一種閃電瞬態(tài)三維電場測試傳感器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種閃電瞬態(tài)三維電場測試傳感器，包括空間三維天線陣和3個(gè)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(gè)單極子天線，所述單極子天線的長度小于雷電輻射的電磁波波長的1/10，3個(gè)單極子天線分別垂直設(shè)置在正方體屏蔽外殼任意3個(gè)相鄰面上，每個(gè)單極子天線與正方體屏蔽外殼之間設(shè)有絕緣套，所述3個(gè)單極子天線經(jīng)同軸饋線一一對應(yīng)連接3個(gè)電壓跟隨器的輸入端，3個(gè)電壓跟隨器的輸出端外接信號(hào)分析設(shè)備。本實(shí)用新型采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(shù)和對地面設(shè)備造成的危害程度提供數(shù)據(jù)。
【專利說明】一種閃電瞬態(tài)三維電場測試傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于雷電科學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及了一種閃電瞬態(tài)三維電場測試傳感器。

【背景技術(shù)】
[0002]雷電主放電通道一旦建立，云層電荷迅速與大地或云層異號(hào)感應(yīng)電荷中和，回?fù)綦娏骷眲∩仙?，受電量、電位和通道阻抗的影響，其上升速率最大可達(dá)500kA/s。此時(shí)，放電通道構(gòu)成等效天線，產(chǎn)生強(qiáng)烈的電瞬態(tài)電磁輻射。在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生的電磁作用對三維空間內(nèi)的各種電子設(shè)備產(chǎn)生干擾和破壞作用。對微電子設(shè)備而言則會(huì)帶來更加嚴(yán)重的危害，輕則引起設(shè)備功能紊亂，重則使器件燒毀。
[0003]雷電電磁脈沖的危害方式是瞬態(tài)電磁場的耦合效應(yīng)，它能夠?qū)ο嚓P(guān)軍事和民用設(shè)備產(chǎn)生不同的干擾和破壞。因此，研宄雷電電磁脈沖的防護(hù)具有重要意義。目前，研宄雷電電磁脈沖的前提是了解雷電電磁脈沖的基本特性，因此，測量雷電電磁場的時(shí)域波形具有十分重要的地位。目前國內(nèi)外對雷電電場的測量主要是針對雷電發(fā)生前的靜電場和雷電發(fā)生時(shí)的一維垂直電場。但是對于空間三維電場的分布以及其他類型雷電的測量技術(shù)的研宄還很少。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]為了解決上述【背景技術(shù)】提出的技術(shù)問題，本實(shí)用新型旨在提供一種閃電瞬態(tài)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(shù)和對地面設(shè)備造成的危害程度提供數(shù)據(jù)。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案為:
[0006]一種閃電瞬態(tài)三維電場測試傳感器，包括空間三維天線陣和3個(gè)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(gè)單極子天線，所述單極子天線的長度小于雷電福射的電磁波波長的1/10，3個(gè)單極子天線分別垂直設(shè)置在正方體屏蔽外殼任意3個(gè)相鄰面的外表面上，每個(gè)單極子天線與正方體屏蔽外殼之間設(shè)有絕緣套，所述3個(gè)單極子天線經(jīng)同軸饋線一一對應(yīng)連接3個(gè)電壓跟隨器的輸入端，3個(gè)電壓跟隨器的輸出端外接信號(hào)分析設(shè)備；所述3個(gè)單極子天線分別接收空間三維方向的電場分量，并將三個(gè)方向的電場分量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后輸入電壓跟隨器，電壓跟隨器輸出電壓信號(hào)并送給信號(hào)分析設(shè)備，對電場分量進(jìn)行分析。
[0007]其中，上述電壓跟隨器包括壓控型集成運(yùn)放、第一穿心電容和第二穿心電容，壓控型集成運(yùn)放的正輸入端連接單極子天線，壓控型集成運(yùn)放的負(fù)輸入端連接它的輸出端，壓控型集成運(yùn)放的正、負(fù)電源端分別經(jīng)第一、第二穿心電容接至正、負(fù)電源，所述電壓跟隨器置于正方體屏蔽外殼的內(nèi)部，第一、第二穿心電容安裝在正方體屏蔽外殼的內(nèi)壁上。
[0008]其中，上述正方體屏蔽外殼上設(shè)有BNC接口，壓控型集成運(yùn)放的輸出端經(jīng)同軸饋線連接BNC接口，并通過BNC接口與信號(hào)分析設(shè)備相連。
[0009]其中，上述正方體屏蔽外殼的材質(zhì)為金屬銅。
[0010]其中，上述單極子天線的材質(zhì)為金屬銅。
[0011]采用上述技術(shù)方案帶來的有益效果:
[0012](I)本實(shí)用新型通過空間三維天線陣測量三維電場場分量，從而根據(jù)三維電場分量判別雷電閃擊類型，分析雷電流參數(shù)和對地面設(shè)備造成的危害程度，比起現(xiàn)有技術(shù)僅對雷電發(fā)生前的靜電場和雷電發(fā)生時(shí)的一維垂直電場測量，本實(shí)用新型的適用于各種瞬態(tài)場的電場分量的測量，應(yīng)用廣泛；
[0013](2)本實(shí)用新型采用壓控性集成運(yùn)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，本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、性能穩(wěn)定以及測量精度高等優(yōu)點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2為本實(shí)用新型中電壓跟隨器的電路圖；
[0016]圖3為本實(shí)用新型中單極子天線的等效電路圖；
[0017]圖4為本實(shí)用新型的工作示意圖。
[0018]標(biāo)號(hào)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(shí)施方式】
[0019]以下將結(jié)合附圖，對本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0020]如圖1所示本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖，一種閃電瞬態(tài)三維電場測試傳感器，包括空間三維天線陣和3個(gè)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(gè)單極子天線1、2、3，所述正方體屏蔽外殼6作為整個(gè)傳感器的地端，所述單極子天線的長度小于雷電福射的電磁波波長的1/10，3個(gè)單極子天線1、2、3分別垂直設(shè)置在正方體屏蔽外殼6的任意3個(gè)相鄰面的外表面上，每個(gè)單極子天線與正方體屏蔽外殼6之間設(shè)有絕緣套4實(shí)現(xiàn)絕緣，所述3個(gè)單極子天線1、2、3分別經(jīng)同軸饋線一一對應(yīng)連接3個(gè)電壓跟隨器的輸入端，3個(gè)電壓跟隨器5的輸出端外接信號(hào)分析設(shè)備。
[0021 ] 在本實(shí)施例中，電壓跟隨器5包括壓控型集成運(yùn)放ICl、第一穿心電容Cl和第二穿心電容C2，壓控型集成運(yùn)放ICl的正輸入端連接單極子天線，壓控型集成運(yùn)放ICl的負(fù)輸入端連接它的輸出端，壓控型集成運(yùn)放ICl的正、負(fù)電源端分別經(jīng)第一、第二穿心電容接至正、負(fù)電源，實(shí)現(xiàn)對外部電源的濾波。所述電壓跟隨器5置于正方體屏蔽外殼6的內(nèi)部，第一、第二穿心電容安裝在正方體屏蔽外殼6的內(nèi)壁上(相當(dāng)于穿心電容某一極板接地)，其電路結(jié)構(gòu)如圖2。所示正方體屏蔽外殼上設(shè)有BNC接口 7，電壓跟隨器5的輸出端經(jīng)同軸饋線連接BNC接口 7，并通過BNC接口 7與信號(hào)分析設(shè)備相連。正方體屏蔽外6殼的材質(zhì)為金屬銅，單極子天線的材質(zhì)為金屬銅。正方體屏蔽外殼6的外底部設(shè)有底部固定端8，用于固定整個(gè)裝置。
[0022]本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)閃電瞬態(tài)電場測量功能是利用單極子天線感應(yīng)外界電場，然后對產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理。假設(shè)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(yuǎn)小于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(gè)電容值很小的電容器，電容值的大小通常在PF量級(jí)，且與頻率無關(guān)。當(dāng)單極子天線接電容器負(fù)載時(shí)，輸出電壓與外界電場強(qiáng)度成正比關(guān)系。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(fù)載)是輸入電阻Rin和輸入電容Cin的并聯(lián)形式，Ca為單極子天線的等效電容，Ca= I/{240c[In(21/a)-1]}，c為光速。UaS單極子天線的感應(yīng)電壓，Uin為天線接收電路的輸入電壓，根據(jù)等效電路，Uin= CaUa/(Ca+Cin)，為了滿足這個(gè)關(guān)系，必須要求天線接收電路具有足夠的輸入電阻，因此本實(shí)用新型采用壓控性集成運(yùn)放組成的電壓跟隨器，具有輸入阻抗大的特點(diǎn)。
[0023]如圖4所示，當(dāng)雷電發(fā)生時(shí)，產(chǎn)生的雷電電磁場經(jīng)過三維坐標(biāo)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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過同軸饋線將電信號(hào)送入三個(gè)電壓跟隨器產(chǎn)生電壓信號(hào)，并通過同軸饋電線將x、y、z軸方向的電壓信號(hào)由BNC接口輸出，輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理電路對電場分量進(jìn)行分析處理。
[0024]以上實(shí)施例僅為說明本實(shí)用新型的技術(shù)思想，不能以此限定本實(shí)用新型的保護(hù)范圍，凡是按照本實(shí)用新型提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本實(shí)用新型保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種閃電瞬態(tài)三維電場測試傳感器，其特征在于:包括空間三維天線陣和3個(gè)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(gè)單極子天線，所述單極子天線的長度小于雷電輻射的電磁波波長的1/10，3個(gè)單極子天線分別垂直設(shè)置在正方體屏蔽外殼任意3個(gè)相鄰面的外表面上，每個(gè)單極子天線與正方體屏蔽外殼之間設(shè)有絕緣套，所述3個(gè)單極子天線經(jīng)同軸饋線一一對應(yīng)連接3個(gè)電壓跟隨器的輸入端，3個(gè)電壓跟隨器的輸出端外接信號(hào)分析設(shè)備；所述3個(gè)單極子天線分別接收空間三維方向的電場分量，并將三個(gè)方向的電場分量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后輸入電壓跟隨器，電壓跟隨器輸出電壓信號(hào)并送給信號(hào)分析設(shè)備，對電場分量進(jìn)行分析。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種閃電瞬態(tài)三維電場測試傳感器，其特征在于:所述電壓跟隨器包括壓控型集成運(yùn)放、第一穿心電容和第二穿心電容，壓控型集成運(yùn)放的正輸入端連接單極子天線，壓控型集成運(yùn)放的負(fù)輸入端連接它的輸出端，壓控型集成運(yùn)放的正、負(fù)電源端分別經(jīng)第一、第二穿心電容接至正、負(fù)電源，所述電壓跟隨器置于正方體屏蔽外殼的內(nèi)部，第一、第二穿心電容安裝在正方體屏蔽外殼的內(nèi)壁上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種閃電瞬態(tài)三維電場測試傳感器，其特征在于:所述正方體屏蔽外殼上設(shè)有BNC接口，壓控型集成運(yùn)放的輸出端經(jīng)同軸饋線連接BNC接口，并通過BNC接口與信號(hào)分析設(shè)備相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種閃電瞬態(tài)三維電場測試傳感器，其特征在于:所述正方體屏蔽外殼的材質(zhì)為金屬銅。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種閃電瞬態(tài)三維電場測試傳感器，其特征在于:所述單極子天線的材質(zhì)為金屬銅。
【文檔編號(hào)】G01R29/08GK204203366SQ201420703112
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月21日
【發(fā)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(xué)