CN106483485B - 一种高强度场传感器校准方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种高强度场传感器校准方法，克服标准场法在测试区域不易产生高场强的问题。本发明方法包括以下步骤：将被校准场传感器置于混响室的场均匀区域内，发射天线向所述混响室内辐射电磁波；设定水平搅拌器和垂直搅拌器在一个搅拌周期内的步进数；每步进一次，测量场传感器的接收场强值、接收天线的口面接收功率；得到一个搅拌周期内场传感器接收的平均场强值、接收天线接收的平均场强值；二者相比较得到场传感器的场强修正因子。本发明实现场强幅度200V/m以上的场传感器校准。

Description

一种高强度场传感器校准方法

技术领域

本申请涉及电磁场测量领域，尤其涉及一种场传感器校准的方法和系统。

背景技术

场传感器是测量场强的常用设备，广泛用于电磁环境监测、电磁辐射危害测量以及军用和民用产品电磁兼容试验等领域。场传感器的校准直接影响场强测量的准确性。对于1GHz～18GHz场传感器的校准，IEEE Std 1309-2013标准中规定利用标准增益喇叭天线和全电波暗室建立的标准场法，可以实现场强范围200V/m以下的场传感器的校准。

随着电磁环境日趋复杂，场强幅度越来越高，甚至达到1000V/m以上，对于200V/m以上场传感器校准缺乏相应的手段和方法。对于场强幅度200V/m以上的场传感器校准，需要更高功率输出的功率放大器，对双定向耦合器以及标准增益喇叭天线等其它设备的功率容限也提出更高要求，而且造价昂贵，不易实施。

发明内容

本发明提供一种高强度场传感器校准方法，克服标准场法在测试区域不易产生高场强的问题，实现场强幅度200V/m以上的场传感器校准。

本发明实施例基于一种高强度场传感器校准系统，包括发射天线、用于发射天线的信号发生系统、用于测量所述场传感器接收场强值的场强计、混响室、接收天线、信号接收系统；所述混响室包含水平搅拌器和垂直搅拌器，用于产生均匀电磁场；所述混响室的内壁为全金属结构；所述混响室的中部为场均匀区域；所述接收天线位于所述场均匀区域，用于测量所述均匀电磁场；所述信号接收系统用于测量所述接收天线接收的场强值。

进一步地，所述信号接收系统包含接收机、电缆、过壁接头；所述电缆用于连接所述接收天线和所述接收机；所述过壁接头用于使电缆穿通所述混响室腔体壁时保持混响室屏蔽完整；所述接收机用于测量和显示接收功率。

进一步优选地，所述信号接收系统还包含衰减器；所述衰减器用于对电缆传送的功率衰减后输入所述接收机。

所述混响室的场均匀区域不小于30cm×30cm×20cm，场均匀性小于2dB。

本发明实施例还提出一种高强度场传感器校准方法，用于本发明任一实施例所述高强度场传感器校准系统，包括以下步骤：

将被校准的场传感器置于所述混响室的场均匀区域内，并与混响室外的场强计连接；

调整信号发生系统，使发射天线按照待校准工作频率和工作场强幅度向所述混响室内辐射电磁波；

设定所述水平搅拌器和垂直搅拌器在一个搅拌周期内的步进数，计为N；

每步进一次，测量所述场传感器的接收场强值，最后得到在一个搅拌周期内所述场传感器接收的平均场强值其中E_i为第i次步进时所述场传感器的接收场强值；

每步进一次，测量所述接收天线的口面接收功率，最后得到在一个搅拌周期内所述接收天线接收的平均场强值其中P_i是第i次步进时所述接收天线的接收功率值；

所述接收天线接收的平均场强值与所述场传感器接收的平均场强值相比较，得到所述场传感器的场强修正因子

优选地，本发明所述高强度场传感器校准方法中所述场传感器与所述接收天线的天线口径之间的距离不小于0.075米。

优选地，本发明所述高强度场传感器校准方法中，N≥250。可以理解，在一个搅拌周期内，所述水平搅拌器在0°～360°范围内步进数为M；所述垂直搅拌器在0°～360°范围内步进数为K；有M×K≥250。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：本发明的高场强环境下场传感器校准方法和系统，是利用混响室建立一套高场强产生环境，通过对基于混响室的高场强定标完成场传感器的校准。混响室本身是利用谐振腔原理，通过搅拌器的旋转改变混响室内的场强分布，在工作区域内实现统计均匀的场强分布，混响室具有输入合适功率即能产生较高场强的优势。可有效地解决场强范围200V/m以上的场传感器校准，实现高场强测量的量值传递和溯源，确保电磁环境场强测量的准确性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为现有技术微波毫米波标准场法进行场传感器校准的系统示意图；

图2为本发明高强度场传感器校准系统示意图；

图3为接收机与混响室内接收天线连接示意图；

图4为本发明的高强度场传感器校准方法流程示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

图1为现有技术微波毫米波标准场法进行场传感器校准的系统示意图。对于1GHz～18GHz的场传感器的校准，IEEE Std 1309-2013标准中规定了微波毫米波标准场法。

微波毫米波标准场法是利用频率、幅度稳定的信号源和经过校准的标准增益天线，在模拟自由空间的全电波暗室内建立可以计算的标准场。然后将待校场传感器置于建立的标准场中实现场传感器的校准。

校准方法包含以下步骤：

步骤01、按照图1所示连接仪器设备，按仪器说明书要求预热；

步骤02、调节待校场传感器的位置，使场传感器中心与标准增益天线口径中心在一个轴线上，记录场传感器和标准增益天线之间的距离d；

步骤03、调节信号发生器输出频率至被校频率，增加信号发生器的输出幅度，记录前向功率值P_in和反向功率值P_ref，以及信号发生器输出幅值L。标准增益天线产生的标准场E₀按公式1计算；

式中，E₀为标准场(V/m)；η为自由空间波阻抗377Ω；C_f为双定向耦合器前向耦合系数；C_r为双定向耦合器反向耦合系数；G为标准增益天线的增益。

步骤04、记录步骤03中计算的标准场E₀和待校场传感器的指示值E；

步骤05、重复步骤03和步骤04，完成其它频率点的场传感器校准；

步骤06、根据记录的标准场E₀和待校场传感器的指示值E，按照公式2计算出校准系数

对于利用标准增益喇叭天线和全电波暗室建立的微波毫米波标准场法，可以实现场强范围200V/m以下的场传感器的校准。对于场强幅度200V/m以上的场传感器校准，需要更高功率输出的功率放大器，对双定向耦合器以及标准增益喇叭天线等其它设备的功率容限也提出更高要求，而且造价昂贵，不易实施。

图2为本发明高强度场传感器校准系统示意图。本发明实施例提出的一种高强度场传感器校准系统，包括发射天线、用于发射天线的信号发生系统、用于测量所述场传感器接收场强值的场强计、混响室、接收天线、信号接收系统；所述混响室是用于产生高场强电磁环境的设备。

混响室是内部带有搅拌器的金属腔体，采用谐振腔原理，通过搅拌器的旋转改变混响室内的场强分布。所述混响室的内壁为全金属结构；所述混响室的中部为场均匀区域；所述混响室包含水平搅拌器和垂直搅拌器，用于产生均匀电磁场。

所述接收天线位于所述场均匀区域，用于测量所述均匀电磁场；所述信号接收系统用于测量所述接收天线接收的场强值。

所述用于发射天线的信号发生系统，包括信号发生器、功率放大器、定向耦合器、功率敏感计和功率计。

作为本发明系统的最佳实施例，所述混响室的最低使用频率为1GHz；所述混响室的场均匀区域不小于30cm×30cm×20cm、且场均匀性小于2dB。作为本发明的最佳实施例，所述工作频率的范围是1GHz～18GHz，工作场强幅度的范围是10V/m～1000V/m。

混响室采取步进搅拌方式(即水平搅拌器和/或垂直搅拌器在一个搅拌周期内划分为N个搅拌步进进行旋转)，搅拌步进数为N。旋转步进方式为：

固定垂直搅拌器、旋转水平搅拌器的方式，水平搅拌器在一个搅拌周期内搅拌步进数为N；或者固定水平搅拌器、旋转垂直搅拌器的方式，垂直搅拌器在一个搅拌周期内搅拌步进数为N；

需要说明的是，只使用垂直搅拌器、或只使用水平搅拌器完成一个搅拌周期，垂直搅拌器或水平搅拌器旋转一周为360°，等分为N个搅拌步进，每步旋转360°/N。

旋转过程中还可以采取垂直搅拌器旋转一周内搅拌步进数为K、水平搅拌器旋转一周内搅拌步进数为M的方式，完成一个搅拌周期，其中K×M＝N。

图3为接收机与混响室内接收天线连接示意图。所述信号接收系统包含接收机、电缆、过壁接头；所述电缆用于连接所述接收天线和所述接收机；所述过壁接头用于使电缆穿通所述混响室腔体壁时保持混响室屏蔽完整；所述接收机用于测量和显示接收功率。进一步优选地，所述信号接收系统还包含衰减器；所述衰减器用于对电缆传送的功率衰减后输入所述接收机。

接收机输入端口与混响室输出端口、接收天线端口和混响室内部连接电缆之间由于阻抗失配会产生反射。如图3所示。利用矢量网络分析仪分别测量平面1处接收机端口处(混响室输出端口至接收机)的反射系数Γ_Meter、平面1和平面2之间电缆(电缆与混响室输出接头)的S参数、平面2处输入端口(包括电缆、混响室过壁接头、衰减器以及接收机的输入端口)的反射系数Γ_CAS以及接收天线在自由空间的端口反射系数Γ_ANT。按照公式3～4分别计算平面1和平面2处的修正系数η₁和η₂

式中，η₁为平面1端口连接处阻抗失配的修正值；S_ij为电缆与混响室过壁接头两端的S参数，其中i＝1或2，j＝1或2；Γ_Meter为从接收机接衰减器后平面1端口处的反射系数。

η₂＝|1-Γ_CASΓ_ANT| 公式4

式中，η₂为平面2端口连接处阻抗失配的修正值；Γ_CAS为接收机连接衰减器、过壁接头以及电缆在平面2端口的反射系数；Γ_ANT为天线端口处的反射系数。

根据接收机测量功率P_Meas、修正值η₁和η₂，按照公式5计算出单个搅拌步进下接收天线口面的接收功率P_i；

式中，P_i为单个搅拌步进下接收天线口面的接收功率；IL为电缆及衰减器的衰减值；η_ant为接收天线的效率，接收天线的效率是由接收天线的型号确定的，例如，喇叭天线一般为0.9。

图4为本发明的高强度场传感器校准方法流程示意图。

本发明实施例还提出一种高强度场传感器校准方法，用于本发明任一实施例所述高强度场传感器校准系统，包括以下步骤：

步骤11、将被校准的场传感器置于所述混响室的场均匀区域内，并与混响室外的场强计连接。

步骤12、调整信号发生系统，使发射天线按照待校准工作频率和工作场强幅度向所述混响室内辐射电磁波。

按照仪器设备说明书进行开机预热，使其处于正常工作状态。调解信号发生器的输出频率为待校频率，输出幅度至待校幅度。

步骤13、设定所述水平搅拌器和垂直搅拌器在一个搅拌周期内的步进数，计为N。

混响室采取步进搅拌方式(即水平搅拌器和/或垂直搅拌器在一个搅拌周期内均匀划分为N个搅拌步进进行旋转)，搅拌步进数为N。

旋转步进方式为：固定垂直搅拌器、旋转水平搅拌器的方式，水平搅拌器在一个搅拌周期内搅拌步进数为N；或者固定水平搅拌器、旋转垂直搅拌器的方式，垂直搅拌器在一个搅拌周期内搅拌步进数为N；需要说明的是，只使用垂直搅拌器、或只使用水平搅拌器完成一个搅拌周期，垂直搅拌器或水平搅拌器旋转一周为360°，等分为N个搅拌步进，每步旋转360°/N。

旋转过程中还可以采取垂直搅拌器旋转一周内搅拌步进数为K、水平搅拌器旋转一周内搅拌步进数为M的方式，完成一个搅拌周期，其中K×M＝N。

步骤14、每步进一次，测量所述场传感器的接收场强值，最后得到在一个搅拌周期内所述场传感器接收的平均场强值

其中E_i为第i次步进时所述场传感器的接收场强值。

步骤15、每步进一次，测量所述接收天线的口面接收功率，最后得到在一个搅拌周期内所述接收天线接收的平均场强值

其中P_i是第i次步进时所述接收天线的接收功率值；λ为电磁波波长(m)。

为了计算第i次步进时所述接收天线的接收功率值P_i，在步骤15中进一步包含以下步骤：

步骤151、每步进一次，利用矢量网络分析仪分别测量混响室输出端口至接收机(平面1处接收机端口)的反射系数Γ_Meter、电缆与混响室输出接头(平面1和平面2之间电缆)的S参数、包括电缆、混响室过壁接头、衰减器以及接收机的输入端口(平面2处输入端口)的反射系数Γ_CAS以及接收天线在自由空间的端口反射系数Γ_ANT。如图3所示。按照公式3、4分别计算出修正系数η₁和η₂；

需要说明的是，当所述混响室内的场强幅度在工作范围内调整时，调整衰减器的衰减量，使接收机接收功率落入接收机工作范围。衰减量变化会导致修正系数η₁和η₂的值发生变化，而且与工作频率有关。作为一个例子，表1列出了连接不同衰减器时的修正系数。

表1连接不同衰减器时失配修正系数

步骤152、每步进一次，根据接收机测量功率P_Meas、线缆损耗IL以及失配修正系数η₁、η₂和η_ant，按照公式5计算出接收天线的口面接收功率P_i。

步骤16、所述接收天线接收的平均场强值与所述场传感器接收的平均场强值相比较，得到所述场传感器的场强修正因子

式中，k为被校准场传感器的场强修正因子。

需要说明的是，本方法不同于微波毫米波标准场法。对于混响室内的场强分布，其在一个搅拌周期内的平均场强和平均接收功率具有一定的统计特性，该统计特性对于单个位置的场强和接收功率并不适用。因此，需要对一个搅拌周期内的平均场强进行定标，校准过程中也是采取在一个搅拌周期内对场传感器的平均值进行校准。然而，微波毫米波标准场法是在全电波暗室中产生一个标准场，然后将待校场传感器置于标准场中完成场传感器的校准。

优选地，本发明所述高强度场传感器校准方法中所述场传感器与所述接收天线的天线口径之间的距离不小于0.075米。

优选地，本发明所述高强度场传感器校准方法中，N≥250。可以理解，在一个搅拌周期内，所述水平搅拌器在0°～360°范围内步进数为M；所述垂直搅拌器在0°～360°范围内步进数为K；有M×K≥250。

作为本发明的最佳实施例，所述工作频率的范围是1GHz～18GHz，工作场强幅度的范围是10V/m～1000V/m。

本发明高场强环境下场传感器校准方法和系统是利用混响室建立一套高场强产生环境，通过对基于混响室的高场强定标完成场传感器的校准。混响室本身是利用谐振腔原理，通过搅拌器的旋转改变混响室内的场强分布，在工作区域内实现统计均匀的场强分布，混响室具有输入合适功率即能产生较高场强的优势。可有效地解决场强范围200V/m以上的场传感器校准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种高强度场传感器校准方法，用于高强度场传感器校准系统，包括发射天线、用于发射天线的信号发生系统、用于测量所述场传感器接收场强值的场强计，还包含混响室、接收天线、信号接收系统；所述混响室包含水平搅拌器和垂直搅拌器，用于产生均匀电磁场；所述混响室的内壁为全金属结构；所述混响室的中部为场均匀区域；所述接收天线位于所述场均匀区域，用于测量所述均匀电磁场；所述信号接收系统用于测量所述接收天线接收的场强值；其特征在于，包括以下步骤：

将被校准的场传感器置于所述混响室的场均匀区域内，并与混响室外的场强计连接；

调整信号发生系统，使发射天线按照待校准工作频率和工作场强幅度向所述混响室内辐射电磁波；

设定所述水平搅拌器和垂直搅拌器在一个搅拌周期内的步进数，计为N；

每步进一次，测量所述场传感器的接收场强值，最后得到在一个搅拌周期内所述场传感器接收的平均场强值其中E_i为第i次步进时所述场传感器的接收场强值；

每步进一次，测量所述接收天线的口面接收功率，最后得到在一个搅拌周期内所述接收天线接收的平均场强值其中P_i是第i次步进时所述接收天线的接收功率值；

所述接收天线接收的平均场强值与所述场传感器接收的平均场强值相比较，得到所述场传感器的场强修正因子

2.如权利要求1所述高强度场传感器校准方法，其特征在于，所述场传感器与所述接收天线的天线口径之间的距离不小于0.075米。

3.如权利要求1所述高强度场传感器校准方法，其特征在于，N≥250。

4.如权利要求1所述高强度场传感器校准方法，其特征在于，在一个搅拌周期内，所述水平搅拌器在0°～360°范围内步进数为M；所述垂直搅拌器在0°～360°范围内步进数为K；M×K≥250。

5.如权利要求1-3任意一项所述高强度场传感器校准方法，其特征在于，

所述工作频率的范围是1GHz-18GHz。

6.如权利要求1-3任意一项所述高强度场传感器校准方法，其特征在于，

所述工作场强幅度的范围是10V/m-1000V/m。