CN110672931A - 电磁脉冲辐射场测试探头、测试系统及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电磁脉冲辐射场测试探头、测试系统及测试方法，所述探头包括电小单极子天线、金属屏蔽壳体和电光转换电路，所述电小单极子天线的一端位于所述金属屏蔽壳体外，所述电小单极子天线的另一端穿过所述金属屏蔽壳体上的天线引入孔后进入到所述金属屏蔽壳体内，且进入到所述金属屏蔽壳体内的所述电小单极子天线的端部与所述电光转换电路的信号输入端电连接，所述电光转换电路的信号输出端为所述测试探头的光信号输出端。所述探头具有工作频率范围宽、动态范围大、灵敏度可调节、电路结构简单、易于小型化等优点。
Description
技术领域
本发明涉及电磁信号检测技术领域，尤其涉及一种电磁脉冲辐射场测试探头、测试系统及测试方法。
背景技术
电磁脉冲在时域上具有快上升沿、高幅值、窄脉冲宽度的特点，在频域上表现为覆盖的频带很宽，这使得各种电子设备容易受到电磁脉冲的影响。因此，研究电磁脉冲对电子设备的电磁兼容试验变得尤为重要，在试验中，经常会用到雷电电磁脉冲、静电电磁脉冲、核电磁脉冲和超宽带电磁脉冲作为电磁脉冲源，利用场形成装置辐射出电磁脉冲场，通过分析电磁脉冲辐射场的时域波形可以判断其辐射场的具体数值、辐射场的上升沿和脉冲宽度等参数，这是确定电子设备敏感度阈值的必要条件，因此，如何对电磁脉冲辐射场进行准确测量是电磁兼容试验中最为关键的一个环节。
目前，现有的场测试装置，比如EMR200场强计，只能用来对场强为1kV/m以下不同频率的连续波进行准确测量，而对于电磁脉冲的测量，传统的测量手段是利用不同频率的天线将场信号转换为电压信号，然后通过同轴电缆将该信号传送至矢量网络分析仪进行场波形的实时显示。由于天线本身所覆盖的频率范围有限，所以，进行超宽频带的电磁脉冲测试势必会出现信号的失真，无法真实的还原场波形，而且较大尺寸的天线也会产生场畸变效应；另外，利用同轴电缆进行信号传输会造成其本身受到强电磁脉冲场的影响，从而引入外界的电磁干扰。因此，现有的电磁脉冲辐射场测试装置均是采用光纤作为信号传输的载体，这就涉及到电信号和光信号的调制，其核心的技术难题就是在超宽频带上实现电场信号的获取、转换和调制，最终实现电磁脉冲辐射场不失真测试，前期的研究主要是利用电小天线感知电场信号，然后由阻抗变换电路、跟随电路、恒流电路或放大驱动电路和电光转换电路实现光信号的输出，由于电路结构较为复杂，尤其是阻抗变换电路和放大驱动电路会严重的限制信号传输带宽，导致高频成分的丢失。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提供一种用于在强场电磁环境下电磁脉冲辐射场测试的电磁脉冲辐射场测试探头。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种电磁脉冲辐射场测试探头，其特征在于：包括电小单极子天线、金属屏蔽壳体和电光转换电路，所述电小单极子天线的一端位于所述金属屏蔽壳体外，所述电小单极子天线的另一端穿过所述金属屏蔽壳体上的天线引入孔后进入到所述金属屏蔽壳体内，且进入到所述金属屏蔽壳体内的所述电小单极子天线的端部与所述电光转换电路的信号输入端电连接，所述电光转换电路的信号输出端为所述测试探头的光信号输出端。
进一步的技术方案在于：所述电小单极子天线的主体为导体，所述电小单极子天线的前端暴露在被测电磁脉冲场中，用于感应电场信号；所述电小单极子天线的后端穿过金属屏蔽壳体上的天线引入孔后与电光转换电路的输入端电连接；所述电小单极子天线的主体的中间部分的外周固定有弹性绝缘层，所述弹性绝缘层的外周与所述天线引入孔的内壁直接接触，通过所述绝缘层使所述电小单极子天线与屏蔽金属壳体之间保持电绝缘。
优选的，所述金属屏蔽壳体设计为圆柱形。
优选的，电光转换电路板为圆形。
进一步的技术方案在于：所述电光转换电路的输入端分为三路，第一路经电容C1接地，第二路经电阻R1接地，第三路与电容C2的一端连接，电容C2的另一端分为两路，第一路与电阻R2的一端连接，第二路与场效应管Q1的栅极连接，所述电阻R2的另一端分为两路，第一路经电容C5接地，第二路与电感L1的另一端连接，电感L1的另一端分为三路，第一路与电源VGG连接，第二路经电容C7接地，第三路经电容C6接地；所述场效应管Q1的源极分为两路，第一路经电阻Rs接地，第二路经电容C4接地，所述场效应管Q1的漏极经电阻Rd后分为两路，第一路与电感L2的一端连接，第二路经电容C3接地，半导体激光器U1与电阻Rd并联，所述电感L2的另一端分为三路，第一路与电源VDD连接，第二路经电容C9接地，第三路经电容C8接地；所述半导体激光器U1的信号输出端为所述电光转换电路的信号输出端。
进一步的技术方案在于：MAX604型直流电压转换芯片U2的电源输出端与VDD连接，用于将+5V电压转换为+3.3V电压为场效应管Q1的漏极提供供电电压VDD；MAX840型正负电压转换芯片U3的电源输出端与VGG连接，用于将+5V电压转换为-1.24V电压，为Q1的栅极G提供供电电压VGG。
本发明还公开了一种电磁脉冲辐射场测试系统，其特征在于：包括所述电磁脉冲辐射场测试探头，还包括光接收机以及矢量网络分析仪，所述电磁脉冲辐射场测试探头的光信号输出端通过光纤与所述光接收机的信号输入连接，所述光接收机的信号输出端与所述矢量网络分析仪的信号输入端连接；电磁脉冲信号经过所述电磁脉冲辐射场测试探头采集和处理后转换为光信号，光信号通过光纤发射给光接收机，光接收机接收到光信号之后，再将光信号转换成电信号，最终由矢量网络分析仪进行实时时域场波形的显示。
本发明还公开了一种基于矢量网络分析仪的等效电容测试方法，所述方法使用所述电磁脉冲辐射场测试系统，其特征在于包括如下步骤：
将天线等效为一个1pF的小电容，然后和分压电容以及电光转换电路共同设计为电磁脉冲辐射场测试探头，将SMA接头通过天线孔和焊盘电连接，作为测试探头的输入端与矢量网络分析仪的port 1接口相连接，将光接收机的输出端与矢量网络分析仪的port 2接口连接，利用矢量网络分析仪内部的信号源给电磁脉冲辐射场测试探头提供输入信号，电磁脉冲辐射场测试探头经过分压电容和电光转换电路后发射光信号，通过光纤传输至光接收机，然后光接收机输出一个电信号提供给矢量网络分析仪的另一端口，实现对所述探头在300kHz-1.5GHz的扫频，得到其频响特性曲线。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述测试探头能够将电场信号转换为电压信号，再将电压信号转换为光信号，实现超宽带大动态范围电磁脉冲信号的测试，所述测试探头可用于电磁兼容试验中，进行强场电磁环境下电磁脉冲辐射场信号的测试，具有工作频率范围宽、动态范围大、灵敏度可调节、电路结构简单、易于小型化等优点。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例中所述探头的结构示意图；
图2是本发明实施例中电小单极子天线的结构示意图；
图3是本发明实施例中所述探头的原理框图；
图4是本发明实施例中所述电光转换电路的原理图；
图5是本发明实施例中所述测试系统的原理框图；
图6是本发明实施例中所述测试探头的频响特性曲线；
其中：1、电小单极子天线；2、金属屏蔽壳体；3、电光转换电路；4、弹性绝缘层；5、电磁脉冲辐射场测试探头；6、光接收机；7、矢量网络分析仪；8、光纤。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1-图2所示，本发明实施例公开了一种电磁脉冲辐射场测试探头，包括电小单极子天线1、金属屏蔽壳体2和电光转换电路3，所述电小单极子天线1的一端位于所述金属屏蔽壳体2外，所述电小单极子天线1的另一端穿过所述金属屏蔽壳体2上的天线引入孔后进入到所述金属屏蔽壳体2内，且进入到所述金属屏蔽壳体2内的所述电小单极子天线1的端部与所述电光转换电路3的信号输入端电连接，所述电光转换电路3的信号输出端为所述测试探头的光信号输出端。
进一步的，如图3所示，所述电小单极子天线1的主体为导体，所述电小单极子天线1的前端暴露在被测电磁脉冲场中，用于感应电场信号；所述电小单极子天线1的后端穿过金属屏蔽壳体2上的天线引入孔后与电光转换电路3的输入端电连接；所述电小单极子天线1的主体的中间部分的外周固定有弹性绝缘层4，所述弹性绝缘层4的外周与所述天线引入孔的内壁直接接触，通过所述绝缘层使所述电小单极子天线1与屏蔽金属壳体2之间保持电绝缘。
所述金属屏蔽壳体2一方面是作为电小单极子天线1的地平面，另一方面，起到了屏蔽供电电路和电光转换电路的作用。包裹弹性绝缘材料的电小单极子天线的长度与屏蔽金属壳体侧壁的厚度相同，其直径与天线引入孔的直径一致，保证穿过屏蔽金属壳体时，电小单极子天线与屏蔽金属壳体保证良好的电绝缘，为了减小尖端对电场造成影响，所述金属屏蔽壳体设计为圆柱形。相应的，所述电光转换电路板也设计为圆形。
进一步的，如图4所示，所述电光转换电路主要包括场效应管Q1(NE72218)、分压电容C1、半导体激光器U1、供电电路和外围器件，天线将感应的电场信号转换为电压信号，电光转换电路电路板中心打过孔，天线后端穿过过孔焊接在电光转换电路板中心焊盘上，为了尽量减小寄生参数导致的上限截止频率降低，将天线、分压电容C1一端和场效应管的输入电阻R1一端共用一个圆形焊盘，分压电容C1的另一端和输入电阻R1的另一端均接地，电小单极子天线可等效为一个电容，这样一来，天线和分压电容C1就构成一个分压电路，可以将天线接收到的信号进行大幅度的衰减，从而提高测试探头的上限可测场强，因此，调整分压电容的数值，可以有效拓展其测试动态范围；衰减后的电压信号串接电容C2和场效应管Q1的栅极G，电容C2和栅极G之间分别通过电感L1和电阻R2与栅极电压VGG相连接，电感L1和电阻R2之间同构电容C5接地，Q1的源极S通过Rs和电容C4并联之后接地，Rs可以使得由场效应管和外围器件构成的共源放大电路形成交流负反馈，从而稳定输出电流。Q1的漏极通过电阻Rd与半导体激光器U1并联电路和电感L2与漏极电压VDD相连接，半导体激光器U1的一端通过电容C3接地。电阻Rd主要起到限流的作用，防止过大的漏极电流损坏半导体激光器U1。利用5V电池供电，通过直流电压转换芯片U2（MAX604）将+5V电压转换为+3.3V电压，为Q1的漏极D提供供电电压VDD，利用正负电压转换芯片U3（MAX840）将+5V电压转换为-1.24V电压，为Q1的栅极G提供供电电压VGG，为了尽量降低电源电压带来的噪声，电路中采用了LC滤波电路，在电感L1和VGG之间通过电容C6和电容C7并联网络接地，在电感L2和VDD之间分别通过电容C8和电容C9并联网络接地。
从理论上讲，用与频率基本无关的电小天线作为接收天线来检测瞬态电场，可以不失真地反映入射电场的时域波形，而且对被测场的扰动较小。所述探头感应电压信号的下限频率：
(1)
通过式（1）可看出，场效应管的输入阻抗与探头的下限频率相关，电小单极子天线与电光转换电路的高阻耦合可以保证探头具有足够低的下限频率。电光转换电路的高输入阻抗和超宽带必然产生大的热噪声，但C1 的存在,通过C1 与输入阻抗R1和R2的配合，使得噪声带宽降为系统的下限频率，有效降低了系统的基底噪声,从而提高探头的动态范围。C1可以在1pF到10pF之间取值，该探头的上限频率主要是由场效应管放大电路的上限截止频率、分压电容与圆形焊接点的寄生电感的截止频率所决定。
如图5所示，为了更准确的确定测试探头的频率范围，本发明实施例还提出了一种基于矢量网络分析仪的等效电容测试电路法，也就是：将天线等效为一个1pF的小电容，然后和分压电容以及电光转换电路共同设计为电磁脉冲辐射场测试探头5，将SMA接头通过天线孔和焊盘电连接，作为测试探头的输入端与矢量网络分析仪7的port 1接口相连接，将光接收机6的输出端与矢量网络分析仪的port 2接口连接，利用矢量网络分析仪7内部的信号源给电磁脉冲辐射场测试探头5提供输入信号，电磁脉冲辐射场测试探头5经过分压电容和电光转换电路后发射光信号，通过光纤传输至光接收机6，然后光接收机6输出一个电信号提供给矢量网络分析仪7的另一端口，实现对所述探头在300kHz-1.5GHz的扫频，得到其频响特性曲线，如图6所示。该频响特性是测试探头和光接收机整个测试系统，而实际上，探头的频响特性是要优于该频响特性的，可以看出，该探头的上限截止频率可以达到1.5GHz，其工作频率范围可达到300kHz-1.5GHz。
场效应管和外围电路构成的是一个具有高输入阻抗低输出阻抗的共源放大电路，其输入阻抗主要由电阻R1和R2决定，其输出阻抗为Rd，其放大倍数为-（gm*Rd）/ (1+gm*Rs)(gm为场效应管的跨导)。R1和R2均采用大电阻，分别为10MΩ和4.3MΩ，Rd兼顾稳定静态工作点和输出阻抗的作用，Rs主要是起到稳定输出电流和控制放大电路放大倍数的作用，通过试验，确定电阻Rd为180Ω, 电阻Rs为11Ω。可测场强的范围主要是由天线的长度、分压电容的大小、场效应管的放大倍数、半导体激光器的工作电流范围以及光接收机的增益所决定的。这里的半导体激光器采用定制的带尾纤的DFB型半导体激光器，其工作电流范围为30-120mA，光功率为3.5mW,通过调整放大电路输出电流参数去改变光强的大小，在静态情况下，光功率应该输出1.75mW，以保证其可测正负场强相同。
所述光接收机可以在市场上选择频率范围在30kHz-1.5GHz，光波为1310nm的光电探测器即可。矢量网络分析仪的指标需达到采样频率在20GSa/s、频带为1.5GHz。
综上，所述测试探头能够将电场信号转换为电压信号，再将电压信号转换为光信号，实现超宽带大动态范围电磁脉冲信号的测试，所述测试探头可用于电磁兼容试验中，进行强场电磁环境下电磁脉冲辐射场信号的测试，具有工作频率范围宽、动态范围大、灵敏度可调节、电路结构简单、易于小型化等优点。
Claims (8)
1.一种电磁脉冲辐射场测试探头，其特征在于：包括电小单极子天线（1）、金属屏蔽壳体（2）和电光转换电路（3），所述电小单极子天线（1）的一端位于所述金属屏蔽壳体（2）外，所述电小单极子天线（1）的另一端穿过所述金属屏蔽壳体（2）上的天线引入孔后进入到所述金属屏蔽壳体（2）内，且进入到所述金属屏蔽壳体（2）内的所述电小单极子天线（1）的端部与所述电光转换电路（3）的信号输入端电连接，所述电光转换电路（3）的信号输出端为所述测试探头的光信号输出端。
2.如权利要求1所述的电磁脉冲辐射场测试探头，其特征在于：所述电小单极子天线（1）的主体为导体，所述电小单极子天线（1）的前端暴露在被测电磁脉冲场中，用于感应电场信号；所述电小单极子天线（1）的后端穿过金属屏蔽壳体（2）上的天线引入孔后与电光转换电路（3）的输入端电连接；所述电小单极子天线（1）的主体的中间部分的外周固定有弹性绝缘层（4），所述弹性绝缘层（4）的外周与所述天线引入孔的内壁直接接触，通过所述绝缘层使所述电小单极子天线（1）与屏蔽金属壳体（2）之间保持电绝缘。
3.如权利要求1所述的电磁脉冲辐射场测试探头，其特征在于：所述金属屏蔽壳体（2）设计为圆柱形。
4.如权利要求1所述的电磁脉冲辐射场测试探头，其特征在于：电光转换电路板为圆形。
5.如权利要求1所述的电磁脉冲辐射场测试探头，其特征在于：所述电光转换电路的输入端分为三路，第一路经电容C1接地，第二路经电阻R1接地，第三路与电容C2的一端连接，电容C2的另一端分为两路，第一路与电阻R2的一端连接，第二路与场效应管Q1的栅极连接，所述电阻R2的另一端分为两路，第一路经电容C5接地，第二路与电感L1的另一端连接，电感L1的另一端分为三路，第一路与电源VGG连接，第二路经电容C7接地，第三路经电容C6接地；所述场效应管Q1的源极分为两路，第一路经电阻Rs接地，第二路经电容C4接地，所述场效应管Q1的漏极经电阻Rd后分为两路，第一路与电感L2的一端连接，第二路经电容C3接地，半导体激光器U1与电阻Rd并联，所述电感L2的另一端分为三路，第一路与电源VDD连接，第二路经电容C9接地，第三路经电容C8接地；所述半导体激光器U1的信号输出端为所述电光转换电路的信号输出端。
6.如权利要求5所述的电磁脉冲辐射场测试探头，其特征在于：MAX604型直流电压转换芯片U2的电源输出端与VDD连接，用于将+5V电压转换为+3.3V电压为场效应管Q1的漏极提供供电电压VDD；MAX840型正负电压转换芯片U3的电源输出端与VGG连接，用于将+5V电压转换为-1.24V电压，为Q1的栅极G提供供电电压VGG。
7.一种电磁脉冲辐射场测试系统，其特征在于：包括如权利要求1-6中任意一项所述的电磁脉冲辐射场测试探头（5），还包括光接收机（6）以及矢量网络分析仪（7），所述电磁脉冲辐射场测试探头（5）的光信号输出端通过光纤（8）与所述光接收机（6）的信号输入连接，所述光接收机（6）的信号输出端与所述矢量网络分析仪（7）的信号输入端连接；电磁脉冲信号经过所述电磁脉冲辐射场测试探头（5）采集和处理后转换为光信号，光信号通过光纤（8）发射给光接收机（6），光接收机（6）接收到光信号之后，再将光信号转换成电信号，最终由矢量网络分析仪（7）进行实时时域场波形的显示。
8.一种基于矢量网络分析仪的等效电容测试方法，所述方法使用所述电磁脉冲辐射场测试系统，其特征在于包括如下步骤：
将天线等效为一个1pF的小电容，然后和分压电容以及电光转换电路共同设计为电磁脉冲辐射场测试探头（5），将SMA接头通过天线孔和焊盘电连接，作为测试探头的输入端与矢量网络分析仪（7）的port 1接口相连接，将光接收机（6）的输出端与矢量网络分析仪的port 2接口连接，利用矢量网络分析仪（7）内部的信号源给电磁脉冲辐射场测试探头（5）提供输入信号，电磁脉冲辐射场测试探头（5）经过分压电容和电光转换电路后发射光信号，通过光纤传输至光接收机（6），然后光接收机（6）输出一个电信号提供给矢量网络分析仪（7）的另一端口，实现对所述探头在300kHz-1.5GHz的扫频，得到其频响特性曲线。
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