CN204903658U - 三棱锥形三维脉冲电场测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种三棱锥形三维脉冲电场测量装置，包括：平板天线和调理电路一体化的3块等腰直角三角形的多层PCB板、激光供能模块、电光转换模块、等边三角形的底板和全介质光缆；三块等腰直角三角形的多层PCB电路板相互正交，并且与等边三角形底板构成一个三棱锥形的四面体。测量装置的底面水平放置，第1块平板天线的底线与x轴平行，由3块平板天线测量值E₁、E₂和E₃，算出三维直角坐标轴方向的电场E_x、E_y和E_z。PCB板与天线、装置外壳一体化设计，结构简单，体积小，测量频带宽；PCB板加工精度高，安装方便，价格低廉；能量和信号由光缆传输，抗电磁干扰能力强，克服了外接电缆对被测场的扰动。

Description

三棱锥形三维脉冲电场测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种三棱锥形三维脉冲电场测量装置，特别是一种用于三维雷电电磁脉冲电场的测量装置。

背景技术

雷电是自然界非常普遍且最强的放电现象，同时产生强烈的电磁辐射。雷电以其巨大的电磁能量严重威胁电子设备的安全可靠运行。在信息化电子设备广泛使用的今天，因雷电的作用而蒙受损失的事件非常多，这类事件造成的损失越来越严重。而人们对雷电现象的认识还远远不够，有大量的科学问题还没解决，需要进行全面深入的观测、理论研究和试验验证。不管是雷电机理研究，还是对雷电效应、雷电防护和雷电定位研究等，都需要对雷电电磁脉冲电场进行测量。

早期的雷电电磁脉冲测量采用的是一维传感器，只能测量垂直方向上的脉冲电场。后来为了更全面地研究雷电电磁脉冲电场，发展为三维的传感器，能得到更加丰富的雷电信息。目前的三维脉冲电场传感器，采用平板天线或杆天线，水平方向上应用差分结构，克服共模干扰，测到了大量的雷电电磁脉冲电场数据，为雷电电磁脉冲的数据积累和研究起到了重要的作用。但是，这些三维电场传感器外形基本上是六面体，是长方体或正方体，体积较大，从天线板或天线棒将信号引入到调理电路需要一段电缆。这些电缆存在电磁干扰和线缆两端的匹配问题，尤其是对高频信号影响非常大。而且在三维方向上的电场是独立计算，当电场在三维方向上相互耦合时，就产生互耦，影响测量的准确性。现有三维脉冲电场测量装置的天线和安装调理电路的屏蔽壳是分体的，因此对生产加工和安装调试要求较高，很不方便。水平方向上的一对差分平板天线或棒天线距离较大，占据空间体积也大，不易于在有界波模拟器或TEM小室中进行天线灵敏系数标定。

实用新型内容

针对现有的脉冲电场三维测量中所存的问题和不足，本实用新型的目的是设计一种三棱锥形三维脉冲电场测量装置，利用PCB做装置外壳，电场平板天线直接刻蚀在外侧的PCB板铜层上，PCB板中间有接地铜层，起到屏蔽电磁干扰作用，内侧PCB铜层布线和安装贴片元件，天线匹配方便，抗电磁干扰能力强，加工、安装方便，成本低廉。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种三棱锥形三维脉冲电场测量装置，包括平板天线和调理电路一体化的三块等腰直角三角形的多层PCB电路板、激光供能模块、电光转换模块、等边三角形的底板和全介质光缆；其特征在于，三块等腰直角三角形的多层PCB电路板相互正交成直角锥状，并且与等边三角形底板构成一个三棱锥形的四面体。

所述的平板天线和调理电路一体化，其特征在于，平板天线和调理电路制作到同一块4层PCB电路板上，在最外一层铜层直接刻蚀出平板天线；第二层铜层为地层，起屏蔽作用；第三层铜层为布线层；第四层铜层为元件层，用于安装表面贴装(贴片)电子元器件。

所述的三块等腰直角三角形的多层PCB电路板和等边三角形底板构成一个三棱锥形的四面体，其特征在于，PCB制板时，在其TopSolder层边沿留出一条上锡且接地的线条，四面体组装时，由细长的薄铜条将接缝用锡焊接起来，使整个测量装置构成一个完整的屏蔽体。

所述的调理电路，其特征在于，平板天线直接与调理电路的高速运算放大器的反相输入端连接，高速运算放大器的同相输入端接地，形成低阻抗输入。高速运算放大器反馈支路不接积分电容时，测量脉冲电场的变化率；接积分电容时还原被测脉冲电场的时域波形。

所述的电光转换模块，其特征在于，将调理电路输出的电场信号转换成光信号，由光纤从测量装置输出送到远处的光接收机，转换成电信号，再由数字采集系统转换成计算机处理的数字信号。

所述的激光供能模块，其特征在于，将远处激光器发出且通过光缆送来的激光能量转换成电能，给调理电路和电光模块提供电能。

所述的全介质光缆，其特征在于，包括传输供能激光的光缆和传输测量信号的光缆，不含金属加强筋，从测量装置的底板穿过。

用三棱锥形脉冲电场测量装置测量脉冲电场的方法如下：

(1)用有界波模拟器对三棱锥形脉冲电场测量装置的每一块正交平板天线进行标定；被标定的那一块平板天线水平放到有界波模拟器的工作空间中，由有界波模拟器产生的脉冲电场峰值和天线的输出电压峰值，分别算出三块平板天线的电场测量灵敏系数k₁，k₂，k₃；

(2)测量时将测量装置按给定的位置放置，使测量装置的底面与xoy水平面平行，第1块平板天线的底线与x轴平行；

(3)由三棱锥的三块平板天线测量脉冲电场的输出电压分别除以对应的平板天线的电场测量灵敏系数k₁，k₂，k₃，得到平板天线法向上的电场E₁、E₂和E₃；

(4)由下面三个公式

$E_z=-\frac{E_1+E_2+E_3}{\sqrt{3}}$

$E_y=\frac{E_1-E_2-E_3-E_z/\sqrt{3}}{2\sqrt{2}/\sqrt{3}}$

$E_x=\frac{E_3-E_2}{\sqrt{2}}$

分别计算出三维直角坐标轴方向上的正交电场分量E_x、E_y和E_z。

本实用新型的脉冲电场测量原理如下：

假设某一电场E(t)垂直入射到平板天线(极化方向垂直于平板天线)，则平板天线上感应出的电荷Q(t)为：

Q(t)＝-ε₀AE(t)(1)

式(1)中ε₀的为空气介电常数，近似地取ε₀＝8.85×10^-12F/m；E(t)为被测的电场；A为平板天线的面积。平板天线直接接到调理电路运算放大器低阻输入端，输入电阻近似为0，天线感应电场产生的电荷即刻流走，电荷的变化率即为电流，因此有公式(2)

$i\left(t\right)=\∂Q\left(t\right)/\∂t=-{\mathrm{\ϵ}}_{0}A\∂E\left(t\right)/\∂t---\left(2\right)$

从式(2)可知平板天线输出的电流与被测电场E(t)的变化率对应，雷电电磁脉冲电场的变化率可用于雷电定位，通过积分还原可得到其时域波形E(t)。

假设三棱锥的平板天线1的底边正好在x轴上，三棱锥的底面在xoy水平面上。

设平板天线与xoy平面的夹角为α，则有

$\cos \mathrm{\α}=1/\sqrt{3}---\left(3\right)$

$\sin \mathrm{\α}=\sqrt{2}/\sqrt{3}---\left(4\right)$

设空中某一被测三维电场是三个坐标轴方向的三个矢量分量之和，表示为

$\stackrel{\→}{E}=\stackrel{\→}{E_x}+\stackrel{\→}{E_y}+\stackrel{\→}{E_z}---\left(5\right)$

以直角坐标所指方向为三维电场的参考方向。三个正交分量的大小分别为E_x、E_y和E_z。

矢量沿某平面法向分解后与平面面积的积等于该矢量与该平面面积在与矢量垂直的平面上投影的积。因此，E_x在平板天线1上的响应为0，在平板天线2和平板天线3上的响应大小相等，方向相反；E_y在平板天线1上的响应与在平板天线2、3上的响应之和大小相等，方向相反；E_z在平板天线1、2、3上的响应相等。

则平板天线1对被测电场的响应E₁为

E₁＝-E_zcosα+0E_x+E_ysinα(6)

假设平板天线2和3的交线为CD，过直线CD且垂直于底面的平面交三棱锥得△CDE。设平板天线的等腰直角三角形的直角边长为1，面积为1/2，底边长为则线段线段△CDE的面积为E_x在平板天线2上的投影等效于在△CDE上的投影。

则平板天线2对被测电场的响应E₂为

$E_2=-E_z\cos \mathrm{\α}-\frac{\sqrt{2}}{2}{E}_x-\frac{1}{2}{E}_y\sin \mathrm{\α}---\left(7\right)$

则平板天线3对被测电场的响应E₃为

$E_3=-E_z\cos \mathrm{\α}+\frac{\sqrt{2}}{2}{E}_x-\frac{1}{2}{E}_y\sin \mathrm{\α}---\left(8\right)$

由公式(6)～公式(8)可求得被测量三维电场分量分别为

$E_z=-\frac{E_1+E_2+E_3}{3\cos \mathrm{\α}}=-\frac{E_1+E_2+E_3}{\sqrt{3}}---\left(9\right)$

$\begin{array}{c}{E}_y=\frac{E_1+E_z\cos \mathrm{\α}-(E_2+E_3+2E_z\cos \mathrm{\α})}{2\sin \mathrm{\α}}\\ =\frac{E_1-E_2-E_3-E_z\cos \mathrm{\α}}{2\sin \mathrm{\α}}\\ =\frac{E_1-E_2-E_3-E_z/\sqrt{3}}{2\sqrt{2}/\sqrt{3}}\end{array}---\left(10\right)$

$E_x=\frac{E_3-E_2}{\sqrt{2}}---\left(11\right)$

根据公式(9)～公式(11)，由三块正交的平板天线测得的三个电场响应值E₁、E₂和E₃，可求得被测电场在三维直角坐标轴方向上的三个正交分量E_x、E_y和E_z。

本实用新型与现有技术相比，其显著优点是：

1、PCB电路板与测量装置外壳一体化设计，结构简单，PCB电路板加工精度高，且生产加工和安装调试方便，价格低廉。

2、感应电场的平板天线与调理电路制作在同一块多层PCB电路板上，去除了平板天线与调理电路连接电缆存在电磁干扰和电缆两端的匹配问题，容易扩展信号测量频率带宽。

3、使用对称的三棱锥结构，通过计算，对水平二维电场测量实现了差分测量，克服了共模干扰。

4、用光纤传输激光来供能，输出信号也由光纤传输，抗干扰能力强，同时克服了外接电缆对被测场的扰动；不需要蓄电池供电，维护容易。

5、测量装置体积小，易于在有界波模拟器或TEM小室中进行天线灵敏系数标定。

6、三维方向上的电场通过正交的三块平板天线解算出来，减小了电场在三维方向上的互耦，提高测量的精度。

附图说明

图1是本实用新型的三棱锥形三维脉冲电场测量装置原理图；

图2是本实用新型的脉冲电场测量调理电路原理图；

图3是本实用新型的三棱锥形三维脉冲电场平板天线的坐标图；

图4是本实用新型的经过三棱锥棱线CD的对三棱锥的垂直剖面图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式来对本实用新型作进一步详细说明。

实施例：参考图1，三棱锥形三维脉冲电场测量装置，包括平板天线1、2、3，调理电路4、5、6，电光转换模块7、8、9，激光供能模块13，以及全介质光缆10、11、12、14；其特征在于，平板天线和对应的调理电路制作在同一块等腰直角三角形的4层PCB电路板上，完全一致的三块等腰直角三角形的四层PCB电路板相互正交，组合在一起成直角锥状，倒扣在一个等边三角形底板上，构成一个三棱锥形的四面体。对每一块4层PCB电路板，在第一层铜层直接刻蚀出一个三角形面或圆形面(频率较高时选用圆形面)作为感应电场信号的平板天线，放在外侧；第二层为地层起到电磁屏蔽作用；第三层铜层为布线层；第四层为元件安装层，用于安装天线的调理电路，元件均用贴片元件，体积小、抗电磁干扰能力强。PCB制板时，在其TopSolder层边沿留出一条上锡且接地的线条。在四面体组装时，由细长的薄铜条将接缝用锡焊接起来，使整个测量装置构成一个完整的屏蔽体。整个三棱锥形三维电场测量装置平板天线与装置外壳浑然一体。

三棱锥内装激光供能模块13，是由Photonic公司研制的PPC-6E光电池构成，将远处激光器发出且通过光缆14送来的激光能量转换成电能，给整个测量装置供电。脉冲电场信号通过电光转换模块7、8、9转换成光信号由光缆10、11、12输出，在远端由光接收机将电场光信号转换成电信号，再由数字采集装置转换成数字信号，用计算机进行处理。传输供能激光的光缆14和传输测量信号的光缆10、11、12是全介质光缆，从测量装置的底板穿过。

参考图2，每一块平板天线的输出直接接到以高速运算放大器构成的低阻抗调理电路，将电场信号转换成电信号。高速运算放大器的同相输入端接地，平板天线与高速运算放大器的反相输入端连接，形成低阻抗输入。高速运算放大器反馈支路不接积分电容Cf时，测量脉冲电场的变化率；接积分电容Cf时，还原被测脉冲电场的时域波形。

三维的平板天线既不是水平放置，也不是垂直放置，水平方向的电场分量和垂直方向的电场分量经过计算还原出来。

假设某一电场E(t)垂直入射到平板天线(极化方向垂直于平板天线)，则平板天线上感应出的电荷Q(t)为：

Q(t)＝-ε₀AE(t)(1)

式(1)中ε₀的为介电常数，近似地取ε₀＝8.85×10^-12F/m；E(t)为被测的电场；A为平板天线的面积。平板天线直接接到调理电路运算放大器低阻输入端，输入电阻近似为0，天线感应电场产生的电荷即刻流走，电荷的变化率即为电流，有公式(2)

$i\left(t\right)=\∂Q\left(t\right)/\∂t=-{\mathrm{\ϵ}}_{0}A\∂E\left(t\right)/\∂t---\left(2\right)$

从式(2)可知平板天线输出的电流与被测电场E(t)的变化率对应，雷电电磁脉冲电场的变化率可用于雷电定位，通过积分还原可得到其时域波形E(t)。

参考图3，平板天线1的底边在x轴上，三棱锥的底面在xoy水平面上。

设平板天线与xoy水平面的夹角为α，则有

$\cos \mathrm{\α}=1/\sqrt{3}---\left(3\right)$

$\sin \mathrm{\α}=\sqrt{2}/\sqrt{3}---\left(4\right)$

空中某一被测三维电场是三维直角坐标轴方向的三个矢量分量之和，表示为

$\stackrel{\→}{E}=\stackrel{\→}{E_x}+\stackrel{\→}{E_y}+\stackrel{\→}{E_z}---\left(5\right)$

以直角坐标所指方向为三维电场考方向。三个正交分量的大小分别为E_x、E_y和E_z。

矢量沿某平面法向分解后与平面面积的积等于该矢量与该平面面积在与矢量垂直的平面上投影的积。因此，E_x在平板天线1上的响应为0，在平板天线2和平板天线3上的响应大小相等，方向相反；E_y在平板天线1上的响应与在平板天线2、3上的响应之和大小相等，方向相反；E_z在平板天线1、2、3上的响应相等。因此有

平板天线1对被测电场的响应E₁为

E₁＝-E_zcosα+0E_x+E_ysinα(6)

参考图4，假设过直线CD且垂直于底面的平面交三棱锥得△CDE。设平板天线的等腰直角三角形的直角边长为1，面积为1/2，底边长为则线段线段△CDE的面积为E_x在平板天线2上的投影等效于在△CDE上的投影。

平板天线2对被测电场的响应E₂为

$E_2=-E_z\cos \mathrm{\α}-\frac{\sqrt{2}}{2}{E}_x-\frac{1}{2}{E}_y\sin \mathrm{\α}---\left(7\right)$

平板天线3对被测电场的响应E₃为

$E_3=-E_z\cos \mathrm{\α}+\frac{\sqrt{2}}{2}{E}_x-\frac{1}{2}{E}_y\sin \mathrm{\α}---\left(8\right)$

由公式(6)～公式(8)可求得被测量三维电场分量分别为

$E_z=-\frac{E_1+E_2+E_3}{3\cos \mathrm{\α}}=-\frac{E_1+E_2+E_3}{\sqrt{3}}---\left(9\right)$

$\begin{array}{c}{E}_y=\frac{E_1+E_z\cos \mathrm{\α}-(E_2+E_3+2E_z\cos \mathrm{\α})}{2\sin \mathrm{\α}}\\ =\frac{E_1-E_2-E_3-E_z\cos \mathrm{\α}}{2\sin \mathrm{\α}}\\ =\frac{E_1-E_2-E_3-E_z/\sqrt{3}}{2\sqrt{2}/\sqrt{3}}\end{array}---\left(10\right)$

$E_x=\frac{E_3-E_2}{\sqrt{2}}---\left(11\right)$

根据公式(9)～公式(11)，由三块正交的平板天线1、2、3测得的三维电场响应值E₁、E₂和E₃，可求得被测电场直角坐标轴方向上的三个正交分量E_x、E_y和E_z。

用三棱锥形脉冲电场测量装置测量脉冲电场的方法如下：

(1)用有界波模拟器对三棱锥形脉冲电场测量装置的每一块正交平板天线进行标定；被标定的那一块平板天线水平放到有界波模拟器的工作空间中，由有界波模拟器产生的脉冲电场峰值和天线的输出电压峰值，分别算出三块平板天线的电场测量灵敏系数k₁，k₂，k₃；

(2)测量时将测量装置按给定的位置放置，使测量装置的底面与xoy水平面平行，第1块平板天线的底线与x轴平行；

(3)由三棱锥的三块平板天线测量脉冲电场的输出电压分别除以对应的平板天线的电场测量灵敏系数k₁，k₂，k₃，得到平板天线法向上的电场E₁、E₂和E₃；

(4)由下面三个公式

$E_z=-\frac{E_1+E_2+E_3}{\sqrt{3}}$

$E_y=\frac{E_1-E_2-E_3-E_z/\sqrt{3}}{2\sqrt{2}/\sqrt{3}}$

$E_x=\frac{E_3-E_2}{\sqrt{2}}$

分别计算出三维直角坐标轴方向上的正交电场分量E_x、E_y和E_z。

Claims (7)

1.一种三棱锥形三维脉冲电场测量装置，包括平板天线和调理电路一体化的三块等腰直角三角形的多层PCB电路板、激光供能模块、电光转换模块、等边三角形的底板和全介质光缆；其特征是，三块等腰直角三角形的多层PCB电路板相互正交成直角锥状，并且与等边三角形底板构成一个三棱锥形的四面体。

2.根据权利要求1所述的三棱锥形三维脉冲电场测量装置，其特征是，平板天线和调理电路制作到同一块4层PCB电路板上，在最外一层铜层直接刻蚀出平板天线；第二层铜层为地层，起屏蔽作用；第三层铜层为布线层；第四层铜层为元件层，用于安装贴片电子元器件。

3.根据权利要求1所述的三棱锥形三维脉冲电场测量装置，其特征是，三块等腰直角三角形的多层PCB电路板的TopSolder层边沿留出一条上锡且接地的线条。

4.根据权利要求1所述的三棱锥形三维脉冲电场测量装置，其特征是，平板天线直接与调理电路的高速运算放大器的反相输入端连接，高速运算放大器的同相输入端接地，形成低阻抗输入；高速运算放大器反馈支路不接积分电容时，测量脉冲电场的变化率，接积分电容时还原被测脉冲电场的时域波形。

5.根据权利要求1所述的三棱锥形三维脉冲电场测量装置，其特征是，电光转换模块将调理电路输出的电场信号转换成光信号由光缆输出。

6.根据权利要求1所述的三棱锥形三维脉冲电场测量装置，其特征是，激光供能模块将光缆送来的激光能量转换成电能，给调理电路和电光模块提供电能。

7.根据权利要求1所述的三棱锥形三维脉冲电场测量装置，其特征是，全介质光缆包括传输供能激光的光缆和传输测量信号的光缆，不含金属加强筋，从测量装置的底板穿过。