用于高功率微波时域测量的电场传感器的制作方法

1.本发明涉及电磁兼容与天线技术领域，具体涉及一种用于高功率微波时域测量的电场传感器。


背景技术：

2.高功率电磁环境中的电磁场，大多数都具有高场强、前沿快、频带宽、作用范围广等特点。典型强电磁脉冲包含超宽谱高功率微波、窄谱高功率微波、雷达脉冲等多种类型。选择宽频带高性能的瞬态电场传感器，一方面能适应多种应用场景，提高测试结果的准确性与可靠性，另一方面能减小由于传感器本身带宽对测量造成的影响。
3.对于瞬态电场的时域测量现在主要存在两个方面的难点：一是传统高性能天线设备体积过大，无法应用在狭小空间之内，其本身的金属结构也会对周围的电磁场产生一定的扰动；二是各类小型电场传感器存在易损坏，维修周期长，维修费用高等问题。
4.目前，瞬态脉冲测试方法主要使用以下两种技术：
5.(1)基于电光效应传感器法
6.该种电场传感技术基于电光晶体的电光效应，最终通过电场作用下光的相位的变化的大小来测量外界电场的大小。但是受所用电光晶体调制深度等因素的制约，光学电场传感器的灵敏度往往较低，且其制作工艺比较复杂，对所使用激光器的稳定度、光谱纯度等有较高要求，实现难度大且费用昂贵。同时，由于电光晶体对温度等外界环境变化非常敏感，其在实际工程应用中的工作稳定性也有待进一步提高。
7.(2)电场探头感应法
8.该种方法利用接收天线感应获取瞬态脉冲信号，并直接将接收天线上的感应电压信号送入示波器进行记录和显示。用于电磁脉冲电场测量的传感器接收天线主要有棒状电小天线和d-dot渐进圆锥天线两种。
9.对于棒状电小天线，已经研制出多种相关的电场传感器，但天线的频率范围仍限制在1ghz以下；d-dot类型的电场传感器具有绝缘简单、装置体积小、暂态性能好等优点，但该类传感器的设计需折衷考虑传感器的工作带宽与灵敏度，合理选择传感器高度。针对超宽谱的高功率微波，必须降低极子高度，无疑会增加加工与装配难度，同时传感器应用于实际舰船等复杂环境，对于稳定性提出了较高要求。此外，渐进圆锥偶极子与同轴电缆间需要巴伦实现信号的平衡转换和良好传输，但超宽带的小型化巴伦与d-dot间存在波形保真度低、稳定性差的缺陷。
10.为满足强电磁脉冲测试的相关需求，亟需突破对瞬态电场的宽频带测试，提高系统在复杂测试环境下的工作稳定性和可靠性，研制出精度高、稳定性好的电场传感器就显得尤为迫切和重要。


技术实现要素：

11.本发明的目的在于提供一种适用于高功率微波时域测量的电场传感器，实现渐进
圆锥天线无失真传感、天线与巴伦间高保真转换，解决已有的时域瞬态脉冲测量传感器存在的频带不够宽、易失真问题。本发明可实现宽带宽、高波形保真度、强稳定性的强电磁脉冲测试。
12.为实现上述目的，本发明提供一种用于高功率微波时域测量的电场传感器，包括：d-dot传感器、双线传输系统和巴伦；
13.d-dot传感器包括两个水滴形极子，两个水滴形极子对地位置具有对称性，用于将瞬态脉冲信号转换为一对等幅反相的差分电压信号；
14.双线传输系统为双同轴传输结构，双同轴传输结构的两条传输线分别与两个水滴形极子相连，用于将信号传输至巴伦；
15.巴伦包括两个平衡输入端口和一个非平衡输出端口，一个平衡输入端口正面连接传输线内芯，背面连接传输线外皮，另一个平衡输入端口与之相反，完成信号的平衡至不平衡转换。
16.接上述方案，巴伦的非平衡输出端口输出的信号为脉冲电场的微分测量，经简单信号积分后得到实际瞬态脉冲电压波形。
17.接上述方案，基于等效电荷法设计渐进圆锥d-dot传感器的极子几何结构，使d-dot传感器有效面积满足10mhz-3ghz的频率响应范围。
18.接上述方案，d-dot传感器还包括特氟龙介质的支撑结构，用于固定极子。
19.接上述方案，支撑结构包括介质包裹和介质支撑，介质包裹用于包裹并固定极子，介质支撑用于固定介质包裹。
20.接上述方案，极子端部尖头与地平面的连接直径为1mm。
21.接上述方案，极子材质为铜。
22.接上述方案，d-dot传感器、双线传输系统和巴伦一体化。
23.本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
24.1、d-dot传感器的水滴型偶极子，电尺寸小，传递函数相频曲线近似线性，相比电尺寸较大的天线，传感器几乎不引入波形畸变，同时传感器的工作频带满足高功率微波时域测量的设计要求；
25.2、采用特氟龙介质(聚四氟乙烯)的支撑结构包裹偶极子振子，解决了标准探头极子端部尖头安装难，易松动导致不稳定的问题，并提高了天线的耐功率特性；
26.3、巴伦采用对称设计，完成信号的平衡至不平衡转换，充分利用同轴线之间的相位差和平行双线的特性，带宽宽，性能稳定，增加了平衡转换时的波形保真度；
27.4、巴伦与d-dot渐进圆锥天线的一体化，小体积减小了对被测瞬态电场的扰动，具有稳定性强的优点，适用于超宽谱hpm、窄谱hpm的瞬时时域波形测量。
附图说明
28.图1为电场传感器的立体图；
29.图2为水滴型偶极子示意图；
30.图3为传感器示意图；其中，图3(a)为传感器剖分示意图，图3(b)为传感器侧视图，图3(c)为传感器顶面示意图；
31.图4为传输结构示意图；其中，图4(a)为单同轴传输结构示意图，图4(b)为双同轴
传输结构示意图；
32.图5为巴伦pcb板模型图；
33.图6为巴伦外形结构图；
34.图7为巴伦对传感器幅频特性的影响曲线；
35.图8为实测的传感器频响特性曲线。
36.图中：1-d-dot传感器，11-极子，12-介质包裹，13-介质支撑，2-双线传输系统，3-巴伦，31-金属屏蔽盒，4-支撑架。
具体实施方式
37.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
38.本发明属于电磁兼容与天线技术领域，涉及一款适用于持续时间短、快脉冲前沿的超宽谱高功率微波测量传感器，具有带宽宽、波形保真度高、稳定性强等优点，该技术同时也可以应用于窄谱hpm、雷达脉冲和电力系统中的局部放电检测等多个领域。
39.本发明的目的在于提供一种适用于高功率微波时域测量的电场传感器，实现渐进圆锥天线无失真传感、天线与巴伦间高保真转换，解决已有的时域瞬态脉冲测量传感器存在的频带不够宽、易失真等问题。本发明可实现宽带宽、高波形保真度、强稳定性的强电磁脉冲测试。
40.本发明给出的瞬态电场时域测试传感器实现了渐进圆锥天线无失真传感、天线与巴伦间高保真转换，设计了电尺寸很小的水滴型偶极子d-dot天线，工作频带宽，同时通过设计专用的特氟龙介质稳定结构用于固定偶极子振子，解决了现有d-dot天线偶极子稳固性差的缺陷；此外，本发明也设计了适配d-dot天线的小型化超宽带巴伦，增加平衡转换时的波形保真度，解决了测试中的波形畸变问题。
41.首先对水滴型偶极子的尺寸进行设计与优化，如图2所示。基于等效电荷法设计渐进圆锥d-dot的极子几何结构，使传感器有效面积满足10mhz-3ghz的频率响应范围，减小由于传感器本身带宽对高功率微波测量造成的影响，同时需考虑降低加工和装配的难度，满足工业生产要求。
42.然后开展偶极子稳固结构设计，如图3(a)所示，采用特氟龙介质(聚四氟乙烯)的支撑结构包裹偶极子振子，保证了水滴型偶极子的稳固性，此外聚四氟乙烯的击穿电压相较于空气有了明显提高，低损耗的材料不影响d-dot的传输性能的同时，提高天线的耐功率特性。
43.最后开展小型化超宽带巴伦设计，本发明提出了一种在10mhz-3ghz频率下，能够实现宽带差分馈电的巴伦。巴伦双端口由平行双线连接，通过同轴线内外芯的反向，实现了全频带内180度的稳定相位差，保证两个传输端口之间幅度具有良好的一致性。
44.图1为本发明设计的小型时域电场传感器的外形结构图，整体包括：d-dot传感器1、双线传输系统2、巴伦3和支撑架4。d-dot传感器1可将瞬态脉冲信号不失真地转换为一对等幅反相的差分电压信号，通过双线传输系统2输入至巴伦3的两个平衡输入端口，而同轴
电缆属于不平衡传输线，通过巴伦3完成信号的平衡至不平衡转换，并实现阻抗匹配，最终通过巴伦3的非平衡端口输出至示波器等显示设备，该信号为脉冲电场的微分测量，经简单信号积分后可得实际瞬态脉冲电压波形。
45.图2为水滴型极子11的外形设计图，极子振子选用铜材质，具有良好的导电性能。采用等效电势法对探头进行优化设计。两个极子称为偶极子。水滴型偶极子的结构、尺寸决定d-dot的有效面积，进而影响传感器的频响特性。水滴型偶极子的电尺寸应尽可能小，使传感器带宽满足高功率微波测量要求，同时需考虑降低加工和装配的难度，本发明设计的偶极子端部尖头与地平面仅1mm的连接直径。
46.图3(a)、图3(b)和图3(c)为极子11的稳固结构设计图，偶极子振子与地平面的连接通过专门设计的介质支撑13与介质包裹12实现，介质采用特氟龙(聚四氟乙烯)，具有损耗低、耐高温、击穿电压高的优势。该结构包裹偶极子振子，不影响d-dot的传输性能，同时保证了水滴型偶极子的稳固性，解决了极子安装难，易松动导致不稳定的问题。
47.图4为双线传输系统的同轴传输结构，本发明中d-dot传感器与宽带巴伦通过双线传输系统连接，选用图4(b)中的双同轴传输结构，该结构下水滴形偶极子振子对地位置具有对称性，保证两振子对地阻抗对称；同时，电压、电流满足幅度相等，方向相反的平衡条件。而图4(a)所示的单同轴传输方式，传感器本身辐射阻抗较小和其不平衡的馈电结构严重影响天线的阻抗匹配和传输函数进而影响其精度。
48.图5和图6为巴伦3的设计图，巴伦包括金属屏蔽盒31与线路板，图5为巴伦的pcb板模型，图6为巴伦外形结构图。整体巴伦由平行双线构成，两个平衡端口2、3连接对称阵子两臂，连接时，一个双线正面连接双同轴传输结构传输线内芯，双线背面连接该传输线外皮，而另一个则与之相反，据此，通过同轴线内外芯的反向，实现了全频带内180度相差。在传输线上则串联电阻与隔离电阻实现阻抗匹配。
49.图7为仿真的巴伦对传感器幅频特性的影响曲线。在有巴伦馈电的情况下，由于巴伦的影响，在低频段传感器表现出了1-2db的插入损耗，但高频段部分则与理想馈电仿真曲线吻合良好。巴伦与传感器之间具备良好的匹配特性。
50.图8为本发明传感器的实际测试频响特性曲线，理论的传感器输出电压与电场的微分(时间变化率)呈线性关系，此时传感器处于理想模式。实际通过在tem室及暗室给定20v/m的标准场，测得图8所示的传感器频响特性曲线，可知曲线满足线性关系，传感器在3ghz内的线性度好，说明本发明传感器在保证较宽带宽的同时，波形保真度高。
51.本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。