CN108020802B - 一种电场探头校准方法和装置 - Google Patents

一种电场探头校准方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电场探头校准方法和装置，解决现有方法和装置校准频率范围小、校准稳定性差、时间长、无法大批量校准的问题。所述方法，包括：在同心锥TEM室馈电处注入输入信号，产生校准电场；根据被校准场探头频率范围确定校准点；根据校准点频率，在校准电场的场均匀区域内放入标准场探头，得到标准场强；在相同位置放入被校准场探头，记录场强指示值；计算所述校准点的频率响应偏差和频率响应修正因子。所述装置包含：同心锥TEM室、信号源、功率计、定向耦合器、被校场探头，信号源产生校准点频率值的输入信号；定向耦合器接收输入信号并传给同心锥TEM室；同心锥TEM室产生校准电场。本发明实现了电场探头的大频率范围、快速校准问题。

Description

一种电场探头校准方法和装置
技术领域
本发明涉及微波测试领域，尤其涉及一种电场探头校准方法和装置。
背景技术
目前的电场探头校准技术根据被校场探头的频段分为TEM室标准场法、GTEM室标准场法、微波暗室标准场法，TEM室标准场法的校准频段为10kHz～200MHz，GTEM室标准场法的校准频段为200MHz～1GHz，微波暗室标准场法的校准频段为1GHz～40GHz，对于工作频率10kHz～40GHz宽带电场探头，需要分别采用以上3种标准场法才能完成探头校准，测试效率低。另外，微波暗室标准场法对频段1GHz～40GHz的场探头进行校准时，需要在微波暗室中采用十个不同的角锥喇叭天线生成覆盖全频段的标准场强，使用时还需对天线的位置进行对准，测试的稳定性和重复性差，可操作性差，无法满足对宽带场探头的大批量校准需求。
发明内容
本发明提供一种电场探头校准方法和装置，解决现有电场探头校准方法和装置校准频率范围小、校准稳定性差、校准时间长、无法大批量校准的问题。
一种电场探头校准方法，包括以下步骤：在同心锥TEM室的馈电处注入输入信号，产生校准电场；根据被校准场探头或校准电场传感器的频率范围确定校准点；根据所述校准点的频率，在校准电场的场均匀区域内放入标准场探头，调节所述校准电场的输入信号电平，通过功率计得到所述标准探头的前向输入功率、反向输入功率，并采用TEM室标准场法计算得到标准场强，所述标准场强在所述被校准场探头的正常工作范围内；将所述标准场探头取出，在相同位置放入所述被校准场探头，记录所述被校准场探头的场强指示值；根据所述标准场强、所述被校准场探头的场强指示值，计算得到所述被校准场探头的在所述校准点的频率响应偏差和频率响应修正因子分别为：
Figure GDA0002496351880000021
Figure GDA0002496351880000022
其中，δF为所述被校准场探头的频率响应偏差，AF为所述被校准场探头的频率响应修正因子，Es为所述被校准场探头的场强指示值，E为所述标准场强。
优选地，所述同心锥TEM室产生的所述校准电场的频率范围为200MHz～40GHz。
优选地，所述根据被校准场探头或校准电场传感器的频率范围确定校准点的步骤，进一步包含：将所述被校准场探头或校准电场传感器的频率范围的最低频率和最高频率为确定为最小校准点、最大校准点；在所述最低频率和所述最高频率之间，每十倍频程范围至少选择三个频率值作为校准点。
进一步地，在所述根据被校准场探头或校准电场传感器的频率范围确定校准点的步骤之后，所述方法还包括：对所述功率计进行自校准；分别对标准场探头、被校场探头进行预热。
进一步地，所述方法还包括：根据所述校准点的频率值，在频率范围10kHz～200MHz之间，采用TEM小室法对所述被校场探头进行校准。
优选地，所述标准场强的大小为20V/m。
一种电场探头校准装置，用于对电场探头进行校准，包含：同心锥TEM室、信号源、功率计、定向耦合器、被校场探头；所述信号源用于产生校准点频率值的输入信号；所述定向耦合器用于接收所述输入信号并传递给所述同心锥TEM室；所述同心锥TEM室用于根据所述输入信号电平，产生校准电场；所述被校场探头位于所述校准电场的场均匀区域内；所述功率计用于测量所述定向耦合器输出的前向功率、反向功率。
优选地，所述装置还包含放大器，所述放大器用于将所述信号源输出的信号放大后输出给所述定向耦合器。
优选地，所述装置还包含场强指示器，用于测量所述被校场探头的场强指示值。
本发明有益效果包括：本发明使用的电场探头校准方法校准频带宽，能够覆盖从200M～40G的频率宽度，解决了现有电场探头校准方法覆盖频率范围小的问题，且校准稳定性高、校准用时少、有效提高了计量效率，降低了成本，可大批量校准，具有很强的工程应用性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为一种电场探头校准方法流程实施例；
图2为一种包含校准点选择的电场探头校准方法流程实施例；
图3为一种包含仪器预热的电场探头校准方法流程实施例；
图4为一种电场探头校准装置实施例；
图5为一种包含放大器的电场探头校准装置实施例。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
微波暗室标准场法在微波暗室中采用角锥喇叭天线生成标准场强，可以工作在1GHz～40GHz频段，该方法需要使用十个不同的天线才能够覆盖全频段。在实际使用过程中，首先需要对使用的天线进行精确校准，然后用天线产生标准场强进行场强探头校准。在天线校准的过程中，需要频繁的更换天线并调节天线位置进行对准，采用基于广义三天线法的外推技术对所有天线校准一次需要约20个工作日，考虑到稳定性和重复性的考核，该装置每年校准天线需要约4～5个月时间。在场强探头校准过程中，全频段校准需要频繁的更换天线及探头位置，探头校准一次的时间约为2个工作日，一年能够校准探头的数量约为80～100台(套)左右，远不能满足场强探头的实际使用需要。由于标准场法效率低、成本高，实际工作中通常只能选择几个典型频点对场强探头进行校准，国家计量院在1GHz～18GHz频段选择了5个频点，国防第二计量测试研究中心在1GHz～40GHz频段选择了8个频点，场强探头点频的校准现状无法满足实际使用中宽带扫频的场强校准需求。
以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。
图1为一种电场探头校准方法流程实施例，具体包括以下步骤：
步骤101，在同心锥TEM室的馈电处注入输入信号，产生校准电场。
在步骤101中，所述同心锥TEM室产生的所述校准电场的频率范围为200MHz～40GHz。
步骤102，根据被校准场探头或校准电场传感器的频率范围确定校准点。
在步骤102中，需要说明的是，所述校准点在所述被校准场探头或校准电场传感器的使用频率范围内，所述被校准场探头或校准电场传感器的频率最大值和最小值为必须校准的校准点，其他校准点不做具体限定。
需要说明的是，根据所述校准点的频率值，在频率范围10kHz～200MHz之间，采用TEM小室法对所述被校场探头进行校准。
步骤103，根据所述校准点的频率，在校准电场的场均匀区域内放入标准场探头，调节所述校准电场的输入信号电平，通过功率计得到所述标准探头的前向输入功率、反向输入功率，并采用TEM室标准场法计算得到标准场强，所述标准场强在所述被校准场探头的正常工作范围内。
在步骤103中，所述采用TEM室标准场法计算得到标准场强为：
Figure GDA0002496351880000051
其中，E为所述标准场强，Cf为所述前向输入功率耦合因子，Cr为所述反向输入功率耦合因子，P1为所述前向输入功率，P2为所述反向输入功率，Rc为所述同心锥TEM的特性阻抗，d1为所述标准场探头处所述同心锥TEM底板的高度。
需要说明的是，所述标准场强在所述被校准场探头的正常工作范围内，所述标准场强的大小可以为20V/m，也可以为所述被校准场探头正常工作范围内其他值，这里不做特别限定。
步骤104，将所述标准场探头取出，在相同位置放入所述被校准场探头，记录所述被校准场探头的场强指示值。
在步骤104中，所述被校准场探头的场强指示值可以通过所述被校准场探头得到，也可以通过所述被校准场传感器得到。
步骤105，根据所述标准场强、所述被校准场探头的场强指示值，计算得到所述被校准场探头的在所述校准点的频率响应偏差和频率响应修正因子分别为：
Figure GDA0002496351880000052
Figure GDA0002496351880000053
其中，δF为所述被校准场探头的频率响应偏差，AF为所述被校准场探头的频率响应修正因子，Es为所述被校准场探头的场强指示值，E为所述标准场强。
在步骤105中，所述被校准场探头的频率响应偏差的单位为dB，所述被校准场探头的频率响应修正因子的单位无量纲。
本实施例采用同心锥TEM室产生标准场，此校准方法可以提高计量效率降低成本，而且还能实现电场探头全工作频段内扫频校准，有效提高了计量效率，降低了成本，可大批量校准，具有很强的工程应用性。
图2为一种包含校准点选择的电场探头校准方法流程实施例。本发明提供的电场探头校准方法包含校准点的选择，具体包括以下步骤：
步骤101，在同心锥TEM室的馈电处注入输入信号，产生校准电场。
在步骤101中，所述同心锥TEM室产生的所述校准电场的频率范围为200MHz～40GHz。
步骤106，将所述被校准场探头或校准电场传感器的频率范围的最低频率和最高频率为确定为最小校准点、最大校准点。
步骤107，在所述最低频率和所述最高频率之间，每十倍频程范围至少选择三个频率值作为校准点。
在步骤107中，所述每十倍频程范围至少选择三个频率值作为校准点的方法为在频率范围200M～2000M之间至少选择三个频率值作为校准点，在频率范围2000M～2G之间至少选择三个频率值作为校准点，在频率范围2G～20G之间至少选择三个频率值作为校准点。
需要说明的是，所述校准点的具体频率可以是十倍频程范围内的任意点，这里不做具体限定。
步骤103，根据所述校准点的频率，在校准电场的场均匀区域内放入标准场探头，调节所述校准电场的输入信号电平，通过功率计得到所述标准探头的前向输入功率、反向输入功率，并采用TEM室标准场法计算得到标准场强，所述标准场强在所述被校准场探头的正常工作范围内。
步骤104，将所述标准场探头取出，在相同位置放入所述被校准场探头，记录所述被校准场探头的场强指示值。
步骤105，根据所述标准场强、所述被校准场探头的场强指示值，计算得到所述被校准场探头的在所述校准点的频率响应偏差和频率响应修正因子。
本发明实施例提供了一种校准点确定方法，该方法确定的校准点可以有代表性的覆盖200M～40G频率范围，提高被校准场探头的大频率范围校准的效率。
图3为一种包含仪器预热的电场探头校准方法流程实施例，本发明实施例提供了对校准仪器的预热，具体包括以下步骤：
步骤101，在同心锥TEM室的馈电处注入输入信号，产生校准电场。
步骤102，根据被校准场探头或校准电场传感器的频率范围确定校准点。
步骤108，对功率计进行自校准。
步骤109，对所述标准场探头、被校场探头进行预热。
在步骤109中，对所述标准场探头、被校场探头进行预热的目的是使所述信号源的频率和幅度达到稳定。
步骤103，根据所述校准点的频率，在校准电场的场均匀区域内放入标准场探头，调节所述校准电场的输入信号电平，通过功率计得到所述标准探头的前向输入功率、反向输入功率，并采用TEM室标准场法计算得到标准场强，所述标准场强在所述被校准场探头的正常工作范围内。
步骤104，将所述标准场探头取出，在相同位置放入所述被校准场探头，记录所述被校准场探头的场强指示值。
步骤105，根据所述标准场强、所述被校准场探头的场强指示值，计算得到所述被校准场探头的在所述校准点的频率响应偏差和频率响应修正因子。
图4为一种电场探头校准装置实施例，本发明实施例提供的电场探头校准装置，用于对电场探头进行校准，包含：同心锥TEM室1、信号源2、功率计3、定向耦合器4、被校场探头5。
所述信号源用于产生校准点频率值的输入信号；所述定向耦合器用于接收所述输入信号并传递给所述同心锥TEM室；所述同心锥TEM室用于根据所述输入信号电平，产生校准电场；所述被校场探头位于所述校准电场的场均匀区域内；所述功率计用于测量所述定向耦合器输出的前向功率、反向功率。
图5为一种包含放大器的电场探头校准装置实施例，本发明实施例提供的电场探头校准装置，用于对电场探头进行校准，包含：同心锥TEM室1、信号源2、功率计3、定向耦合器4、被校场探头5、放大器6、场强指示器7。
所述信号源用于产生校准点频率值的输入信号；所述定向耦合器用于接收所述输入信号并传递给所述同心锥TEM室；所述同心锥TEM室用于根据所述输入信号电平，产生校准电场；所述被校场探头位于所述校准电场的场均匀区域内；所述功率计用于测量所述定向耦合器输出的前向功率、反向功率；所述放大器用于将所述信号源输出的信号放大后输出给所述定向耦合器；所述场强指示器用于测量所述被校场探头的场强指示值。
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。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种电场探头校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
在同心锥TEM室的馈电处注入输入信号，产生校准电场；
根据被校准场探头或校准电场传感器的频率范围确定校准点；
根据所述校准点的频率，在校准电场的场均匀区域内放入标准场探头，调节所述校准电场的输入信号电平，通过功率计得到所述标准场探头的前向输入功率、反向输入功率，并采用TEM室标准场法计算得到标准场强，所述标准场强在所述被校准场探头的正常工作范围内；
所述采用TEM室标准场法计算得到标准场强为：
Figure 529156DEST_PATH_IMAGE002
，其中，E为所述标准场强，Cf为前向输入功率耦合因子，Cr为反向输入功率耦合因子，P1为所述前向输入功率，P2为所述反向输入功率，Rc为所述同心锥TEM室的特性阻抗，d1为所述标准场探头处所述同心锥TEM室底板的高度；
将所述标准场探头取出，在相同位置放入所述被校准场探头，记录所述被校准场探头的场强指示值；
根据所述标准场强、所述被校准场探头的场强指示值，计算得到所述被校准场探头的在所述校准点的频率响应偏差和频率响应修正因子分别为：
Figure 180717DEST_PATH_IMAGE004
Figure 429296DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 558926DEST_PATH_IMAGE008
为所述被校准场探头的频率响应偏差，AF为所述被校准场探头的频率响应修正因子，Es为所述被校准场探头的场强指示值，E为所述标准场强。
2.如权利要求1所述的电场探头校准方法，其特征在于，所述同心锥TEM室产生的所述校准电场的频率范围为200MHz~40GHz。
3.如权利要求1所述的电场探头校准方法，其特征在于，所述根据被校准场探头或校准电场传感器的频率范围确定校准点的步骤，进一步包含：
将所述被校准场探头或校准电场传感器的频率范围的最低频率和最高频率确定为最小校准点、最大校准点；
在所述最低频率和所述最高频率之间，每十倍频程范围至少选择三个频率值作为校准点。
4.如权利要求1所述的电场探头校准方法，其特征在于，在所述根据被校准场探头或校准电场传感器的频率范围确定校准点的步骤之后，所述方法还包括：
对所述功率计进行自校准；
分别对标准场探头、被校准场探头进行预热。
5.如权利要求1所述的电场探头校准方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述校准点的频率值，在频率范围10kHz~200MHz之间，采用TEM小室法对所述被校准场探头进行校准。
6.如权利要求1所述的电场探头校准方法，其特征在于，所述标准场强的大小为20V/m。
7.一种电场探头校准装置，用于权利要求1~6任意一项所述方法，其特征在于，包含：同心锥TEM室、信号源、功率计、定向耦合器、被校准场探头；
所述信号源用于产生校准点频率值的输入信号；
所述定向耦合器用于接收所述输入信号并传递给所述同心锥TEM室；
所述同心锥TEM室用于根据所述输入信号电平，产生校准电场；
所述被校准场探头位于所述校准电场的场均匀区域内；
所述功率计用于测量所述定向耦合器输出的前向功率、反向功率。
8.如权利要求7所述的电场探头校准装置，其特征在于，所述装置还包含放大器，所述放大器用于将所述信号源输出的信号放大后输出给所述定向耦合器。
9.如权利要求7所述的电场探头校准装置，其特征在于，所述装置还包含场强指示器，用于测量所述被校准场探头的场强指示值。
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