三棱錐形三維脈沖電場測量裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種三棱錐形三維脈沖電場測量裝置，特別是一種用于三維雷電 電磁脈沖電場的測量裝置。
【背景技術】
[0002] 雷電是自然界非常普遍且最強的放電現象，同時產生強烈的電磁輻射。雷電以其 巨大的電磁能量嚴重威脅電子設備的安全可靠運行。在信息化電子設備廣泛使用的今天， 因雷電的作用而蒙受損失的事件非常多，這類事件造成的損失越來越嚴重。而人們對雷電 現象的認識還遠遠不夠，有大量的科學問題還沒解決，需要進行全面深入的觀測、理論研究 和試驗驗證。不管是雷電機理研究，還是對雷電效應、雷電防護和雷電定位研究等，都需要 對雷電電磁脈沖電場進行測量。
[0003] 早期的雷電電磁脈沖測量采用的是一維傳感器，只能測量垂直方向上的脈沖電 場。后來為了更全面地研究雷電電磁脈沖電場，發展為三維的傳感器，能得到更加豐富的雷 電信息。目前的三維脈沖電場傳感器，采用平板天線或桿天線，水平方向上應用差分結構， 克服共模干擾，測到了大量的雷電電磁脈沖電場數據，為雷電電磁脈沖的數據積累和研究 起到了重要的作用。但是，這些三維電場傳感器外形基本上是六面體，是長方體或正方體， 體積較大，從天線板或天線棒將信號引入到調理電路需要一段電纜。這些電纜存在電磁干 擾和線纜兩端的匹配問題，尤其是對高頻信號影響非常大。而且在三維方向上的電場是獨 立計算，當電場在三維方向上相互耦合時，就產生互耦，影響測量的準確性。現有三維脈沖 電場測量裝置的天線和安裝調理電路的屏蔽殼是分體的，因此對生產加工和安裝調試要求 較高，很不方便。水平方向上的一對差分平板天線或棒天線距離較大，占據空間體積也大， 不易于在有界波模擬器或TEM小室中進行天線靈敏系數標定。 【實用新型內容】
[0004] 針對現有的脈沖電場三維測量中所存的問題和不足，本實用新型的目的是設計一 種三棱錐形三維脈沖電場測量裝置，利用PCB做裝置外殼，電場平板天線直接刻蝕在外側 的PCB板銅層上，PCB板中間有接地銅層，起到屏蔽電磁干擾作用，內側PCB銅層布線和安 裝貼片元件，天線匹配方便，抗電磁干擾能力強，加工、安裝方便，成本低廉。
[0005] 本實用新型的目的可以通過以下技術方案來實現：
[0006] -種三棱錐形三維脈沖電場測量裝置，包括平板天線和調理電路一體化的三塊等 腰直角三角形的多層PCB電路板、激光供能模塊、電光轉換模塊、等邊三角形的底板和全介 質光纜；其特征在于，三塊等腰直角三角形的多層PCB電路板相互正交成直角錐狀，并且與 等邊三角形底板構成一個三棱錐形的四面體。
[0007] 所述的平板天線和調理電路一體化，其特征在于，平板天線和調理電路制作到同 一塊4層PCB電路板上，在最外一層銅層直接刻蝕出平板天線；第二層銅層為地層，起屏蔽 作用；第三層銅層為布線層；第四層銅層為元件層，用于安裝表面貼裝（貼片）電子元器 件。
[0008] 所述的三塊等腰直角三角形的多層PCB電路板和等邊三角形底板構成一個三棱 錐形的四面體，其特征在于，PCB制板時，在其TopSolder層邊沿留出一條上錫且接地的線 條，四面體組裝時，由細長的薄銅條將接縫用錫焊接起來，使整個測量裝置構成一個完整的 屏蔽體。
[0009] 所述的調理電路，其特征在于，平板天線直接與調理電路的高速運算放大器的反 相輸入端連接，高速運算放大器的同相輸入端接地，形成低阻抗輸入。高速運算放大器反饋 支路不接積分電容時，測量脈沖電場的變化率；接積分電容時還原被測脈沖電場的時域波 形。
[0010] 所述的電光轉換模塊，其特征在于，將調理電路輸出的電場信號轉換成光信號，由 光纖從測量裝置輸出送到遠處的光接收機，轉換成電信號，再由數字采集系統轉換成計算 機處理的數字信號。
[0011] 所述的激光供能模塊，其特征在于，將遠處激光器發出且通過光纜送來的激光能 量轉換成電能，給調理電路和電光模塊提供電能。
[0012] 所述的全介質光纜，其特征在于，包括傳輸供能激光的光纜和傳輸測量信號的光 纜，不含金屬加強筋，從測量裝置的底板穿過。
[0013] 用三棱錐形脈沖電場測量裝置測量脈沖電場的方法如下：
[0014] (1)用有界波模擬器對三棱錐形脈沖電場測量裝置的每一塊正交平板天線進行標 定；被標定的那一塊平板天線水平放到有界波模擬器的工作空間中，由有界波模擬器產生 的脈沖電場峰值和天線的輸出電壓峰值，分別算出三塊平板天線的電場測量靈敏系數4， k2, k3;
[0015] (2)測量時將測量裝置按給定的位置放置，使測量裝置的底面與X0y水平面平行， 第1塊平板天線的底線與X軸平行；
[0016] (3)由三棱錐的三塊平板天線測量脈沖電場的輸出電壓分別除以對應的平板天線 的電場測量靈敏系數h，k2, k3，得到平板天線法向上的電場Ep EjP E 3;
[0017] (4)由下面三個公式
[0021] 分別計算出三維直角坐標軸方向上的正交電場分量Ex、E z。
[0022] 本實用新型的脈沖電場測量原理如下：
[0023] 假設某一電場E(t)垂直入射到平板天線（極化方向垂直于平板天線），則平板天 線上感應出的電荷Q (t)為：
[0024] Q (t) = - ε 0AE (t) (I)
[0025] 式⑴中ε。的為空氣介電常數，近似地取ε Q= 8. 85X10 12F/m;E(t)為被測的 電場；A為平板天線的面積。平板天線直接接到調理電路運算放大器低阻輸入端，輸入電阻 近似為0,天線感應電場產生的電荷即刻流走，電荷的變化率即為電流，因此有公式⑵
[0027] 從式（2)可知平板天線輸出的電流與被測電場E (t)的變化率對應，雷電電磁脈沖 電場的變化率可用于雷電定位，通過積分還原可得到其時域波形E (t)。
[0028] 假設三棱錐的平板天線1的底邊正好在X軸上，三棱錐的底面在xoy水平面上。
[0029] 設平板天線與xoy平面的夾角為α，則有
[0032] 設空中某一被測三維電場是三個坐標軸方向的三個矢量分量之和，表不為
[0034] 以直角坐標所指方向為三維電場的參考方向。三個正交分量的大小分別為Ex、E y 和Εζ。
[0035] 矢量沿某平面法向分解后與平面面積的積等于該矢量與該平面面積在與矢量垂 直的平面上投影的積。因此，Ex在平板天線1上的響應為0,在平板天線2和平板天線3上 的響應大小相等，方向相反；Ey在平板天線1上的響應與在平板天線2、3上的響應之和大小 相等，方向相反；Ez在平板天線1、2、3上的響應相等。
[0036] 則平板天線1對被測電場的響應E1S
[0037] E1=-Ez cos a+〇Ex+Ey sina (6)
[0038] 假設平板天線2和3的交線為⑶，過直線⑶且垂直于底面的平面交三棱錐得 Λ⑶E。設平板天線的等腰直角三角形的直角邊長為1，面積為1/2,底邊長為^，則線段
，線段
，Λ OTE的面積為.。Ex在平板天線2上的投影等效于在 Λ⑶E上的投影。
[0039] 則平板天線2對被測電場的響應E2S
[0041 ] 則平板天線3對被測電場的響應E3S
[0043] 由公式（6)~公式⑶可求得被測量三維電場分量分別為
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[0047] 根據公式（9)~公式（11)，由三塊正交的平板天線測得的三個電場響應值E2和E3，可求得被測電場在三維直角坐標軸方向上的三個正交分量Ex、匕和E z。
[0048] 本實用新型與現有技術相比，其顯著優點是：
[0049] 1、PCB電路板與測量裝置外殼一體化設計，結構簡單，PCB電路板加工精度高，且 生產加工和安裝調試方便，價格低廉。
[0050] 2、感應電場的平板天線與調理電路制作在同一塊多層PCB電路板上，去除了平板 天線與調理電路連接電纜存在電磁干擾和電纜兩端的匹配問題，容易擴展信號測量頻率帶 寬。
[0051] 3、使用對稱的三棱錐結構，通過計算，對水平二維電場測量實現了差分測量，克服 了共模干擾。
[0052] 4、用光纖傳輸激光來供能，輸出信號也由光纖傳輸，抗干擾能力強，同時克服了外 接電纜對被測場的擾動；不需要蓄電池供電，維護容易。
[0053] 5、測量裝置體積小，易于在有界波模擬器或TEM小室中進行天線靈敏系數標定。
[0054] 6、三維方向上的電場通過正交的三塊平板天線解算出來，減小了電場在三維方向 上的互耦，提高測量的精度。
【附圖說明】
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