CN105527598B - 一种场传感器校准系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种场传感器校准系统和方法，解决校准区域小、场传感器对场分布影响大的问题。本发明的场传感器校准系统包含单锥体和平面体，构成一单锥体天线。所述单锥体从顶面至底面逐渐变细，侧面的旋转曲线形状为指数曲线。本发明的场传感器校准方法首先设置一单锥体天线，从顶面至底面逐渐变细，使得场传感器校准可使用的空间区域变大；在单锥体天线辐射的范围内定义一立方体校准区域，在该立方体的顶点及各边中点设置参考点，分别计算并比较有、无场传感器的情况下各参考点电场强度，得到场传感器对校准区域内部场分布的影响。本发明单锥体天线阻抗变换方法是指数变换形式，提高了场传感器的校准精度。

Description

一种场传感器校准系统和方法

技术领域

本发明涉及一种电磁场测试领域，特别涉及一种场传感器校准系统和方法。

背景技术

目前，国内外对于脉冲场的测量一般使用电磁脉冲场传感器。超宽带短脉冲电磁场的脉冲上升时间和持续时间在ns量级或更短、频谱宽度覆盖范围在几十MHz或更宽，因此测量难度大。为了保证电磁脉冲场强测量的准确性，需要在时域对电磁脉冲场传感器进行性能校准。

时域校准的难点在于获得时域脉冲场的已知场即标准场。电磁场传感器及探头校准标准IEEE Std1309-2005中给出了一种单锥体结构与金属地面组合构成的场传感器校准系统，所述单锥体结构与金属地面组合后形成一个单锥体天线，在其辐射场范围内定义一校准区域，用于对场传感器进行校准。由于场传感器自身体积和材质的作用，当放入校准场区域进行校准时，会对校准场区域的场分布造成影响。

单锥体天线的结构参数决定单锥体与金属地面之间场分布的状态。通常，单锥体结构的形状为倒V型的线性变换结构，电磁场分布的状态使得校准区域较小；在进行电磁场传感器校准时，场传感器的放入对校准区域内部场分布的影响较大，因而直接影响传感器的校准精度。

发明内容

本发明提出一种场传感器校准系统和方法，解决校准区域小、场传感器器对校准区域内场分布影响大的问题，提高场传感器校准精度。

本发明提出的场传感器校准系统，包含单锥体和平面体，所述单锥体和平面体均为导体。

所述单锥体沿轴向旋转对称，包含顶面、底面、侧面，所述单锥体从顶面至底面逐渐变细；所述侧面的旋转曲线形状为指数曲线。

所述单锥体的轴向与所述平面体相垂直，构成一单锥体天线，所述单锥体的顶面位于远端，所述单锥体的底面与馈电的同轴电缆的内导体连接。

进一步地，场传感器校准系统还包含一时域脉冲发生器，所述时域脉冲发生器产生脉冲信号，通过所述馈电的同轴电缆输入到所述单锥体，在所述单锥体与所述平面体之间产生时域脉冲辐射场。

本发明提出的场传感器校准方法，包含以下步骤：

设置一单锥体天线，所述单锥体的轴向与导电的平面体相垂直，所述单锥体的顶面位于远端，所述单锥体从顶面至底面以指数形式逐渐变细，与所述平面体的边缘距离变远。

在单锥体天线辐射的范围内定义一立方体校准区域，在该立方体的顶点及各边中点设置参考点，分别计算有、无场传感器的情况下所述参考点的电场强度，比较所述有、无场传感器的情况下各参考点电场强度，得到场传感器对校准区域内部场分布的影响。

所述单锥体天线侧面的旋转曲线的方程为：y＝re^Cz，且其中r为单锥体底面半径，C为指数项系数，R为单锥体顶面半径，h为单锥体高度；

本发明有益效果如下：

本发明的装置中单锥体天线的阻抗变换方法是指数变换形式而不是线性变换形式，扩大了场传感器可使用校准区域，减小了场传感器对校准区域内部场分布的影响，因此提高了场传感器的校准精度。本发明通过指数变换的形式，使得靠近单锥体馈电端处的结构变细，单锥体外表面与平面体边缘的距离变远，场传感器校准可使用的空间区域变大。数值计算表明，在该天线结构中，选择与线性变换结构中相对平面体边缘位置相同的空间区域，置入同样尺寸的电磁场传感器进行校准时，场传感器对校准区域内部场分布的影响明显变小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术单锥体与金属地面组合的校准系统示意图；

图2是本发明指数变换单锥体天线的场传感器校准系统结构示意图；

图3是单锥体天线的旋转曲线示意图；

图4是线性变换单锥体天线仿真模型示意图；

图5是指数变换单锥体天线仿真模型示意图；

图6是场传感器对两种单锥体天线校准区域内部场分布影响的比较。

具体实施方式

为了实现本发明的目的，本发明实施例中提供了一种场传感器校准系统和方法，目的在于减小场传感器对校准区域内部场分布的影响，提高场传感器校准精度。下面结合说明书附图对本发明各个实施例作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是现有技术单锥体与金属地面组合的校准系统示意图，该校准系统包括单锥体结构、金属地面及时域脉冲发生器。电磁场传感器及探头校准标准IEEE Std1309-2005中给出了一种单锥体结构与金属地面组合构成的场传感器校准系统。其中的单锥体结构为线性变换结构的倒V型。系统工作时，时域脉冲发生器发射脉冲信号注入单锥体结构，在单锥体结构与金属地面之间产生时域脉冲辐射场，被校准的场传感器位于辐射场内，进行场传感器的时域校准。

图2是本发明指数变换单锥体天线的场传感器校准系统结构示意图，作为本发明的实施例，所述场传感器校准系统，包含单锥体11和平面体20，所述单锥体和平面体均为导体。所述单锥体沿轴向旋转对称，包含顶面、底面、侧面，所述单锥体从顶面至底面逐渐变细；所述侧面的旋转曲线形状为指数曲线。所述单锥体的轴向与所述平面体相垂直，构成一单锥体天线，所述单锥体的顶面位于远端，所述单锥体的底面与馈电的同轴电缆30的内导体连接。

时域脉冲发生器产生脉冲信号，通过所述馈电的同轴电缆输入到所述单锥体，在所述单锥体与所述平面体之间产生时域脉冲辐射场。

合理选择所述指数曲线的解析式形式。下面根据单锥体天线顶面与底面尺寸，确定指数曲线的解析式参数。

图3是单锥体天线的旋转曲线示意图。建立三维几何模型直角坐标系，以馈电点定位坐标系原点，如图3所示O点，以平面体长度方向为X轴，以平面体宽度方向为Y轴，以单锥体天线高度方向为Z轴；由于单锥体天线实质为一个倒立的单锥体，其顶部为一个圆；其底面与馈电端口同轴线内导体相连，也是一个圆；单锥体天线在YOZ平面内投影为如图3所示BCED曲线包围的区域，其中线段BC表示单锥体顶面圆直径，A为顶面圆心，DE为单锥体底面圆直径，O为底面圆心；根据单锥体天线结构形式，单锥体天线在YOZ平面内投影曲线中BC与DE为直线段，BD与CE为指数变换段。

不失一般性，以DB段为例表示，所述旋转曲线方程为

y＝re^Cz 公式1

其中r为单锥体底面半径，C为指数项系数。由于单锥体沿轴向旋转对称，公式1也可以理解为以O为原点的柱坐标下的曲面方程，此时，y为单锥体的径向，z为单锥体的轴向。

根据单锥体天线顶面及底面尺寸，可以确定顶点B、C、E、D在YOZ平面内的坐标分别为(R，h)、(-R，h)、(r，0)、(-r，0)，其中R为单锥体顶面半径，h为单锥体高度。由投影封闭曲面BCED绕单锥体天线中心轴OA旋转360度，得到图2所示指数变换结构形式的单锥体天线。将B点坐标代入公式1，得到

公式2

图2所示单锥体天线结构与现有技术(图1所示)有以下不同：本发明在设计单锥体阻抗变换段时，采用指数变换方式，使得靠近馈电端单锥体尖端处的单锥体变细，与线性变换相比，单锥体与平面体边缘的距离变远，场传感器校准可使用的空间区域变大。在指数变换结构天线中，选择与线性变换天线中相对平面体边缘位置相同的空间区域，置入同样尺寸的电磁场传感器进行校准时，场传感器对校准区域内部场分布的影响将变小。

本发明提出的场传感器校准方法，包含以下步骤：

第1步：优化阻抗变换，扩大校准区域。

首先设计一指数形式的单锥体天线。原理是在设计单锥体天线的锥平面结构处阻抗变换段时，采用指数变换方式。首先根据单锥体天线结构形式，合理选择指数变换曲线的解析式形式，所述单锥体天线侧面的旋转曲线方程如公式1所示；根据单锥体天线顶面与底面尺寸，确定指数曲线的解析式参数，如公式2所示；利用单锥体结构的对称性，得到指数变换结构形式的单锥体天线。所述单锥体的轴向与导电的平面体相垂直，构成一单锥体天线，所述单锥体的顶面位于远端，所述单锥体从顶面至底面逐渐变细，与所述平面体的边缘距离变远，使得场传感器校准可使用的空间区域变大，场传感器对校准区域内部场分布的影响变小。

第2步：仿真分析被校场传感器对校准区域内部场分布的影响，模型示意图如图4～5所示，图4是线性变换单锥体天线仿真模型示意图，包含一线性变换单锥体10和平面体20；图5是指数变换单锥体天线仿真模型示意图，包含一指数变换单锥体11和平面体20。在单锥体天线辐射的范围内定义一立方体区域40，作为校准区域，即被校场传感器所在区域。在该立方体的顶点及各边中点设置参考点，计算各参考点的电场强度；将场传感器置入校准区域，再次计算各参考点的电场强度；比较所述有、无场传感器的情况下各参考点电场强度，得到场传感器对校准区域内部场分布的影响。

分别针对图4和图5所示的模型，在定义校准区域的立方体8个顶点及4个侧柱中点共12个点处设置参考点，在无场传感器时计算各参考点的电场强度；将场传感器置入校准区域，再次计算各参考点的电场强度；然后通过计算两次电场强度的差值来得到场传感器对校准区域内部场分布的影响幅度，用dB表示。根据上述计算结果得到场传感器对指数变换天线校准区域内部场分布的影响，将其与线性变换情形下场传感器对校准区域内部场分布影响进行比较，如图6所示。根据图4结构(线性变换)计算结果得到的场传感器对校准区域内部场分布影响，幅度在2dB以上，有些位置处达到3.3dB。根据图5的结构(指数变换)进行计算，置入同样尺寸的电磁场传感器进行校准时，场传感器对指数变换形式天线校准区域内部场分布的影响明显变小，幅度均在1.5dB以下。

本领域的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、装置(设备)、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、装置(设备)和计算机程序产品的流程来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程中的每一步骤的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现方法各个步骤中指定的功能的装置。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种场传感器校准系统，包含单锥体和平面体，所述单锥体和平面体均为导体，其特征在于，

所述单锥体沿轴向旋转对称，包含顶面、底面、侧面，所述单锥体从顶面至底面逐渐变细；所述侧面的旋转曲线形状为指数曲线；

所述单锥体的轴向与所述平面体相垂直，构成一单锥体天线，所述单锥体的顶面位于远端，所述单锥体的底面与馈电的同轴电缆的内导体连接，在所述单锥体与所述平面体之间产生时域脉冲辐射场；

所述旋转曲线的方程为：y＝re^Cz，且其中r为单锥体底面半径，C为指数项系数，R为单锥体顶面半径，h为单锥体高度。

2.如权利要求1所述场传感器校准系统，其特征在于，包含一时域脉冲发生器，所述时域脉冲发生器产生脉冲信号，通过所述馈电的同轴电缆输入到所述单锥体。

3.一种场传感器校准方法，用权利要求1或2所述的系统，其特征在于，包含以下步骤：

在单锥体天线辐射的范围内定义一立方体校准区域，在该立方体的顶点及各边中点设置参考点，分别计算有、无场传感器的情况下所述参考点的电场强度，比较所述有、无场传感器的情况下各参考点电场强度，得到场传感器对校准区域内部场分布的影响。