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光纤供能雷电电磁脉冲电场测量系统的电路设计方案

2023-10-12

研究背景      
雷电电磁脉冲等强电磁环境测试中，前端测量系统的抗干扰持续供电十分重要。以人工引雷试验为例，雷电通道回击电流达到数十千安，邻近电磁场达到数十万伏每米，电磁场测量传感器的工作环境恶劣，人工检查前端传感器工作情况危险性高。目前，在强电磁环境测量中一般采用模拟量光纤传输装置变送传感器测量所得信号，测量前端使用电池供电。小型传感器的内置电池往往难以满足长时间试验作业的需求。极端恶劣环境下测量与信号传输系统的性能变化也需要随时能够实施检查。
团队工作
针对此问题，陆军工程大学石立华教授团队研发了一种光纤供能的雷电电磁脉冲测量系统。该系统采用激光通过光纤对前端传感器进行供电，测量信号通过光纤回传至测控记录端；同时，前端装置内设计了温度传感器和传输校准用的信号发生器，可随时通过测控记录端控制其发送标准信号用于检查系统的传输性能。采用此设计的前端实现了抗干扰信号传输、抗干扰持续供电和系统自校准。与采用全光纤传感的测量系统相比，测量传感器仍然可沿用电小天线、电流探头或电压探头的传统设计，供电和信号传输系统的适用性广、稳定性高。
该工作已发表在《电波科学学报》2023年第38卷第3期。（厉燚翀，石立华，张琪，李少磊）,论文介绍
仿真分析了四分之一波长微带线避雷器的不足，通过对分节微带线、串联电感的仿真优化，拓展了雷电保护电路的带宽，仿真结果表明防护电路在1GHz到3GHz内具有良好的电压驻波比即宽带特性.利用电压梯度法实现器件间的组合匹配，提高了雷电保护器的性能.实测结果表明,在注入组合波波形为1.2/50μs&8/20μs，电压峰值10kV的雷电磁脉冲下，输出残压为79V.,论文介绍了一款光纤供能雷电电磁脉冲电场测量系统的电路设计和调试运行情况。光纤供能可满足4.5W电功率的工作需求，光功率至电功率转换效率达到49%；夏季外场条件下的测试表明，在环境温度40 ℃以下，整个系统由于温度升高造成的传输比最大变化不超过7%. 系统电源管理、传输比在线校准和温度监测等功能良好。
光纤供能雷电电磁脉冲电场测量系统的电路设计方案 (https://ic.work/) 传感器 第1张
图1  雷电电磁脉冲测量系统样机构成,光纤供能雷电电磁脉冲电场测量系统的电路设计方案 (https://ic.work/) 传感器 第2张
图2   阶梯波校准信号测试结果,光纤供能雷电电磁脉冲电场测量系统的电路设计方案 (https://ic.work/) 传感器 第3张
图3   系统传输比随环境温度变化的测量结果,光纤供能雷电电磁脉冲电场测量系统的电路设计方案 (https://ic.work/) 传感器 第4张
图4   1.2/50 μs激励源下的输入-输出时域波形,作者介绍
仿真分析了四分之一波长微带线避雷器的不足，通过对分节微带线、串联电感的仿真优化，拓展了雷电保护电路的带宽，仿真结果表明防护电路在1GHz到3GHz内具有良好的电压驻波比即宽带特性.利用电压梯度法实现器件间的组合匹配，提高了雷电保护器的性能.实测结果表明,在注入组合波波形为1.2/50μs&8/20μs，电压峰值10kV的雷电磁脉冲下，输出残压为79V.,厉燚翀：（1997—），男，浙江人，陆军工程大学电磁环境效应与光电工程国家级重点实验室硕士研究生，主要从事电磁兼容与防护方面的研究工作。
石立华：（1969—），男，河北人，陆军工程大学电磁环境效应与光电工程国家级重点实验室教授，博士，研究方向为电磁兼容与防护技术。
张琪：（1987—），男，山东人，陆军工程大学电磁环境效应与光电工程国家级重点实验室讲师，博士，研究方向为雷电物理与防护和计算电磁学。

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