CN214473634U - 一种基于分布电容分压原理的纳秒级电场测量探头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于分布电容分压原理的纳秒级电场测量探头；包括金属接地板和等效电路图，所述金属接地板通过绝缘支座连接天线，所述金属板接地板的底部连接有屏蔽盖板，所述金属接地板的内部镶嵌有线槽和同轴线；所述等效电路图中包括有电场探头、等效阻抗、积分电路和测量终端；本实用新型应用于时域电场变化的监测，探头配合积分器，输出电压波形直接反应电场波形，电场探头采用微分方案设计，使天线的传输特性等效为与测量传输线相同阻抗，减小天线分布电感对测量高频信号的影响，提高了上线频率，测量电缆置于屏蔽壳内，避免了外界脉冲对屏蔽电缆的影响，根据不同电场大小，改变天线高度实现采样系数的调整。

Description

一种基于分布电容分压原理的纳秒级电场测量探头

技术领域

本发明属于电场测量探头技术领域，具体涉及一种基于分布电容分压原理的纳秒级电场测量探头。

背景技术

在现在复杂电磁环境中，核爆、雷电等放电过程中会产生一种具有场强大、前沿快、频带范围宽的电磁脉冲信号，容易对电力系统、电子电气设备产生严重的干扰和破坏，因此对电场脉冲环境特性的研究，对电磁脉冲的防护加固等尤为重要，在进行研究过程中准确的测量这种高场强、快前沿、宽频带的电磁脉冲信号是研究的基础。这种电磁脉冲信号一般上升时间最小仅几纳秒，持续时间最大可到数十微秒，频带范围从几千赫兹到几百兆赫兹，场强范围从几千伏每米到几十千伏每米，最大可到1000kV/m，需要采用电场测量探头进行检测，然而市面上各种的电场测量探头仍存在各种各样的问题。

在电磁兼容测试中常规的电场探头一般为测量被测产品在一定频率范围内的电磁发射和电磁屏蔽等用途，一般场强仅几十伏每米，而用于电磁脉冲试验用途的电场探头一般需要场强达到几十千伏每米，目前一般有以下两种方法实现：其一为微分探头，使用天线直接感应法，通过宽带天线直接获取瞬态电场信号，在经过传输线缆和积分等处理，在监测端可得到与电场基本相同的波形；另一种是原波形测量探头，使用电容采样的方法，将分布电容置于电场环境，电容两端电极感应到电场变化会在电容两端形成变化的电压，通过采样电容两端电压即可得与电场基本相同的波形。

微分探头采用单极子或者偶极子天线进行电场变化信号感应，电场的变化在天线上形成感应电流，通过传输线在测量端经R1和C1的无源积分电路 (或者有源积分电路)，在电容两端形成与电场波形相同的电压波形，可直接由示波器进行测量，这种探头有点是上升时间较快，但天线一般为一定长度的导体，可能会有nH级的电感量，这部分电感在高频时将阻碍电流的变化，对高频采样有较大影响。现实中要解决分布电感的影响比较困难，在进行高场强测量时天线要非常短，这对于天线的固定和精度都有较大影响，尤其是对于积分电路微弱的信号经过无源积分电路，线性度将有较大影响。

原波形测量探头一般采用电容测量法，即设计一个固定间距的两个极板，极板间采用不受外部影响的绝缘材料，当所处环境电场发生变化时，根据电容效应，在两个极板上会产生一个与电场变化相同的电压信号，这个信号与电场场强成正比，然后将电容两端的电压信号通过传输线输送至测量终端匹配电阻，再通过时域测量示波器显示即可。这种探头结构简单，无积分器，但由于电容较大可能会引起高频响应不足的问题，但是并未解决现有天线原理设计的微分电场探头，不可避免或多或少均存在一定电感量，这在测量ns 级电场波形时会造成高频端响应降低，使用电容进行测量的原波形测量探头采用了分布电容原理测量，电容的充放电过程会影响高频信号，在测试普通 us级波形是影响不大，但对于仅2.3ns上升沿时间的核电磁脉冲而言，可能会造成波头时间测量不准确的问题，为此我们提出一种基于分布电容分压原理的纳秒级电场测量探头。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于分布电容分压原理的纳秒级电场测量探头，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于分布电容分压原理的纳秒级电场测量探头，包括金属接地板和等效电路图，所述金属接地板的一端固定设有绝缘支座，所述绝缘支座的内部固定设有天线，所述金属接地板的底部固定连接有屏蔽盖板，所述金属接地板的内部镶嵌有线槽，所述线槽的内部设有同轴线，所述金属接地板的另一端固定设有SMA接口；

所述等效电路图中包括有电场探头、等效阻抗、积分电路和测量终端，所述电场探头等效为受电场变化引起的电流源和由分布电感电容C1组成的电路，所述同轴线等效为传输阻抗，所述积分电路采用RC电路来将探头采集到的微分信号转换为一定频率带宽的时域信号，所述测量终端为示波器；

所述电场探头的传输阻抗可通过以下公式获得：

通过计算可得，当θ角度为47°时，输出阻抗约为50Ω，此时输出端直接连接50Ω的同轴线即可；

在积分器的工作频率范围内ω＜＜1/(RC)，所述电场探头的输出电压幅值由以下公式表达：

所述电场探头配合积分器输出电压波形约正比于电场波形，而输出电压幅值与天线面积成正比，在保证θ角度不变的情况下，增加高度即可增加面积，同时增加输出电压幅值。

优选的，所述天线采用倒锥形球面结构设计，所述天线的锥尖朝向所述金属接地板，且锥尖与所述金属接地板平齐，以及锥面与接地板之间呈θ角度。

优选的，所述锥尖与所述同轴线电性焊接在一起，所述同轴线外的所述线槽为屏蔽层，所述线槽与所述金属接地板固定连接。

优选的，所述绝缘支座和所述天线通过第一固定件和第二固定件固定连接在所述金属接地板上。

优选的，所述金属接地板反面开有槽，所述屏蔽盖板卡合连接在所述金属接地板的槽内，并且所述屏蔽盖板进行屏蔽，所述同轴线的输出端电性连接50Ω的所述SMA接口。

优选的，所述天线用来根据电场变化量产生感应电流，所述感应电流经所述同轴线输出至积分电路，然后将感应电流传输至示波器OSC监测显示。

优选的，所述积分电路中包括有电阻R1和电容C2，所述电阻R1和所述电容C2之间电性连接。

优选的，所述天线的锥尖与所述金属接地板之间夹角为47°、锥尖部分的角度为86°，所述天线的顶部接收信号端采用球形设计，能够减小电场的不均匀性。

优选的，所述金属接地板的内部开设有孔，所述金属接地板中的孔直径与所述线槽外径尺寸相同。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明可应用于时域电场变化的监测，探头配合积分器，输出电压波形直接反应电场波形，直接供示波器监测。

本发明所设计的电场探头采用微分方案设计，补偿了天线分布电感对测量的影响，使天线的传输特性等效为与测量传输线相同阻抗，可有效减小天线分布电感对测量高频信号的影响，提高了上线频率。

本发明在金属接地板上进行开槽设计，使测量电缆置于屏蔽壳内，尽可能避免了外界脉冲对屏蔽电缆的影响。

本发明根据要测量的不同电场大小，可通过改变天线高度实现采样系数的调整。

附图说明

图1为本发明的结构爆炸图示意图；

图2为本发明的电场测量探头等效电路图；

图3为本发明的电场探头工作原理框图。

图中：1、金属接地板；2、绝缘支座；3、天线；4、屏蔽盖板；5、线槽； 6、同轴线；7、SMA接口；8、第一固定件；9、第二固定件。

具体实施方式

下面将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。

请参阅图1-图3，本发明提供一种技术方案：一种基于分布电容分压原理的纳秒级电场测量探头，包括金属接地板和等效电路图，所述金属接地板1 的一端固定设有绝缘支座2，所述绝缘支座2的内部固定设有天线3，所述金属接地板1的底部固定连接有屏蔽盖板4，所述金属接地板1的内部镶嵌有线槽5，所述线槽5的内部设有同轴线6，所述金属接地板1的另一端固定设有 SMA接口7；

所述等效电路图中包括有电场探头、等效阻抗、积分电路和测量终端，所述电场探头等效为受电场变化引起的电流源和由分布电感电容C1组成的电路，所述同轴线6等效为传输阻抗，所述积分电路采用RC电路来将探头采集到的微分信号转换为一定频率带宽的时域信号，所述测量终端为示波器；

所述电场探头的传输阻抗可通过以下公式获得：

通过计算可得，当θ角度为47°时，输出阻抗约为50Ω，此时输出端直接连接50Ω的同轴线6即可；

在积分器的工作频率范围内ω＜＜1/(RC)，所述电场探头的输出电压幅值由以下公式表达：

所述电场探头配合积分器输出电压波形约正比于电场波形，而输出电压幅值与天线3面积成正比，在保证θ角度不变的情况下，增加高度即可增加面积，同时增加输出电压幅值。

为了实现减小电场的不均匀性，并能增加高度，使得信号输出幅值增高，本实施例中，优选的，所述天线3采用倒锥形球面结构设计，所述天线3的锥尖朝向所述金属接地板1，且锥尖与所述金属接地板1平齐，以及锥面与接地板之间呈θ角度，所述天线3的锥尖与所述金属接地板1之间夹角为47°、锥尖部分的角度为86°，所述天线3的顶部接收信号端采用球形设计，能够减小电场的不均匀性。

为了实现对感应电流进行传输，并且实现对同轴线6进行固定和屏蔽干扰，本实施例中，优选的，所述锥尖与所述同轴线6电性焊接在一起，所述同轴线6外的所述线槽5为屏蔽层，所述线槽5与所述金属接地板1固定连接。

为了实现对天线3的角度进行调节，进而实现得到最大采样效率和最高的测量频率，本实施例中，优选的，所述θ角度在增大的时候分布电容减小，波阻抗变大，所述θ角度在减小的时候分布电容增大，波阻抗减小，且通过理论计算使波阻抗与同轴线阻抗一致，能够得到最大采样效率和最高的测量频率。

为了实现对天线3和绝缘支座2进行固定安装连接，本实施例中，优选的，所述绝缘支座2和所述天线3通过第一固定件8和第二固定件9固定连接在所述金属接地板1上。

为了保证探头附近电场均匀性，同时也是测量电缆的保护屏蔽外壳，本实施例中，优选的，所述金属接地板1反面开有槽，所述屏蔽盖板4卡合连接在所述金属接地板1的槽内，并且所述屏蔽盖板4进行屏蔽，所述同轴线6 的输出端电性连接50Ω的所述SMA接口。

为了实现对感应电流的波形进行显示，本实施例中，优选的，所述天线3 用来根据电场变化量产生感应电流，所述感应电流经所述同轴线6输出至积分电路，然后将感应电流传输至示波器OSC监测显示。

为了实现将探头采集到的微分信号转换为一定频率带宽的时域信号，本实施例中，优选的，所述积分电路中包括有电阻R1和电容C2，所述电阻R1 和所述电容C2之间电性连接。

为了实现对线槽5进行稳定的卡合安装，本实施例中，优选的，所述金属接地板1的内部开设有孔，所述金属接地板1中的孔直径与所述线槽5外径尺寸相同。

本发明的工作原理及使用流程：采用单极子天线原理，结合分布电容原理设计的脉冲电场探头，可有效解决天线3的分布电感对测量高频信号的影响。电场探头采用微分方案设计，配合积分器即可实现电磁脉冲的电场测量，频率可达1GHz，且单极子天线主要包括电场探头和积分器两部分。其中电场探头主要用来将电场变化量通过天线产生的感应电流经传输线输出至积分器，再有积分器将电流信号经电阻R1、电容C1积分后由示波器OSC监测显示。且天线3结构采用上端为圆弧面设计，下端采用锥体设计，这样的设计目的在于增大探头周边的均匀性，以及增加天线3与金属接地板1之间的分布电容，以达到匹配天线3的分布电感，使天线3从锥体顶端到底端的传输阻抗一致，从而实现波的无损耗传输，在设计过程中增加θ角度分布电容减小，波阻抗变大，减小θ角度分布电容增大，波阻抗减小，可通过理论计算使波阻抗与传输线阻抗一致，这样既可得到最大采样效率和最高的测量频率，以及整个电场测量系统的等效电路图中等效为四个模块包括：电场探头、等效阻抗、积分电路和测量终端。其中电场探头可等效为受电场变化引起的电流源和由分布电感电容组成的电路，同轴线6等效为传输阻抗，积分电路采用RC用来将探头采集到的微分信号转换为一定频率带宽的时域信号，测量终端为示波器，完成对纳秒级电场的检测。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种基于分布电容分压原理的纳秒级电场测量探头，包括金属接地板和等效电路图，其特征在于：所述金属接地板(1)的一端固定设有绝缘支座(2)，所述绝缘支座(2)的内部固定设有天线(3)，所述金属接地板(1)的底部固定连接有屏蔽盖板(4)，所述金属接地板(1)的内部镶嵌有线槽(5)，所述线槽(5)的内部设有同轴线(6)，所述金属接地板(1)的另一端固定设有SMA接口(7)；

所述等效电路图中包括有电场探头、等效阻抗、积分电路和测量终端，所述电场探头等效为受电场变化引起的电流源和由分布电感电容C1组成的电路，所述同轴线(6)等效为传输阻抗，所述积分电路采用RC电路来将探头采集到的微分信号转换为一定频率带宽的时域信号，所述测量终端为示波器；

所述电场探头的传输阻抗可通过以下公式获得：

通过计算可得，当θ角度为47°时，输出阻抗约为50Ω，此时输出端直接连接50Ω的同轴线(6)即可；

在积分器的工作频率范围内ω＜＜1/(RC)，所述电场探头的输出电压幅值由以下公式表达：

所述电场探头配合积分器输出电压波形约正比于电场波形，而输出电压幅值与天线(3)面积成正比，在保证θ角度不变的情况下，增加高度即可增加面积，同时增加输出电压幅值。

2.根据权利要求1所述的一种基于分布电容分压原理的纳秒级电场测量探头，其特征在于：所述天线(3)采用倒锥形球面结构设计，所述天线(3)的锥尖朝向所述金属接地板(1)，且锥尖与所述金属接地板(1)平齐，以及锥面与接地板之间呈θ角度。

3.根据权利要求2所述的一种基于分布电容分压原理的纳秒级电场测量探头，其特征在于：所述锥尖与所述同轴线(6)电性焊接在一起，所述同轴线(6)外的所述线槽(5)为屏蔽层，所述线槽(5)与所述金属接地板(1)固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于分布电容分压原理的纳秒级电场测量探头，其特征在于：所述绝缘支座(2)和所述天线(3)通过第一固定件(8)和第二固定件(9)固定连接在所述金属接地板(1)上。

5.根据权利要求1所述的一种基于分布电容分压原理的纳秒级电场测量探头，其特征在于：所述金属接地板(1)反面开有槽，所述屏蔽盖板(4)卡合连接在所述金属接地板(1)的槽内，并且所述屏蔽盖板(4)进行屏蔽，所述同轴线(6)的输出端电性连接50Ω的所述SMA接口。

6.根据权利要求1所述的一种基于分布电容分压原理的纳秒级电场测量探头，其特征在于：所述天线(3)用来根据电场变化量产生感应电流，所述感应电流经所述同轴线(6)输出至积分电路，然后将感应电流传输至示波器OSC监测显示。

7.根据权利要求1所述的一种基于分布电容分压原理的纳秒级电场测量探头，其特征在于：所述积分电路中包括有电阻R1和电容C2，所述电阻R1和所述电容C2之间电性连接。

8.根据权利要求1所述的一种基于分布电容分压原理的纳秒级电场测量探头，其特征在于：所述天线(3)的锥尖与所述金属接地板(1)之间夹角为47°、锥尖部分的角度为86°，所述天线(3)的顶部接收信号端采用球形设计。

9.根据权利要求1所述的一种基于分布电容分压原理的纳秒级电场测量探头，其特征在于：所述金属接地板(1)的内部开设有孔，所述金属接地板(1)中的孔直径与所述线槽(5)外径尺寸相同。

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