一種閃電瞬態三維電場測試傳感器的製造方法
2023-09-18 19:47:35 2
一種閃電瞬態三維電場測試傳感器的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種閃電瞬態三維電場測試傳感器，包括空間三維天線陣和3個電壓跟隨器，所述空間三維天線陣包括正方體屏蔽外殼和3個單極子天線，所述單極子天線的長度小於雷電輻射的電磁波波長的1/10，3個單極子天線分別垂直設置在正方體屏蔽外殼任意3個相鄰面上，每個單極子天線與正方體屏蔽外殼之間設有絕緣套，所述3個單極子天線經同軸饋線一一對應連接3個電壓跟隨器的輸入端，3個電壓跟隨器的輸出端外接信號分析設備。本發明採用空間三維天線陣測量三維方向的電場分量，為判別雷電閃擊的類型、分析雷電流參數和對地面設備造成的危害程度提供數據。
【專利說明】一種閃電瞬態三維電場測試傳感器
【技術領域】
[0001]本發明屬於雷電科學【技術領域】，特別涉及了一種閃電瞬態三維電場測試傳感器。
【背景技術】
[0002]雷電主放電通道一旦建立，雲層電荷迅速與大地或雲層異號感應電荷中和，回擊電流急劇上升，受電量、電位和通道阻抗的影響，其上升速率最大可達500kA/s。此時，放電通道構成等效天線，產生強烈的電瞬態電磁輻射。在一定範圍內產生的電磁作用對三維空間內的各種電子設備產生幹擾和破壞作用。對微電子設備而言則會帶來更加嚴重的危害，輕則引起設備功能紊亂，重則使器件燒毀。
[0003]雷電電磁脈衝的危害方式是瞬態電磁場的耦合效應，它能夠對相關軍事和民用設備產生不同的幹擾和破壞。因此，研究雷電電磁脈衝的防護具有重要意義。目前，研究雷電電磁脈衝的前提是了解雷電電磁脈衝的基本特性，因此，測量雷電電磁場的時域波形具有十分重要的地位。目前國內外對雷電電場的測量主要是針對雷電發生前的靜電場和雷電發生時的一維垂直電場。但是對於空間三維電場的分布以及其他類型雷電的測量技術的研究還很少。
【發明內容】
[0004]為了解決上述【背景技術】提出的技術問題，本發明旨在提供一種閃電瞬態三維電場測試傳感器，通過空間三維天線陣測量三維方向的電場分量，為判別雷電閃擊的類型、分析雷電流參數和對地面設備造成的危害程度提供數據。
[0005]為了實現上述技術目的，本發明的技術方案為:
[0006]一種閃電瞬態三維電場測試傳感器，包括空間三維天線陣和3個電壓跟隨器，所述空間三維天線陣包括正方體屏蔽外殼和3個單極子天線，所述單極子天線的長度小於雷電輻射的電磁波波長的1/10，3個單極子天線分別垂直設置在正方體屏蔽外殼任意3個相鄰面的外表面上，每個單極子天線與正方體屏蔽外殼之間設有絕緣套，所述3個單極子天線經同軸饋線一一對應連接3個電壓跟隨器的輸入端，3個電壓跟隨器的輸出端外接信號分析設備；所述3個單極子天線分別接收空間三維方向的電場分量，並將三個方向的電場分量轉化為電信號後輸入電壓跟隨器，電壓跟隨器輸出電壓信號並送給信號分析設備，對電場分量進行分析。
[0007]其中，上述電壓跟隨器包括壓控型集成運放、第一穿心電容和第二穿心電容，壓控型集成運放的正輸入端連接單極子天線，壓控型集成運放的負輸入端連接它的輸出端，壓控型集成運放的正、負電源端分別經第一、第二穿心電容接至正、負電源，所述電壓跟隨器置於正方體屏蔽外殼的內部，第一、第二穿心電容安裝在正方體屏蔽外殼的內壁上。
[0008]其中，上述正方體屏蔽外殼上設有BNC接口，壓控型集成運放的輸出端經同軸饋線連接BNC接口，並通過BNC接口與信號分析設備相連。
[0009]其中，上述正方體屏蔽外殼的材質為金屬銅。
[0010]其中，上述單極子天線的材質為金屬銅。
[0011]採用上述技術方案帶來的有益效果:
[0012](I)本發明通過空間三維天線陣測量三維電場場分量，從而根據三維電場分量判別雷電閃擊類型，分析雷電流參數和對地面設備造成的危害程度，比起現有技術僅對雷電發生前的靜電場和雷電發生時的一維垂直電場測量，本發明的適用於各種瞬態場的電場分量的測量，應用廣泛；
[0013](2)本發明採用壓控性集成運放作為電壓跟隨器，它能夠滿足天線接收電路輸入阻抗的要求；另外，本發明具有結構簡單、安裝方便、性能穩定以及測量精度高等優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明的結構示意圖；
[0015]圖2為本發明中電壓跟隨器的電路圖；
[0016]圖3為本發明中單極子天線的等效電路圖；
[0017]圖4為本發明的工作示意圖。
[0018]標號說明:1、2、3:單極子天線；4:絕緣套；5:電壓跟隨器；6:正方體屏蔽外殼；7:BNC接口 ；8:底部固定端。
【具體實施方式】
[0019]以下將結合附圖，對本發明的技術方案進行詳細說明。
[0020]如圖1所示本發明的結構示意圖，一種閃電瞬態三維電場測試傳感器，包括空間三維天線陣和3個電壓跟隨器5，所述空間三維天線陣包括正方體屏蔽外殼6和3個單極子天線1、2、3，所述正方體屏蔽外殼6作為整個傳感器的地端，所述單極子天線的長度小於雷電輻射的電磁波波長的1/10，3個單極子天線1、2、3分別垂直設置在正方體屏蔽外殼6的任意3個相鄰面的外表面上，每個單極子天線與正方體屏蔽外殼6之間設有絕緣套4實現絕緣，所述3個單極子天線1、2、3分別經同軸饋線一一對應連接3個電壓跟隨器的輸入端，3個電壓跟隨器5的輸出端外接信號分析設備。
[0021 ] 在本實施例中，電壓跟隨器5包括壓控型集成運放ICl、第一穿心電容Cl和第二穿心電容C2，壓控型集成運放ICl的正輸入端連接單極子天線，壓控型集成運放ICl的負輸入端連接它的輸出端，壓控型集成運放ICl的正、負電源端分別經第一、第二穿心電容接至正、負電源，實現對外部電源的濾波。所述電壓跟隨器5置於正方體屏蔽外殼6的內部，第一、第二穿心電容安裝在正方體屏蔽外殼6的內壁上(相當於穿心電容某一極板接地)，其電路結構如圖2。所示正方體屏蔽外殼上設有BNC接口 7，電壓跟隨器5的輸出端經同軸饋線連接BNC接口 7，並通過BNC接口 7與信號分析設備相連。正方體屏蔽外6殼的材質為金屬銅，單極子天線的材質為金屬銅。正方體屏蔽外殼6的外底部設有底部固定端8，用於固定整個裝置。
[0022]本發明實現閃電瞬態電場測量功能是利用單極子天線感應外界電場，然後對產生的電信號進行相關處理。假設單極子天線的直徑為2a，長度為1，如果單極子天線滿足電小天線的條件，即天線的長度I遠小於雷電輻射的電磁波波長的1/10，則它的輸入阻抗等效為一個電容值很小的電容器，電容值的大小通常在PF量級，且與頻率無關。當單極子天線接電容器負載時，輸出電壓與外界電場強度成正比關係。如圖3所示單極子天線的等效電路，天線接收電路的輸入阻抗(天線負載)是輸入電阻Rin和輸入電容Cin的並聯形式，(；為單極子天線的等效電容，Ca = I/{240c[In(21/a)-1]} ,c為光速。Ua為單極子天線的感應電壓，Uin為天線接收電路的輸入電壓，根據等效電路，Uin = CaUa/(Ca+Cin)，為了滿足這個關係，必須要求天線接收電路具有足夠的輸入電阻，因此本發明採用壓控性集成運放組成的電壓跟隨器，具有輸入阻抗大的特點。
[0023]如圖4所示，當雷電發生時，產生的雷電電磁場經過三維坐標X、y、z軸方向上的單極子天線將耦合到的雷電電磁場中的電場信號轉換為電信號，經過同軸饋線將電信號送入三個電壓跟隨器產生電壓信號，並通過同軸饋電線將x、y、z軸方向的電壓信號由BNC接口輸出，輸出的電壓信號經過信號處理電路對電場分量進行分析處理。
[0024]以上實施例僅為說明本發明的技術思想，不能以此限定本發明的保護範圍，凡是按照本發明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發明保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種閃電瞬態三維電場測試傳感器，其特徵在於:包括空間三維天線陣和3個電壓跟隨器，所述空間三維天線陣包括正方體屏蔽外殼和3個單極子天線，所述單極子天線的長度小於雷電輻射的電磁波波長的1/10,3個單極子天線分別垂直設置在正方體屏蔽外殼任意3個相鄰面的外表面上，每個單極子天線與正方體屏蔽外殼之間設有絕緣套，所述3個單極子天線經同軸饋線一一對應連接3個電壓跟隨器的輸入端，3個電壓跟隨器的輸出端外接信號分析設備；所述3個單極子天線分別接收空間三維方向的電場分量，並將三個方向的電場分量轉化為電信號後輸入電壓跟隨器，電壓跟隨器輸出電壓信號並送給信號分析設備，對電場分量進行分析。
2.根據權利要求1所述一種閃電瞬態三維電場測試傳感器，其特徵在於:所述電壓跟隨器包括壓控型集成運放、第一穿心電容和第二穿心電容，壓控型集成運放的正輸入端連接單極子天線，壓控型集成運放的負輸入端連接它的輸出端，壓控型集成運放的正、負電源端分別經第一、第二穿心電容接至正、負電源，所述電壓跟隨器置於正方體屏蔽外殼的內部，第一、第二穿心電容安裝在正方體屏蔽外殼的內壁上。
3.根據權利要求2所述一種閃電瞬態三維電場測試傳感器，其特徵在於:所述正方體屏蔽外殼上設有8%接口，壓控型集成運放的輸出端經同軸饋線連接8%接口，並通過8%接口與信號分析設備相連。
4.根據權利要求1所述一種閃電瞬態三維電場測試傳感器，其特徵在於:所述正方體屏蔽外殼的材質為金屬銅。
5.根據權利要求1所述一種閃電瞬態三維電場測試傳感器，其特徵在於:所述單極子天線的材質為金屬銅。
【文檔編號】G01R29/08GK104375012SQ201410670239
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月21日 優先權日:2014年11月21日
【發明者】李祥超, 陳則煌, 李鵬飛, 曹洪亮 申請人:南京信息工程大學