小型電場傳感器分析與設(shè)計(jì)

蔣 丹 李奇威 荊曉鵬 何鵬軍

(西安電子工程研究所西安710100)

接收發(fā)射技術(shù)

小型電場傳感器分析與設(shè)計(jì)

蔣 丹 李奇威 荊曉鵬 何鵬軍

(西安電子工程研究所西安710100)

本文從數(shù)值分析、仿真模擬和實(shí)驗(yàn)測試等多個(gè)方面分別對單極子傳感器和漸進(jìn)圓錐偶極子傳感器接收瞬態(tài)電磁脈沖進(jìn)行了較為深入的研究。設(shè)計(jì)的單極子傳感器高25mm，半徑1.5mm;漸進(jìn)圓錐偶極子傳感器等效面積10cm2，電容約0.5pf，測量上限頻率約為2.5GHz，能夠很好的應(yīng)用于高功率瞬態(tài)電磁脈沖的測量。

單極子;圓錐漸進(jìn)偶極子;電場脈沖;測量

0 引 言

隨著高精度電子元器件在武器裝備現(xiàn)代化建設(shè)中的廣泛使用，同時(shí)由于高功率微波和超寬譜等定向能武器技術(shù)的快速發(fā)展，使得電子設(shè)備及系統(tǒng)面臨的電磁環(huán)境日趨復(fù)雜。武器裝備能否在復(fù)雜的電磁環(huán)境中發(fā)揮應(yīng)有的效能，已經(jīng)成為我軍武器裝備建設(shè)中一個(gè)亟須解決的問題［1］。瞬態(tài)電磁脈沖測試技術(shù)作為揭示瞬態(tài)電磁場特性、闡明電磁脈沖對電子設(shè)備的作用機(jī)理、評價(jià)電磁防護(hù)效能、探求電磁防護(hù)措施的重要手段，越來越受到人們的重視。目前關(guān)于瞬態(tài)電磁脈沖測量主要有兩種方法［2］:基于電光效應(yīng)傳感器及光纖傳輸?shù)墓鈱W(xué)調(diào)制法;接收天線(或電場探頭)感應(yīng)法等。本文將對電場探頭感應(yīng)法進(jìn)行較為深入的研究分析。

1 傳感器分析與設(shè)計(jì)

1.1 單極子(Monopole)傳感器分析與設(shè)計(jì)

小型短電磁脈沖傳感器在國外最早用于核電磁脈沖測量，后常被用作超寬帶脈沖標(biāo)準(zhǔn)傳感器，對輻射天線及其他傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)標(biāo)定［3］。從理論上講，用與頻率無關(guān)的電小天線作為接收天線檢測瞬態(tài)脈沖電場，基本可以不失真地測出入射電場的時(shí)域波形，基于單極子天線接收的電場傳感器具有原理簡單、性價(jià)比高、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，在靜電放電和電磁兼容等測量方向得到了廣泛應(yīng)用［2，3，4］。

圖1 單極子傳感器結(jié)構(gòu)及等效電路

單極子天線半徑為r，高度為L，幾何結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。假設(shè)天線很細(xì)，即2ln(2L/r) 1，則天線上電流分布的一階近似是長度為L的終端開路傳輸線上的電流分布。對于短天線，按等效傳輸線法可求得天線的阻抗為:

因此，作為接收的單極天線等效電路如圖1 (b)所示。由于天線輸入電阻很小，可以忽略不計(jì)，因此單極天線可以等效為一皮法量級的電容，那么:

式中，V(ω)為示波器測試電壓，U(ω)為探頭感應(yīng)電壓，由于ωRC＜＜1，有:

對時(shí)域接收天線:U(t)=ha(t) Eint(t)，ha(t)為天線脈沖響應(yīng)函數(shù)，Eint(t)為探測處電場。

由于單極天線電磁脈沖響應(yīng)函數(shù)的脈寬遠(yuǎn)小于待測時(shí)域電場脈寬，則Ha(ω)相對于Eint(ω)近似為常數(shù)，從而基本可以不失真的測量瞬態(tài)電磁脈沖。轉(zhuǎn)換為時(shí)域，場強(qiáng)與輸出電壓之間的關(guān)系為:

1.2 漸進(jìn)圓錐偶極子(ACD)傳感器單元結(jié)構(gòu)

由于傳感器高度直接影響到測量系統(tǒng)帶寬和精度，如果單極傳感器高度與波長可比擬時(shí)，傳感器自身將對所測量的電磁脈沖產(chǎn)生嚴(yán)重的畸變［5］。此時(shí)，可以利用有效高度更小的漸進(jìn)圓錐偶極子傳感器進(jìn)行測量，幾何結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 漸進(jìn)圓錐偶極子結(jié)構(gòu)示意圖

由于傳感器與同軸線連接區(qū)域可近似為錐天線結(jié)構(gòu)［6，7］，其阻抗為:

根據(jù)文獻(xiàn)［6，8］，傳感器有效高度heff與實(shí)際高度hge0的關(guān)系以及電容可表示為:

傳感器等效接收面積可以用有效高度和電容的關(guān)系表示［8］:

那么，根據(jù)公式(6－9)可推導(dǎo)出傳感器實(shí)際高度和等效接收面積之間的關(guān)系:

同時(shí)，由等位面方程［6］(公式11)則可求解出漸進(jìn)圓錐偶極子傳感器的幾何結(jié)構(gòu)。圖3是同軸線特性阻抗50Ω時(shí)，不同等效接收面積的剖面結(jié)構(gòu)。

圖3 不同等效接收面積下的傳感器尺寸

由于漸進(jìn)圓錐偶極子可視為有效高度更短的單極子傳感器，那么其測量電壓與場強(qiáng)也具有微分關(guān)系。由諾頓等效電路［8］，如圖4所示，其中D為電位移矢量。

圖4 漸進(jìn)圓錐偶極子傳感器等效電路

根據(jù)等效電路，且由于ωRC 1，可以得到示波器輸出電壓:

對應(yīng)時(shí)域表達(dá)式為:

1.3 電磁脈沖傳感器設(shè)計(jì)及分析

由于目前強(qiáng)電磁脈沖頻譜大多集中在數(shù)GHz以下。因此，選擇合適的傳感器，一方面能降低加工和裝配的難度，另一方面能減小由于傳感器本身帶寬對測量造成的影響。

因?yàn)棣豏C 1，同時(shí)由傳感器測量的上限頻率，可大概推導(dǎo)出傳感器的電容值，進(jìn)而估算出傳感器尺寸。本文選定的單極傳感器高度為25 mm，半徑1.5 mm;漸進(jìn)偶極傳感器等效接收面積Aeq= 10 cm2。

對單極傳感器和漸進(jìn)圓錐偶極傳感器采用平面波激勵(lì)，信號為0－1 GHz的高斯脈沖，傳感器端口輸出電壓積分后歸一化波形如圖5所示。

圖5 仿真模型及其輸入、輸出波形比較

從圖中可以看出，單極傳感器和漸進(jìn)偶極子傳感器都幾乎能不失真的測量瞬態(tài)電磁脈沖。由于實(shí)驗(yàn)中采用的高功率寬譜源輸出中心頻率約為300 MHz，因而兩傳感器都具有較好的測量準(zhǔn)確度。

對電磁脈沖傳感器的時(shí)域標(biāo)定，可采用單錐TEM室對波形保真性和等效面積 Aeq進(jìn)行測試［8，9，10］，結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示。

圖6 電磁脈沖傳感器定標(biāo)示意圖

快前沿電磁脈沖激勵(lì)錐天線形成超寬譜短電磁脈沖輻射場，取單錐TEM室饋線阻抗和輸入阻抗匹配，其電場分布與源電壓Us(t)有如下解析關(guān)系［10］:

將傳感器置于(r，θ)點(diǎn)處，與單錐TEM室極化相同(垂直極化)，通過傳感器輸出電壓V(t)并利用公式(13，14)，令二者場強(qiáng)相等，可以得到傳感器等效面積為:

2 電磁脈沖傳感器實(shí)驗(yàn)測試研究

本文分別采用單極傳感器和漸進(jìn)偶極子傳感器對高功率寬譜模擬器輻射場進(jìn)行測量，兩傳感器距離地面高度相同，距模擬器距離相等，且極化方向與模擬器一致(水平極化)。測試系統(tǒng)如圖7 (a)所示，接收波形如圖7(b)所示，由于單極傳感器與示波器連接電纜比ACD傳感器所用電纜長約13 m，因而信號延時(shí)約65 ns。

圖7 傳感器測試系統(tǒng)及其結(jié)果

按照上節(jié)對瞬態(tài)電磁脈沖測量的分析，對測得信號進(jìn)行處理后，遠(yuǎn)區(qū)場強(qiáng)波形如圖8所示。從圖中可以看出，兩傳感器測得的時(shí)域波形具有較好的一致性，測量的最大峰值場強(qiáng)為11.3kV/m，中心頻率約260MHz。

圖8 單極傳感器和漸進(jìn)圓錐偶極子傳感器測量結(jié)果

3 結(jié) 論

本文對單極傳感器和漸進(jìn)偶極子傳感器從數(shù)值分析、仿真模擬和實(shí)驗(yàn)測試進(jìn)行了較為深入的研究。由于傳感器帶寬和接收靈敏度分別由其電容和有效高度決定，為了保證傳感器與測量系統(tǒng)的匹配，ACD傳感器半錐角設(shè)計(jì)為47°。那么，傳感器有效高度、電容和等效面積都只與其自身幾何高度有關(guān)，幾何高度越小，帶寬越高，但接收靈敏度越低。因而需要折中考慮帶寬和靈敏度的要求，合理的選擇傳感器高度。從仿真和實(shí)驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的電磁脈沖傳感器能夠較好的測量寬譜強(qiáng)電場脈沖輻射場。

［1］劉尚合，孫國至.復(fù)雜電磁環(huán)境內(nèi)涵及效應(yīng)分析［J］.裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，19(1):1－5.

［2］劉衛(wèi)東等.光纖傳輸式瞬態(tài)脈沖電場傳感器分析與設(shè)計(jì)［J］.微波學(xué)報(bào)，2011，27(1):78－82.

［3］T.Iwasaki，T.Hirao，L.Hamada.Measurement and calculation of electric field waveforms in the vicinity of small antennas excited by a pulse［J］.IEEE Topical Conference on Wireless Communication Technology，2003.

［4］M.Honda.Indirect ESD measurement using a short monopole antenna［J］.IEEE Topical Conference on E-lectromagnetic Compatibility，1990.

［5］S.Saboktakin，B.Kordi.Time－domain distortion analysis of wideband electromagnetic－field sensors using Hermite－Gauss Orthogonal Functions［J］.IEEE trans on Electromagnetic Compatibility，2012，54(3):511－521.

［6］C.E.Baum.An equivalent－charge method for defining geometries of dipole antennas［R］.Sensor and Simulation Note 72，1969.

［7］Ronold W.P.King.The conical antenna as a sensor or probe［J］.IEEE trans on Electromagnetic Compatibility，25(1):8－13，1983.

［8］S.L.Olsen.Asymptotic conical dipole D－dot sensor (ACD－S1(R))development［R］.AFWL－TR－75－263，1976.

［9］IEEE Std.1309－2005，IEEE standard for calibration of electromagnetic field sensor and probes，excluding antennas，from 9 kHz to 40 GHz［S］.

［10］陳錦等.小型短電磁脈沖傳感器［J］.強(qiáng)激光與粒子束，24(12):2797－2801，2012.

Analysis and Design of Small－scale Electric－field Sensor

Jiang Dan，Li Qiwei，Jing Xiaopeng，He Pengjun
(Xi’an electronic Engineering Research Institute，Xi’an 710100)

Receiving transient electromagnetic pulse of monopole sensor and conical gradual dipole sensor are studied deeply from numerical analysis，analogue simulation and experiment test respectively.The designed monopole sensor is 25mm in height，and 1.5mm in radius;the equivalent area of conical gradual dipole sensor is 10cm2，capacitance is about 0.5pf，the measured upper limit frequency is about 2.5GHz，which can be applied to measure high power transient electromagnetic pulse.

monopole;conical gradual dipole;electric－field pulse;measurement

TN952

A

1008-8652(2016)04-074-04

2016-06-23

蔣 丹(1983－)，男，碩士研究生。主要研究方向?yàn)樘炀€設(shè)計(jì)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)測試。