圖1是本實用新型的三棱錐形三維脈沖電場測量裝置原理圖；
[0056] 圖2是本實用新型的脈沖電場測量調理電路原理圖；
[0057] 圖3是本實用新型的三棱錐形三維脈沖電場平板天線的坐標圖；
[0058] 圖4是本實用新型的經過三棱錐棱線⑶的對三棱錐的垂直剖面圖。
【具體實施方式】
[0059] 下面結合附圖和【具體實施方式】來對本實用新型作進一步詳細說明。
[0060] 實施例：參考圖1，三棱錐形三維脈沖電場測量裝置，包括平板天線1、2、3,調理電 路4、5、6,電光轉換模塊7、8、9,激光供能模塊13,以及全介質光纜10、11、12、14 ;其特征在 于，平板天線和對應的調理電路制作在同一塊等腰直角三角形的4層PCB電路板上，完全一 致的三塊等腰直角三角形的四層PCB電路板相互正交，組合在一起成直角錐狀，倒扣在一 個等邊三角形底板上，構成一個三棱錐形的四面體。對每一塊4層PCB電路板，在第一層銅 層直接刻蝕出一個三角形面或圓形面（頻率較高時選用圓形面）作為感應電場信號的平板 天線，放在外側；第二層為地層起到電磁屏蔽作用；第三層銅層為布線層；第四層為元件安 裝層，用于安裝天線的調理電路，元件均用貼片元件，體積小、抗電磁干擾能力強。PCB制板 時，在其TopSolder層邊沿留出一條上錫且接地的線條。在四面體組裝時，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。整個三棱錐形三維電場測 量裝置平板天線與裝置外殼渾然一體。
[0061] 三棱錐內裝激光供能模塊13,是由Photonic公司研制的PPC-6E光電池構成，將遠 處激光器發出且通過光纜14送來的激光能量轉換成電能，給整個測量裝置供電。脈沖電場 信號通過電光轉換模塊7、8、9轉換成光信號由光纜10、11、12輸出，在遠端由光接收機將電 場光信號轉換成電信號，再由數字采集裝置轉換成數字信號，用計算機進行處理。傳輸供能 激光的光纜14和傳輸測量信號的光纜10、11、12是全介質光纜，從測量裝置的底板穿過。
[0062] 參考圖2,每一塊平板天線的輸出直接接到以高速運算放大器構成的低阻抗調理 電路，將電場信號轉換成電信號。高速運算放大器的同相輸入端接地，平板天線與高速運算 放大器的反相輸入端連接，形成低阻抗輸入。高速運算放大器反饋支路不接積分電容Cf 時，測量脈沖電場的變化率；接積分電容Cf時，還原被測脈沖電場的時域波形。
[0063] 三維的平板天線既不是水平放置，也不是垂直放置，水平方向的電場分量和垂直 方向的電場分量經過計算還原出來。
[0064] 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：
[0065] Q (t) = - ε 0AE (t) (I)
[0066] 式⑴中ε。的為介電常數，近似地取ε。= 8. 85X 10 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 〇,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，有公式⑵
[0068] 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)。
[0069] 參考圖3,平板天線1的底邊在X軸上，三棱錐的底面在xoy水平面上。
[0070] 設平板天線與xoy水平面的夾角為α，則有
[0073] 空中某一被測三維電場是三維直角坐標軸方向的三個矢量分量之和，表不為
[0075] 以直角坐標所指方向為三維電場考方向。三個正交分量的大小分別為Ex、EjP E ζ。
[0076] 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。因此有
[0077] 平板天線1對被測電場的響應E#
[0078] E1=-Ez cos a+〇Ex+Ey sina (6)
[0079] 參考圖4,假設過直線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7^，則線段
，線段
，Λ⑶E的面積為Τ?/4。Ex在平板天線2上的投影等效于在Λ⑶E上的投影。
[0080] 平板天線2對被測電場的響應E2S
[0082] 平板天線3對被測電場的響應E3S CN 204903658 U 說明書 6/6 頁
[0084] 由公式（6)~公式⑶可求得被測量三維電場分量分別為
[0088] 根據公式（9)~公式（11)，由三塊正交的平板天線1、2、3測得的三維電場響應值 Ep匕和E 3，可求得被測電場直角坐標軸方向上的三個正交分量Ex、E z。
[0089] 用三棱錐形脈沖電場測量裝置測量脈沖電場的方法如下：
[0090] (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ki， k2, k3;
[0091] (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xoy水平面平行， 第1塊平板天線的底線與X軸平行；
[0092] (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;
[0093] (4)由下面三個公式
[0097] 分別計算出三維直角坐標軸方向上的正交電場分量Ex、匕和E z。
【主權項】
1. 一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；其特征是，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。2. 根據權利要求1所述的三棱錐形三維脈沖電場測量裝置，其特征是，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，用于安裝貼片電子元器 件。3. 根據權利要求1所述的三棱錐形三維脈沖電場測量裝置，其特征是，三塊等腰直角 三角形的多層PCB電路板的TopSolder層邊沿留出一條上錫且接地的線條。4. 根據權利要求1所述的三棱錐形三維脈沖電場測量裝置，其特征是，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。5. 根據權利要求1所述的三棱錐形三維脈沖電場測量裝置，其特征是，電光轉換模塊 將調理電路輸出的電場信號轉換成光信號由光纜輸出。6. 根據權利要求1所述的三棱錐形三維脈沖電場測量裝置，其特征是，激光供能模塊 將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。7. 根據權利要求1所述的三棱錐形三維脈沖電場測量裝置，其特征是，全介質光纜包 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。
【專利摘要】本實用新型涉及一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3塊等腰直角三角形的多層PCB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；三塊等腰直角三角形的多層PCB電路板相互正交，并且與等邊三角形底板構成一個三棱錐形的四面體。測量裝置的底面水平放置，第1塊平板天線的底線與x軸平行，由3塊平板天線測量值E1、E2和E3，算出三維直角坐標軸方向的電場Ex、Ey和Ez。PCB板與天線、裝置外殼一體化設計，結構簡單，體積小，測量頻帶寬；PCB板加工精度高，安裝方便，價格低廉；能量和信號由光纜傳輸，抗電磁干擾能力強，克服了外接電纜對被測場的擾動。
【IPC分類】G01R29/08
【公開號】CN204903658
【申請號】CN201520526606
【發明人】李俊杰, 李炎新
【申請人】李俊杰
【公開日】2015年12月23日
【申請日】2015年7月17日