微型化光纤传输电磁脉冲传感器研究

石立华 司荣仁 李炎新 马如坡 陈 锐

（解放军理工大学 电磁环境效应与电光工程国家级重点实验室，江苏 南京 210007）

引 言

随着微电子技术及信息技术在民用及军用装备中的广泛应用，系统在核电磁脉冲、雷电电磁脉冲、静电放电等强电磁干扰下的抗扰度问题受到人们的广泛关注［1］。复杂大系统中小空间内电磁脉冲的测量是困扰电磁脉冲抗扰度测试的一个重要方面，其主要原因是:1）导电材料会改变周围电场的分布，小空间测试急需体积小、扰动小的微型化传感器；2）复杂系统测点多，传感器要求成本低、便于多点布设；3）电磁脉冲测试要求系统响应频带宽、动态范围大，传感器对不同电磁脉冲的适用性强；4）测试系统自身应能抵御强干扰环境的影响。目前，电磁脉冲测量通常采用光纤传输探头［2-4］或者直接利用电光效应的无源传感器［5-6］。国内清华大学、西北核技术研究所等已经研制出采用铌酸锂（LiNbO3）晶体等制作的电场传感器［6-7］，其优点是对被测电场影响小、可测场强高、微型化，但是其电光晶体成本高、推广受到一定限制。解放军理工大学等单位也先后基于光纤传输方案研制了一系列电场传感器，如平行板三维电场传感器［4］、一维电场传感器［8］，但其共同的缺点就是体积大，对被测电场影响较大，在实现小空间电场测量方面存在困难。本文的主要目的是设计一套基于光纤传输系统的低成本、微型化、宽频带的电场传感器。首先使用CST2011电磁仿真软件对电场传感器的主要性能进行仿真，分析了传感器外形对被测场的扰动，并确定了天线结构尺寸、等效电容等设计参数；然后根据仿真结果制作了一种对称振子形式、结构与天线共形的微型化传感器；最后在电磁脉冲模拟器中对传感器性能进行了实测。

1 理论分析

1.1 传感器结构

电磁脉冲电场传感器采用图1形式的柱形偶极子天线，天线基本材料为铝棒材，中间连接结构为绝缘材料（ABS）。采用可分离式结构，上下两个极子采用空心柱体设计，头部做半圆形渐变，内部安装、固定光发射机。该结构形式无需接地平面，可以实现自由空间场测量，能有效抑制共模干扰，天线结构与屏蔽壳体共形，对被测场扰动小。

图1 偶极子电场传感器天线结构

1.2 传感器电场扰动分析

传感器置入被测环境后应当对原环境影响小，故要求测量电磁脉冲的传感器体积小、无明显结构畸变［1］。因此，需通过CST软件仿真考察传感器结构对被测场分布的影响。

根据IEC 61000-4-33推荐的电磁场探头校准场产生方法和实验室的现有实验条件［3］，选择有界波模拟器作为仿真电场产生装置，如图2所示。该有界波模拟器通过改变激励源可产生快、慢上升沿的电磁脉冲［9］。其工作空间按照实验室真实模拟器尺寸（1m×1.2m×0.8m）设置。

图2 CST仿真模型

仿真输入波形为5000V双指数波，对于核电磁脉冲采用上升沿2.8ns、半峰宽23ns的波形参数。模拟器和传感器材料均按铝材考虑。由三维仿真电场分布可知传感器的顶部电场畸变最大，所以本文只考虑传感器顶部电场畸变。改变传感器尺寸，包括半径、长度、有无圆顶等条件，分析其对顶部电场扰动情况。分别设置半径r=1cm、1.2cm、1.5cm，高度h=3cm、4cm、5cm.典型分析结果如图3所示表明:

1）传感器半径改变对电场分布的影响较大，半径越小，对偶极子传感器的顶部电场畸变越大；

2）传感器高度对电场影响随高度范围呈不同趋势，半径范围在3～5cm内，高度越高对被测电场扰动越小；

3）传感器顶部制作成渐变圆顶结构，引起的电场畸变明显减小。由于电场传感器尺寸较小，对被测电场的扰动范围有限，10cm以外电场基本恢复到被测电场场强。

1.3 偶极子传感器天线等效阻抗

天线负载阻抗与传感器等效电容对应的阻抗相差较大时，可采用戴维南等效电路进行分析［1］，如图4所示。基于CST仿真分析了现有天线结构形式下的等效电容，进而为传感器性能分析提供重要参数。

利用CST后处理模板分析出传感器实部阻抗在频率较高时基本为零，而虚部阻抗在10～0.35 GHz内为负数，相当于容抗。如图5所示。根据Rim=，通过计算得出Ca，如表1所示。可见，其在关心频段内基本为一个固定值，平均值为0.153pF.

图5 天线等效阻抗随频率变化曲线

表1 天线等效电容

1.4 负载阻抗对输出电压影响

根据1.3节等效电路，传感器输出电压为

频率较低时，电容CL分压效果减弱，则电路相当于Ca与RL的串联电路，会存在低频失真。若要求无低频失真，则应满足ωRL（Ca+CL）1≫1，此时测量频带下限受到制约。

为了具体确定传感器设计参数引起的低频失真，利用CST2011微波工作室进行了仿真。输入波形与仿真设置同上，并利用CST2011中的集总参数设置，在对称阵子天线之间加入RC并联集总参数。考虑到对称阵子天线在10kHz～350MHz内为宽带天线，根据核电磁脉冲（NEMP）与雷电电磁脉冲（LEMP）脉冲信号对于输出信号只是脉宽的大小不同，本文只仿真了NEMP输入情况下输出的变化情况，分别改变电阻RL和电容CL大小，分析其对输出电压的影响。分别取RL=1kΩ，10kΩ，1MΩ，10 MΩ；CL=1pF，10pF，50pF，100pF，结果如图6所示。电阻RL在1MΩ以上时，可保证对半峰宽23 ns的波形无低频失真，电容CL对改善低频失真不明显，但是对传感器输出幅度有所影响，可以改变其大小实现对不同场强电场进行测量。根据电路贴片元件实际情况，光发射机电路负载电阻RL取10 MΩ，分压电容CL为两个并联的100pF电容，设计低频下限为10kHz.

2 实验结果分析

2.1 传感器电路设计

电场传感器光发射机原理电路见图7.调整滑动变阻器使其工作电流稳定在30mA左右，这样既保证其有较大的输出范围，又可以实现一定范围的负极性测量。单个场效应管（MOSFETS）无法满足光组件的电流要求，所以，光发射机电路采用三个同型号的场效应管并联。传统的光发射机电路需要经过放大、线性调制等，本文设计的光发射机电路采用电场信号直接调制场效应管漏极电流，电路器件大大减少，主要电路器件只有8个，此电路大大缩短了感应信号传输时间，对于快前沿电磁脉冲的测量起到至关重要的作用。光信号由50～125μm多模光纤传输至接收端，由光接收机转换成±1V范围内的电压信号输出到示波器。为了防止电磁干扰，光接收机也采用金属屏蔽壳封装。

电场传感器系统最终实物如图8所示。包括电场传感器（前端）、光接收机和多模光纤。传感器的屏蔽外壳同时充当传感器天线，光发射机完全放置在屏蔽壳体内部，这样可以保证发射机在工作状态下免受外部电场干扰。

2.2 传感器性能实测

为确定本文设计传感器实际性能，在实验室有界波模拟器中将其与Montena公司D-dot电场传感器进行了实测对比。该D-dot电场传感器为带接地平板的无源传感器，信号采用半刚性电缆传输，在示波器端接有积分器，最高可测频率为1GHz.

有界波模拟器工作空间为1.2m（长）×1m（宽）×0.8m（高），将本文设计的传感器放置在工作空间正中心，D-dot探头放置在下极板正中心（该传感器只能测量接地面上方电场），如图9所示。

图9 有界波模拟器测试设置示意图

通过馈入不同快、慢前沿的高压脉冲，可以评价传感器高频及低频响应性能。快前沿输入使用实验室自主设计的双指数波高压源［10］，慢前沿脉冲采用Prima61005B型雷击浪涌发生器产生的1.2／50μs冲击电压。传感器所测快前沿电场信号（归一化波形）如图10（a）、（b）。两种传感器全波形走势基本保持一致，且上升前沿都在1.8ns左右，说明本文设计的电场传感器可准确反映快前沿电场时域波形。

由于D-dot传感器低频响应受限，无法测量低频信号，所以图10（c）仅给出本文传感器输出。传感器实测慢前沿电磁脉冲前沿为1.2μs、半宽度为50μs，无明显低频失真（波形后沿无过零负冲）。通过实测证明本文传感器适用于核电磁脉冲和雷电电磁脉冲的测量［11］。

图10 传感器实测波形

调整输入高压从1000V至15000V变化，对传感器线性响应度进行了实测，将所测电压值通过Ei=Ui／d，将Ui变换为Ei，其中d=0.8m，并通过最小二乘法拟合直线，如图11所示。Uo为电场传感器所测脉冲信号峰值，Ei为Ui对应电场理论峰值。图中Kd=19166V／（m／V），为该传感器灵敏度，线性相关度R=0.99，说明线性度较好。

图11 传感器幅度响应拟合曲线

3 结 论

本文研发了一种偶极子型、光纤传输的微型电场传感器。采用结构和电路的精简设计，达到了体积小、对被测场扰动小的目标。该传感器同时具有响应速度快（可测1.8ns上升沿脉冲）、非线性失真小、可测自由空间电场、10kHz以上无低频失真、成本低的特点。一方面，这种微型化传感器可用于小空间内核电磁脉冲和雷电电磁脉冲耦合的测量，另一方面，该传感器对场扰动小、可在自由空间灵活设置的特点使其适合分析电磁脉冲场强标准装置中不同位置的场分布，用于电磁脉冲环境的校准。目前，本传感器在安装固定装置方面尚有待改进，下一步将制作传感器可调底座，使其设置高度、极化方向便于调整，更方便于工程应用。

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