一种电介质加载D-dot电场测量传感器的制作方法

本发明属于电磁场测量技术领域，具体涉及一种电场测量传感器。

背景技术：

电磁场测量始于二十世纪六十年代。常用的电场测量天线有tem喇叭天线、圆锥天线及d-dot传感器等。其中，d-dot传感器具有结构简单体积较小，灵活轻便对待测电场的扰动非常小且波形保真性好等诸多优点，受到了国内外学者们的青睐。

实质上d-dot传感器是一种电小天线，传感单元可等效为一个集总电容，等效电容与电阻性传输电缆相连接输出电压信号。其工作原理为：d-dot传感器传感单元的金属表面通过静电感应原理产生感应电荷，感应电荷随时间变化可等效为与传感单元之间等效电容相并联的等效电流源，其电流大小与待测电场的微分成正比，比例系数为传感单元的等效电容与传感器有效高度的乘积。电流流经等效电容与匹配负载组成的并联回路，在匹配负载上产生感应电压信号并输出。当满足一定条件时，感应电压的大小与待测电场的微分成正比，比例系数为传感单元的等效电容与传感器等效高度以及匹配负载电阻值的乘积。

根据不同的测量需求，在普通棒状短偶极子天线的基础上演变出来多种不同结构形式的d-dot传感器，例如空心球偶极子、渐进圆锥偶极子、以及双锥偶极子等多种类型。不同结构的d-dot传感器具有不同的测量优点，例如空心球偶极子结构简单，便于制作；渐进圆锥偶极子传感器上限工作频率大、等效电容与有效面积可精确计算，可作为短电磁脉冲标准传感器等。

在实际电场测量中，不同场合不同电平的电场测量需求需采用不同形式不同测量优点的d-dot电场测量传感器。加工多种不同结构形式的d-dot传感器一方面成本较高，有些类型的传感器可能只使用一次，另一方面馈电结构加工会带来很大的测量不确定性。此外，在一些特殊场合，例如狭小空间的低电平电场测量，需要体积更小灵敏度更高的d-dot传感器，即在体积不变的情况下增大等效电容。

相较而言，电介质加载短偶极子是一种优选的传感器。电介质加载技术在天线领域广泛应用，电介质加载不仅可以防止天线受到腐蚀，也是天线小型化的重要手段，同时电介质加载还可以在不增大短偶极子天线长度的同时提高其等效电容，从而改善天线的测量灵敏度。

综上所述，有必要研究设计一种可等效大多数d-dot电场测量传感器的短偶极子天线，来尽可能的降低生产加工成本，又能兼顾不同结构形式d-dot传感器的测量优点，并能减小由于馈电结构加工带来的测量误差，还能根据测量场合与待测电场水平高低调节测量灵敏度，以此来满足不同电场水平、不同场合的电场测量需求。

技术实现要素：

本发明的目的就是解决加工多种不同结构形式的d-dot传感器成本高，馈电结构加工影响测量结果的技术问题。为此本发明提供一种电介质加载d-dot电场测量传感器，通过在棒状偶极子上更换不同介质材料、不同轮廓面的电介质加载层来等效目前大部分具有旋转对称结构的d-dot传感器，以此来满足不同电平、不同场合的电场测量需求。

为解决上述技术问题达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：

一种电介质加载d-dot电场测量传感器，包括棒状偶极子(1)、电介质加载层(2)；

所述棒状偶极子(1)的各极子由金属材料制成的圆柱形构成；

所述电介质加载层(2)为旋转对称结构即横截面为圆环形，与棒状偶极子(1)相配合，且电介质加载层(2)的圆环形横截面内径与棒状偶极子(1)的半径相同；

所述的棒状偶极子(1)与电介质加载层(2)可拆卸，并通过更换不同轮廓面的电介质加载层(2)以等效具有不同轮廓面、不同测量特点的金属d-dot传感器。

进一步地，电介质加载层(2)的长度小于或等于棒状偶极子(1)的长度。

进一步地，电介质加载层(2)的横截面圆环形外径为常数或随长度变化。

进一步地，所述电介质加载层(2)的电介质材料相对介电常数的取值范围为1<εrd<10，相对磁导率为1。

进一步地，所述的棒状偶极子(1)的径长比不大于1/50，且棒状偶极子(1)加工完成后可作为一系列介质加载d-dot电场测量传感器的基础组成单元。

进一步地，所述的电介质加载层(2)的外径与内径之比小于3^εrd。

进一步地，本发明对单极子传感器同样适用。

进一步地，所述电介质加载层(2)外轮廓面包括但不限于圆柱状、半球状、渐近圆锥状、圆锥状等。

本发明的有效收益如下：

1、本发明所提出的电介质加载d-dot电场测量传感器，可通过基础棒状偶极子与不同轮廓面、不同电介质的介质加载层相组合，等效目前大多数具有旋转对称结构的d-dot电场测量传感器；

2、本发明中提出的电介质加载d-dot电场测量传感器，在使用中棒状偶极子天线作为传感器的基本组成单元保持不变，因此避免了由于馈电结构带来的测量不确定性；

3、本发明所提出的电介质加载d-dot电场测量传感器，可通过在基础棒状偶极子天线的基础上更换具有不同电介质、不同轮廓面的介质加载层，满足不同电场水平、不同场合的电场测量需求，而无须加工多种不同结构形式和测量优点的d-dot传感器。

附图说明

图1为本发明电介质加载渐近圆锥d-dot传感器；

图1(a)为电介质加载的渐近圆锥d-dot传感器；

图1(b)为磁介质加载的渐近圆锥d-dot传感器；

图1(c)为渐近圆锥d-dot传感器；

图2为本发明电介质加载d-dot电场测量传感器

图2(a)为棒状偶极子；

图2(b)为圆柱形电介质加载d-dot传感器；

图2(c)渐近圆锥形电介质加载d-dot传感器；

图2(d)双锥型电介质加载d-dot传感器。

其中：1-棒状偶极子、2-电介质加载层、3-金属偶极子、4-磁介质加载层、5-基本棒状偶极子、6-圆柱形介质加载层、7-渐近圆锥介质加载层、8-双锥形介质加载层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的阐述和说明。

本发明的一种电介质加载d-dot电场测量传感器属于电小天线，在电场测量中，一种电介质加载d-dot电场测量传感器可等效为一个集总电容。

参见本发明的图1，该图示出了本发明实施例中一种可以等效金属材料的渐近圆锥d-dot传感器的电介质加载d-dot传感器以及等效和设计的过程。

电介质加载的偶极子天线可通过准静态电磁学方法近似等效为磁介质加载的偶极子，对于用于电场测量的可视为电小天线的d-dot传感器，其本身可等效为一个集总电容，磁介质加载层并不影响传感器的等效电容，因此电介质加载的d-dot传感器可等效为无加载的具有相似轮廓面的金属d-dot传感器。

如图1(a)所示，本发明所示的电介质加载的d-dot传感器由棒状偶极子1与电介质加载层2构成，电介质加载层为旋转对称结构，即横截面为圆环形，其电介质材料的相对介电常数为εrd，相对磁导率为1。

其中所述棒状偶极子1的各极子为由金属材料制成的圆柱形；所述电介质加载层2的电介质材料相对介电常数的取值范围为1<εrd<10，相对磁导率为1。棒状偶极子1的径长比不大于1/50，且棒状偶极子1加工完成后可作为一系列介质加载d-dot电场测量传感器的基础组成单元，半径为a0。

所述的电介质加载层2是旋转对称结构，即横截面为圆环形，其外轮廓面包括但不限于圆柱状、半球状、渐近圆锥状、圆锥状等。所述的电介质加载层2与棒状偶极子1相配合，电介质加载层2的横截面圆环形内径与棒状偶极子1的半径相同，为a0；电介质加载层2的横截面圆环形外径可为常数，也可随天线长度变化，令一种电介质加载d-dot电场测量传感器沿z轴放置，电介质加载层2的外径曲线为b(z)；根据等效原理，电介质加载层2的长度可小于或等于棒状偶极子1的长度，其中电介质加载层2的长度等于棒状偶极子1的长度，是比较理想的状态，如果电介质加载层的长度小于棒状偶极子的长度时，可以不限定电介质加载层在棒状偶极子上的加载位置，此时，所等效的金属d-dot传感器同样与电介质加载d-dot电场测量传感器具有相似的轮廓面。所述的电介质加载层2的外径与内径之比小于3^εrd。

由此，本发明的电介质加载d-dot电场测量传感器可等效为与之具有相同轮廓面的磁介质加载d-dot电场测量传感器。所述的磁介质加载d-dot传感器，包括金属偶极子3和磁介质加载层4。其中磁介质加载层4为磁介质材料，相对磁导率为μrm，相对介电常数为1，μrm＝εrd。

金属偶极子3各极子是由金属制成的旋转对称结构，其具有与一种电介质加载d-dot传感器相似的轮廓面。金属偶极子3的外轮廓面曲线为：

磁介质加载层4的外轮廓面与电介质加载层2一致，磁介质加载层4的厚度随长度的变化曲线为：

t(z)＝b(z)-a1(z)(2)

其中，磁介质加载d-dot传感器的磁介质加载层4并不影响金属偶极子3的等效电容，即磁介质加载d-dot传感器在进行电场测量时可等效为金属偶极子3。

所述的一种电介质加载d-dot电场测量传感器在用于电场测量时可等效为金属偶极子3。

所述的棒状偶极子1与电介质加载层2可拆卸，并通过更换不同轮廓面的电介质加载层2以等效具有不同轮廓面、不同测量特点的金属d-dot传感器，即金属偶极子3来完成不同电平、不同场合的电场测量需求。

基于上述等效过程，实际设计中可先设计出金属d-dot电场测量传感器，然后选用合适的电介质材料来获得与之等效的电介质加载d-dot电场测量传感器。也可直接通过棒状偶极子与电介质加载层的组合来获得具有不同结构、不同测量特点的金属d-dot电场测量传感器。下面通过具体实施例，进一步的说明阐释本发明。

实施例1：

通过等效电荷法设计了一种渐近圆锥d-dot电场测量传感器，即图1(c)中的渐近圆锥偶极子3。其单个极子长度为6.505mm，上下顶点高度分别为0.828mm与7.333mm，最宽处半径为1.569mm，外轮廓面随极子长度的变化曲线为a1(z)。

基于上述等效原理，可将所设计的渐近圆锥d-dot电场测量传感器等效为电介质加载d-dot电场测量传感器，其组成如图1(a)所示，由棒状偶极子1和电介质加载层2组成。棒状偶极子1的半径为a0＝0.1mm。

为实现上述目的，在所设计的渐近圆锥偶极子3的外部增加磁介质加载层4，磁介质加载层的材料相对磁导率为7，相对介电常数为1，所加载的磁介质加载层并不影响d-dot传感器的等效电容。其中，磁介质加载层4的外轮廓面b(z)可根据式(1)获得。

所得的磁介质加载d-dot电场测量传感器参见图1(b),由金属材料制成的渐近圆锥偶极子3与磁介质加载层4组成。磁介质加载层4的磁介质材料的相对介电常数为1，相对磁导率为7；长度与渐近圆锥偶极子3的长度一致，上下顶点高度分别为0.828mm与7.333mm，磁介质套筒最宽处外径为2.483mm。根据发明内容中的等效原理，磁介质加载d-dot电场测量传感器可等效为电介质加载d-dot电场测量传感器，参见图1(a)。所等效的电介质加载d-dot电场测量传感器由金属材料制成的棒状偶极子1与近似渐近圆锥状的电介质加载层2组成。棒状偶极子1的半径为0.1mm，单个极子长度为6.505mm，上下顶点高度分别为0.828mm与7.333mm；电介质加载层2的电介质材料相对介电常数与磁介质加载层相对磁导率相同，为7；电介质加载层材料相对磁导率为1，其横截面为圆环形，圆环形外径随极子长度变化，为一条渐近圆锥曲线，外轮廓面曲线与磁介质加载层4外轮廓面曲线相同，均为b(z)，电介质加载层最宽处外径为2.483mm，电介质加载层最宽处的厚度为2.383mm。

实施例2：

参见图2(a),该图示出了基本棒状偶极子5，其高度为17.715mm，上下顶点高度分别为20.000mm与2.285mm，半径为0.2mm。

图2实施例中，所加载的圆柱形介质加载层6、渐进圆锥介质加载层7以及双锥形介质加载层8的材料均为相对介电常数为7、相对磁导率为1的电介质材料。

基于上述等效原理，本实施例中，图2(b)中圆柱形介质加载层6的外径为1.000mm，其与图2(b)中棒状偶极子5组合，可等效高度为17.715mm，上下顶点高度分别为20.000mm与2.285mm，半径为0.795mm的由金属材料制成的圆柱形d-dot传感器。

基于上述等效原理，本实施例中，图2(c)中的渐近圆锥介质加载层7最宽处外径为6.239mm，其与图2(c)中棒状偶极子5组合，可等效高度为17.715mm，上下顶点高度分别为20.000mm与2.285mm，最宽处为3.817mm的由金属材料制成的渐近圆锥d-dot传感器。

基于上述等效原理，本实施例中，图2(d)中的双锥形介质加载层8的母线与对称轴之间的夹角为30°，其与图2(d)中的棒状偶极子5组合，可等效高度为17.715mm，上下顶点高度分别为20.000mm与2.285mm，上顶点高度位置处半径为5.830mm，母线与对称轴夹角约为18°的由金属材料制成的近似双锥形d-dot传感器。

实施例2则与实施例1相反，直接通过棒状偶极子和不同外轮廓面的电介质加载层相配合，获得多个不同外轮廓面的金属d-dot传感器。

实际使用过程中，根据不同的电场测量需求，选用不同结构形式的电介质加载层，将其与基本偶极子相组合，获得与相应金属d-dot传感器具有相似优点的d-dot传感器，来完成不同电平、不同场合的电场测量。