CN204008871U - 宽带全向场强探头 - Google Patents

Abstract

宽带全向场强探头，包括绝缘外壳、绝缘支杆及介质基板，介质基板上设置直偶极子天线；3块介质基板围成空心三棱柱，一块介质基板上的直偶极子天线与相邻介质基板上的偶极子天线之间为正交布置，直偶极子天线的天线臂上设置有3个均匀间隔的表贴电阻，3个表贴电阻将天线臂四等分，每对直偶极子天线的天线臂之间跨接射频检波二极管；在介质基板上设置有整形滤波网络，微带线的前端与偶极子天线的天线臂相连且连接于射频检波二极管的端部，微带线的后端与相邻介质基板上的微带线通过直插电阻相连，整形滤波网络的输出端与双绞传输线相连；双绞传输线穿过绝缘支杆后与信号处理电路相连。本实用新型天线具有良好的平坦度及灵敏度。

Description

宽带全向场强探头

技术领域

本实用新型属于电场强度检测传感器技术领域，尤其涉及一种用于空间的电磁辐射测量的0.2MHz～3GHz宽带全向场强探头。

背景技术

电磁波自发现之日起便对人类社会形成了深刻影响。而今，无线电存在着众多应用领域和形式：从日常生活中的广播电视、移动通讯、卫星导航、网络信息、卫生医疗，到国防军事中的监控识别、导弹制导、电子对抗，再到城市内部的超高压输电，它们无时无刻不在为人类社会的进步和发展提供着诸多便利的条件。然而，电磁波在现代社会带来巨大变革的同时，随之而来的是日益严重的电磁污染和危害。电磁辐射不仅会影响人类的身体健康，而且会干扰其周围电子仪器的正常工作。为了及时准确地获取空间电场强度的幅值、有效地降低电磁辐射造成的危害，对电磁辐射监测的核心部件——电场探头的设计研究有重要应用价值。

电磁辐射测量探头应用广泛，在无线电计量领域中，电场探头用来为国家基准提供量值传递和溯源；在微波暗室的检测中，电场探头用来测试待测装置处电场强度均匀性；在电磁兼容性的检测中，电场探头用来测试待测设备处节点电场强度；在环境影响评估的测试中，电场探头用来测试电磁辐射环境中电场强度。

电场探头由三个相互正交放置在介质板上的偶极子、检波电路及高阻馈线组成，偶极子作为接收天线感应空间的电场信号并将其转换成高频电信号，通过后端非线性检波器高频电信号检波输出成直流电信号，然后整形网络和低通滤波器对检波后的直流电信号进行整形和滤波，最后由高阻传输线传至后端处理电路。

按驻波电流分布的普通偶极子天线对频率变化很敏感，为了避免电场探头出现带内谐振现象，置于绝缘介质基板之上的偶极子天线臂总长度一般控制在1mm～3mm，小偶极子作为测量天线很难满足所要求的平坦度和灵敏度，因此近年来的探头采用行波偶极子作为探测天线，将偶极子天线臂的电阻按锥削变化，用氮化钽薄膜经光刻制成，并且锥削变化的偶极子与高阻引线和二极管连接处均使用薄膜淀积和光刻技术制成的金连接片，这种做法虽然能够使探头的频率响应有所提高，然而选择制作探头的材料每一样都代价昂贵，并且做功极为细致，增加探头的生产成本，制约了探头的推广使用。另外，作为连接电场探头前端感应部分和后端处理电路的高阻薄膜传输线，构成一个由内部引线分布电容同高损耗串联电感所组成的低通分布参数滤波器，对测量精度影响很大，之前的探头采用薄膜镍铬合金(NiCr)以光刻技术制成作为高阻馈线，由于其生产工艺复杂，成本高从而影响了这种探头的推广使用。针对这些问题，设计工艺简单、性能稳定的电场探头具有重要的实际应用价值。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种偶极子天线臂上加载集总式阻抗的宽带全向场强探头，可以提高天线的平坦度和灵敏度，简化制作工序和降低生产成本。

为了实现上述目的，本实用新型采取如下的技术解决方案：

宽带全向场强探头，包括：绝缘外壳、支撑所述绝缘外壳的绝缘支杆、设置于所述绝缘外壳内的介质基板，所述每一介质基板上设置有一对直偶极子天线；3块介质基板围成底面为等边三角形的空心三棱柱，一块介质基板上的直偶极子天线与相邻介质基板上的偶极子天线之间为正交布置，所述直偶极子天线的天线臂上设置有3个均匀间隔的表贴电阻，所述3个表贴电阻将天线臂四等分，所述每对直偶极子天线的天线臂之间跨接有射频检波二极管；在所述介质基板上设置有由并行布置的微带线构成的整形滤波网络，所述微带线的前端与所述偶极子天线的天线臂相连且连接于所述射频检波二极管的端部，微带线的后端与相邻介质基板上的微带线通过直插电阻相连，所述整形滤波网络的输出端与双绞传输线相连；所述双绞传输线穿过所述绝缘支杆后与信号处理电路相连。

本实用新型的射频检波二极管为肖特基低势垒检波二极管。

本实用新型的双绞传输线由两根相互绝缘的铜导线互相绞合而成。

本实用新型的从所述天线臂的内端向外端设置的电阻的阻值依次为200Ω、110Ω和10Ω。

本实用新型的每一微带线上设置有6个间隔设置的电阻。

本实用新型的每一微带线上从上到下排列的电阻中，前两个电阻的阻值依次为390kΩ、100kΩ，后四个电阻的阻值为10kΩ。

本实用新型的每一对微带线间跨接有1pF的电容，所述电容位于第二个电阻与第三个电阻之间，所述整形滤波网络的输出端处并联有阻值为470kΩ的输出电阻。

本实用新型的介质基板的长为50mm、宽为46mm、厚度为1mm。

本实用新型的直偶极子天线直线距离总长为50mm，天线臂宽为0.1mm。

本实用新型的直偶极子天线与竖直方向的夹角为54.7°。

在本实用新型电场探头的设计中，将介质基板围成三棱柱形，在介质基板上设置加载阻抗的直偶极子天线，使用集总式阻抗加载替代传统天线臂上的锥形分布式阻抗加载和高阻传输线，降低了生产成本，简化了制作工序，另外，使用双绞线作为高阻薄膜传输线，每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消，如果外界电磁信号在两条导线上产生的干扰大小相等而相位相反，那么这个干扰信号就会相互抵消，使用双绞线可以增加电场探头后端传输部分对外界电磁波的抗干扰能力，更重要的是降低自身信号的对外干扰，同时，采用微带线作为整形滤波网络，制作工艺简单，性能稳定。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构示意图；

图2为本实用新型实施例的平面展开示意图；

图3为图1另一角度的结构示意图；

图4为本实用新型实施例的平坦度响应曲线图；

图5为本实用新型实施例的线性度响应曲线图；

图6为本实用新型实施例的各向同性响应曲线图。

下面结合附图和各实施例对本实用新型进一步详细说明。

具体实施方式

如图1、图2及图3所示，本实用新型实施例的宽带全向场强探头包括直偶极子天线1、射频检波二极管2、整形滤波网络3、介质基板4、双绞传输线5、直插电阻6、绝缘外壳7、绝缘支杆8及信号处理电路9。

每块介质基板4上设置一对直偶极子天线1，共有3块介质基板4和3对直偶极子天线1，3块介质基板4组成底面形状为等边三角形的空心三棱柱。一块介质基板4上的直偶极子天线1与相邻介质基板4上的直偶极子天线1之间为正交布置，以保证探头能够均匀接收到来自空间各个方向的电磁波。介质基板为环氧玻璃布层压板(FR-4)，直偶极子天线1采用蚀刻技术印刷于介质基板4上。射频检波二极管2(DX、DY、DZ)跨接于每对直偶极子天线1的天线臂之间。整形滤波网络3由并行布置的微带线构成，微带线的前端与直偶极子天线1的天线臂相连，连接于射频检波二极管2的端部，微带线的后端与相邻介质基板4上的微带线通过直插电阻6(RXY、RYZ、RZX)相连。整形滤波网络3的输出端通过双绞传输线5与信号处理电路9相连。介质基板4设置于绝缘外壳7内，绝缘外壳7由绝缘支杆8支撑，双绞传输线5穿过绝缘支杆8后与信号处理电路9相连。本实用新型的信号处理电路采用现有技术的常规设计，所以不再进一步的详细说明和/或不以一种详细的方式描述。

本实用新型在直偶极子天线1上加载集总式阻抗，用于提高天线的平坦度和灵敏度。在每一直偶极子天线1的天线臂上设置有3个均匀间隔的表贴电阻，3个表贴电阻将天线臂四等分，从天线臂的内端向外端设置的电阻的阻值依次为200Ω、110Ω和10Ω，形成集总式阻抗。即图2中，设置于3对偶极子天线上的表贴电阻里，RX11、RX12、RY11、RY12、RZ11、RZ12的电阻阻值均为200Ω；RX21、RX22、RY21、RY22、RZ21、RZ22的电阻阻值均为110Ω；RX31、RX32、RY31、RY32、RZ31、RZ32的电阻阻值均为10Ω。

整形滤波网络3的微带线上同样加载阻抗，在每一微带线上对称焊接6个间隔设置的电阻元件，三对并行放置的集总加载微带线构成高阻传输线，形成整形滤波网络。每一微带线上从上到下排列的电阻中，前两个电阻的阻值依次为390kΩ、100kΩ，后四个电阻的阻值为10kΩ。即微带线上的电阻里，RX41、RX42、RY41、RY42、RZ41、RZ42的电阻阻值均为390kΩ，RX51、RX52、RY51、RY52、RZ51、RZ52的电阻阻值均为100kΩ，RX61、RX62、RX71、RX72、RX81、RX82、RX91、RX92、RY61、RY62、RY71、RY72、RY81、RY82、RY91、RY92、RZ61、RZ62、RZ71、RZ72、RZ81、RZ82、RZ91、RZ92的阻值均为10kΩ。每一对微带线间跨接有1pF的电容(CX、CY、CZ)，该电容位于第二个电阻与第三个电阻之间。整形滤波网络3输出端处并联有输出电阻Rout，其电阻阻值为470kΩ。

作为本实用新型的一个具体实施方案，如图2所示，介质基板4是长(b)为50mm、宽(a)为46mm的矩形基板，介质基板4的厚度为1mm。介质基板(4)上的Koch分形天线直线距离总长为50mm，天线臂宽为0.254mm，直偶极子天线1与竖直方向的夹角为54.7°。绝缘外壳7是直径为62mm、高为51mm的空心圆筒，绝缘支撑杆8是直径15mm、长146mm的空心圆筒。

介质基板4上的直偶极子天线1感应空间的电场信号，信号传送至检波电路——即射频检波二极管2，将天线感应到的高频电信号检波输出成直流电信号，整形滤波网络3对检波后的直流电信号进行整形和滤波，用于连接电场探头前端感应部分和后端处理电路的双绞传输线5将整形滤波后的信号进行无失真地传输。本实用新型的射频检波二极管可优选采用梁式引线肖特基低势垒检波二极管。双绞传输线5由两根相互绝缘的铜导线互相绞合构成。

由于直偶极子作为接收天线时其频率响应不够平坦，而对于场强探头来说频率响应的平坦性是衡量其性能是否优良的一项重要参数。为了改善直偶极子的频率响应，使直偶极子的平坦性更好，本实用新型利用阻抗加载技术对直偶极子进行优化，将直偶极子的两个天线臂用阻值不等的一系列电阻隔开以提高接收天线的平坦性，天线臂的加载可以有效展宽直偶极子的频带，使其在宽频带上具有更宽、更平坦的频率响应。

结合图4、图5和图6，图4为本实用新型实施例的探头在0.2MHz～3000MHz频率段内的传递函数曲线，从图4可以看出，在1.5MHz～3000MHz频段内探头的平坦度基本维持在±1.5dB以内。图5为线性度响应曲线图，横坐标为电场强度，纵坐标为输出电压开方值，从图5可以看出，电压的开方值和电场强度之间有着较好的线性关系。图6为探头的实际空间各向同性响应曲线图，从图6可以看出，探头的实际空间各向同性响应保持在±1dB以内。由此说明，本实用新型的场强探头的频率响应曲线获得较好的平坦度，同时获得了较理想的线性度响应和各向同性响应特性，通过加载技术有效地改善了直偶极子的频率响应特性。而且本实用新型使用阻抗加载偶极子天线臂、阻抗加载微带线和双绞线作为高阻传输线，降低了成本，简化了工艺，使用这种探头可以方便测量空间中的电场强度。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型做任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (10)

1.宽带全向场强探头，包括：绝缘外壳、支撑所述绝缘外壳的绝缘支杆、设置于所述绝缘外壳内的介质基板，所述每一介质基板上设置有一对直偶极子天线；

其特征在于：

3块介质基板围成底面为等边三角形的空心三棱柱，一块介质基板上的直偶极子天线与相邻介质基板上的偶极子天线之间为正交布置，所述直偶极子天线的天线臂上设置有3个均匀间隔的表贴电阻，所述3个表贴电阻将天线臂四等分，所述每对直偶极子天线的天线臂之间跨接有射频检波二极管；

在所述介质基板上设置有由并行布置的微带线构成的整形滤波网络，所述微带线的前端与所述偶极子天线的天线臂相连且连接于所述射频检波二极管的端部，微带线的后端与相邻介质基板上的微带线通过直插电阻相连，所述整形滤波网络的输出端与双绞传输线相连；

所述双绞传输线穿过所述绝缘支杆后与信号处理电路相连。

2.根据权利要求1所述的宽带全向场强探头，其特征在于：所述射频检波二极管为肖特基低势垒检波二极管。

3.根据权利要求1所述的宽带全向场强探头，其特征在于：所述双绞传输线由两根相互绝缘的铜导线互相绞合而成。

4.根据权利要求1所述的宽带全向场强探头，其特征在于：从所述天线臂的内端向外端设置的电阻的阻值依次为200Ω、110Ω和10Ω。

5.根据权利要求1所述的宽带全向场强探头，其特征在于：所述每一微带线上设置有6个间隔设置的电阻。

6.根据权利要求5所述的宽带全向场强探头，其特征在于：所述每一微带线上从上到下排列的电阻中，前两个电阻的阻值依次为390kΩ、100kΩ，后四个电阻的阻值为10kΩ。

7.根据权利要求5或6所述的宽带全向场强探头，其特征在于：每一对微带线间跨接有1pF的电容，所述电容位于第二个电阻与第三个电阻之间，所述整形滤波网络的输出端处并联有阻值为470kΩ的输出电阻。

8.根据权利要求1所述的宽带全向场强探头，其特征在于：所述介质基板的长为50mm、宽为46mm、厚度为1mm。

9.根据权利要求1或8所述的宽带全向场强探头，其特征在于：所述直偶极子天线直线距离总长为50mm，天线臂宽为0.1mm。

10.根据权利要求1或8或9所述的宽带全向场强探头，其特征在于：所述直偶极子天线与竖直方向的夹角为54.7°。