CN101839939B - 一种亚纳秒高压脉冲测量系统 - Google Patents

Abstract

一种亚纳秒高压脉冲测量系统，涉及测量同轴电缆中传输的亚纳秒高压脉冲信号的测量装置。本发明主要包括同轴电容分压器、无感电阻、示波器。本发明装置的同轴电容分压器有效的利用了结构的内、外导体与同轴电缆之间的杂散参数，元器件采用压接方式相连接，有效减小了引线电感，提高了系统测量带宽。本发明具有结构简单，安装方便，不改变同轴电缆中信号传输的介质结构，对原传输的信号无影响等优点，可广泛应用于同轴电缆中高压脉冲信号的测量。

Description

一种亚纳秒高压脉冲测量系统

技术领域

本发明属于亚纳秒高压脉冲测量技术领域，具体涉及一种用于测量同轴电缆中传输的亚纳秒高压脉冲信号的测量装置。

背景技术

利用示波器对低压脉冲信号进行直接测量，是非常便捷的工程技术手段，然而对于高压脉冲信号，不能直接利用示波器进行观测。亚纳秒高压脉冲信号常用同轴电缆作为传输介质，因此，对同轴电缆中传输的亚纳秒高压脉冲信号进行精确测量，并为通讯、雷达、医疗等行业提供可靠而精确的亚纳秒脉冲信号源，是工程技术研究的重点和热点。

现有高压脉冲信号的测量装置，如申请号为200910022780.9的“用于纳秒级高压脉冲测量的同轴-对称分立型电容分压器”专利，公开的电容分压器包括圆柱形铜导体、屏蔽接地外壳、环氧树脂、电极、4个分压盒和低压电容等。该电容分压器的主要缺点是：测量时需要在导线周围浇注环氧树脂、植入电极包裹、安装分压盒等，该电容分压器结构复杂、不便操作、且成本高较高；改变了传输纳秒高压脉冲信号的导线周围的介质，对源信号有很大影响，影响了测量的准确性；引入了接线电感，降低了测量的带宽，该电容分压器应用范围有限，不能满足亚纳秒甚至更窄高压脉冲精确测量的需要。

发明内容

本发明的目的是针对现有高压脉冲信号测量装置的不足，提供一种亚纳秒高压脉冲测量系统，具有既不影响同轴电缆中的传输信号，又能准确测量其传输的亚纳秒高压脉冲信号，测量精度高，带宽高，且结构简单，安装方便等特点。

本发明的机理是：同轴电容分压器安装于被测量的同轴电缆之上，同轴电缆和分压器之间的杂散参数分别构成了分压器的高压臂电容C_h和低压臂电容C_l；由分压器引出的亚纳秒低压脉冲测量信号，经无感电阻Rp引至连接电缆一端；连接电缆为市购元件，阻抗为Z₀(50Ω)，其另一端通过接口与示波器相连；示波器为市购器件，匹配内阻R_l可选(50Ω或1MΩ)；当被测量脉冲信号的脉宽为亚纳秒级(脉宽为τ)，并满足条件Rp(C_h+C_l)＞＞τ，当示波器匹配内阻R_l选为50Ω时，示波器显示的脉冲波形即为幅值衰减的同轴电缆中传输的亚纳秒高压脉冲信号，其幅值衰减倍数为(Rp/R_l)×(1+C_l/C_h)。

实现本发明目的的技术方案是：一种亚纳秒高压脉冲测量系统，主要包括同轴电容分压器、无感电阻、和示波器。

同轴电容分压器(以下简称分压器)主要由铜片、聚乙烯绝缘薄膜片、SMA接口、U形夹组成。铜片的一面紧密粘贴在同轴电缆的一小切口内的剥去外皮和接地网的绝缘层的外表面上，铜片的另一面紧密粘贴聚乙烯绝缘薄膜片。市购的SMA接口(类似于接线端子的接口，因亚纳秒脉冲信号的带宽较高，需用SMA接口才能无损地精确引出亚纳秒脉冲信号)主要由中心芯线和接地外壳组成，SMA接口装设在铜片和聚乙烯绝缘薄膜片的外侧，SMA接口的中心芯线穿过聚乙烯绝缘薄膜片的中心与铜片紧密连接。U形夹为2个两端带有连接耳的半圆环形的铜质套箍，其半圆环的内径与同轴电缆的接地网的外径匹配，在U形夹的上半圆环的顶部设置一个小孔，SMA接口装设在该小孔中，U形夹通过其两端连接耳上的螺孔和螺钉固定在一小段剥去外皮的同轴电缆的接地网的外表面上，并将SMA接口的外壳也可靠地与同轴电缆的接地网连接。因此同轴电缆的芯线和铜片之间构成了分压器的高压臂电容(C_h)，铜片和铜质U形夹之间构成分压器的低压臂电容(C_l)，同轴电缆绝缘层和聚乙烯绝缘薄膜片分别构成了高、低压臂电容(C_h、C_l)的绝缘介质。

无感电阻为市购超高频无感电阻元件，其阻值为1.5～100kΩ，其两端分别配置有SMA接口，无感电阻两端的SMA接口分别与分压器的SMA接口和连接电缆的一端相连接；连接电缆为市购超高频电缆元件，其一端配有SMA接口，并与无感电阻的一端相连接，另一端配有BNC接口(类似于接线端子的接口)，并与示波器输入端直接对接。

示波器为市购设备(带宽为6GHz、实时采样率为20GS/s、通道匹配内阻1MΩ和50Ω可选)，测量时选择示波器输入端通道匹配内阻为50Ω，则由示波器直接读出同轴电缆中传输的亚纳秒高压脉冲信号。

本发明采用上述技术方案后，主要有以下效果：

(1)同轴电容分压器巧妙的利用了结构的内、外导体与同轴电缆之间的杂散参数，安装简单、便于操作，且不改变同轴电缆中信号传输的介质结构，对原信号无影响。

(2)同轴电容分压器各元器件采用压接方式相连接，有效减小了引线电感，提高了系统测量带宽。

(3)整个测量系统结构紧凑，各个部分可独立拆装，安装方便，有效满足了同轴电缆中亚纳秒高压脉冲信号的测量需要。

附图说明

图1为本发明的原理图；

图2为本发明的同轴电容分压器的结构示意图；

图3为本实施例1实测的脉冲信号波形图。

其中：a为测量信号波形图，b为被测脉冲源信号波形图。

图中：V_i同轴电缆中传输信号，C_h高压臂电容，C_l低压臂电容，Rp无感电阻，Z₀连接电缆阻抗，R_l示波器匹配内阻，V₀示波器输出信号，1螺钉，2U形夹，3电缆芯线，4铜片，5SMA接口，6聚乙烯绝缘薄膜片，7接地网，8绝缘层。

具体实施方式：

下面结合具体实施方式，进一步说明本发明。

实施例1

如图1～2所示，一种亚纳秒高压脉冲测量系统，主要包括同轴电容分压器、无感电阻Rp、和示波器。

同轴电容分压器(以下简称分压器)主要由铜片4、聚乙烯绝缘薄膜片6、SMA接口5、U形夹2组成。铜片4的一面紧密粘贴在同轴电缆的一小切口内的剥去外皮和接地网7的绝缘层8的外表面上，铜片4的另一面紧密粘贴聚乙烯绝缘薄膜片6。市购的SMA接口5(类似于接线端子的接口，因亚纳秒脉冲信号的带宽较高，需用SMA接口5才能无损地精确引出亚纳秒脉冲信号)主要由中心芯线和接地外壳组成，SMA接口5装设在铜片4和聚乙烯绝缘薄膜片6的外侧，SMA接口5的中心芯线穿过聚乙烯绝缘薄膜片6的中心与铜片4紧密连接。U形夹2为2个两端带有连接耳的半圆环形的铜质套箍，其半圆环的内径与同轴电缆的接地网7的外径匹配，在U形夹2的上半圆环的顶部设置一个小孔，SMA接口5装设在该小孔中，U形夹2通过其两端连接耳上的螺孔和螺钉1固定在一小段剥去外皮的同轴电缆的接地网7的外表面上，并将SMA接口5的外壳也可靠地与同轴电缆的接地网7连接。因此，同轴电缆的芯线3和铜片4之间构成了分压器的高压臂电容C_h，铜片4和铜质U形夹2之间构成分压器的低压臂电容C_l，同轴电缆绝缘层8和聚乙烯绝缘薄膜片6分别构成了高、低压臂电容C_h、C_l的绝缘介质。

无感电阻Rp为市购超高频无感电阻元件，其阻值为1.5kΩ，其两端分别配置有SMA接口，无感电阻Rp两端的SMA接口分别与分压器的SMA接口5和连接电缆的一端相连接；连接电缆为市购超高频电缆元件，其一端配有SMA接口，并与无感电阻Rp的一端相连接，另一端配有BNC接口(类似于接线端子的接口)，并与示波器输入端直接对接。

示波器为市购设备(带宽为6GHz、实时采样率为20GS/s、通道匹配内阻1MΩ和50Ω可选)，测量时选择示波器输入端通道匹配内阻R_l为50Ω，则由示波器直接读出同轴电缆中传输的亚纳秒高压脉冲信号。

实施例2

一种亚纳秒高压脉冲测量系统，同实施例1，其中：无感电阻Rp的阻值为50kΩ。

实施例3

一种亚纳秒高压脉冲测量系统，同实施例1，其中：无感电阻Rp的阻值为100kΩ。

实验结果

用本实施例1的亚纳秒高压脉冲测量系统进行测试。同轴电容分压器铜片4尺寸如下：长度为10mm，宽度为5mm，厚度为0.11mm；同轴电缆芯线3的半径为1.35mm，电缆绝缘层8半径为4.63mm，分别对同轴电容分压器构成的高、低压臂电容C_h、C_l分别进行理论计算，并结合仪器测量进行校正，分压器高压臂电容C_h为0.15pF，低压臂电容C_l为8pF。无感电阻Rp为1.5kΩ。整个测量系统的分压比为(1500/50)×(1+7.44/0.15)＝1518，分别将同轴电缆中传输的被测脉冲源信号及经测量系统引出的测量信号输入示波器的不同通道进行测试，其测量结果如图3所示。

图3中：被测脉冲源信号b的幅值3.8V，上升沿700ps，下降沿700ps，脉宽800ps左右；测量信号a的幅值2.5mV，上升沿700ps，下降沿700ps，脉宽800ps左右。由此可见：测量系统的同轴电容分压器杂散电感极小，能够响应同轴电缆中传输的亚纳秒脉冲信号；脉冲源信号与测量信号的幅值比为1520，这一比值与测量系统的理论分压比1518基本相符，相对误差约为0.1％，满足了测量精度要求。因此，本发明能准确测量同轴电缆中传输的亚纳秒高压脉冲信号。

本发明的亚纳秒高压脉冲测量系统结构紧凑，各个部分可独立拆装，安装方便，且不改变脉冲源信号传输的介质结构，对原信号无影响，有效满足了同轴电缆中亚纳秒高压脉冲信号的测量需要。

Claims (1)

1.一种亚纳秒高压脉冲测量系统，主要包括无感电阻和示波器，其特征在于所述的测量系统还有同轴电容分压器，同轴电容分压器主要由铜片(4)、聚乙烯绝缘薄膜片(6)、SMA接口(5)、U形夹(2)组成，铜片(4)的一面紧密粘贴在同轴电缆的一小切口内的剥去外皮和接地网(7)的绝缘层(8)的外表面上，铜片(4)的另一面紧密粘贴聚乙烯绝缘薄膜片(6)，SMA接口(5)主要由中心芯线和接地外壳组成，SMA接口(5)装设在铜片(4)和聚乙烯绝缘薄膜片(6)的外侧，SMA接口(5)的中心芯线穿过聚乙烯绝缘薄膜片(6)的中心与铜片(4)紧密连接，U形夹(2)为2个两端带有连接耳的半圆环形的铜质套箍，其半圆环的内径与同轴电缆的接地网(7)的外径匹配，在U形夹(2)的上半圆环的顶部设置一个小孔，SMA接口(5)装设在该小孔中，U形夹(2)通过其两端连接耳上的螺孔和螺钉(1)固定在一小段剥去外皮的同轴电缆的接地网(7)的外表面上，并将SMA接口(5)的外壳也可靠地与同轴电缆的接地网(7)连接；

无感电阻(Rp)为超高频无感电阻元件，其阻值为1.5～100kΩ，其两端分别配置有SMA接口，无感电阻(Rp)两端的SMA接口分别与分压器的SMA接口(5)和连接电缆的一端相连接，连接电缆为超高频电缆元件，其一端配有SMA接口，并与无感电阻(Rp)一端的SMA接口相连接，另一端配有BNC接口并与示波器输入端直接对接；

示波器的带宽为6GHz、实时采样率为20GS/s、通道匹配内阻1MΩ和50Ω可选，测量时选择示波器输入端通道匹配内阻(R_l)为50Ω。

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