劉雷松，朱萬華，閆 彬，張群英

(1.中國科學(xué)院電磁輻射與探測技術(shù)重點實驗室，北京 100190；2.中國科學(xué)院電子學(xué)研究所，北京 100190；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100190)

0 引言

閃電是一種復(fù)雜的大氣物理現(xiàn)象，其放電時會輻射出寬頻的電磁脈沖信號，通過測量閃電電磁脈沖信號，可以對閃電進(jìn)行定位和監(jiān)測，為災(zāi)害預(yù)警、雷電防御等提供服務(wù)[1-2]。

通常采用正交環(huán)天線對閃電磁場進(jìn)行探測。文獻(xiàn)[3]給出了一種用于閃電探測的磁場測量天線，文獻(xiàn)[4]研究了一種雷電三維磁場測量系統(tǒng)，但都沒有給出天線尺寸、工作頻帶等具體參數(shù)。王黎明[5]等研制了一款用于雷電流測量的傳感器線圈，其直徑為60 cm，長度為20 cm，Lu Gaopeng[6]等采用直徑為1 cm、長度為20 cm的鐵氧體磁棒制作感應(yīng)式磁場傳感器，用于閃電磁場測量，但都沒有給出傳感器噪聲水平。

本文基于感應(yīng)式磁場傳感器原理和閃電磁場的特點，設(shè)計了一款用于閃電磁場測量的寬頻帶、低噪聲感應(yīng)式磁場傳感器。第一節(jié)介紹感應(yīng)式磁場傳感器基本原理，第二節(jié)對閃電磁場測量傳感器進(jìn)行設(shè)計和仿真，首先根據(jù)傳感器工作帶寬進(jìn)行線圈設(shè)計，然后研制低噪聲檢測電路，建立傳感器等效噪聲模型，對傳感器靈敏度和噪聲水平進(jìn)行理論分析和仿真。第三節(jié)對所設(shè)計的傳感器進(jìn)行性能測試和結(jié)果分析。

1 感應(yīng)式磁場傳感器原理

感應(yīng)式磁場傳感器基于法拉第電磁感應(yīng)定律，變化的磁場在線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓，通過低噪聲放大器將微弱電壓信號進(jìn)行放大和接收，即可實現(xiàn)對磁場的檢測。傳感器由感應(yīng)線圈和放大電路2部分組成，等效電路如圖1所示[7]。圖中Vs為線圈兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，L為線圈等效電感，Rs為線圈等效電阻，Cs為線圈等效電容，Rt為匹配電阻，G為放大電路增益，Vo為放大電路輸出電壓。

圖1 感應(yīng)式磁場傳感器等效電路圖

由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，對于空心線圈，其兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電壓可表示為[8]

Vs=-jωNBS

(1)

式中：B為磁感應(yīng)強度；S為感應(yīng)線圈物理面積；N為線圈匝數(shù)。

根據(jù)電路原理，可得

(2)

可見，增加線圈面積和匝數(shù)，可以有效提高傳感器對磁場的響應(yīng)。

2 磁場傳感器設(shè)計與仿真

2.1 線圈設(shè)計

由上節(jié)可知，傳感器響應(yīng)與線圈面積和匝數(shù)有關(guān)。通常線圈面積受物理尺寸的限制不能過大，只能通過增加線圈匝數(shù)的方式提高傳感器響應(yīng)。但增加線圈匝數(shù)會增加線圈的等效電感和等效電容，降低線圈的諧振頻率，從而限制線圈的工作帶寬。

本文采用空心線圈繞制磁場傳感器，為方便繞線，采用多芯扁平帶狀線纜代替漆包線繞制，同時在不同匝數(shù)之間填充絕緣材料，降低分布電容，提高線圈的工作帶寬。線圈參數(shù)見表1，通過阻抗分析儀，測得線圈等效電感L為1.35 mH，等效電阻Rs為10 Ω，諧振頻率f0為573 kHz，則計算可得線圈等效電容為

(3)

表1 線圈參數(shù)

2.2 低噪聲放大電路設(shè)計

傳感器低噪聲放大電路如圖2所示。在放大器輸入端接有匹配電阻Rt，其阻值由線圈參數(shù)決定，計算如下[7]：

(4)

式(2)可改寫為

(5)

圖2 低噪聲放大電路圖

在低頻段，傳感器輸出電壓對磁場的響應(yīng)隨頻率增加而增大，為在工作帶寬內(nèi)得到較為平坦的響應(yīng)，將放大電路頻率響應(yīng)設(shè)計成低通濾波形式。放大電路參數(shù)見表2。放大器A1作為低噪聲放大電路的第一級，將微弱信號進(jìn)行低噪聲放大，電阻R2與C1構(gòu)成低通濾波器，其截止頻率為100 kHz，其決定傳感器高頻截止頻率，電阻R4與C2構(gòu)成低通濾波器，其截止頻率為1 kHz，其決定傳感器低頻截止頻率，放大電路傳遞函數(shù)可表示為

(6)

表2 低噪聲放大電路參數(shù)

圖3 傳感器等效噪聲模型

由電路原理可知，各噪聲源在放大器輸入端的貢獻(xiàn)分別為：

(7)

(8)

(9)

eeni=een

(10)

式中：k為玻爾茲曼常數(shù)；T為開爾文溫度。

各噪聲來源相互獨立，因此放大器輸入端總的等效噪聲為

(11)

傳感器等效輸入磁場噪聲水平為

(12)

2.3 傳感器仿真

由圖5可以看出，在工作頻帶范圍內(nèi)，傳感器輸出噪聲主要由放大器電壓噪聲決定，因此在設(shè)計放大器時，應(yīng)選擇等效電壓噪聲低的器件。

圖4 傳感器靈敏度響應(yīng)曲線

圖5 傳感器輸出噪聲水平

圖6 傳感器等效輸入噪聲水平

3 傳感器性能測試結(jié)果與分析

3.1 靈敏度響應(yīng)測試

傳感器靈敏度響應(yīng)測試場景圖如圖7所示。其測試原理為：將被測磁場傳感器放入標(biāo)準(zhǔn)磁場中，通過傳感器輸出電壓與標(biāo)準(zhǔn)磁場的比值，得到傳感器對磁場的響應(yīng)。本文采用三軸亥姆赫茲線圈作為標(biāo)準(zhǔn)磁場產(chǎn)生裝置，在線圈內(nèi)通入已知電流，計算得到線圈產(chǎn)生磁場值。測試結(jié)果如圖8所示，可見，傳感器工作帶寬為1～100 kHz，測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合。

3.2 噪聲水平測試

圖7 傳感器靈敏度響應(yīng)測試場景圖

圖8 傳感器靈敏度響應(yīng)曲線

圖9 傳感器等效噪聲水平

4 結(jié)束語