CN110208611A - 一种基于偶极子天线的有源三维脉冲电场场强测量仪 - Google Patents
一种基于偶极子天线的有源三维脉冲电场场强测量仪 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于偶极子天线的有源三维脉冲电场场强测量仪，属于电场测量技术领域，尤其适合在强电磁脉冲等复杂电磁环境领域使用，用于对空间方向未知的电场进行三维测量。包括探头、空心金属连接杆、检波电路、供电电源、检波电路盒、输出接口、电源开关。与现有技术相比，本发明由于采用蓄电池供电和铝合金全金属封闭，具有较强的抗电磁干扰能力；测量频段范围宽，从0.1MHz‑2GHz都有响应；结构紧凑，加工简单，可以应用于强电磁脉冲领域的三维电场测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于偶极子天线的有源三维脉冲电场场强测量仪，属于电场测量技术领域，尤其适合在强电磁脉冲等复杂电磁环境领域使用，用于对空间方向未知的电场进行三维测量。
背景技术
随着电子信息化的不断发展，电子设备的电磁敏感度也越来越高，复杂电磁环境中的强脉冲电场极易对电子信息化设备造成损伤或使其失效，实现对脉冲电场的测量是针对复杂电磁环境进行电磁防护研究首先要解决的关键问题之一。目前，对于脉冲电场的测量以由单极子天线构成的一维电场传感器居多。此类传感器具有体积小、对被测电场影响小、设计简单等优点，但是限于天线的方向性，无法获取空间中的全部电场信息。基于LiNbO3晶体的光波导电场传感器，具有尺寸小，对被测电场影响小，和可测场强高等优点，但是其缺点是最低可测场强较小，且成本昂贵。在瞬态强电磁环境领域，电场强度的测量，尤其是三维电场强度的测量，一直是人们关注的焦点。
司荣仁等人【球形光纤传输三维电场传感器[J].强激光与粒子束,2012,24(12):2930-2934.】研制了一套用于小空间电磁脉冲测试的光纤传输电磁脉冲三维电场传感器。如图1所示，该三维电场传感器采用嵌入式球形结构，传感器采用铝材料，该结构形式无需接地平面。天线四周使用ABS绝缘材料，天线半径为0.5cm，天线铝板与SSMB接头之间通过3mm直径的铜柱直连，方便与SSMB接头连接和安装固定。但是该传感器采用光纤传输系统，结构复杂，造价昂贵。
严雪飞等人【三维脉冲电场传感器的建模仿真与设计[J].高电压技术,2018.】研制了一种三维全向脉冲电场传感器。该三维全向脉冲电场传感器的脉冲电场探头由3个互相垂直的三棱锥锥面电小天线构成，分别作为空间极化方向上的3个极，测试带宽1kHz-1GHz。三棱锥形成的四面体为屏蔽外壳，为内置电路提供良好的屏蔽效果，同时其外表面可作为电小单极子天线的反射面，使单极子天线在电性能上构成偶极子天线，图2为原理框图。该三维脉冲电场测试系统装有电光调制电路，同时与光纤传输系统配合使用，结构较复杂，成本较高。
王淑敏等人【基于光纤传输的三维电磁场传感器设计与试验标定[J].装备制造技术,2018,285(09):7-13.】设计了基于光纤传输的三维电场传感器。如图3所示，该三维电场传感器外壳为一个边长为10cm的正方体结构，材料为铝合金。安装在传感器上的六根天线作为感应电极构成了三个相互正交的X、Y、Z轴，以进行电场的三维测量，另外在金属天线与金属壳体间放置绝缘垫以保证两结构间的电气隔离。该电场传感器前端感应电信号微弱，需要增加信号处理电路对信号进行放大，同样采用光纤传输，还需要光发射机电路和供电电路，导致内部电路结构复杂。
综上，前人基于不同的原理和方法，设计了各种各样的三维电场强度传感器和系统。这些三维电场强度传感器既有优点，也有一定的不足，在强电磁脉冲领域，由于辐射强度高达几十千伏每米，存在需要进一步研究并加以改进的问题：1、频率响应方面，需要进一步拓宽测量带宽；2、电磁兼容方面、需要有较强的抗电磁干扰能力；3、结构尺寸方面，要尽量小型化；4：经济方面，制作成本要经济实惠。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有三维电场测量技术中，响应频段窄、抗电磁干扰能力弱、加工困难等的不足，提供一种基于偶极子天线的有源三维脉冲电场场强测量仪。
本发明采用的技术方案是：一种基于偶极子天线的有源三维脉冲电场场强测量仪，包括探头1、空心金属连接杆2、检波电路3、供电电源4、检波电路盒5、输出接口6、电源开关7，所述探头1为由三个偶极子天线构成的三维全向球状电场探头，三个偶极子天线两两垂直，探头1的球形外壳为透波介质，探头1通过空心金属连接杆2与检波电路盒5相连，空心金属连接杆2内部有三根导线，将三个偶极子天线和检波电路3上相应检波芯片连接，检波电路3通过供电电源4供电，通过输出接口6输出，电源开关7用于控制供电电源4的开与关。
进一步地，所述探头1球形外壳的材质为玻璃钢。
进一步地，所述检波电路3采用解调对数放大器AD8318，将探头1探测到的射频输入信号精确地转换为相应的dB标度输出电压。
进一步地，所述供电电源4为三节5#蓄电池。
进一步地，检波电路盒5为铝合金外壳
进一步地，所述输出接口6为标准的485串口。
三维电场场强测量仪整体设计为枪式可手持结构。
本发明的工作原理为：采用三个偶极子天线构成的三维全向球状电场探头，三个偶极子天线两两垂直。对于一般电磁波的电场，其表示式在直角坐标系中可写为
式中，是电场的复数表示式，ω是频率，是相位。将电场探头放置于任意被测场中，三个互相垂直的偶极子产生的响应分别正比于相应方向上电场分量幅度的平方，用公式表示为
将这三个方向的响应求和所得的信号大小正比于复矢量的Hermitian幅度的平方，即
这个信号与电场探头所摆放的方向无关，这样，由三个相互垂直的偶极子天线组成探头的响应信号具有全向性，对任何方向的电磁波都能实现有效接收。
三个相互垂直的偶极子小天线分别感应空间中X、Y、Z三个方向的空间场，感应的三个射频输入信号分别经过解调对数放大器AD8318，精确地转换为相应的dB标度输出电压。
本发明具有以下技术效果：与现有技术相比，由于采用蓄电池供电和铝合金全金属封闭，具有较强的抗电磁干扰能力；测量频段范围宽，从0.1MHz-2GHz都有响应；结构紧凑，加工简单，可以应用于强电磁脉冲领域的三维电场测量。
应用前景：本发明在电场测量技术领域，尤其是在强电磁脉冲等复杂电磁环境领域，针对三维电场测量，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为背景技术【球形光纤传输三维电场传感器[J].强激光与粒子束,2012,24(12):2930-2934.】三维球形电场传感器图；
图2为背景技术【三维脉冲电场传感器的建模仿真与设计[J].高电压技术,2018.】三维脉冲电场传感器原理框图；
图3为背景技术【基于光纤传输的三维电磁场传感器设计与试验标定[J].装备制造技术,2018,285(09):7-13.】三维电场传感器实物图；
图4为本发明基于偶极子天线的有源三维脉冲电场场强测量仪结构示意图；
图5为本发明基于偶极子天线的有源三维脉冲电场场强测量仪检波电路原理图；
图6为本发明基于偶极子天线的有源三维脉冲电场场强测量仪频响增益仿真曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
如图4所示，本发明基于偶极子天线的有源三维脉冲电场场强测量仪，包括探头1、空心金属连接杆2、检波电路3、供电电源4、检波电路盒5、输出接口6、电源开关7，探头1由三个相互垂直的偶极子小天线构成，三个偶极子小天线两两垂直，构成三维全向球状电场探头，三个偶极子天线均为金属圆柱，长度9mm，直径3mm，球形探头外壳采用玻璃钢材质，直径为40mm；探头1通过空心金属连接杆2和检波电路盒5相连，检波电路盒5为铝合金外壳；空心金属连接杆2内部有三根导线，将三个偶极子天线和检波电路3上相应检波芯片的连接；检波电路3采用解调对数放大器AD8318，将探头1探测到的射频输入信号精确地转换为相应的dB标度输出电压；输出接口6设计为标准的485串口通讯；检波电路3通过供电电源4供电，供电电源4采用三节5#蓄电池；三维脉冲电场场强测量仪整体设计为枪式可手持结构，方便使用。
图5为本发明基于偶极子天线的有源三维脉冲电场场强测量仪检波电路原理图；如图5所示，AD8318的正电源端UPSI、UPSO必须接相同的电压，电压范围是+4.5V--+5.5V；COMP被用作输出驱动器的公共地，所有公共地应接到低阻抗的印制板地线区。C3--C6为电源退耦电容，应尽量靠近电源引脚和地。C1、C2为耦合电容，应尽量靠近IN+,IN-引脚。AD8318的输出电压可直接送给数字电压表(DVM),亦可送至带A/D转换器的单片机(uc)。要使AD8318处于工作状态，ENBL端必须经过开关S上拉成高电平(us)。当ENBL端接地时，AD8318就处于休眠模式，此时电源电流降至260uA。
图6为本发明基于偶极子天线的有源三维脉冲电场场强测量仪频响增益仿真曲线，从0Hz-2GHz对探头增益进行了电磁仿真，0.3GHz以下频段探头增益随频率递增，0.3GHz以上频段探头增益趋于饱和。
基于偶极子天线的有源三维脉冲电场场强测量仪频响增益数据如表一所示，辐射场强计算表达式可归纳为E(dBuV/m)＝V(dbuV)+20log(F)-29.79-G。
其中F为频率，单位MHz；G为增益，单位dB。表一
| 响应频率F(MHz) | 增益G |
| 0.01 | -53.622390017803 |
| 0.1 | -13.980977997148 |
| 0.2 | -2.7423164203186 |
| 0.3 | 1.5015430379707 |
| 0.4 | 1.5395310493673 |
| 0.5 | 1.6440223374463 |
| 0.6 | 1.6617456044804 |
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| 1 | 1.6408116805232 |
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| 1.2 | 1.7093128500877 |
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| 1.75 | 1.8712944140533 |
| 1.8 | 1.8745403289826 |
| 1.9 | 1.8760593888549 |
| 2 | 1.8722611125974 |
Claims (7)
1.一种基于偶极子天线的有源三维脉冲电场场强测量仪，其特征在于：包括探头(1)、空心金属连接杆(2)、检波电路(3)、供电电源(4)、检波电路盒(5)、输出接口(6)、电源开关(7)，所述探头(1)为由三个偶极子天线构成的三维全向球状电场探头，三个偶极子天线两两垂直，探头(1)的球形外壳为透波介质，探头(1)通过空心金属连接杆(2)与检波电路盒(5)相连，空心金属连接杆(2)内部有三根导线，将三个偶极子天线和检波电路(3)上相应检波芯片连接，检波电路(3)通过供电电源(4)供电，通过输出接口(6)输出，电源开关(7)用于控制供电电源(4)的开与关。
2.一种根据权利要求1所述基于偶极子天线的有源三维脉冲电场场强测量仪，其特征在于：三个偶极子天线均为金属圆柱，长度9mm，直径3mm。
3.一种根据权利要求1所述基于偶极子天线的有源三维脉冲电场场强测量仪，其特征在于：所述探头(1)球形外壳的材质为玻璃钢，直径为40mm。
4.一种根据权利要求1所述基于偶极子天线的有源三维脉冲电场场强测量仪，其特征在于：所述检波电路(3)采用解调对数放大器AD8318，将探头(1)探测到的射频输入信号精确地转换为相应的dB标度输出电压。
5.一种根据权利要求1所述基于偶极子天线的有源三维脉冲电场场强测量仪，其特征在于：所述供电电源(4)为三节5#蓄电池。
6.一种根据权利要求1所述基于偶极子天线的有源三维脉冲电场场强测量仪，其特征在于：所述检波电路盒(5)为铝合金外壳。
7.一种根据权利要求1所述基于偶极子天线的有源三维脉冲电场场强测量仪，其特征在于：所述输出接口(6)为标准的485串口。
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