圖1是本實(shí)用新型的三棱錐形三維脈沖電場(chǎng)測(cè)量裝置原理圖；
[0056] 圖2是本實(shí)用新型的脈沖電場(chǎng)測(cè)量調(diào)理電路原理圖；
[0057] 圖3是本實(shí)用新型的三棱錐形三維脈沖電場(chǎng)平板天線的坐標(biāo)圖；
[0058] 圖4是本實(shí)用新型的經(jīng)過(guò)三棱錐棱線⑶的對(duì)三棱錐的垂直剖面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0059] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】來(lái)對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0060] 實(shí)施例：參考圖1，三棱錐形三維脈沖電場(chǎng)測(cè)量裝置，包括平板天線1、2、3,調(diào)理電 路4、5、6,電光轉(zhuǎn)換模塊7、8、9,激光供能模塊13,以及全介質(zhì)光纜10、11、12、14 ;其特征在 于，平板天線和對(duì)應(yīng)的調(diào)理電路制作在同一塊等腰直角三角形的4層PCB電路板上，完全一 致的三塊等腰直角三角形的四層PCB電路板相互正交，組合在一起成直角錐狀，倒扣在一 個(gè)等邊三角形底板上，構(gòu)成一個(gè)三棱錐形的四面體。對(duì)每一塊4層PCB電路板，在第一層銅 層直接刻蝕出一個(gè)三角形面或圓形面（頻率較高時(shí)選用圓形面）作為感應(yīng)電場(chǎng)信號(hào)的平板 天線，放在外側(cè)；第二層為地層起到電磁屏蔽作用；第三層銅層為布線層；第四層為元件安 裝層，用于安裝天線的調(diào)理電路，元件均用貼片元件，體積小、抗電磁干擾能力強(qiáng)。PCB制板 時(shí)，在其TopSolder層邊沿留出一條上錫且接地的線條。在四面體組裝時(shí)，由細(xì)長(zhǎng)的薄銅條 將接縫用錫焊接起來(lái)，使整個(gè)測(cè)量裝置構(gòu)成一個(gè)完整的屏蔽體。整個(gè)三棱錐形三維電場(chǎng)測(cè) 量裝置平板天線與裝置外殼渾然一體。
[0061] 三棱錐內(nèi)裝激光供能模塊13,是由Photonic公司研制的PPC-6E光電池構(gòu)成，將遠(yuǎn) 處激光器發(fā)出且通過(guò)光纜14送來(lái)的激光能量轉(zhuǎn)換成電能，給整個(gè)測(cè)量裝置供電。脈沖電場(chǎng) 信號(hào)通過(guò)電光轉(zhuǎn)換模塊7、8、9轉(zhuǎn)換成光信號(hào)由光纜10、11、12輸出，在遠(yuǎn)端由光接收機(jī)將電 場(chǎng)光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再由數(shù)字采集裝置轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。傳輸供能 激光的光纜14和傳輸測(cè)量信號(hào)的光纜10、11、12是全介質(zhì)光纜，從測(cè)量裝置的底板穿過(guò)。
[0062] 參考圖2,每一塊平板天線的輸出直接接到以高速運(yùn)算放大器構(gòu)成的低阻抗調(diào)理 電路，將電場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。高速運(yùn)算放大器的同相輸入端接地，平板天線與高速運(yùn)算 放大器的反相輸入端連接，形成低阻抗輸入。高速運(yùn)算放大器反饋支路不接積分電容Cf 時(shí)，測(cè)量脈沖電場(chǎng)的變化率；接積分電容Cf時(shí)，還原被測(cè)脈沖電場(chǎng)的時(shí)域波形。
[0063] 三維的平板天線既不是水平放置，也不是垂直放置，水平方向的電場(chǎng)分量和垂直 方向的電場(chǎng)分量經(jīng)過(guò)計(jì)算還原出來(lái)。
[0064] 假設(shè)某一電場(chǎng)E(t)垂直入射到平板天線（極化方向垂直于平板天線），則平板天 線上感應(yīng)出的電荷Q (t)為：
[0065] Q (t) = - ε 0AE (t) (I)
[0066] 式⑴中ε。的為介電常數(shù)，近似地取ε。= 8. 85X 10 12F/m ;E(t)為被測(cè)的電場(chǎng)； A為平板天線的面積。平板天線直接接到調(diào)理電路運(yùn)算放大器低阻輸入端，輸入電阻近似為 〇,天線感應(yīng)電場(chǎng)產(chǎn)生的電荷即刻流走，電荷的變化率即為電流，有公式⑵
[0068] 從式（2)可知平板天線輸出的電流與被測(cè)電場(chǎng)E (t)的變化率對(duì)應(yīng)，雷電電磁脈沖 電場(chǎng)的變化率可用于雷電定位，通過(guò)積分還原可得到其時(shí)域波形E (t)。
[0069] 參考圖3,平板天線1的底邊在X軸上，三棱錐的底面在xoy水平面上。
[0070] 設(shè)平板天線與xoy水平面的夾角為α，則有
[0073] 空中某一被測(cè)三維電場(chǎng)是三維直角坐標(biāo)軸方向的三個(gè)矢量分量之和，表不為
[0075] 以直角坐標(biāo)所指方向?yàn)槿S電場(chǎng)考方向。三個(gè)正交分量的大小分別為Ex、EjP E ζ。
[0076] 矢量沿某平面法向分解后與平面面積的積等于該矢量與該平面面積在與矢量垂 直的平面上投影的積。因此，Ex在平板天線1上的響應(yīng)為0,在平板天線2和平板天線3上 的響應(yīng)大小相等，方向相反；Ey在平板天線1上的響應(yīng)與在平板天線2、3上的響應(yīng)之和大小 相等，方向相反；Ez在平板天線1、2、3上的響應(yīng)相等。因此有
[0077] 平板天線1對(duì)被測(cè)電場(chǎng)的響應(yīng)E#
[0078] E1=-Ez cos a+〇Ex+Ey sina (6)
[0079] 參考圖4,假設(shè)過(guò)直線⑶且垂直于底面的平面交三棱錐得Λ⑶E。設(shè)平板天 線的等腰直角三角形的直角邊長(zhǎng)為1，面積為1/2,底邊長(zhǎng)為7^，則線段
，線段
，Λ⑶E的面積為Τ?/4。Ex在平板天線2上的投影等效于在Λ⑶E上的投影。
[0080] 平板天線2對(duì)被測(cè)電場(chǎng)的響應(yīng)E2S
[0082] 平板天線3對(duì)被測(cè)電場(chǎng)的響應(yīng)E3S CN 204903658 U 說(shuō)明書 6/6 頁(yè)
[0084] 由公式（6)~公式⑶可求得被測(cè)量三維電場(chǎng)分量分別為
[0088] 根據(jù)公式（9)~公式（11)，由三塊正交的平板天線1、2、3測(cè)得的三維電場(chǎng)響應(yīng)值 Ep匕和E 3，可求得被測(cè)電場(chǎng)直角坐標(biāo)軸方向上的三個(gè)正交分量Ex、E z。
[0089] 用三棱錐形脈沖電場(chǎng)測(cè)量裝置測(cè)量脈沖電場(chǎng)的方法如下：
[0090] (1)用有界波模擬器對(duì)三棱錐形脈沖電場(chǎng)測(cè)量裝置的每一塊正交平板天線進(jìn)行標(biāo) 定；被標(biāo)定的那一塊平板天線水平放到有界波模擬器的工作空間中，由有界波模擬器產(chǎn)生 的脈沖電場(chǎng)峰值和天線的輸出電壓峰值，分別算出三塊平板天線的電場(chǎng)測(cè)量靈敏系數(shù)ki， k2, k3;
[0091] (2)測(cè)量時(shí)將測(cè)量裝置按給定的位置放置，使測(cè)量裝置的底面與xoy水平面平行， 第1塊平板天線的底線與X軸平行；
[0092] (3)由三棱錐的三塊平板天線測(cè)量脈沖電場(chǎng)的輸出電壓分別除以對(duì)應(yīng)的平板天線 的電場(chǎng)測(cè)量靈敏系數(shù)h，k2, k3，得到平板天線法向上的電場(chǎng)Ep EjP E 3;
[0093] (4)由下面三個(gè)公式
[0097] 分別計(jì)算出三維直角坐標(biāo)軸方向上的正交電場(chǎng)分量Ex、匕和E z。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種三棱錐形三維脈沖電場(chǎng)測(cè)量裝置，包括平板天線和調(diào)理電路一體化的三塊等腰 直角三角形的多層PCB電路板、激光供能模塊、電光轉(zhuǎn)換模塊、等邊三角形的底板和全介質(zhì) 光纜；其特征是，三塊等腰直角三角形的多層PCB電路板相互正交成直角錐狀，并且與等邊 三角形底板構(gòu)成一個(gè)三棱錐形的四面體。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三棱錐形三維脈沖電場(chǎng)測(cè)量裝置，其特征是，平板天線和調(diào) 理電路制作到同一塊4層PCB電路板上，在最外一層銅層直接刻蝕出平板天線；第二層銅層 為地層，起屏蔽作用；第三層銅層為布線層；第四層銅層為元件層，用于安裝貼片電子元器 件。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三棱錐形三維脈沖電場(chǎng)測(cè)量裝置，其特征是，三塊等腰直角 三角形的多層PCB電路板的TopSolder層邊沿留出一條上錫且接地的線條。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三棱錐形三維脈沖電場(chǎng)測(cè)量裝置，其特征是，平板天線直接 與調(diào)理電路的高速運(yùn)算放大器的反相輸入端連接，高速運(yùn)算放大器的同相輸入端接地，形 成低阻抗輸入；高速運(yùn)算放大器反饋支路不接積分電容時(shí)，測(cè)量脈沖電場(chǎng)的變化率，接積分 電容時(shí)還原被測(cè)脈沖電場(chǎng)的時(shí)域波形。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三棱錐形三維脈沖電場(chǎng)測(cè)量裝置，其特征是，電光轉(zhuǎn)換模塊 將調(diào)理電路輸出的電場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)由光纜輸出。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三棱錐形三維脈沖電場(chǎng)測(cè)量裝置，其特征是，激光供能模塊 將光纜送來(lái)的激光能量轉(zhuǎn)換成電能，給調(diào)理電路和電光模塊提供電能。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三棱錐形三維脈沖電場(chǎng)測(cè)量裝置，其特征是，全介質(zhì)光纜包 括傳輸供能激光的光纜和傳輸測(cè)量信號(hào)的光纜，不含金屬加強(qiáng)筋，從測(cè)量裝置的底板穿過(guò)。
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種三棱錐形三維脈沖電場(chǎng)測(cè)量裝置，包括：平板天線和調(diào)理電路一體化的3塊等腰直角三角形的多層PCB板、激光供能模塊、電光轉(zhuǎn)換模塊、等邊三角形的底板和全介質(zhì)光纜；三塊等腰直角三角形的多層PCB電路板相互正交，并且與等邊三角形底板構(gòu)成一個(gè)三棱錐形的四面體。測(cè)量裝置的底面水平放置，第1塊平板天線的底線與x軸平行，由3塊平板天線測(cè)量值E1、E2和E3，算出三維直角坐標(biāo)軸方向的電場(chǎng)Ex、Ey和Ez。PCB板與天線、裝置外殼一體化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，測(cè)量頻帶寬；PCB板加工精度高，安裝方便，價(jià)格低廉；能量和信號(hào)由光纜傳輸，抗電磁干擾能力強(qiáng)，克服了外接電纜對(duì)被測(cè)場(chǎng)的擾動(dòng)。
【IPC分類】G01R29/08
【公開號(hào)】CN204903658
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520526606
【發(fā)明人】李俊杰, 李炎新
【申請(qǐng)人】李俊杰
【公開日】2015年12月23日
【申請(qǐng)日】2015年7月17日