一种差分式空间电磁脉冲微分传感器的制作方法

本实用新型属于微波测试技术领域，涉及传感器，尤其是一种差分式空间电磁脉冲微分传感器，用于实现空间电磁脉冲信号的准确测量。

背景技术：

电磁脉冲是由核爆炸和非核电磁脉冲弹(高功率微波弹)爆炸产生。核爆炸产生的电磁脉冲称为核电磁脉冲，任何在地面上爆炸的核武器都会产生电磁脉冲，能量大约占核爆炸总能量的百万分之一，产生场强约为几百千伏每米，频率从几百赫兹到几百兆赫兹。非核电磁脉冲弹则利用炸药爆炸或化学燃料燃烧产生的能量，通过微波器件转换成高功率微波辐射能，能发射峰值功率在几吉瓦、产生场强约为几十甚至上百千伏每米，频率为吉赫兹量级的脉冲微波束。

激光打靶是模拟核爆的一个过程，多个电子束同时对靶作用，会产生极强的电磁脉冲信号，对周围的电子设备造成很大的干扰甚至损坏。电磁脉冲会对电子设备造成损伤，但现在也被更多地应用。高功率微波武器会产生极强的电磁脉冲信号，对敌方的电子设备造成暂时或永久性故障。gjb151b-2013中rs105项中，在tem小室、gtem小室以及平行板传输线等装置中会产生几十千伏每米的强电磁脉冲信号，用于检测设备的瞬态电磁场辐射敏感度。所以，对电磁脉冲信号的准确测量越来越重要。

目前，对空间电磁脉冲信号的测量主要有两种形式，一种是利用传统天线进行测量，文献《高功率微波辐射场功率密度测量系统》(激光与粒子束，2004，16(01):0-0)中，利用角锥喇叭天线、波导耦合器、波同转换器、微波长电缆、衰减器、检波器、示波器组成的测量系统对高功率微波产生的电磁脉冲信号进行测量。另一种是利用电磁脉冲传感器进行测量，文献《纳秒电磁脉冲测量用d-dot探头设计及实验》(强激光与粒子束，2015，27(11))中，设计了一种单极子角锥探头，频带宽度约为800mhz，可以对上升时间为2.3ns的电磁脉冲信号进行测量。文献《小型短电磁脉冲传感器》(强激光与粒子束，2014，24(12))中，设计了一种小型的偶极子电磁脉冲传感器，设计频带宽度为5ghz。瑞士montena公司生产的空间电磁脉冲传感器，采用了偶极子形式，设计频带宽度分别为1ghz、3.5ghz、10ghz。

目前，已公开的空间电磁脉冲信号测量装置均存在一定缺陷。(1)利用角锥喇叭天线测量时，天线的口径大，在测量梯度较大的电磁脉冲信号时，天线口径内场强分布差异大，导致测量误差大；测试系统组件较多，其中某个器件损坏时，不易排查。(2)利用单极子传感器测量时，单极子传感器优点为体积小，但不能减小共模干扰信号的影响。(3)利用偶极子传感器测量时，偶极子传感器的差分功能虽然可以减小共模干扰信号的影响，但由于偶极子两极子的位置不同，在电磁脉冲信号梯度较大时，两极子位置对应的场强差异较大，导致偶极子两路输出信号并非为同一场强差分信号，给测量带来误差。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种差分式空间电磁脉冲微分传感器，具备偶极子传感器的差分功能，消除由于偶极子两极子位置不同引入的测量误差，能够对空间电磁脉冲信号进行精确测量，同时具备体积小、结构简单、性能可靠、使用安全、适用范围广等优点。

一种差分式空间电磁脉冲微分传感器，包括感应装置、同轴电缆、卡槽和同轴接头，感应装置由天线罩、梭型感应器、传感器圆形底板组成，同轴电缆由同轴电缆内导体和同轴电缆外导体组成，同轴电缆一端与传感装置连接另一端安装同轴接头，两条同轴电缆平行敷设两端采用卡槽进行卡扣固定，同轴接头用于与外部仪器连接。

梭型感应器由导电性能良好的金属制作，梭型感应器两端设有小孔，小孔直径与同轴电缆内导体直径相同，同轴电缆内导体通过导电胶插入到梭型感应器两端小孔中，使两者保持良好接触并固定。

传感器圆形底板由导电性能良好的金属制作，传感器圆形底板中心位置打有通孔，通孔直径略小于同轴电缆外导体直径，传感器圆形底板外侧与同轴电缆外导体通过焊接的方式连接，保持两者良好接触并固定。

同轴电缆采用钢性电缆，两根同轴电缆的规格一致，长度相等，两根同轴电缆通过卡槽固定，并在同轴电缆末端接同轴接头。

天线罩为圆筒状，由聚四氟乙烯制作而成。圆筒内径与传感器圆形底板直径相等，其高度与两传感器圆形底板之间距离相等。利用胶水将天线罩的两端与传感器圆形底板固定，首先可以稳定梭型感应器的结构，其次可以保护梭型感应器免受物理损伤。

本实用新型的效果和益处是：

差分式电磁脉冲微分传感器在仅有一个感应器的情况下，实现了差分信号的输出。这样，在电磁脉冲信号梯度非常大时，可以保证传感器两路输出振幅一致、相位相反，消除了传统偶极子传感器由于两个传感器位置不同引入的测量误差，实现了对同一位置电磁脉冲信号的真正差分，更好的减小共模干扰信号引入的测量误差。

附图说明

图1电磁脉冲传感器的结构图。

图2电磁脉冲传感器剖切图。

图3电磁脉冲传感器工作原理图。

图4电磁脉冲传感器的使用安装示意图。

图5电磁脉冲传感器对激光打靶产生电磁脉冲示波器显示结果。

图6电磁脉冲传感器对激光打靶产生电磁脉冲积分计算后结果。

图7电磁脉冲传感器频率-电压曲线校准图装置示意图。

图8电磁脉冲传感器在100v/m场强下的频率-电压曲线。

图中：1感应装置；2同轴电缆；3卡槽；4同轴接头；5天线罩；6梭型感应器；7传感器圆形底板；8同轴电缆内导体；9同轴电缆外导体；10天线巴伦；11衰减器；12电缆；13示波器；14频谱分析仪。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

一种差分式空间电磁脉冲微分传感器，如说明书附图1和说明书附图2所示，包括感应装置1、同轴电缆2、卡槽3和同轴接头4，感应装置1由天线罩5、梭型感应器6、传感器圆形底板7组成，同轴电缆2由同轴电缆内导体8和同轴电缆外导体9组成。

差分式空间电磁脉冲微分传感器的等效电路图如说明书附图3所示，当空间电磁脉冲信号辐射到梭型感应器6上，在梭型感应器6上会产生感应电流i＝aeq×ε0e，而梭型感应器6与传感器圆形底板7间又会形成等效电容cs，同轴电缆2的特性阻抗为等效电阻rs。其中ε0为空气介电常数，其值为8.854×10^-12f/m；aeq为传感器的等效面积，与传感器的尺寸有关，一般通过使用标准场法对其进行计算；e为电磁脉冲信号的场强。由图3电路图可得：

对式(1)进行拉普拉斯变换，可以求出电场探头输出电压为：

当ωrscs<<1时：

传感器在时域输出：

传感器在频域输出：

uout1(f)＝-πε0frsaeq|e(f)|····················(8)

uout2(f)＝πε0frsaeq|e(f)|＝-uout1(f)·············(9)

由式(6)、(7)可以得出，当满足ωrscs<<1时，同轴电缆2两个端口的输出信号在时域上表现为振幅相等，相位相反，及相位差180°；由式(8)、(9)可以得出，在频域上，在场强一定的情况下，同轴端口2的输出幅度与频率成正比关系。上述特征符合差分信号的特点，且输出信号为场强信号的微分形式。此时共模干扰信号在两根同轴线内的振幅相等，相位相同，记为ui。此传感器在使用时配合天线巴伦10、衰减器11和示波器13使用，如说明书附图4所示。天线巴伦10的作用是将同轴两端口的输出信号相移180°后进行相加，即巴伦输出的信号幅度为2uout2，而干扰信号在相移180°后振幅相等，相位相反，在相加后互相抵消。当被测场强很大时，需要在天线巴伦10后接衰减器11，以保护示波器13不被损坏。使用示波器13显示测得的微分信号，通过数字积分的方法将示波器输出波形积分，积分后的结果除以ε0rsaeq，如果使用了衰减器11，再将衰减器11的衰减量补偿进去，即可计算出空间电磁脉冲信号的大小。

实施例1，利用本发明对空间电磁脉冲信号场强进行测量的具体步骤为：

步骤1：将本发明感应器装置1放置于空间被测位置，其感应器装置1的方向与被测电磁脉冲信号的电场方向平行。按图4所示将各部分仪器进行连接。如果空间场强较强，可以将示波器13单独放置于有屏蔽功能的房间或柜体中。

步骤2：将示波器13进行开机预热，将测试通道设置为50ω的低阻状态，并根据被测电磁脉冲信号的特性对示波器13的时间、电压幅度、触发电平等参数进行设置，并将示波器13调至normal或single触发模式。如果被测信号未知，则将电压幅度调至最大，触发电平设置相对较小值，以保证示波器不被损坏且能够捕捉到信号。

步骤3：使电磁脉冲产生设备工作，使用示波器13接收信号。根据示波器13显示结果，调整示波器13时间、电压幅度、触发电平等参数，以及调整衰减器11衰减量，进行重复测量。直到将各参数调整为适当水平，并进行最终测量，将最终测量结果记为u。

步骤4：将示波器13结果曲线u存储为.csv或.txt等数据格式，并导出。利用matlab或originpro等有积分功能的软件将曲线u进行积分，并将积分后曲线除以ε0rsaeq，在乘以10^a/20，其中a为衰减器衰减量，单位为db，最终计算出空间电磁脉冲场强曲线e。

说明书附图5为利用本发明对激光打靶周围产生电磁脉冲测量示波器显示结果。在此测量中，使用了20db衰减器11。说明书附图6为利用本发明对图5示波器13显示结果进行积分等运算后测得的空间实际场强曲线。

本发明有效面积aeq可以通过频率-电压曲线校准得出。传感器两端口频率-电压曲线的斜率为±πε0rsaeq|e|，通过线性拟合求出频率-电压曲线的斜率，之后除以πε0rs|e|，即可求得有效面积aeq。

实施例2，本发明的频率-电压曲线校准的具体步骤为：

步骤1：将本发明感应器装置1放置于标准场强中，并按说明书附图7连接各设备。

步骤2：将频谱分析仪14开机预热，将频谱分析仪14的频率设置为与标准场强的频率一致。

步骤3：将标准场强装置设置为工作状态，将标准场强值设置为一定值，利用频谱分析仪14对测得电压进行读数。

步骤4：更换标准场强与频谱分析仪频率，保持场强值不变，继续测量，最终得出传感器的频率-电压曲线。

说明书附图8为利用100v/m的标准场强值对本发明的频率-电压曲线的校准结果。

上面所述的实施例仅仅是对本实用新型的实施方式进行描述，并非对本实用新型的构思和范围进行限定。在不脱离本实用新型设计构思的前提下，本领域普通人员对本实用新型的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本实用新型的保护范围，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。