CN110058089A - 一种测量瞬态电磁场的探头 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种测量瞬态电磁场的探头，包括满足电小尺寸条件的天线，第一负载，第二负载，其中，天线包括带有两个对称间隙的环形铜箔，两个间隙分别连接第一负载和第二负载，第一负载和第二负载相同；转换模块，用于获取第一负载的电流信号和第二负载的电流信号；处理模块，用于根据第一负载的电流信号和第二负载的电流信号得到电场强度信息和磁场强度信息；电源模块，用于为天线、转换模块、处理模块供电。本申请中的天线相当于偶极子天线和磁环的叠加，可以同时感应空间的电磁场信息，然后通过处理模块对两个负载的电流信号中的电场分量和磁场分量进行分离，可以同时得到电场强度信息和磁场强度信息，避免重复多次测试，提高了测试效率。

Description

一种测量瞬态电磁场的探头

技术领域

本申请涉及电磁辐射领域，特别是涉及一种测量瞬态电磁场的探头。

背景技术

雷电是自然界天气的常见现象，同时也是能量最强的一种十分短暂的电磁辐射。电气设备和通讯设备在强电磁场环境下极易受到电磁干扰，为了避免电磁脉冲的能量对电气设备和通讯设备造成危害，需要对设备施加合理的保护措施。而这一切的前提是对电磁辐射产生的瞬态电磁场进行准确测量，现有的多种测量瞬态电磁场的方法，均需要通过单独的探头来分别测量其所在空间的电场强度信息和磁场强度信息，操作较为繁琐，且两个探头存在测量时间差，测试时间较长，测试效率低。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

本申请的目的是提供一种测量瞬态电磁场的探头，可以同时测得电场强度信息和磁场强度信息，避免重复多次测试，提高了测试效率。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种测量瞬态电磁场的探头，包括满足电小尺寸条件、用于感应其所在空间的电磁场信息的天线，第一负载，第二负载，其中，所述天线包括带有两个对称间隙的环形铜箔，两个所述间隙分别连接所述第一负载和所述第二负载，所述第一负载和所述第二负载相同；

该探头还包括：

转换模块，用于获取所述第一负载的电流信号和所述第二负载的电流信号；

处理模块，用于根据所述第一负载的电流信号和所述第二负载的电流信号得到电场强度信息和磁场强度信息；

电源模块，用于为所述天线、所述转换模块、所述处理模块供电。

优选的，所述天线为绘制在印刷电路板上的印刷天线。

优选的，所述转换模块包括：

第一跨导放大器，用于获取所述第一负载的电流信号；

第二跨导放大器，用于获取所述第二负载的电流信号。

优选的，所述处理模块包括：

求和模块，用于对所述第一负载的电流信号和所述第二负载的电流信号进行求和处理，得到第一电量信号；

求差模块，用于对所述第一负载的电流信号和所述第二负载的电流信号进行求差处理，得到第二电量信号；

转化模块，用于将所述第一电量信号转化为磁场强度信息，将所述第二电量信号转化为电场强度信息。

优选的，所述求和模块包括第一电阻，第二电阻，第三电阻，第四电阻，第五电阻，电容，第一运算放大器，其中：

所述第一电阻的第一端用于接收所述第一负载的电流信号，所述第二电阻的第一端用于接收所述第二负载的电流信号，所述第一电阻的第二端分别与所述第二电阻的第二端及所述第一运算放大器的同相输入端连接，所述第三电阻的第一端分别与所述第四电阻的第一端及所述第一运算放大器的反相输入端连接，所述第三电阻的第二端与所述电容的第一端连接，所述电容的第二端接地，所述第四电阻的第二端分别与所述第一运算放大器的输出端及所述第五电阻的第一端连接，所述第五电阻的第二端用于输出所述第一电量信号，所述第一运算放大器的电源端与所述电源模块连接。

优选的，所述求差模块包括第六电阻，第七电阻，第八电阻，第九电阻，第十电阻，第二运算放大器，其中：

所述第六电阻的第一端用于接收所述第一负载的电流信号，所述第七电阻的第一端用于接收所述第二负载的电流信号，所述第六电阻的第二端分别与所述第二运算放大器的反相输入端及所述第八电阻的第一端连接，所述第七电阻的第二端分别与所述第二运算放大器的同相输入端及所述第九电阻的第一端连接，所述第九电阻的第二端分别与所述第八电阻的第二端、所述第二运算放大器的输出端、所述第十电阻的第一端连接，所述第十电阻的第二端用于输出所述第二电量信号，所述第二运算放大器的电源端与所述电源模块连接。

优选的，该探头还包括设于转换模块和所述处理模块之间的光纤收发模块，所述光纤收发模块包括发送单元，光纤和接收单元，其中：

所述发送单元，用于对所述第一负载的电流信号和所述第二负载的电流信号进行电光转换，分别得到第一光信号和第二光信号；

所述光纤，用于传输所述第一光信号和所述第二光信号；

所述接收单元，用于对所述第一光信号和所述第二光信号进行光电转换，分别得到所述第一负载的电流信号和所述第二负载的电流信号。

优选的，该探头还包括：

数据传输模块，用于将所述电场强度信息和所述磁场强度信息发送至终端，以便所述终端显示与所述电场强度信息和所述磁场强度信息对应的信息。

优选的，所述数据传输模块为无线数据传输模块。

优选的，所述终端为网络分析仪或具有傅里叶变换功能的示波器。

本申请提供了一种测量瞬态电磁场的探头，包括满足电小尺寸条件、用于感应其所在空间的电磁场信息的天线，第一负载，第二负载，其中，天线包括带有两个对称间隙的环形铜箔，两个间隙分别连接第一负载和第二负载，第一负载和第二负载相同；该探头还包括：转换模块，用于获取第一负载的电流信号和第二负载的电流信号；处理模块，用于根据第一负载的电流信号和第二负载的电流信号得到电场强度信息和磁场强度信息；电源模块，用于为天线、转换模块、处理模块供电。在实际应用中，采用本申请的方案，天线相当于偶极子天线和磁环的叠加，可以同时感应空间的电磁场信息，然后通过处理模块对两个负载的电流信号中的电场分量和磁场分量进行分离，可以同时得到电场强度信息和磁场强度信息，避免重复多次测试，提高了测试效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请所提供的一种测量瞬态电磁场的探头的结构示意图；

图2为本申请所提供的一种求和模块的结构示意图；

图3为本申请所提供的一种求差模块的结构示意图；

图4为本申请所提供的一种示波器采集到的电磁场信号的波形图。

具体实施方式

本申请的核心是提供一种测量瞬态电磁场的探头，可以同时测得电场强度信息和磁场强度信息，避免重复多次测试，提高了测试效率。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

请参照图1，图1为本申请所提供的一种测量瞬态电磁场的探头的结构示意图，包括满足电小尺寸条件、用于感应其所在空间的电磁场信息的天线1，第一负载21，第二负载22，其中，天线1包括带有两个对称间隙的环形铜箔，两个间隙分别连接第一负载21和第二负载22，第一负载21和第二负载22相同；

具体的，考虑到一般是通过小环天线测量磁场，通过偶极子天线测量电场，因此，本申请中的天线1是由环形铜箔围成、且满足电小尺寸条件的天线，环形铜箔上设有两个对称间隙，两个间隙分别连接相同的两个负载(第一负载21和第二负载22)，可以理解的是，本申请所提供的天线1相当于偶极子天线和磁环的叠加，因此，该天线1可以同时感应空间的电磁场信息，从而保证每一负载的电流信号中均包含电场分量和磁场分量。其中，环形铜箔的横截面可以为圆形、四边形或其他形状，具体根据实际工程需要确定，本申请在此不做限定。该探头还包括：

转换模块3，用于获取第一负载21的电流信号和第二负载22的电流信号；

转换模块4，用于根据第一负载21的电流信号和第二负载22的电流信号得到电场强度信息和磁场强度信息；

具体的，转换模块3用于获取第一负载21的电流信号和第二负载22的电流信号，考虑到两个负载处于相对位置，因此，作用在两个负载上的电流信号存在相位差异，设I_x为磁场分量，I_y为电场分量，I₁为第一负载21的电流信号，I₂为第二负载22的电流信号，那么第一负载21的电流信号I₁满足I₁＝I_x+I_y，第二负载22的电流信号I₂满足I₁＝I_x-I_y，将第一负载21的电流信号I₁和第二负载22的电流信号I₂相加，将结果乘以预设比例即可得到电流信号中的磁场分量I_x，将第一负载21的电流信号I₁和第二负载22的电流信号I₂相减，即可得到电流信号中的电场分量I_y，根据电流信号中的磁场分量I_x即可计算出磁场强度信息，根据电流信号中的电场分量I_y即可计算出电场强度信息，通过本申请所提供的探头，可以同时测试出空间电磁场中某一测试点的电场强度信息和磁场强度信息，避免重复多次测试，提高了测试效率。

电源模块5，用于为天线1、转换模块3、转换模块4供电。

具体的，本申请所提供的测量瞬态电磁场的探头采用电池供电，电源的噪声干扰极低，模拟采样带宽可达500MHz以上，灵敏度高，能适合雷电电磁环境的测量。

本申请提供了一种测量瞬态电磁场的探头，包括满足电小尺寸条件、用于感应其所在空间的电磁场信息的天线，第一负载，第二负载，其中，天线包括带有两个对称间隙的环形铜箔，两个间隙分别连接第一负载和第二负载，第一负载和第二负载相同；该探头还包括：转换模块，用于获取第一负载的电流信号和第二负载的电流信号；处理模块，用于根据第一负载的电流信号和第二负载的电流信号得到电场强度信息和磁场强度信息；电源模块，用于为天线、转换模块、处理模块供电。在实际应用中，采用本申请的方案，天线相当于偶极子天线和磁环的叠加，可以同时感应空间的电磁场信息，然后通过处理模块对两个负载的电流信号中的电场分量和磁场分量进行分离，可以同时得到电场强度信息和磁场强度信息，避免重复多次测试，提高了测试效率。

在上述实施例的基础上：

作为一种优选的实施例，天线1为绘制在印刷电路板上的印刷天线。

可以理解的是，天线1采用印刷电路板的形式，便于小型化。

作为一种优选的实施例，转换模块3包括：

第一跨导放大器，用于获取第一负载21的电流信号；

第二跨导放大器，用于获取第二负载22的电流信号。

可以理解的是，按天线理论，偶极子天线属平衡型天线，而天线的馈电线一般都是同轴电缆，属不平衡传输线，若将其直接连接，则同轴电缆的外皮就有高频电流流过，外皮有高频电流流过势必有辐射分量，甚至影响天线的极化方向(水平偶极子天线，竖直的RF线外层有电流，会影响水平极化的纯度)。因此，就要在天线和电缆之间加入平衡不平衡转换器，把流入电缆屏蔽层外部的电流扼制掉，也就是说把从振子流过电缆屏蔽层外皮的高频电流截断。本申请采用跨导放大器进行平衡传输线与不平衡传输线之间的转换，可以避免采用巴伦进行转换所带来的体积较大、带宽窄和场耦合不佳等缺点。

作为一种优选的实施例，转换模块4包括：

求和模块，用于对第一负载21的电流信号和第二负载22的电流信号进行求和处理，得到第一电量信号；

求差模块，用于对第一负载21的电流信号和第二负载22的电流信号进行求差处理，得到第二电量信号；

转化模块，用于将第一电量信号转化为磁场强度信息，将第二电量信号转化为电场强度信息。

其中，第一电量信号代表与电流信号中的磁场分量对应的信号，第二电量信号代表与电流信号中的电场分量对应的信号。

作为一种优选的实施例，求和模块包括第一电阻R1，第二电阻R2，第三电阻R3，第四电阻R4，第五电阻R5，电容C，第一运算放大器A1，其中：

第一电阻R1的第一端用于接收第一负载21的电流信号，第二电阻R2的第一端用于接收第二负载22的电流信号，第一电阻R1的第二端分别与第二电阻R2的第二端及第一运算放大器A1的同相输入端连接，第三电阻R3的第一端分别与第四电阻R4的第一端及第一运算放大器A1的反相输入端连接，第三电阻R3的第二端与电容C的第一端连接，电容C的第二端接地，第四电阻R4的第二端分别与第一运算放大器A1的输出端及第五电阻R5的第一端连接，第五电阻R5的第二端用于输出第一电量信号，第一运算放大器A1的电源端与电源模块5连接。

具体的，求和模块的具体结构示意图参照图2所示，V1和V2构成电源模块5，第一电阻R1的第一端作为求和模块的第一输入端IO1，用于接收第一负载21的电流信号，第二电阻R2的第一端作为求和模块的第二输入端IO2，用于接收第二负载22的电流信号，通过第一运算放大器A1对第一负载21的电流信号和第二负载22的电流信号进行求和处理，第五电阻R5的第二端作为求和模块的输出端IO3，用于输出第一电量信号，其中第一运算放大器A1具体可以选用型号为OPA847ID的运算放大器。

作为一种优选的实施例，求差模块包括第六电阻R6，第七电阻R7，第八电阻R8，第九电阻R9，第十电阻R10，第二运算放大器A2，其中：

第六电阻R6的第一端用于接收第一负载21的电流信号，第七电阻R7的第一端用于接收第二负载22的电流信号，第六电阻R6的第二端分别与第二运算放大器A2的反相输入端及第八电阻R8的第一端连接，第七电阻R7的第二端分别与第二运算放大器A2的同相输入端及第九电阻R9的第一端连接，第九电阻R9的第二端分别与第八电阻R8的第二端、第二运算放大器A2的输出端、第十电阻R10的第一端连接，第十电阻R10的第二端用于输出第二电量信号，第二运算放大器A2的电源端与电源模块5连接。

具体的，求差模块的具体结构示意图参照图3所示，V1和V2构成电源模块5，第六电阻R6的第一端作为求差模块的第一输入端IO1，用于接收第一负载21的电流信号，第七电阻R7的第一端作为求差模块的第二输入端IO2，用于接收第二负载22的电流信号，通过第二运算放大器A2对第一负载21的电流信号和第二负载22的电流信号进行求差处理，第十电阻R10的第二端作为求差模块的输出端IO4，用于输出第二电量信号，其中，第二运算放大器A2具体可以选用型号为OPA847ID的运算放大器。

可以理解的是，通过运算放大器对信号进行加减预算，运算速度快、效率高。

当然，第一运算放大器A1和第二运算放大器A2还可以选用其他型号，能实现本申请的方案即可，本申请在此不做具体的限定。

作为一种优选的实施例，该探头还包括设于转换模块3和转换模块4之间的光纤收发模块，光纤收发模块包括发送单元，光纤和接收单元，其中：

发送单元，用于对第一负载21的电流信号和第二负载22的电流信号进行电光转换，分别得到第一光信号和第二光信号；

光纤，用于传输第一光信号和第二光信号；

接收单元，用于对第一光信号和第二光信号进行光电转换，分别得到第一负载21的电流信号和第二负载22的电流信号。

具体的，为提高信号的传输效率，本申请还设置了光纤收发模块，在发送端对电信号进行电光转换，转成光信号后由光纤输送，然后接收端再进行电光转换，将光信号再转换为电信号，以便处理模块4进行后续处理。

作为一种优选的实施例，该探头还包括：

数据传输模块，用于将电场强度信息和磁场强度信息发送至终端，以便终端显示与电场强度信息和磁场强度信息对应的信息。

作为一种优选的实施例，数据传输模块为无线数据传输模块。

具体的，在得到电场强度信息和磁场强度信息后，本申请所提供的探头通过数据传输模块将电场强度信息和磁场强度信息传输到终端，以便终端进行后续分析处理。

为简化探头内部的布线难度，数据传输模块具体可以选用无线数据传输模块，如蓝牙模块、Wi-Fi模块等。

作为一种优选的实施例，终端为网络分析仪或具有傅里叶变换功能的示波器。

参照图4所示，图4为示波器采集到的点磁场信号，波形①为模拟雷电流波形，波形②为磁场信号时域波形，波形③为电场信号时域波形。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种测量瞬态电磁场的探头，其特征在于，包括满足电小尺寸条件、用于感应其所在空间的电磁场信息的天线，第一负载，第二负载，其中，所述天线包括带有两个对称间隙的环形铜箔，两个所述间隙分别连接所述第一负载和所述第二负载，所述第一负载和所述第二负载相同；

该探头还包括：

转换模块，用于获取所述第一负载的电流信号和所述第二负载的电流信号；

处理模块，用于根据所述第一负载的电流信号和所述第二负载的电流信号得到电场强度信息和磁场强度信息；

电源模块，用于为所述天线、所述转换模块、所述处理模块供电。

2.根据权利要求1所述的测量瞬态电磁场的探头，其特征在于，所述天线为绘制在印刷电路板上的印刷天线。

3.根据权利要求1所述的测量瞬态电磁场的探头，其特征在于，所述转换模块包括：

第一跨导放大器，用于获取所述第一负载的电流信号；

第二跨导放大器，用于获取所述第二负载的电流信号。

4.根据权利要求1所述的测量瞬态电磁场的探头，其特征在于，所述处理模块包括：

求和模块，用于对所述第一负载的电流信号和所述第二负载的电流信号进行求和处理，得到第一电量信号；

求差模块，用于对所述第一负载的电流信号和所述第二负载的电流信号进行求差处理，得到第二电量信号；

转化模块，用于将所述第一电量信号转化为磁场强度信息，将所述第二电量信号转化为电场强度信息。

5.根据权利要求4所述的测量瞬态电磁场的探头，其特征在于，所述求和模块包括第一电阻，第二电阻，第三电阻，第四电阻，第五电阻，电容，第一运算放大器，其中：

所述第一电阻的第一端用于接收所述第一负载的电流信号，所述第二电阻的第一端用于接收所述第二负载的电流信号，所述第一电阻的第二端分别与所述第二电阻的第二端及所述第一运算放大器的同相输入端连接，所述第三电阻的第一端分别与所述第四电阻的第一端及所述第一运算放大器的反相输入端连接，所述第三电阻的第二端与所述电容的第一端连接，所述电容的第二端接地，所述第四电阻的第二端分别与所述第一运算放大器的输出端及所述第五电阻的第一端连接，所述第五电阻的第二端用于输出所述第一电量信号，所述第一运算放大器的电源端与所述电源模块连接。

6.根据权利要求4所述的测量瞬态电磁场的探头，其特征在于，所述求差模块包括第六电阻，第七电阻，第八电阻，第九电阻，第十电阻，第二运算放大器，其中：

所述第六电阻的第一端用于接收所述第一负载的电流信号，所述第七电阻的第一端用于接收所述第二负载的电流信号，所述第六电阻的第二端分别与所述第二运算放大器的反相输入端及所述第八电阻的第一端连接，所述第七电阻的第二端分别与所述第二运算放大器的同相输入端及所述第九电阻的第一端连接，所述第九电阻的第二端分别与所述第八电阻的第二端、所述第二运算放大器的输出端、所述第十电阻的第一端连接，所述第十电阻的第二端用于输出所述第二电量信号，所述第二运算放大器的电源端与所述电源模块连接。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的测量瞬态电磁场的探头，其特征在于，该探头还包括设于转换模块和所述处理模块之间的光纤收发模块，所述光纤收发模块包括发送单元，光纤和接收单元，其中：

所述发送单元，用于对所述第一负载的电流信号和所述第二负载的电流信号进行电光转换，分别得到第一光信号和第二光信号；

所述光纤，用于传输所述第一光信号和所述第二光信号；

所述接收单元，用于对所述第一光信号和所述第二光信号进行光电转换，分别得到所述第一负载的电流信号和所述第二负载的电流信号。

8.根据权利要求1所述的测量瞬态电磁场的探头，其特征在于，该探头还包括：

数据传输模块，用于将所述电场强度信息和所述磁场强度信息发送至终端，以便所述终端显示与所述电场强度信息和所述磁场强度信息对应的信息。

9.根据权利要求8所述的测量瞬态电磁场的探头，其特征在于，所述数据传输模块为无线数据传输模块。

10.根据权利要求8所述的测量瞬态电磁场的探头，其特征在于，所述终端为网络分析仪或具有傅里叶变换功能的示波器。