一种闪电宽带磁场信号探测天线系统
阅读说明：本技术 一种闪电宽带磁场信号探测天线系统 (Lightning broadband magnetic field signal detection antenna system ) 是由 吕凡超 秦子龙 陆高鹏 于 2021-09-22 设计创作，主要内容包括：本申请公开了一种闪电宽带磁场信号探测天线系统,包括磁天线以及与磁天线连接的放大电路；所述的磁天线包括两个垂直交叉分布的磁环,所述的磁环以所在平面的中心线为轴交叉设置。本申请利用磁环天线自身独有的磁场变化率(dB/dt)测量特性,控制频带内高频端的截止频率,并通过放大电路,将整个频带始终保持dB/dt的增益特性,这样可以使得高频端的信号获得超过20dB的增益,有效保证了对高频脉冲信号的测量,使得低频定位系统可以获得更多的高频辐射源定位信息,进一步丰富了低频定位系统的适用场景。(The application discloses a lightning broadband magnetic field signal detection antenna system, which comprises a magnetic antenna and an amplifying circuit connected with the magnetic antenna; the magnetic antenna comprises two magnetic rings which are vertically distributed in a crossed manner, and the magnetic rings are arranged in a crossed manner by taking the central line of the plane where the magnetic rings are located as an axis. The application utilizes the unique magnetic field change rate (dB/dt) measurement characteristic of the magnetic loop antenna, controls the cut-off frequency of the high-frequency end in the frequency band, and keeps the gain characteristic of the dB/dt of the whole frequency band all the time through the amplifying circuit, so that the signal of the high-frequency end can obtain the gain exceeding 20dB, the measurement of high-frequency pulse signals is effectively ensured, the low-frequency positioning system can obtain more high-frequency radiation source positioning information, and the application scenes of the low-frequency positioning system are further enriched.)
技术领域
本发明涉及一种天线系统，尤其是涉及一种闪电宽带磁场信号探测天线系统。
背景技术
雷电信号具有极宽的辐射频带，但在低频段（一般30 kHz - 100 kHz）具有极强的能量，可以在地球表面传播几千公里，因此也使得低频段信号成为对雷电进行远距离测量和定位应用最广泛的频段之一。近来随着技术的发展，低频电磁信号也逐渐被应用到局地三维闪电定位网的建设中。系统通过架设5个以上工作在低频频段（30 kHz-300kHz）并且时间同步的电磁测量站点，利用时间差定位算法获得雷电辐射源的三维位置。
目前国内的三维定位系统大多使用的是垂直电场传感器系统，此系统主要通过测量闪电放电过程中辐射源的垂直电场变化特性。这种系统可以比较直接的获得所定位到的放电过程的辐射源放电极性，而且电路设计中也往往通过加入具有不同时间常数的积分电路控制所探测信号的衰减快慢。多数用在定位系统中的电天线具有几到十几毫秒的积分时间，使工作频带具有几乎固定的增益特性。与普通电天线类似，少数利用水平磁场传感器的三维定位系统，其磁场天线往往通过设计电路（控制斩波电阻的大小或增加积分电路），使系统工作频带（3dB带宽）具有增益固定的频带特性，使系统在较广的频带范围内具有增益近似一致的变化特性，也即所谓的B天线或积分天线 （V = n*B）。
根据以往对闪电电磁信号频谱的测量，闪电辐射的电磁信号在低频段具有极强的能量，而且在较广的低频频带范围内，放电产生的电磁波信号的频谱具有随频率升高而降低的（1/f）的特性，具体变化曲线如图1所示。因此目前所使用的频带特性一致的电场与磁场低频宽带测量系统，会使得测量信号在其频带范围内的高频端比低频端低产生超过20dB的信号强度衰减。导致整个测量系统一般在30kHz的低频段具有较强的探测能力，而在稍高频段，如100-300kHz的探测能力相对削弱。而这种较强的低频信号与相对较弱的高频信号会造成：1）降低信号脉冲数量，单次闪电过程中可用于定位的事件数目减少，2）降低信号的时间分辨率。因此具有整体频带增益的低频天线从一定程度上限制了其在定位系统中的应用，可能会造成：1）单次闪电过程定位辐射源偏少；2）定位精度偏低；而且由于云内放电过程具有相对较小的空间尺度与较高的辐射频率，此类探测天线也会导致云闪定位能力偏弱。
发明内容
本申请的目的是为了闪电宽带信号测量时，高频信号较弱而导致定位精度偏低或定位辐射源数量偏少的问题，提供一种闪电宽带磁场信号探测天线系统。
本申请提供的一种闪电宽带磁场信号探测天线系统，采用的如下的技术方案：
一种闪电宽带磁场信号探测天线系统，包括磁天线以及与磁天线连接的放大电路；所述的磁天线包括两个垂直交叉分布的磁环，所述的磁环以所在平面的中心线为轴交叉设置。
通过上述技术方案，利用磁环天线自身独有的磁场变化率（dB/dt）测量特性，控制频带内高频端的截止频率，并通过放大电路，将整个频带始终保持dB/dt的增益特性，这样可以使得高频端的信号获得超过20dB的增益，有效保证了对高频脉冲信号的测量，使得低频定位系统可以获得更多的高频辐射源定位信息。
可选的，所述的磁环由多匝单层漆包线构成。
通过上述技术方案，通过将磁环采用多匝单层漆包线制成，便于控制磁环天线的各种参数，并选取合适的形状和参数，控制高频端的截止频率。
可选的，所述的磁天线包括两个垂直交叉设置的环形框架，在每个环形框架上绕设有多匝单层漆包线。
通过上述技术方案，通过设置环形的框架，并在环形框架上绕设多匝单层漆包线，能够保证两个磁环天线的位置稳定牢靠。
可选的，在所述的环形框架上设置有沟槽，所述的多匝单层漆包线绕设在所述的沟槽内。
通过上述技术方案，通过将多匝单层漆包线绕设在沟槽内，能够保证漆包线能够稳定的设置在环形框架上，能够在使用的时候防止漆包线从环形框架上滑落。
可选的，所述的环形框架采用圆形框架，在圆形框架的外圆面上设置有与圆形框架同心设置的沟槽，两个圆形框架构成一球形框架。
通过上述技术方案，通过采用圆形框架，在圆形框架的外圆面上设置有与圆形框架同心设置的沟槽，通过在圆形框架上的沟槽上绕设多匝漆包线，能够实现圆形框架上的磁环的设置。
可选的，所述的球形框架包括上半球体和下半球体，下半球体和上半球体之间通过支撑连接架固定。
通过上述技术方案，将球形框架设置成上半球体和下半球体，下半球体和上半球体之间通过支撑连接架固定，既便于球形框架的制作和安装，同时也保证了球形框架的强度和牢靠性，进而保证了两个磁环之间的垂直角度与定型。
可选的，所述的两个磁环直径均为248mm，每个磁环上设置有32匝单层漆包线紧密排列在每个方向上的磁环上，漆包线直径为0.41mm。
通过上述技术方案，通过该参数，使得此天线设计使得低频端与高频段具有相差100倍的增益区别，因此高频端信号的放大倍数明显提升，因此使得对定位精度以及数量有较大作用的高频端分量，测量系统获得的更多的高频分量。
可选的，所述的放大电路包括第一放大电路和第二放大电路，其中第一放大电路的信号输入端与其中一个磁环信号连接，第二放大电路的信号输入端与另一个磁环信号连接；所述的第一放大电路包括斩波谐振调整电路、高通滤波放大电路、低通滤波放大电路、匹配电路以及电源电路；所述的磁环的信号与斩波谐振调整电路连接，斩波谐振调整电路的输出端与高通滤波放大电路的输入端连接，高通滤波放大电路输出端与低通滤波放大电路的输入端连接，低通滤波放大电路的输出端与匹配电路的输入端连接；所述的电源电路为斩波谐振调整电路、高通滤波放大电路、低通滤波放大电路、匹配电路供电；所述的第二放大电路与第一放大电路的结构相同。
通过上述技术方案，通过第一放大电路与一个磁环的信号连接，第二放大电路与另一个磁环的信号连接，能够分别对两个磁环的信号进行斩波、高通滤波放大、低通滤波放大等处理，使得频带内低频与高频端具有相对一致的增益特性，从而使整个探测系统的带宽具有与磁环天线测量的磁场变化率一致的频带特性。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1、本申请利用磁环天线自身独有的磁场变化率（dB/dt）测量特性，控制频带内高频端的截止频率，并通过放大电路，将整个频带始终保持dB/dt的增益特性，这样可以使得高频端的信号获得超过20dB的增益，有效保证了对高频脉冲信号的测量，使得低频定位系统可以获得更多的高频辐射源定位信息。
2、本申请通过将多匝单层漆包线绕设在沟槽内，形成磁环天线，便于控制磁环天线的各种参数，并选取合适的形状和参数，控制高频端的截止频率；且能够保证漆包线能够稳定的设置在环形框架上，能够在使用的时候防止漆包线从环形框架上滑落，能够保证磁环天线的稳定性。
3、本申请通过将两个磁环的参数设置为直径为248mm，每个磁环上设置有32匝单层漆包线紧密排列在每个方向上的磁环上，漆包线直径为0.41mm；使得此天线设计使得低频端与高频段具有相差100倍的增益区别，因此高频端信号的放大倍数明显提升，因此使得对定位精度以及数量有较大作用的高频端分量，测量系统获得的更多的高频分量。
附图说明
图1是自然闪电放电过程的电磁波信号频谱特征图；
图2是本申请闪电宽带磁场信号探测天线的结构示意图；
图3是本申请闪电宽带磁场信号探测天线的框架的结构示意图；
图4是本申请实施例的放大电路的结构示意图；
图5是具有不同频带特性的电磁测量设备记录的闪电放电过程产生的电磁波信号的频谱特性图；
图6是具有两种不同频谱特性的电磁测量系统记录的闪电信号图。
图7是天线与放大电路的整体频带曲线图。
附图标记说明：
1、第一环形框架；2、第二环形框架；3、支撑连接架；4、第一磁环；5、第二磁环；6、斩波谐振调整电路；7、高通滤波放大电路；8、低通滤波放大电路；9、匹配电路；10、电源电路；11、底座；12、安装孔；101、第一沟槽；201、第二沟槽。
具体实施方式
下面结合附图2-7对本申请作进一步详细说明。
参照图2和图3，本实施例公开了一种闪电宽带磁场信号探测天线系统，包括磁天线以及与磁天线连接的放大电路；磁天线包括天线框架，天线框架包括第一环形框架1和第二环形框架2，第一环形框架1和第二环形框架2均为圆形的框架，第一环形框架1和第二环形框架2以所在平面的中心线为轴交叉垂直交叉分布，这样使得第一环形框架1和第二环形框架2构成一个球形框架。
在第一环形框架1和第二环形框架2之间还通过支撑连接架3连接，第一环形框架1和第二环形框架2采用ABS工程塑料3D打印的方式生成。具体制作过程中采用上半球体和下半球组合的方式。上半球体与下半球体之间分别采用3D打印，然后拼接成一个完整的球形框架，上半球体与下半球体结合部位用塑料螺丝螺母进行固定，在下半球体的下部设置有底座11，底座11上设置有安装孔12，用于天线的固定安装。
在第一环形框架1的外圆面上设置有第一沟槽1011，第一沟槽1011与第一环形框架1同心设置，在第一沟槽101内绕设有多匝单层漆包线形成第一磁环4。在第二环形框架2的外圆面上设置有第二沟槽201，第二沟槽201与第二环形框架2同心设置，在第二沟槽201内绕设有多匝单层漆包线形成第二磁环5，第二磁环5与第一磁环4之间以所在平面的中心线为轴交叉垂直交叉分布。
天线架设时，根据磁场方位，使得两个垂直交叉环分别朝向东西和南北两个方向，分别用于测量来自东西以及南北方向的磁场变化率信号。
根据法拉第电磁感应定律，磁环线两端由于穿过磁环的磁场变化产生的电压为：
（1）
其中，N为线圈的匝数，A为圆环的面积，为磁通量，B为磁感应强度，为线圈两端的信号输出电压。
参照图4，第一磁环4的漆包线的两端分别连接到第一放大电路，将第一磁环4的信号送入到第一放大电路进行处理；第二磁环5的漆包线的两端分别连接到第二放大电路，将第二磁环5的信号送入到第二放大电路进行处理。
第一放大电路包括斩波谐振调整电路6、高通滤波放大电路7、低通滤波放大电路8、匹配电路9以及电源电路10。
斩波谐振调整电路6的输出端与高通滤波放大电路7的输入端连接，高通滤波放大电路7输出端与低通滤波放大电路8的输入端连接，低通滤波放大电路8的输出端与匹配电路9的输入端连接。所述的斩波谐振调整电路6对第一磁环4的信号频带进行初始调整，去除第一磁环4信号自有的谐振。所述的高通滤波放大电路7对斩波谐振调整电路6的输出信号进行高通滤波，去除工频及其谐振频率噪声，并进行信号放大。所述的低通滤波放大电路8对高通滤波放大电路7的输出信号进行低通滤波，去除高频噪声并进行信号放大。所述的匹配电路9对低通滤波放大电路8的输出进行等比放大并调整为与长传输线阻抗匹配的输出端。所述的电源电路10为斩波谐振调整电路6、高通滤波放大电路7、低通滤波放大电路8、匹配电路9供电；第二放大电路与第一放大电路的结构相同。
斩波谐振调整电路6包括仪表放大器U1，仪表放大器U1的型号为AD8429，仪表放大器U1的-IN和+IN端口分别连接到第一磁环4的漆包线的两端，仪表放大器U1的-IN和+IN端口分别与电容C6两端连接，仪表放大器U1的-IN和+IN端口分别与电阻R17两端连接，仪表放大器U1的-IN端口通过电阻R1接地，仪表放大器U1的+IN端口通过电阻R2接地，仪表放大器U1的两个RG端口分别与电阻R3的两端连接。仪表放大器U1的+VS 端口连接电源电路的+VCCO端口，仪表放大器U1的-VS 端口连接电源电路的-VCCO端口，仪表放大器U1的REF端口接地，仪表放大器U1的VOUT端口与高通滤波放大电路7连接。
高通滤波放大电路7包括运算放大器U2，运算放大器U2的型号采用ADA4898，运算放大器U2的+IN端口通过电容C3与仪表放大器U1的VOUT端口连接，接收斩波谐振调整电路6的输出信号，运算放大器U2的+IN端口还通过电阻R4接地。运算放大器U2的+VS 端口连接电源电路的+VCCO端口，运算放大器U2的-VS 端口连接电源电路的-VCCO端口，运算放大器U2的-IN端口通过电阻R5接地。运算放大器U2的VOUT端口与低通滤波放大电路8连接，同时运算放大器U2的VOUT端口还通过电阻R6、电阻R5接地。
低通滤波放大电路包括运算放大器U8和运算放大器U7，其中运算放大器U8的+IN端口通过电阻R16、电阻R15与运算放大器U2的VOUT端口连接，接收高通滤波放大电路7的输出信号，运算放大器U8的+IN端口还通过电容C8接地。运算放大器U8的+VS 端口连接电源电路的+VCCO端口，运算放大器U8的-VS 端口连接电源电路的-VCCO端口。运算放大器U8的-IN端口通过电容C9、电阻R15与运算放大器U2的VOUT端口连接，运算放大器U8的-IN端口还与运算放大器U8的VOUT端口连接。
运算放大器U8的VOUT端口通过电阻R19、电阻R20与运算放大器U7的+IN端口连接，运算放大器U7的+IN端口还通过电容C10接地。运算放大器U7的+VS 端口连接电源电路的+VCCO端口，运算放大器U7的-VS 端口连接电源电路的-VCCO端口。运算放大器U7的-IN端口通过电容C11、电阻R19与运算放大器U8的VOUT端口连接，运算放大器U7的-IN端口还与运算放大器U7的VOUT端口连接，运算放大器U7的VOUT端口与匹配电路9连接，且运算放大器U7的VOUT端口还通过电阻R10接地。
匹配电路9包括运算放大器U15，运算放大器U15的+IN端口连接运算放大器U7的VOUT端口，运算放大器U15的+VS 端口连接电源电路的+VCCO端口，运算放大器U15的-VS 端口连接电源电路的-VCCO端口。
第二放大电路和第一放大电路相同，同样包括斩波谐振调整电路6、高通滤波放大电路7、低通滤波放大电路8、匹配电路9以及电源电路10。第二放大电路用于对第二磁环5的信号进行处理。其处理方式与第一放大电路对第一磁环4的信号处理方式相同。
参照图5，具有不同频带的系统所获得的的测量信号的整体频带增益可以看出具有dB/dt的天线使得接收的闪电辐射信号在高频端具有与低频端相对一致的增益曲线，这样可以使得高频端的信号获得比普通B或者E类型天线超多20 dB的增益，有效保证了对高频脉冲信号的测量，使得定位系统可以理论上获得更多的辐射源定位信息。
参照图6，直观地展示了具有两种频谱特征的电磁波记录系统获得的闪电放电过程时域波形。对比图中虚线框标示的时段可以看出，具有dB/dt频谱特性的系统具有更好的脉冲丰富度，因此使用此种天线类型的闪电定位系统可以在相同的时间窗识别更多的可定位的脉冲辐射源，因此获得更多的辐射源定位结果，使得其对闪电全过程的探测更准确。
本实施例中第一沟槽11的直径采用248mm，单层漆包线的绕线圈数采用32匝，漆包线的直径采用0.41mm。第二沟槽21的直径采用248mm，单层漆包线的绕线圈数采用32匝，漆包线的直径采用0.41mm。
因此，本实施例中的, 。将上述参数代入到上述的公式（1）中，得到本实施例的磁环对磁场变化率的测量灵敏度为：
。
参照图7，通过此天线设计使得低频端与高频段具有相差100 倍的增益区别，因此高频端信号的放大倍数明显提升，因此使得对定位精度以及数量有较大作用的高频端分量，测量系统获得的更多的高频分量。
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