小型电场传感器分析与设计

蒋 丹 李奇威 荆晓鹏 何鹏军

(西安电子工程研究所西安710100)

接收发射技术

小型电场传感器分析与设计

蒋 丹 李奇威 荆晓鹏 何鹏军

(西安电子工程研究所西安710100)

本文从数值分析、仿真模拟和实验测试等多个方面分别对单极子传感器和渐进圆锥偶极子传感器接收瞬态电磁脉冲进行了较为深入的研究。设计的单极子传感器高25mm，半径1.5mm;渐进圆锥偶极子传感器等效面积10cm2，电容约0.5pf，测量上限频率约为2.5GHz，能够很好的应用于高功率瞬态电磁脉冲的测量。

单极子;圆锥渐进偶极子;电场脉冲;测量

0 引 言

随着高精度电子元器件在武器装备现代化建设中的广泛使用，同时由于高功率微波和超宽谱等定向能武器技术的快速发展，使得电子设备及系统面临的电磁环境日趋复杂。武器装备能否在复杂的电磁环境中发挥应有的效能，已经成为我军武器装备建设中一个亟须解决的问题［1］。瞬态电磁脉冲测试技术作为揭示瞬态电磁场特性、阐明电磁脉冲对电子设备的作用机理、评价电磁防护效能、探求电磁防护措施的重要手段，越来越受到人们的重视。目前关于瞬态电磁脉冲测量主要有两种方法［2］:基于电光效应传感器及光纤传输的光学调制法;接收天线(或电场探头)感应法等。本文将对电场探头感应法进行较为深入的研究分析。

1 传感器分析与设计

1.1 单极子(Monopole)传感器分析与设计

小型短电磁脉冲传感器在国外最早用于核电磁脉冲测量，后常被用作超宽带脉冲标准传感器，对辐射天线及其他传感器进行校准标定［3］。从理论上讲，用与频率无关的电小天线作为接收天线检测瞬态脉冲电场，基本可以不失真地测出入射电场的时域波形，基于单极子天线接收的电场传感器具有原理简单、性价比高、实用性强等特点，在静电放电和电磁兼容等测量方向得到了广泛应用［2，3，4］。

图1 单极子传感器结构及等效电路

单极子天线半径为r，高度为L，几何结构如图1(a)所示。假设天线很细，即2ln(2L/r) 1，则天线上电流分布的一阶近似是长度为L的终端开路传输线上的电流分布。对于短天线，按等效传输线法可求得天线的阻抗为:

因此，作为接收的单极天线等效电路如图1 (b)所示。由于天线输入电阻很小，可以忽略不计，因此单极天线可以等效为一皮法量级的电容，那么:

式中，V(ω)为示波器测试电压，U(ω)为探头感应电压，由于ωRC＜＜1，有:

对时域接收天线:U(t)=ha(t) Eint(t)，ha(t)为天线脉冲响应函数，Eint(t)为探测处电场。

由于单极天线电磁脉冲响应函数的脉宽远小于待测时域电场脉宽，则Ha(ω)相对于Eint(ω)近似为常数，从而基本可以不失真的测量瞬态电磁脉冲。转换为时域，场强与输出电压之间的关系为:

1.2 渐进圆锥偶极子(ACD)传感器单元结构

由于传感器高度直接影响到测量系统带宽和精度，如果单极传感器高度与波长可比拟时，传感器自身将对所测量的电磁脉冲产生严重的畸变［5］。此时，可以利用有效高度更小的渐进圆锥偶极子传感器进行测量，几何结构如图2所示。

图2 渐进圆锥偶极子结构示意图

由于传感器与同轴线连接区域可近似为锥天线结构［6，7］，其阻抗为:

根据文献［6，8］，传感器有效高度heff与实际高度hge0的关系以及电容可表示为:

传感器等效接收面积可以用有效高度和电容的关系表示［8］:

那么，根据公式(6－9)可推导出传感器实际高度和等效接收面积之间的关系:

同时，由等位面方程［6］(公式11)则可求解出渐进圆锥偶极子传感器的几何结构。图3是同轴线特性阻抗50Ω时，不同等效接收面积的剖面结构。

图3 不同等效接收面积下的传感器尺寸

由于渐进圆锥偶极子可视为有效高度更短的单极子传感器，那么其测量电压与场强也具有微分关系。由诺顿等效电路［8］，如图4所示，其中D为电位移矢量。

图4 渐进圆锥偶极子传感器等效电路

根据等效电路，且由于ωRC 1，可以得到示波器输出电压:

对应时域表达式为:

1.3 电磁脉冲传感器设计及分析

由于目前强电磁脉冲频谱大多集中在数GHz以下。因此，选择合适的传感器，一方面能降低加工和装配的难度，另一方面能减小由于传感器本身带宽对测量造成的影响。

因为ωRC 1，同时由传感器测量的上限频率，可大概推导出传感器的电容值，进而估算出传感器尺寸。本文选定的单极传感器高度为25 mm，半径1.5 mm;渐进偶极传感器等效接收面积Aeq= 10 cm2。

对单极传感器和渐进圆锥偶极传感器采用平面波激励，信号为0－1 GHz的高斯脉冲，传感器端口输出电压积分后归一化波形如图5所示。

图5 仿真模型及其输入、输出波形比较

从图中可以看出，单极传感器和渐进偶极子传感器都几乎能不失真的测量瞬态电磁脉冲。由于实验中采用的高功率宽谱源输出中心频率约为300 MHz，因而两传感器都具有较好的测量准确度。

对电磁脉冲传感器的时域标定，可采用单锥TEM室对波形保真性和等效面积 Aeq进行测试［8，9，10］，结构框图如图8所示。

图6 电磁脉冲传感器定标示意图

快前沿电磁脉冲激励锥天线形成超宽谱短电磁脉冲辐射场，取单锥TEM室馈线阻抗和输入阻抗匹配，其电场分布与源电压Us(t)有如下解析关系［10］:

将传感器置于(r，θ)点处，与单锥TEM室极化相同(垂直极化)，通过传感器输出电压V(t)并利用公式(13，14)，令二者场强相等，可以得到传感器等效面积为:

2 电磁脉冲传感器实验测试研究

本文分别采用单极传感器和渐进偶极子传感器对高功率宽谱模拟器辐射场进行测量，两传感器距离地面高度相同，距模拟器距离相等，且极化方向与模拟器一致(水平极化)。测试系统如图7 (a)所示，接收波形如图7(b)所示，由于单极传感器与示波器连接电缆比ACD传感器所用电缆长约13 m，因而信号延时约65 ns。

图7 传感器测试系统及其结果

按照上节对瞬态电磁脉冲测量的分析，对测得信号进行处理后，远区场强波形如图8所示。从图中可以看出，两传感器测得的时域波形具有较好的一致性，测量的最大峰值场强为11.3kV/m，中心频率约260MHz。

图8 单极传感器和渐进圆锥偶极子传感器测量结果

3 结 论

本文对单极传感器和渐进偶极子传感器从数值分析、仿真模拟和实验测试进行了较为深入的研究。由于传感器带宽和接收灵敏度分别由其电容和有效高度决定，为了保证传感器与测量系统的匹配，ACD传感器半锥角设计为47°。那么，传感器有效高度、电容和等效面积都只与其自身几何高度有关，几何高度越小，带宽越高，但接收灵敏度越低。因而需要折中考虑带宽和灵敏度的要求，合理的选择传感器高度。从仿真和实验表明，设计的电磁脉冲传感器能够较好的测量宽谱强电场脉冲辐射场。

［1］刘尚合，孙国至.复杂电磁环境内涵及效应分析［J］.装备指挥技术学院学报，2008，19(1):1－5.

［2］刘卫东等.光纤传输式瞬态脉冲电场传感器分析与设计［J］.微波学报，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.

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［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.

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［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］陈锦等.小型短电磁脉冲传感器［J］.强激光与粒子束，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

蒋 丹(1983－)，男，硕士研究生。主要研究方向为天线设计技术和实验测试。