CN111537808A - 一种基于水介质的超宽谱高功率微波传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于高功率微波测量技术领域，本发明提出一种基于水介质的超宽谱高功率微波传感器，包括水介质、长方体外壳、金属导体带、介质支撑结构、金属探针和同轴输出端口；长方体外壳置于接地金属板上方，金属导体带设置于长方体外壳内侧底部中间位置；长方体外壳的上部开设有孔阀，用于注入水介质以对长方体外壳与金属接地板所形成的空腔进行填充；金属探针的一端穿过接地金属板及水介质与金属导体带的一端相连，另一端连接同轴输出端口。本发明在保证传感器小型化的同时使有效测量时间窗提高至10ns以上，具有波形保真性能好，测量频带宽，输出波形为激励脉冲电场原波形的特点，可应用于小空间中并实现对不同脉宽超宽谱电磁脉冲的准确测量。

Description

一种基于水介质的超宽谱高功率微波传感器

技术领域

本发明属于高功率微波测量技术领域，具体涉及超宽谱高功率微波传感器。

背景技术

超宽谱高功率微波(UWS-HPM,Ultra-Wideband High Power Microwave)是一种无载频的瞬态强电磁脉冲，脉冲宽度在纳秒量级，脉冲上升/下降时间在亚纳秒量级，其瞬时频谱宽度可达百兆赫到吉赫兹量级，与核电磁脉冲相比，其上升沿更陡，脉宽更窄，频带更宽，穿透能力更强，对现代电子信息系统构成了严重威胁。在超宽谱高功率微波辐射系统性能测试中，需要对UWS-HPM辐射场进行准确测量，测量结果是测试和评估系统性能指标的重要依据。

准确对UWS-HPM进行测量，从时域上来说要求测量系统的输出波形相对激励波形只有时间上的延迟而无波形上的变化，从频域上来说要求测量系统在待测信号所覆盖的频带范围内具有平坦的幅频特性和线性的相频特性，这其中关键在于对接收天线或接收器件的设计。

目前国内外常用的UWS-HPM接收器件是TEM喇叭天线和D-dot传感器。 TEM喇叭天线具有较好的幅频特性和线性相位，在有效时间窗内能够直接对入射电场的原波形进行还原，但其存在两方面的缺陷：1)时间窗的扩展依赖于喇叭臂长的增加，造成喇叭天线尺寸较大且能提供的有效测量时间窗有限，限制了 TEM喇叭在小空间场以及宽脉宽UWS-HPM测量上的应用；2)TEM喇叭天线由两块向前张开的等腰三角形金属板构成，存在馈电结构不牢固，喇叭张角不稳定等问题，影响了喇叭性能指标的稳定性及测量结果的准确性。D-dot传感器具有较小的尺寸以及较高的工作带宽，但由于其输出波形为入射电场的微分形式，需通过后端硬件积分或数值积分的方式复原入射电场，导致对应的测量系统存在积分不确定性难以评估、硬件积分带宽有限等问题，也一定程度上影响了传感器测量的准确性。

发明内容

本发明的目的是解决TEM喇叭天线和D-dot传感器作为UWS-HPM测量器件存在的测量时间窗口不足，无法应用于宽脉宽且测量结果不理想的技术问题。

针对上述技术问题，提出如下技术方案：

一种基于水介质的超宽谱高功率微波传感器，包括水介质1、长方体外壳2、金属导体带3、接地金属板4、介质支撑结构5、金属探针6和同轴输出端口7；

水介质1为纯水；

长方体外壳2置于接地金属板上方，其开口处边缘与接地金属板边缘接触良好，形成一个密封的空腔；所述长方体外壳2的上盖板开设有孔阀8，从孔阀 8注入水介质1以填充长方体外壳2与接地金属板4所形成的空腔；长方体外壳 2上盖板内侧中间位置沿着长度方向粘贴有一金属导体带3；在靠近金属导体带 3端口的位置各设置一组位于金属导体带3与接地金属板4之间的介质支撑结构5，用以支撑金属导体带3；

金属探针6的一端穿过水介质1与金属导体带3的一端相连，另一端连接同轴输出端口7；同轴输出端口7装配在接地金属板4底部，其外导体与金属接地板4电连接，内导体与金属探针6电连接；

进一步的，金属导体带3的长度由传感器的时间窗大小决定，表示如下：

其中，Lc为导体带2的长度，ε_r和ε_e分别为水介质1的相对介电常数和有效介电常数，h为金属导体带3与接地金属板4之间的间隙，W为金属导体带3 的宽度。

进一步的，长方体外壳2由介电常数介于2～16的介质材料制成，厚度为2～ 4mm；外壳开口处呈阶梯状，通过胶水与接地金属板4嵌合在一起，粘接牢固。

进一步的，金属探针6顶端与金属导体带3焊接牢固，焊接点离金属导体带3的左端面距离小于4mm。

本发明还提供了一种基于水介质超宽谱高功率微波传感器的应用方法，传感器在使用时保持金属探针6所在的一端正对超宽谱高功率微波来波方向，接地金属板4的上表面与电场极化方向垂直。

本发明与现有技术相比的有效收益：

1、本发明利用高介电常数的纯水作为传感器的填充介质大幅提升了测量器件的时间窗，与相同时间窗的TEM喇叭相比，传感器的结构紧凑，整体尺寸大大减小，对待测场扰动小，满足小空间中脉冲电场的测量；与相同长度的TEM 喇叭相比，传感器可提供的时间窗是其4倍以上，满足脉宽更宽的超宽谱电磁脉冲的测量。

2、本发明传感器在有效时间窗内其输出波形能够直接复原入射电场波形，避免了微分型传感器需要后端积分所造成的积分误差问题，简化了测量过程；传感器的工作频带宽，满足快前沿窄脉宽超宽谱电磁脉冲的测量。

3、本发明可直接和同轴电缆或电光传输系统对接以实现测量信号的远距离传输，降低了超宽谱高功率微波测量系统的复杂度，并减小了系统搭建时间。传感器使用方便，可移植性强。

4、本发明利用纯水作为金属导体带和接地金属板之间的填充介质，相比于固体介质基片，具有材料更容易获得，可重构、制作方便，成本更低、重量更轻的特点。

5、本发明长方体外壳在与接地金属板形成空腔以包含水介质的同时，还发挥了保护金属导体带和金属探针的作用，保证传感器结构稳固并延长传感器使用寿命。

附图说明

图1为本发明所述超宽谱高功率微波传感器的立体图；

图2是本发明所述超宽谱高功率微波传感器的剖面图；

图3是本发明所述超宽谱高功率微波传感器的截面图；

图4是本发明实例的归一化的输出波形与激励波形比较图；

图5是本发明实例延长金属导体带长度为400mm时的归一化的输出波形与激励波形比较图。

其中，1-水介质，2-长方体外壳，3-金属导体带，4-接地金属版，5-介质支撑结构，6-金属探针，7-同轴输出端口，8-孔阀

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实现过程进行详细说明，由本发明权利要求限定和覆盖的多种实施例亦包括在本发明的保护范围内。

本发明提供一种波形保真性好、测量带宽宽、结构稳定、小型化、具有较长时间窗并能够直接复原入射电场的新型UWS-HPM传感器。该器件结构稳定，并能够在保持自身尺寸不扩展的同时提供较大的测量时间窗直接复原入射电场，实现对小空间以及不同脉宽UWS-HPM的准确测量。

本发明提供了一种基于水介质的超宽谱高功率微波传感器，通过由水介质、金属导体带和接地金属板构成的微带结构传输线作为接收器件。电磁脉冲从微带结构左端入射激励，在端口处产生感应电压信号，被位于左端的同轴连接器输出并被记录；当电磁脉冲沿微带结构传输到右端时，同样在端口处产生感应电压信号，该信号沿着微带结构向左端传输。使用高介电常数的水介质作为微带结构填充介质，可减小电磁场在微带结构上的传输速度，延缓右端干扰信号到达左端的时间。于是可以利用微带结构右端干扰信号到来之前的时间段，从左端输出感应电压信号，达到测量电磁脉冲激励场的目的。

如图1-3所示，基于水介质的超宽谱高功率微波传感器包括水介质1、长方体外壳2、金属导体带3、接地金属板4、介质支撑结构5、金属探针6和同轴输出端口7；水介质1为纯水；长方体外壳2置于接地金属板4上方，外壳开口处边缘与接地金属板4边缘接触良好，形成一个密封的空腔；金属导体带3粘贴于长方体外壳2上盖板内侧中间位置；介质支撑结构5设置于金属导体带3与金属接地板4之间，在靠近金属导体带3端口的位置各设置一组，以支撑金属导体带3；长方体外壳2的上盖板上开设有一个孔阀8，用于注入水介质1以填充长方体外壳2与接地金属板4所形成的空腔，并阻止水介质1从空腔外流；金属探针6的一端穿过水介质1与金属导体带3的一端相连，另一端连接同轴输出端口7。

长方体外壳2由介电常数介于2.1～16的介质材料制成，厚度为2～4mm；外壳开口处呈阶梯状，并与接地金属板3嵌合在一起，两者之间通过胶水粘接牢固；

金属探针6顶端与金属导体带3焊接牢固，焊接点离金属导体带3的左端面距离小于4mm；

同轴输出端口7装配在接地金属板4底部，其外导体与接地金属板4电连接，内导体与金属探针6电连接。

金属导体带3长度由传感器的时间窗大小决定，表示如下：

其中，Lc为金属导体带3的长度，ε_r、ε_e分别为水介质1的相对介电常数和有效介电常数，h为金属导体带3与接地金属板4之间的间隙，W为金属导体带 3的宽度。据此，在确定h/W的比值之后，可以根据所要设计传感器的时间窗大小，确定金属导体带3的长度。其中，时间窗越大对应的金属导体带3长度越长。

纯水具有相对介电常数较高(约为78)、电导率非常低、室温下为液体、成本低、易获得、可重构的特点，是作为水介质1的理想材料。

传感器在使用时保持金属探针6所在的一端正对超宽谱高功率微波来波方向，金属接地板3的上表面与电场极化方向垂直。此时，传感器可用于测量的时间窗达到最大，测量信号引入的共模干扰达到最小。

实施例1

长方体外壳2选用介电常数为2.4的聚四氟乙烯材料，尺寸为Ls＝304mm, Ws＝40mm，Hs＝5.5mm，厚度Ts＝2mm。金属导体带3粘贴于在长方体外壳2内侧底部中间位置，其长宽高分别为Lc＝300mm、W＝3mm、Tt＝0.5mm。接地金属板4厚度Tg为2mm，与长方体外壳2嵌合紧密，形成一个密闭的空腔。纯水通过位于长方体外壳2上的孔阀填充整个空腔。金属导体带3浸末于纯水中，保持与接地金属板4间隔1mm，其中圆柱形的介质支撑结构5被设置于金属导体带3和接地金属板4之间，其高1mm，直径3mm，材质为聚四氟乙烯。金属探针6与金属导体带3的焊接点离金属导体带3左端面距离Lf＝1mm。

运用软件对传感器的时域接收特性进行了仿真分析，图3给出了计算得到的传感器归一化的输出波形和激励波形(脉宽1.6ns单极高斯脉冲)对比结果。由图3可见，1.5ns以前传感器归一化的输出波形与激励波形高度一致，1.5ns以后(时间窗之外)的波形为来自传感器右端的干扰波形。从传感器开始接收到波形信号的时刻(1.5ns)到10ns之间的时间段为有效测量时间窗，为8.5ns，该结果与理论计算结果实现了很好的吻合。

延长金属导体带3的长度Lc＝400mm，相应地调整长方体外壳2的长度 Ls＝404mm，调整接地金属板4尺寸，实现与长方体外壳2嵌合紧密，其余参数保持不变。图4给出了仿真计算得到的传感器归一化的输出波形与激励波形(脉宽0.8ns单极高斯脉冲)的对比结果，可以看到，当延长金属导体带3的长度为 400mm时，传感器的时间窗扩展为11.4ns。在此时间窗内，传感器直接还原了入射电场波形；对于TEM喇叭天线来说，若要达到此时间窗，其臂长需要1.7m 以上。通过对时间窗内的输出波形和激励波形进行傅里叶变换，以计算频响特性，结果表明传感器的工作带宽大于2GHz。

本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于水介质的超宽谱高功率微波传感器，其特征在于：所述的传感器包括水介质(1)、长方体外壳(2)、金属导体带(3)、接地金属板(4)、介质支撑结构(5)、金属探针(6)和同轴输出端口(7)；

所述水介质(1)为纯水；

所述长方体外壳(2)置于接地金属板(4)上方，其开口处边缘与接地金属板(4)边缘接触良好，形成一个密封的空腔；

所述长方体外壳(2)的上盖板开设有孔阀(8)，从孔阀(8)注入水介质(1)以填充长方体外壳(2)与接地金属板(4)所形成的空腔；

所述长方体外壳(2)上盖板内侧中间位置沿长度方向粘贴有一金属导体带(3)；在靠近金属导体带(3)端口的位置各设置一组位于金属导体带(3)与接地金属板(4)之间的介质支撑结构(5)，用以支撑金属导体带(3)；

所述金属探针(6)的一端穿过水介质(1)与金属导体带(3)的一端相连，另一端连接同轴输出端口(7)；同轴输出端口(7)装配在接地金属板(4)底部，其外导体与接地金属板(4)电连接，内导体与金属探针(6)电连接。

2.根据权利要求1所述的一种超宽谱高功率微波传感器，其特征在于：所述的金属导体带(3)的长度由传感器的时间窗大小决定，表示如下：

其中，Lc为金属导体带(3)的长度，ε_r和ε_e分别为水介质(1)的相对介电常数和有效介电常数，h为金属导体带(3)与接地金属板(4)之间的间隙，W为金属导体带(3)的宽度。

3.根据权利要求1或2所述的一种超宽谱高功率微波传感器，其特征在于：所述的长方体外壳(2)由介电常数介于2～16的介质材料制成，厚度为2～4mm；外壳开口处呈阶梯状，通过胶水与接地金属板(4)嵌合在一起，粘接牢固。

4.根据权利要求3所述的一种超宽谱高功率微波传感器，其特征在于：所述的金属探针(6)顶端与金属导体带(3)焊接牢固，焊接点离金属导体带(3)的左端面距离小于4mm。

5.一种如权利要求1所述的一种超宽谱高功率微波传感器的应用方法，其特征在于：所述的传感器在使用时保持金属探针(6)所在的一端正对超宽谱高功率微波来波方向，接地金属板(4)的上表面与电场极化方向垂直。

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