寬帶全向場強探頭的製作方法

2023-06-03 15:15:36 1

寬帶全向場強探頭的製作方法
【專利摘要】寬帶全向場強探頭，包括絕緣外殼、絕緣支杆及介質基板，介質基板上設置直偶極子天線；3塊介質基板圍成空心三稜柱，一塊介質基板上的直偶極子天線與相鄰介質基板上的偶極子天線之間為正交布置，直偶極子天線的天線臂上設置有3個均勻間隔的表貼電阻，3個表貼電阻將天線臂四等分，每對直偶極子天線的天線臂之間跨接射頻檢波二極體；在介質基板上設置有整形濾波網絡，微帶線的前端與偶極子天線的天線臂相連且連接於射頻檢波二極體的端部，微帶線的後端與相鄰介質基板上的微帶線通過直插電阻相連，整形濾波網絡的輸出端與雙絞傳輸線相連；雙絞傳輸線穿過絕緣支杆後與信號處理電路相連。本實用新型天線具有良好的平坦度及靈敏度。
【專利說明】寬帶全向場強探頭

【技術領域】
[0001]本實用新型屬於電場強度檢測傳感器【技術領域】，尤其涉及一種用於空間的電磁輻射測量的0.2MHz?3GHz寬帶全向場強探頭。

【背景技術】
[0002]電磁波自發現之日起便對人類社會形成了深刻影響。而今，無線電存在著眾多應用領域和形式:從日常生活中的廣播電視、移動通訊、衛星導航、網絡信息、衛生醫療，到國防軍事中的監控識別、飛彈制導、電子對抗，再到城市內部的超高壓輸電，它們無時無刻不在為人類社會的進步和發展提供著諸多便利的條件。然而，電磁波在現代社會帶來巨大變革的同時，隨之而來的是日益嚴重的電磁汙染和危害。電磁輻射不僅會影響人類的身體健康，而且會干擾其周圍電子儀器的正常工作。為了及時準確地獲取空間電場強度的幅值、有效地降低電磁輻射造成的危害，對電磁輻射監測的核心部件——電場探頭的設計研究有重要應用價值。
[0003]電磁輻射測量探頭應用廣泛，在無線電計量領域中，電場探頭用來為國家基準提供量值傳遞和溯源；在微波暗室的檢測中，電場探頭用來測試待測裝置處電場強度均勻性；在電磁兼容性的檢測中，電場探頭用來測試待測設備處節點電場強度；在環境影響評估的測試中，電場探頭用來測試電磁輻射環境中電場強度。
[0004]電場探頭由三個相互正交放置在介質板上的偶極子、檢波電路及高阻饋線組成，偶極子作為接收天線感應空間的電場信號並將其轉換成高頻電信號，通過後端非線性檢波器高頻電信號檢波輸出成直流電信號，然後整形網絡和低通濾波器對檢波後的直流電信號進行整形和濾波，最後由高阻傳輸線傳至後端處理電路。
[0005]按駐波電流分布的普通偶極子天線對頻率變化很敏感，為了避免電場探頭出現帶內諧振現象，置於絕緣介質基板之上的偶極子天線臂總長度一般控制在Imm?3_，小偶極子作為測量天線很難滿足所要求的平坦度和靈敏度，因此近年來的探頭採用行波偶極子作為探測天線，將偶極子天線臂的電阻按錐削變化，用氮化鉭薄膜經光刻製成，並且錐削變化的偶極子與高阻引線和二極體連接處均使用薄膜澱積和光刻技術製成的金連接片，這種做法雖然能夠使探頭的頻率響應有所提高，然而選擇製作探頭的材料每一樣都代價昂貴，並且做功極為細緻，增加探頭的生產成本，制約了探頭的推廣使用。另外，作為連接電場探頭前端感應部分和後端處理電路的高阻薄膜傳輸線，構成一個由內部引線分布電容同高損耗串聯電感所組成的低通分布參數濾波器，對測量精度影響很大，之前的探頭採用薄膜鎳鉻合金(NiCr)以光刻技術製成作為高阻饋線，由於其生產工藝複雜，成本高從而影響了這種探頭的推廣使用。針對這些問題，設計工藝簡單、性能穩定的電場探頭具有重要的實際應用價值。
實用新型內容
[0006]本實用新型的目的在於提供一種偶極子天線臂上加載集總式阻抗的寬帶全向場強探頭，可以提高天線的平坦度和靈敏度，簡化製作工序和降低生產成本。
[0007]為了實現上述目的，本實用新型採取如下的技術解決方案:
[0008]寬帶全向場強探頭，包括:絕緣外殼、支撐所述絕緣外殼的絕緣支杆、設置於所述絕緣外殼內的介質基板，所述每一介質基板上設置有一對直偶極子天線；3塊介質基板圍成底面為等邊三角形的空心三稜柱，一塊介質基板上的直偶極子天線與相鄰介質基板上的偶極子天線之間為正交布置，所述直偶極子天線的天線臂上設置有3個均勻間隔的表貼電阻，所述3個表貼電阻將天線臂四等分，所述每對直偶極子天線的天線臂之間跨接有射頻檢波二極體；在所述介質基板上設置有由並行布置的微帶線構成的整形濾波網絡，所述微帶線的前端與所述偶極子天線的天線臂相連且連接於所述射頻檢波二極體的端部，微帶線的後端與相鄰介質基板上的微帶線通過直插電阻相連，所述整形濾波網絡的輸出端與雙絞傳輸線相連；所述雙絞傳輸線穿過所述絕緣支杆後與信號處理電路相連。
[0009]本實用新型的射頻檢波二極體為肖特基低勢壘檢波二極體。
[0010]本實用新型的雙絞傳輸線由兩根相互絕緣的銅導線互相絞合而成。
[0011]本實用新型的從所述天線臂的內端向外端設置的電阻的阻值依次為200Ω、110Ω和 10 Ω。
[0012]本實用新型的每一微帶線上設置有6個間隔設置的電阻。
[0013]本實用新型的每一微帶線上從上到下排列的電阻中，前兩個電阻的阻值依次為390kΩ、100kQ，後四個電阻的阻值為1kQ。
[0014]本實用新型的每一對微帶線間跨接有IpF的電容，所述電容位於第二個電阻與第三個電阻之間，所述整形濾波網絡的輸出端處並聯有阻值為470kQ的輸出電阻。
[0015]本實用新型的介質基板的長為50mm、寬為46mm、厚度為1mm。
[0016]本實用新型的直偶極子天線直線距離總長為50mm，天線臂寬為0.1mm。
[0017]本實用新型的直偶極子天線與豎直方向的夾角為54.7°。
[0018]在本實用新型電場探頭的設計中，將介質基板圍成三稜柱形，在介質基板上設置加載阻抗的直偶極子天線，使用集總式阻抗加載替代傳統天線臂上的錐形分布式阻抗加載和高阻傳輸線，降低了生產成本，簡化了製作工序，另外，使用雙絞線作為高阻薄膜傳輸線，每一根導線在傳輸中福射的電波會被另一根線上發出的電波抵消，如果外界電磁信號在兩條導線上產生的幹擾大小相等而相位相反，那麼這個幹擾信號就會相互抵消，使用雙絞線可以增加電場探頭後端傳輸部分對外界電磁波的抗幹擾能力，更重要的是降低自身信號的對外幹擾，同時，採用微帶線作為整形濾波網絡，製作工藝簡單，性能穩定。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本實用新型實施例的結構示意圖；
[0020]圖2為本實用新型實施例的平面展開示意圖；
[0021]圖3為圖1另一角度的結構示意圖；
[0022]圖4為本實用新型實施例的平坦度響應曲線圖；
[0023]圖5為本實用新型實施例的線性度響應曲線圖；
[0024]圖6為本實用新型實施例的各向同性響應曲線圖。
[0025]下面結合附圖和各實施例對本實用新型進一步詳細說明。

【具體實施方式】
[0026]如圖1、圖2及圖3所示，本實用新型實施例的寬帶全向場強探頭包括直偶極子天線1、射頻檢波二極體2、整形濾波網絡3、介質基板4、雙絞傳輸線5、直插電阻6、絕緣外殼
7、絕緣支杆8及信號處理電路9。
[0027]每塊介質基板4上設置一對直偶極子天線I，共有3塊介質基板4和3對直偶極子天線1，3塊介質基板4組成底面形狀為等邊三角形的空心三稜柱。一塊介質基板4上的直偶極子天線I與相鄰介質基板4上的直偶極子天線I之間為正交布置，以保證探頭能夠均勻接收到來自空間各個方向的電磁波。介質基板為環氧玻璃布層壓板(FR-4)，直偶極子天線I採用蝕刻技術印刷於介質基板4上。射頻檢波二極體2 (DX、DY、DZ)跨接於每對直偶極子天線I的天線臂之間。整形濾波網絡3由並行布置的微帶線構成，微帶線的前端與直偶極子天線I的天線臂相連，連接於射頻檢波二極體2的端部，微帶線的後端與相鄰介質基板4上的微帶線通過直插電阻6 (RXY, RYZ、RZX)相連。整形濾波網絡3的輸出端通過雙絞傳輸線5與信號處理電路9相連。介質基板4設置於絕緣外殼7內，絕緣外殼7由絕緣支杆8支撐，雙絞傳輸線5穿過絕緣支杆8後與信號處理電路9相連。本實用新型的信號處理電路採用現有技術的常規設計，所以不再進一步的詳細說明和/或不以一種詳細的方式描述。
[0028]本實用新型在直偶極子天線I上加載集總式阻抗，用於提高天線的平坦度和靈敏度。在每一直偶極子天線I的天線臂上設置有3個均勻間隔的表貼電阻，3個表貼電阻將天線臂四等分，從天線臂的內端向外端設置的電阻的阻值依次為200Ω、110Ω和10Ω，形成集總式阻抗。即圖2中，設置於3對偶極子天線上的表貼電阻裡，RXlU RX12、RYlU RY12、RZl1、RZ12 的電阻阻值均為 200 Ω ;RX21、RX22、RY21、RY22、RZ21、RZ22 的電阻阻值均為
110Ω ;RX31、RX32、RY31、RY32、RZ31、RZ32 的電阻阻值均為 10 Ω。
[0029]整形濾波網絡3的微帶線上同樣加載阻抗，在每一微帶線上對稱焊接6個間隔設置的電阻元件，三對並行放置的集總加載微帶線構成高阻傳輸線，形成整形濾波網絡。每一微帶線上從上到下排列的電阻中，前兩個電阻的阻值依次為390k Ω、10k Ω，後四個電阻的阻值為1kQ。即微帶線上的電阻裡，RX41、RX42、RY41、RY42、RZ41、RZ42的電阻阻值均為 390k Ω，RX51、RX52、RY51、RY52、RZ51、RZ52 的電阻阻值均為 10kQ , RX61、RX62、RX71、RX72、RX81、RX82、RX91、RX92、RY61、RY62、RY71、RY72、RY81、RY82、RY91、RY92、RZ61、RZ62、RZ71、RZ72、RZ81、RZ82、RZ91、RZ92的阻值均為1kQ。每一對微帶線間跨接有IpF的電容(CX、CY、CZ)，該電容位於第二個電阻與第三個電阻之間。整形濾波網絡3輸出端處並聯有輸出電阻Rout，其電阻阻值為470k Ω。
[0030]作為本實用新型的一個具體實施方案，如圖2所示，介質基板4是長(b)為50_、寬(a)為46mm的矩形基板,介質基板4的厚度為1mm。介質基板(4)上的Koch分形天線直線距離總長為50mm，天線臂寬為0.254mm，直偶極子天線I與豎直方向的夾角為54.7°。絕緣外殼7是直徑為62mm、高為51mm的空心圓筒，絕緣支撐杆8是直徑15mm、長146mm的空心圓筒。
[0031]介質基板4上的直偶極子天線I感應空間的電場信號，信號傳送至檢波電路一即射頻檢波二極體2，將天線感應到的高頻電信號檢波輸出成直流電信號，整形濾波網絡3對檢波後的直流電信號進行整形和濾波，用於連接電場探頭前端感應部分和後端處理電路的雙絞傳輸線5將整形濾波後的信號進行無失真地傳輸。本實用新型的射頻檢波二極體可優選採用梁式引線肖特基低勢壘檢波二極體。雙絞傳輸線5由兩根相互絕緣的銅導線互相絞合構成。
[0032]由於直偶極子作為接收天線時其頻率響應不夠平坦，而對於場強探頭來說頻率響應的平坦性是衡量其性能是否優良的一項重要參數。為了改善直偶極子的頻率響應，使直偶極子的平坦性更好，本實用新型利用阻抗加載技術對直偶極子進行優化，將直偶極子的兩個天線臂用阻值不等的一系列電阻隔開以提高接收天線的平坦性，天線臂的加載可以有效展寬直偶極子的頻帶，使其在寬頻帶上具有更寬、更平坦的頻率響應。
[0033]結合圖4、圖5和圖6，圖4為本實用新型實施例的探頭在0.2MHz?3000MHz頻率段內的傳遞函數曲線，從圖4可以看出，在1.5MHz?3000MHz頻段內探頭的平坦度基本維持在±1.5dB以內。圖5為線性度響應曲線圖,橫坐標為電場強度,縱坐標為輸出電壓開方值，從圖5可以看出，電壓的開方值和電場強度之間有著較好的線性關係。圖6為探頭的實際空間各向同性響應曲線圖，從圖6可以看出，探頭的實際空間各向同性響應保持在±ldB以內。由此說明，本實用新型的場強探頭的頻率響應曲線獲得較好的平坦度，同時獲得了較理想的線性度響應和各向同性響應特性，通過加載技術有效地改善了直偶極子的頻率響應特性。而且本實用新型使用阻抗加載偶極子天線臂、阻抗加載微帶線和雙絞線作為高阻傳輸線，降低了成本，簡化了工藝，使用這種探頭可以方便測量空間中的電場強度。
[0034]以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例而已，並非對本實用新型做任何形式上的限制，雖然本實用新型已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本實用新型，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本實用新型技術方案範圍內，當可利用上述揭示的技術內容做出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本實用新型技術方案的內容，依據本實用新型的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本實用新型技術方案的範圍內。
【權利要求】
1.寬帶全向場強探頭，包括:絕緣外殼、支撐所述絕緣外殼的絕緣支杆、設置於所述絕緣外殼內的介質基板，所述每一介質基板上設置有一對直偶極子天線； 其特徵在於: 3塊介質基板圍成底面為等邊三角形的空心三稜柱,一塊介質基板上的直偶極子天線與相鄰介質基板上的偶極子天線之間為正交布置，所述直偶極子天線的天線臂上設置有3個均勻間隔的表貼電阻，所述3個表貼電阻將天線臂四等分，所述每對直偶極子天線的天線臂之間跨接有射頻檢波二極體； 在所述介質基板上設置有由並行布置的微帶線構成的整形濾波網絡，所述微帶線的前端與所述偶極子天線的天線臂相連且連接於所述射頻檢波二極體的端部，微帶線的後端與相鄰介質基板上的微帶線通過直插電阻相連，所述整形濾波網絡的輸出端與雙絞傳輸線相連； 所述雙絞傳輸線穿過所述絕緣支杆後與信號處理電路相連。
2.根據權利要求1所述的寬帶全向場強探頭，其特徵在於:所述射頻檢波二極體為肖特基低勢壘檢波二極體。
3.根據權利要求1所述的寬帶全向場強探頭，其特徵在於:所述雙絞傳輸線由兩根相互絕緣的銅導線互相絞合而成。
4.根據權利要求1所述的寬帶全向場強探頭，其特徵在於:從所述天線臂的內端向外端設置的電阻的阻值依次為200 Ω、110 Ω和10 Ω。
5.根據權利要求1所述的寬帶全向場強探頭，其特徵在於:所述每一微帶線上設置有6個間隔設置的電阻。
6.根據權利要求5所述的寬帶全向場強探頭，其特徵在於:所述每一微帶線上從上到下排列的電阻中，前兩個電阻的阻值依次為390k Ω、10kQ，後四個電阻的阻值為1kQ。
7.根據權利要求5或6所述的寬帶全向場強探頭，其特徵在於:每一對微帶線間跨接有IpF的電容，所述電容位於第二個電阻與第三個電阻之間，所述整形濾波網絡的輸出端處並聯有阻值為470k Ω的輸出電阻。
8.根據權利要求1所述的寬帶全向場強探頭，其特徵在於:所述介質基板的長為50mm、寬為46mm、厚度為1mm。
9.根據權利要求1或8所述的寬帶全向場強探頭，其特徵在於:所述直偶極子天線直線距離總長為50mm,天線臂寬為0.1mm。
10.根據權利要求1或8或9所述的寬帶全向場強探頭，其特徵在於:所述直偶極子天線與豎直方向的夾角為54.7°。
【文檔編號】G01R29/12GK204008871SQ201420436774
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月4日 優先權日:2014年8月4日
【發明者】郭宏福, 侯華楠, 劉高高, 呂福勝 申請人:西安電子科技大學