CN114341657A - 用于与闪电检测传感器一起使用的天线 - Google Patents

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Abstract

本文描述了一种闪电检测传感器。该闪电传感器包括：感测元件，该感测元件检测与闪电活动相关的射频(RF)信号；电路，该电路从该感测元件接收所检测到的RF信号，并且放大该RF信号以输出到数字信号处理设备；以及基准元件，该基准元件耦合到该电路。该基准元件连接到天线接地，该天线接地与电源接地隔离，并且该基准元件和该天线接地没有连接到外部接地平面。

Description

用于与闪电检测传感器一起使用的天线
相关申请
本申请要求于2019年7月3日提交的美国临时专利申请第62/870,248号的优先权，该临时申请通过引用整体并入本文。
技术领域
本申请大体涉及用于闪电检测的系统和装置，包括与闪电检测传感器一起使用的天线。
背景技术
由闪电产生的信号是宽带的(例如，0Hz-1 GHz)，其中功率的大部分在较低频带。信号在低频处非常强，因此，闪电检测传感器中使用的天线通常不需要非常有效。一般地，当前的闪电检测传感器技术经常使用单极电场变化天线，其中电压输出与以指数衰减卷积的电场成正比。
然而，这种类型的天线需要稳固的接地平面和单独的接地线缆。在某些地理区域(例如，电力基础设施不足的偏远或欠发达地区)，可能很难找到稳固的接地平面，并且可能很难安装接地线缆。另外，随着时间的推移，接地线缆容易受到腐蚀、断裂和其他劣化的影响，这可能会导致闪电检测传感器无法工作。持续监测传感器和接地线缆的完整性并定期对接地线缆进行维修或更换通常是具有挑战性且昂贵的。
发明内容
因此，需要一种通过消除对单独的接地线缆的需求来克服上述障碍的用于闪电检测传感器的改进的天线设计。本文所述天线的实施例利用中心馈电偶极子设计，其提供了优点：不需要将接地线缆连接到闪电检测传感器并铺设到接地平面，从而改善与传感器安装和维护相关联的效率和成本，尤其是在电气代码未完善建立(或执行)的地方，或依赖发电机为传感器供电的地区。此外，本文所述的天线设计的实施例通过提供由防水塑料材料(例如，热塑性塑料，诸如聚碳酸酯、聚氯乙烯(PVC)等)组成的传感器主体，并结合不对称电极设计(其中一个电极定位在传感器主体的外表面上，另一电极容纳在或嵌入传感器主体内)，来有利地将水桥接或腐蚀最小化。
在一个方面中，本发明的特征在于一种闪电检测传感器。该传感器包括：感测元件，该感测元件检测与闪电活动相关的射频(RF)信号；电路，该电路从该感测元件接收所检测到的RF信号，并且放大该RF信号以输出到数字信号处理设备；以及基准元件，该基准元件耦合到该电路。该基准元件连接到天线接地，该天线接地与电源接地隔离，并且该基准元件和该天线接地没有连接到外部接地平面。
在一些实施例中，感测元件和基准元件由导电金属组成。在一些实施例中，导电金属是铝合金。
在一些实施例中，该闪电检测传感器包括传感器主体，该传感器主体容纳感测元件、电路或者基准元件中的一者或多者。在一些实施例中，传感器主体由塑料材料组成。在一些实施例中，塑料材料是聚碳酸酯或聚氯乙烯(PVC)。在一些实施例中，传感器主体是圆柱体。在一些实施例中，电路嵌入传感器主体中。在一些实施例中，感测元件的至少一部分定位在传感器主体的外表面上，并且基准元件的至少一部分嵌入传感器主体中。在一些实施例中，感测元件的至少一部分嵌入传感器主体中，并且基准元件的至少一部分定位在传感器主体的外表面上。在一些实施例中，天线接地连接到接地元件，该接地元件定位在传感器主体内。
在一些实施例中，电路的增益是经固定和经校准的。在一些实施例中，使用DC-DC转换器将天线接地与电源接地隔离。在一些实施例中，电路包括反向电荷放大器，该反向电荷放大器放大RF信号。在一些实施例中，反向电荷放大器是全差分放大器。
在一些实施例中，传感器固定到安装件上，该安装件将传感器固定到物理结构。在一些实施例中，电路经由耦合到电路的网络端口连接到远程网络。
从以下详细描述中，结合仅以示例方式示出本发明的原理的附图，本发明的其他方面和优点将变得显而易见。
附图说明
上文所描述的本发明的优点以及进一步的优点，可以通过参考下列结合附图的描述来更好地理解。附图不一定是按比例的，相反，重点通常被放在说明本发明的原理上。
图1是根据本发明的实施例的天线电路设计的图。
图2是根据本发明的实施例的另一天线电路设计的图。
图3是根据本发明的实施例的闪电检测传感器的图。
图4A是根据本发明的实施例的另一闪电检测传感器的分解图。
图4B是图4A的闪电检测传感器的组装图。
具体实施方式
图1是根据本发明的实施例的天线电路设计100的图。如图1所示，天线电路设计100包括中心馈电偶极子设计，具有感测元件102、基准元件104、放大器106、电容器108、天线接地110、电源接地112、DC-DC转换器114、功率源116和信号输出118。感测元件102可包括一种设备(例如，鞭状天线、电极或类似设备)，该设备检测由大气中的闪电活动(诸如云对地(CG)雷击和云内(IC)脉冲)产生的RF信号。感测元件102通过可选的100欧姆电阻器将检测到的RF信号传输到放大器106-电容器108对。在一些实施例中，放大器106是反相电荷放大器，但是应当理解，其他类型、型号和/或配置的放大器是可能的。放大器106耦合到基准元件104，在一些实施例中，基准元件104是鞭状天线、电极或类似设备。在一些实施例中，诸如图1所示的实施例，基准元件104耦合到天线接地110和DC-DC转换器114。可以理解，天线包括基准元件104，因为必须相对于基准测量电场变化。典型的单极设计使用外部接地连接。因为在目前的天线电路设计100中没有外部接地连接，所以需要基准元件104。应当理解，在一些实施例中，天线接地110不附接到任何东西。但是，电路仍然需要本地接地才能操作。在天线的一些配置中，基准元件104可以附接到天线接地(如图1所示)，但当使用差分输入时，基准元件104不需要附接到天线接地(如图2所示)。
为了允许天线在没有稳固接地的情况下工作，应当通过使用DC-DC转换器114将天线接地110与功率源116(例如，正在供应功率的DSP板)的电源接地112隔离。典型地，DC-DC转换器包括通常在天线的频带内振荡的振荡器。因此，在选择具有特别低噪声的转换器以及对电源滤波时都需要仔细。这样做的一个好处是，使得能够使用双电源运算放大器(dual-supply op-amp)，并消除天线上的任何偏置。示例性DC-DC转换器114是可从东电化兰达株式会社(TDK Lambda Corporation)获得的CC3-0505SF-E。
放大器106进一步耦合到信号输出118，该信号输出118将检测到的RF信号提供给例如DSP板(未示出)，以将RF信号分析和处理为表示检测到的闪电活动的数字波形。应当理解，在一些实施例中，由于天线增益基于感测元件102的有效面积，因此信号电平可以略低于利用其他类型的感测元件(例如，信号板设计)的闪电检测传感器。为了进行补偿，传感器中有源电路系统的增益可以通过例如降低C值(并调整R以匹配)或通过在电荷放大器后使用具有增益的跟随器进行调整。由于基准元件104和感测元件102之间的距离是固定的，所以被动增益通常较少依赖于位置。这与单极天线设计形成对比，在单极天线设计中，感测元件和外部接地之间的距离取决于天线是如何安装的。在一些实施例中，天线的增益在安装传感器之前被固定并校准，这有利地消除了可能由闪电检测传感器的物理定位(例如，传感器安装的高度)而导致的任何增益变化或衰减，并且因此不需要稳固的天线接地。
图2是根据本发明的实施例的另一天线电路设计200的图。图2示出的许多部件与上述图1中的部件相同，包括感测元件102、基准元件104、电容器108、天线接地110、电源接地112、DC-DC转换器114、功率源116和信号输出118。然而，如图2所示，放大器202包括全差分放大器(诸如可从马萨诸塞州诺伍德市的模拟设备(Analog Devices of Norwood,Massachusetts)获得的AD8274精密差分放大器)。可以理解，全差分放大器的使用提供了几个好处，包括更低的失真和改进的增益精度。
图3是根据本发明的实施例的闪电检测传感器设计300的图。如图3所示，电路100(例如，印刷电路板(PCB))封装在塑料壳体302内，并耦合到感测元件102和基准元件104。例如，感测元件102和基准元件104是经由螺钉板附接到塑料壳体302的鞭状天线，螺钉板经由导线电连接到电路100。塑料壳体302连接到安装件304，安装件304可以固定到塔、建筑物或其他类型的结构上。信号路径306经由安装件304从电路100行进到例如，接收和处理来自电路100的信号的DSP板或其他模块(未示出)。应当理解，在一些实施例中，DSP板可以嵌入塑料壳体302内。
图4A和图4B是根据本发明的实施例的另一闪电检测传感器设计400的图。图4A提供了传感器设计400的分解图，其示出了分离的部件，而图4B提供了具有完全组装的部件的相同传感器设计400的视图。如图4A所示，传感器主体402具有圆柱形形状，其可由防水塑料材料(诸如聚碳酸酯或聚氯乙烯(PVC))组成。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以使用其他类型的塑料和/或防水材料。
电路100(例如，PCB)被配置为圆形，其直径略小于传感器主体402的直径，使得当传感器被完全构建时，电路100可以嵌入传感器主体402内。在一些实施例中，电路100可被安装在基板(未示出)上，以为电路100提供稳定性和保护。电路100和/或基板可以使用例如，L形支架404和螺钉固定到感测元件102。该L形支架404和螺钉提供感测元件102和电路100之间的连接。感测元件102定位在传感器主体402的顶部，并且被配置为直径略大于传感器主体的直径，这使得感测元件102能够在传感器主体402上方向下滑动，使得感测元件102的至少一部分接触传感器主体402的外表面。感测元件102由导电金属组成，诸如纺线1100铝合金(尽管在本发明范围内可以使用其他类型的导电金属)。一旦感测元件在传感器主体402上方滑动，就可以使用例如钢螺钉406将感测元件102固定到传感器主体402。
基准元件104定位在传感器主体402的底部，并且被配置为具有略小于传感器主体直径的直径，这使得基准元件104能够滑动到传感器主体402中，使得基准元件104的至少一部分嵌入传感器主体内并接触传感器主体的内表面。基准元件104由导电金属组成，诸如纺线1100铝合金(尽管在本发明范围内可以使用其他类型的导电金属)。一旦基准元件至少部分地嵌入传感器主体402中，就可以使用例如钢螺钉408将基准元件104固定到传感器主体402。此外，尽管图4A和图4B中未显示，但将导线从基准元件104连接到电路100，以向电路100提供基准信号。
应当理解，图4A和图4B所示的配置是示例性的，并且可以设想部件的其他配置。例如，在一些实施例中，感测元件102可以至少部分地嵌入传感器主体402内，而基准元件可以至少部分地定位在传感器主体402的外表面上。在其他实施例中，感测元件102和基准元件104两者都可以至少部分地嵌入传感器主体402内。在仍其他实施例中，感测元件102和基准元件104两者都可以至少部分地定位在传感器主体402的外表面上，尽管在后两种配置中，传感器内部的水桥接或水分渗透的风险会增加。
传感器主体402进一步连接到将传感器固定到位的安装杆410。可以理解的是，传感器可以经由安装杆410被固定到另一物理对象(例如，建筑物、塔或其他类型的结构)上，以用于检测闪电活动的目的。在一些实施例中，线缆或布线可铺设在安装杆内部以访问传感器主体402的内部，以便耦合到电路100，例如，为了携载功率向上到天线并携载信号从天线下来。在一个实施例中，可以使用以太网线缆，但应当理解，包括简单布线在内的其他类型的线缆也可用于此目的。在一些实施例中，电路100可以包括用于与线缆接合的网络端口。该配置使得电路100能够连接到网络，以将闪电信号数据传送到例如远程计算设备。在其他实施例中，光纤线缆可用于将信号从天线传送到外部设备。
如上所述，图1和图2的天线电路设计以及图3、图4A和图4B的闪电传感器设计的重要优点是消除了与电路的单独外部接地连接，取而代之的是利用容纳在闪电检测传感器本身内的天线接地110。这提供了优点：不需要将单独的接地线缆连接到闪电探测传感器并铺设到接地平面，从而改善了与传感器的安装和维护相关联的效率和成本。
应当理解，本文所呈现的本发明的实施例是示例性的，并且可以构想本文所描述的闪电检测传感器元件的其他配置将在所描述的技术的范围内。包括(comprise)、包括(include)和/或其复数形式均为开放式并且包括列出的部分，并且可以包括未列出的附加、代替和/或替代部分。和/或是开放性的，并且包括所列部分中的一者或多者以及所列部分的组合。
本领域的技术人员将意识到本发明可体现为其它具体形式，而不背离本发明的精神和本质特性。因此，前述实施例将在各方面被视为是对本文中所描述的本发明的说明而不是限制。

Claims (17)

1.一种闪电检测传感器，包括：
感测元件，所述感测元件检测与闪电活动相关的射频(RF)信号，
电路，所述电路从所述感测元件接收所检测到的RF信号，并且放大所述RF信号以输出到数字信号处理设备，以及
基准元件，所述基准元件耦合到所述电路，
其中，所述基准元件连接到天线接地，所述天线接地与电源接地隔离，并且
其中，所述基准元件和所述天线接地没有连接到外部接地平面。
2.如权利要求1所述的闪电检测传感器，其特征在于，所述感测元件和所述基准元件由导电金属组成。
3.如权利要求2所述的闪电检测传感器，其特征在于，所述导电金属是铝合金。
4.如权利要求1所述的闪电检测传感器，进一步包括传感器主体，所述传感器主体容纳所述感测元件、所述电路或者所述基准元件中的一者或多者。
5.如权利要求4所述的闪电检测传感器，其特征在于，所述传感器主体由塑料材料组成。
6.如权利要求5所述的闪电检测传感器，其特征在于，所述塑料材料是聚碳酸酯或聚氯乙烯(PVC)。
7.如权利要求4所述的闪电检测传感器，其特征在于，所述传感器主体是圆柱体。
8.如权利要求7所述的闪电检测传感器，其特征在于，所述电路嵌入所述传感器主体中。
9.如权利要求8所述的闪电检测传感器，其特征在于，所述感测元件的至少一部分定位在所述传感器主体的外表面上，并且所述基准元件的至少一部分嵌入所述传感器主体中。
10.如权利要求8所述的闪电检测传感器，其特征在于，所述感测元件的至少一部分嵌入所述传感器主体中，并且所述基准元件的至少一部分定位在所述传感器主体的外表面上。
11.如权利要求4所述的闪电检测传感器，其特征在于，所述天线接地连接到接地元件，所述接地元件定位在所述传感器主体内。
12.如权利要求1所述的闪电检测传感器，其特征在于，所述电路的增益是经固定和经校准的。
13.如权利要求1所述的闪电检测传感器，其特征在于，使用DC-DC转换器将所述天线接地与所述电源接地隔离。
14.如权利要求1所述的闪电检测传感器，其特征在于，所述电路包括反向电荷放大器，所述反向电荷放大器放大所述RF信号。
15.如权利要求14所述的闪电检测传感器，其特征在于，所述反向电荷放大器是全差分放大器。
16.如权利要求1所述的闪电检测传感器，其特征在于，所述传感器固定到安装件上，所述安装件将所述传感器固定到物理结构。
17.如权利要求1所述的闪电检测传感器，其特征在于，所述电路经由耦合到所述电路的网络端口连接到远程网络。
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