CN106793446A - 一种用于脉冲辐射环境的电磁屏蔽和长线驱动系统 - Google Patents

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陈伟
李瑞宾
齐超
杨善潮
郭晓强
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Abstract

本发明提供一种用于脉冲辐射环境的电磁屏蔽和长线驱动系统，包括两层屏蔽壳，内屏蔽壳壳体具有多个输入端及输出端标准电缆接头，外屏蔽壳壳体具有与输入端及输出端标准电缆接头对应的导线孔；还包括位于内屏蔽壳内电流放大电路和阻抗匹配电路；电流放大电路的输入端焊接于输入端标准电缆接头上；所述阻抗匹配电路的输出端焊接于输出端标准电缆接头上；信号输入电缆通过导线孔与输入端标准电缆接头连接；信号输出电缆与输出端标准电缆接头连接通过导线孔与测试端连接；内屏蔽壳与测试端地线连接。本发明外层屏蔽消除电磁脉冲耦合电流，内层屏蔽消除地电位抖动，提供稳定参考地电位，且克服信号传输至测试端时产生严重畸变的问题。

Description

一种用于脉冲辐射环境的电磁屏蔽和长线驱动系统
技术领域
本发明涉及一种电磁屏蔽和长线驱动系统，特别是一种用于加速器强脉冲辐射场的弱信号长线驱动和抗电磁干扰系统。
背景技术
加速器强脉冲辐射场可以产生很强的电磁辐射和电离辐射，因此要求信号测量端与加速器靶面距离足够远，以确保人身和测量仪器的安全。在较远距离下，信号传输会有较大衰减，尤其是对于高频信号或驱动能力弱的数字信号，再加之强电磁脉冲通过线缆的耦合，使有效信号极难准确采集到。因此长期以来，加速器强脉冲辐射场中弱信号的准确测量一直没有得到很好的解决。
以往对高频信号或弱信号测量时往往采取降频或缩短测量距离的方法，但这样无法测量高频信号的实验数据，并且对于大型加速器，测量距离缩短很有限，电磁干扰也不易屏蔽。常见的电磁屏蔽方法就是在仪器或被测电路外包覆铜网，这种方法虽可以有效屏蔽电磁干扰，但操作繁琐且不易规范化，而且难以克服加速器放电时的地电位抖动问题。在瞬时电离辐射实验中，大规模集成电路输出信号的驱动能力一般都较弱，而实验中使用的电缆具有较大分布电容，且传输距离较远，造成信号传输至测试端时产生严重畸变。
发明内容
为了克服信号传输至测试端时产生严重畸变的问题，本发明采取信号近输入端加入驱动电路的方法解决此问题，方法是将弱信号输入至一电流放大器电路，该电路保持信号电压不变，而放大驱动电流，使之能驱动长电缆，然后经阻抗匹配电路输出，这样就可以在保真信号波形的情况下实现长线驱动，且输出阻抗与电缆特征阻抗匹配，以消除信号反射问题。同时，为了克服地电位抖动和电磁干扰问题，本发明在电流放大器外加入双屏蔽系统。该系统外层屏蔽就近接地，尽快泄放耦合电荷，以消除地电位抖动和环境电磁脉冲对信号的影响；内层屏蔽与外层屏蔽隔离且与测试端地线连接，以提供稳定的地电位。整个系统与弱信号间采用屏蔽接插件连接，既保证信号完整性，又方便快捷。
本发明的技术解决方案是提供一种用于脉冲辐射环境的电磁屏蔽和长线驱动系统，其特殊之处在于：包括接地的外屏蔽壳、位于外屏蔽壳内的内屏蔽壳、电流放大电路、与电流放大电路相连的阻抗匹配电路；
上述外屏蔽壳和内屏蔽壳间填充绝缘材料；上述内屏蔽壳壳体具有多个输入端及输出端标准电缆接头，上述外屏蔽壳壳体具有与输入端及输出端标准电缆接头对应的导线孔；
上述电流放大电路和阻抗匹配电路位于内屏蔽壳内；
上述电流放大电路的输入端通过同轴线缆焊接于内屏蔽壳的输入端标准电缆接头上；上述阻抗匹配电路的输出端通过同轴线缆焊接于内屏蔽壳的输出端标准电缆接头上；
信号输入电缆通过导线孔与输入端标准电缆接头连接；信号输出电缆与输出端标准电缆接头连接通过导线孔与测试端连接；
上述内屏蔽壳与测试端地线连接。
上述电流放大电路包括多组独立信道，所述信道包括高速运算放大器、外围电阻、和/或电容，上述高速运算放大器满足高输入阻抗低输出阻抗，对输入信号的电压放大倍数为1，最大输出电流可达0.2A，最大输出电压摆幅为±10V。
上述高速运算放大器的型号不固定，优选为LH0002。
上述阻抗匹配电路包括多组独立信道，上述信道为并联的可调电阻器和可变电容器，上述信道的输入端与电流放大电路的相应信道通过通信总线连接，上述信道的输出端通过电缆与输出电缆接头连接。
优选的，上述可调电阻器可调范围为0～100Ω；上述可变电容器的可调范围为0～10nF。
优选的，上述电流放大电路和阻抗匹配电路设置于PCB电路板上，上述PCB电路板双面覆铜且设有地线，上述电流放大电路和阻抗匹配电路的接地端与所述地线连接。
上述信号输入电缆及信号输出电缆均为双屏蔽电缆，上述双屏蔽电缆包括外屏蔽层、内屏蔽层、芯线，所述外屏蔽层与导线孔相连，上述内屏蔽层与标准电缆接头的外壳相连，上述芯线与标准电缆接头的芯线连接。
优选的，上述外屏蔽壳与内屏蔽壳均为厚度不小于3mm的铜盒或铝盒，其长度、高度和宽度不固定，可根据具体需求而定；屏蔽壳两侧的到线控的尺寸满足同轴电缆顺利通过。
优选的，上述外屏蔽壳和内屏蔽壳之间的绝缘材料为厚度不小于2mm的绝缘树脂或胶木，其他高绝缘性的材料也可用于本系统。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用双屏蔽设计，外层屏蔽消除电磁脉冲耦合电流，内层屏蔽消除地电位抖动，提供稳定参考地电位；为了克服地电位抖动和电磁干扰问题，本发明在电流放大器外加入双屏蔽系统。该系统外层屏蔽就近接地，尽快泄放耦合电荷，以消除地电位抖动和环境电磁脉冲对信号的影响；内层屏蔽与外层屏蔽隔离且与测试端地线连接，以提供稳定的地电位；
2、为了克服信号传输至测试端时产生严重畸变的问题，本发明采取信号近输入端加入驱动电路的方法解决此问题，方法是将弱信号输入至一电流放大器电路，该电路保持信号电压不变，而放大驱动电流，使之能驱动长电缆，然后经阻抗匹配电路输出，这样就可以在保真信号波形的情况下实现长线驱动，且输出阻抗与电缆特征阻抗匹配，以消除信号反射问题；
3、本发明设计了高性能电流放大电路，具有输入阻抗高、带宽高、驱动电流大等优点；阻抗匹配电路采用可调设计，可以满足不同特征阻抗电缆的阻抗匹配要求；
4、本发明采用机械设计和电路设计相结合的方法，使系统满足电学和装配等方面的要求，整个系统与弱信号间采用屏蔽接插件连接，既保证信号完整性，又方便快捷。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图；
图2为高频信号使用本系统前后的波形图；
图3为弱信号使用本系统前后的波形图；
图4为使用本系统前后的电磁屏蔽效果对比；
图5为电流放大电路。
附图标记如下：1-外屏蔽壳，2-内屏蔽壳，3-PCB电路板，4-电流放大电路，5-阻抗匹配电路，6-通信总线，7-同轴线缆，8-输入端标准电缆接头，9-导线孔，10-绝缘材料，11输出端标准电缆接头。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步描述：
如图1所示，为本发明的结构示意图，外屏蔽壳1和内屏蔽壳2间填充绝缘材料10，电流放大电路4和阻抗匹配电路5焊接于PCB电路板3上并采用通信总线6相连，两电路分别通过同轴线缆7焊接于内屏蔽壳2的输入端标准电缆接头8及输出端标准电缆接头11上，且将与电流放大电路4相连的一侧作为系统输入端，与阻抗匹配电路5相连的一侧作为系统输出端。
外部输入信号的双屏蔽电缆的外屏蔽层与导线孔9相连，电缆内屏蔽层和芯线分别与标准电缆接头的外壳和芯线相连；在另一侧使用相同的方法连接信号输出电缆。标准电缆接头的型号不唯一，可为BNC、Q9或其他型号的屏蔽电缆接头。外屏蔽壳1就近接地，内屏蔽壳2与测试端地线连接。PCB电路板3双面覆铜，且设为地线，与其上所有电路的接地端相连。输入信号输入至电流放大电路输入端，经电流放大后输出至阻抗匹配电路5，再经阻抗匹配后输出至输出电缆，最终至终端测试仪器。
较长距离的同轴电缆的等效电容较大，高频信号或弱驱动信号直接与同轴电缆相连，测试终端的信号如图2中曲线1、图3中曲线1所示，常发生严重的失真，且在传输过程中若信号屏蔽不好，电磁干扰会严重影响被测信号，如图4中曲线1所示。在信号输出端采用本发明的驱动和屏蔽组合式系统后，信号质量大大提高，如图2、图3、图4中曲线2所示。
现以10MHz的数字输出信号为例，说明该套系统的工作过程：由于本发明描述的系统为多信道驱动系统，图1示意图中为7信道，现以其中一路信道进行阐述。输送被测信号的电缆采用双屏蔽电缆，外层屏蔽与导线孔9紧密相连，且用屏蔽带将缝隙封住，然后将内层电缆穿过导线孔9，并将与输入端标准电缆接头8匹配的接头与本系统输入端标准电缆接头8对接。同理，将另一侧电缆连接至系统输出端，并调节阻抗匹配电路5中的电阻和电容值，使之与输出端连接电缆的特征阻抗相等。10MHz信号通过电缆输入至电流放大电路4，电流放大电路将该信号电压保持不变，将最大输出电流放大到约0.2A，然后将信号通过通信总线6输出至阻抗匹配电路5，最后由电路5的输出端输出至电缆，直至终端测试仪器。由于该电路输出阻抗与输出电缆的特征阻抗相等，所以可以消除反射，又由于信号输出电流足够大，可以满足电缆电容充放电时的电流要求，所以10MHz信号可以完整传输至测试端。这样就可以在测试终端测量到50m外完整的高频弱信号，且不会受到外界电磁脉冲的干扰。

Claims (9)

1.一种用于脉冲辐射环境的电磁屏蔽和长线驱动系统，其特征在于：包括接地的外屏蔽壳、位于外屏蔽壳内的内屏蔽壳、电流放大电路、与电流放大电路相连的阻抗匹配电路；
所述外屏蔽壳和内屏蔽壳间填充绝缘材料；所述内屏蔽壳壳体具有多个输入端及输出端标准电缆接头，所述外屏蔽壳壳体具有与输入端及输出端标准电缆接头对应的导线孔；
所述电流放大电路和阻抗匹配电路位于内屏蔽壳内；
所述电流放大电路的输入端通过同轴线缆焊接于输入端标准电缆接头上；所述阻抗匹配电路的输出端通过同轴线缆焊接于输出端标准电缆接头上；
信号输入电缆通过导线孔与输入端标准电缆接头连接；信号输出电缆与输出端标准电缆接头连接通过导线孔与测试端连接；
所述内屏蔽壳与测试端地线连接。
2.根据权利要求1所述的用于脉冲辐射环境的电磁屏蔽和长线驱动系统，其特征在于：所述电流放大电路包括多组独立信道，所述信道包括高速运算放大器、外围电阻和/或电容；
所述高速运算放大器满足高输入阻抗低输出阻抗，对输入信号的电压放大倍数为1，最大输出电流可达0.2A，最大输出电压摆幅为±10V。
3.根据权利要求2所述的用于脉冲辐射环境的电磁屏蔽和长线驱动系统，其特征在于：所述高速运算放大器的型号为LH0002。
4.根据权利要求1或2或3所述的用于脉冲辐射环境的电磁屏蔽和长线驱动系统，其特征在于：所述阻抗匹配电路包括多组独立信道，所述信道为并联的可调电阻器和可变电容器，所述信道的输入端与电流放大电路的相应信道通过通信总线连接，所述信道的输出端通过电缆与输出电缆接头连接。
5.根据权利要求4所述的用于脉冲辐射环境的电磁屏蔽和长线驱动系统，其特征在于：所述可调电阻器可调范围为0～100Ω；所述可变电容器的可调范围为0～10nF。
6.根据权利要求1所述的用于脉冲辐射环境的电磁屏蔽和长线驱动系统，其特征在于：所述电流放大电路和阻抗匹配电路设置于PCB电路板上，所述PCB电路板双面覆铜且设有地线，所述电流放大电路和阻抗匹配电路的接地端与所述地线连接。
7.根据权利要求1所述的用于脉冲辐射环境的电磁屏蔽和长线驱动系统，其特征在于：所述信号输入电缆及信号输出电缆均为双屏蔽电缆，所述双屏蔽电缆包括外屏蔽层、内屏蔽层、芯线，所述外屏蔽层与导线孔相连，所述内屏蔽层与标准电缆接头的外壳相连，所述芯线与标准电缆接头的芯线连接。
8.根据权利要求1所述的用于脉冲辐射环境的电磁屏蔽和长线驱动系统，其特征在于：所述外屏蔽壳与内屏蔽壳均为厚度不小于3mm的铜盒或铝盒。
9.根据权利要求1所述的用于脉冲辐射环境的电磁屏蔽和长线驱动系统，其特征在于：所述外屏蔽壳和内屏蔽壳之间的绝缘材料为厚度不小于2mm的绝缘树脂或胶木。
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