用于电磁脉冲测量的电场传感器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于电磁脉冲测量的电场传感器。其特点是：包括D-dot天线，该D-dot天线依次与有源积分电路、电光转换电路连接，从而在接收空间中的电场信号后将天线输出的微分信号转换为原始电场信号，最后调制为光信号通过光纤传输出去。本发明提供了一种用于电磁脉冲测量的电场传感器，采用了D-dot微分天线来接收电场信号，并研制了一种有源积分电路来处理天线的输出信号，从而提高了传感器的响应带宽与灵敏度。天线与传感器主体可通过螺纹孔安装与拆卸，从而使得电场传感器的灵敏度可以通过调节天线的长度来调节，且便于携带运输。
【专利说明】用于电磁脉冲测量的电场传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于电磁脉冲测量的电场传感器。
【背景技术】
[0002]有许多学者与研究机构对用于电磁脉冲测量的电场传感器进行了大量的研究工作。从前人的研究成果可以看出，目前用于电场测量的传感器大多采用棒状电小天线作为接收天线，棒状电小天线本身的高频截止频率较低且需要高阻抗输入的阻抗匹配电路，实际阻抗匹配电路无法满足棒状电小天线的输出阻抗要求从而进一步限制了传感器的上限截止频率。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种用于电磁脉冲测量的电场传感器，能够提高传感器的响应带宽与灵敏度。
[0004]一种用于电磁脉冲测量的电场传感器，其特别之处在于:包括D-dot天线，该D-dot天线依次与有源积分电路、电光转换电路连接，从而在接收空间中的电场信号后将天线输出的微分信号转换为原始电场信号，最后调制为光信号通过光纤传输出去。
[0005]其中还包括金属屏蔽壳，所述有源积分电路和电光转换电路均安装在该金属屏蔽壳内，在该金属屏蔽壳的外壁上可拆卸安装有D-dot天线，并且在该D-dot天线旁的金属屏蔽壳上设有一个正方形的面，从而作为D-dot天线的镜像地平面。
[0006]其中D-dot天线采用单极子的形式，并且D-dot天线末端的半锥角取47度从而获得50欧姆的输出阻抗。
[0007]其中有源积分电路包括高频运算放大器，该高频运算放大器的反相输入端接地而其同相输入端接D-dot天线，并且在该反相输入端和同相输入端之间串联有匹配电阻，另外在该高频运算放大器的同相输入端和输出端之间分别并联有积分电容和抑制漂移电阻，该高频运算放大器的输出端还通过耦合电容接DFB激光器的正极输入端。
[0008]其中电光转换电路包括DFB激光器，该DFB激光器的正极输入端通过隔交电感和偏置电阻与+5V直流电源相连，而其负极输入端接地。
[0009]其中DFB激光器通过光纤法兰与光纤连接。
[0010]本发明提供了一种用于电磁脉冲测量的电场传感器，采用了 D-dot微分天线来接收电场信号，并研制了一种有源积分电路来处理天线的输出信号，从而提高了传感器的响应带宽与灵敏度。天线与传感器主体可通过螺纹孔安装与拆卸，从而使得电场传感器的灵敏度可以通过调节天线的长度来调节，且便于携带运输。本发明的优点和创新之处是采用了 D-dot天线和有源积分器，并可以通过采用不同长度的天线来调节传感器的灵敏度。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]附图1为本发明中D-dot天线轮廓图；
[0012]附图2为本发明中有源积分电路与电光转换电路的原理图；
[0013]附图3为本发明中电场传感器的测试波形图。
【具体实施方式】
[0014]如图1所示，本发明是一种用于电磁脉冲测量的电场传感器，包括D-dot天线，该D-dot天线依次与有源积分电路、电光转换电路连接，从而在接收空间中的电场信号后将天线输出的微分信号转换为原始电场信号，最后调制为光信号通过光纤传输出去。还包括金属屏蔽壳，所述有源积分电路和电光转换电路均安装在该金属屏蔽壳内，在该金属屏蔽壳的外壁上可拆卸安装有D-dot天线，并且在该D-dot天线旁的金属屏蔽壳上设有一个正方形的面，从而作为D-dot天线的镜像地平面。
[0015]其中D-dot天线采用单极子的形式，并且D-dot天线末端的半锥角取47度从而获得50欧姆的输出阻抗。其中有源积分电路包括高频运算放大器，该高频运算放大器的反相输入端接地而其同相输入端接D-dot天线，并且在该反相输入端和同相输入端之间串联有匹配电阻，另外在该高频运算放大器的同相输入端和输出端之间分别并联有积分电容Cl和抑制漂移电阻R，该高频运算放大器的输出端还通过耦合电容C_ple接DFB激光器的正极输入端。DFB激光器的正极输入端通过隔交电感L和偏置电阻r与+5V直流电源相连，负极输入端接地。激光器需要通过光纤法兰与光纤连接。
[0016]电磁脉冲信号一般具有纳秒级的上升时间，且脉冲宽度可持续几十纳秒，本发明解决了电磁脉冲信号的测量，利用D-dot天线技术和有源积分器技术结合起来，研制了一种基于光纤传输的宽频带电场传感器。
[0017]本发明的电场传感器采用响应频带宽的D-dot天线接收空间中的电场信号，利用所设计的有源积分器将天线输出的微分信号转换为原始电场信号，并利用电光转换电路将电信号调制为光信号通过光纤传输出去。将有源积分器和电光转换电路安装在一个招制的金属屏蔽壳中，该金属屏蔽壳具有一个正方形的面作为D-dot天线的镜像地平面。
[0018]1、D-dot 天线分析:
[0019]D-dot天线是基于等效电荷法所设计的微分天线,天线的外形轮廓由特定的电荷分布的等位面来确定，而且天线的等效电容、等效面积等参数都可以精确计算。所设计的D-dot天线轮廓图如图1所示。可见天线末端的半锥角取47度以获得50欧姆的输出阻抗，天线末端的圆锥部分逐渐过渡为一段M2的螺杆，以便能够安装在传感器的屏蔽壳上预留的带有M2螺孔的天线座上,天线座与屏蔽壳体绝缘。所设计的D-dot天线是单极子的形式，采用传感器的屏蔽金属外壳作为天线的镜像地平面，因此天线的高度应小于屏蔽金属外壳边长的1/6。
[0020]2、有源积分与电光转换电路:
[0021]有源积分与电光转换电路的原理图如图2所示。D-dot天线直接与50欧姆的匹配电阻相连，输出的信号送入有源积分器，有源积分器由高频运算放大器、积分电容C1和抑制漂移电阻R组成。积分电容C1选用高频的微波贴片电容来减小寄生电感对积分器的影响，抑制漂移电阻R选取的原则是时间常数τ =I^C1应该不小于被测信号脉宽的十倍。有源积分器输出的信号通过耦合电容C_ple作用于DFB激光器上。为使激光器工作与线性区，需要给激光器提供偏置电流，并通过隔交电感L隔离来自积分器的高频信号。
[0022]3、【具体实施方式】:
[0023]将所研制的电场传感器置于被测电磁脉冲辐射场的空间中，使天线的方向与想要测的电场极化方向重合，在远端屏蔽室内通过光接收机接收传感器输出的光信号，并利用示波器将信号存储下来。
[0024]4、标定结果:
[0025]在TEM小室中对电场传感器进行了测试实验。利用方波脉冲发生器产生快前沿的方波信号，该方波信号通过TEM小室就会在TEM小室中产生相应的平面电磁波。把电场传感器放入--Μ小室中测量--Μ小室中的电场信号，并使天线的方向与电场的极化方向重合。将方波脉冲发生器输出的电压信号和主极化方向上的测量结果同时输入示波器中，结果如图3所示。
[0026]其中实线波形表示脉冲发生器输出电压的归一化波形；虚线波形表示测量得到的归一化波形，可见上升时间小于3ns，测量脉宽为50ns的方波信号无平顶下降现象。
【权利要求】
1.一种用于电磁脉冲测量的电场传感器，其特征在于:包括D-dot天线，该D-dot天线依次与有源积分电路、电光转换电路连接，从而在接收空间中的电场信号后将天线输出的微分信号转换为原始电场信号，最后调制为光信号通过光纤传输出去。
2.如权利要求1所述的用于电磁脉冲测量的电场传感器，其特征在于:还包括金属屏蔽壳，所述有源积分电路和电光转换电路均安装在该金属屏蔽壳内，在该金属屏蔽壳的外壁上可拆卸安装有D-dot天线，并且在该D-dot天线旁的金属屏蔽壳上设有一个正方形的面，从而作为D-dot天线的镜像地平面。
3.如权利要求1所述的用于电磁脉冲测量的电场传感器，其特征在于:其中D-dot天线采用单极子的形式，并且D-dot天线末端的半锥角取47度从而获得50欧姆的输出阻抗。
4.如权利要求1至3中任意一项所述的用于电磁脉冲测量的电场传感器，其特征在于:其中有源积分电路包括高频运算放大器，该高频运算放大器的反相输入端接地而其同相输入端接D-dot天线，并且在该反相输入端和同相输入端之间串联有匹配电阻，另外在该高频运算放大器的同相输入端和输出端之间分别并联有积分电容和抑制漂移电阻，该高频运算放大器的输出端还通过耦合电容接DFB激光器的正极输入端。
5.如权利要求1至3中任意一项所述的用于电磁脉冲测量的电场传感器，其特征在于:其中电光转换电路包括DFB激光器，该DFB激光器的正极输入端通过隔交电感和偏置电阻与+5V直流电源相连，而其负极输入端接地。
6.如权利要求5所述的用于电磁脉冲测量的电场传感器,其特征在于:其中DFB激光器通过光纤法兰与光纤连接。
【文档编号】G01R1/04GK104316780SQ201410521936
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年9月30日 优先权日:2014年9月30日
【发明者】郭飞, 车俊禄, 吴旭涛, 谢彦召, 孔旭, 李秀广, 刘世涛 申请人:国家电网公司, 国网宁夏电力公司电力科学研究院, 西安交通大学