拉第筒以测量量第二层基板中的内部电荷量，两相对靠外的栅网1、12为法拉第筒外壳并接地，两相对靠内的栅网2、11与第二过孔为内壳；第三过孔和第四过孔及其上连接的栅网3、4、5、6、7、8、9、10分别在中间的第二层基板上下构成1号法拉第筒和2号法拉第筒以用于测量第一层基板和第三层基板中的内部电荷量，且同样分别的相对靠外的栅网为法拉第筒外壳并接地，两相对靠内的印刷电路板中栅网与第四过孔为内壳。具体为：栅网3、4、5、6及过孔构成1号法拉第筒，栅网3、6为1号法拉第筒外壳并接地，栅网4、5及第四过孔为内壳，1号法拉第筒用于测量第一层基板中的内部电荷量。栅网7、8、9、10及过孔构成2号法拉第筒，栅网7、10为2号法拉第筒外壳并接地，栅网8、9及过孔为内壳，2号法拉第筒用于测量第三层基板中的内部电荷量。 

本发明的介质内部电荷测量装置的探头结构的主体部分一个印刷电路板。采用印刷电路板工艺在三层FR4基板上搭建三个法拉第筒，利用印刷电路板工艺可以实现多层紧凑的设计，使仪器测量环境更接近于实际的电路板。 

在电路板表面和各个层上进行大面积网状覆铜，利用电路板的过孔实现电路板层与层之间的电性连接，构成封闭或者半封闭的法拉第筒。需要外层铜丝网封闭的，则利用φ2mm的焊盘，再采用铜螺栓连接固定外部铜丝网。 

探头的三个法拉第筒相互独立，如内部电荷密度为Q，内筒高度为D，与外筒之间绝缘层高度为d，那么感应V为： 

$V=\frac{\mathrm{QDS}}{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_{0}S}{d}}=\frac{\mathrm{QDd}}{{\mathrm{\δ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_0}$

等式分母部分是法拉第筒的电容。如果单纯利用法拉第筒，那么测量范围内的电荷密度可使电压很大，一方面不易测量，二方面测量过程中会导致较大的漏电流。因此在后面的设计中采用并联电容的方式增大电容，降低电荷产生的电压到一个易于测量的电压值。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。 

Claims (3)

1.一种介质内部电荷测量装置的探头结构，包括：利用印刷电路板工艺在三层FR4基板上设置6层印刷电路板中栅网，三层电路板材料FR4基板即第一层基板、第二层基板和第三层基板，三个基板外周部分上依次设置有一对第一过孔，一对第二过孔，第一过孔的高度和直径大于第二过孔的高度和直径，第二过孔内中间的第二层基板上下设置有分别贯穿第一层基板和第三层基板但不接触第二层基板的一对第三过孔和一对第四过孔，第三过孔的高度和直径大于第四过孔的高度和直径且两过孔以第二层基板为对称面上下对称，且四对过孔的上下端面还设置有6条外部栅网，一对第一过孔、一对第二过孔以及其上连接的栅网构成第三法拉第筒以测量量第二层基板中的内部电荷量，两相对靠外的栅网为法拉第筒外壳并接地，两相对靠内的栅网与第二过孔为内壳；一对第三过孔和一对第四过孔及其上连接的栅网分别在中间的第二层基板的上下构成1号法拉第筒和2号法拉第筒以用于测量第一层基板和第三层基板中的内部电荷量，且同样分别的相对靠外的栅网为法拉第筒外壳并接地，两相对靠内的印刷电路板中栅网与第四过孔为内壳。

2.如权利要求1所述的介质内部电荷测量装置的探头结构，其中，在电路板表面和各个层上进行大面积网状覆铜，利用电路板的过孔实现电路板层与层之间的电性连接，构成封闭或者半封闭的法拉第筒。

3.如权利要求1所述的介质内部电荷测量装置的探头结构，其中，利用φ2mm的焊盘进行外层铜丝网的封闭，再采用铜螺栓连接固定外部铜丝网。

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