CN108152772B - 一种基于微波暗室的高幅度场强传感器校准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微波暗室的高幅度场强传感器校准方法。与现有的标准场法场强标准装置相比，本发明使用了1000W放大器，并提出了采用该放大器和耐受功率超过1000W的微波器件实现1000V/m或更高场强的产生方法，采用空间衰减的方法避开了微波器件无法在大功率条件下溯源的问题，解决了标准场法和标准天线法目前不能对200V/m以上幅度场强进行溯源的问题，从而可解决目前能够购买到的场强传感器场强幅度测量范围通常超过200V/m，而现有的场强标准装置只能满足200V/m以下场强传感器校准的问题。实现了1GHz以上频段、高于200V/m场强的电磁场传感器校准需求；从而实现了现有场强标准装置不能完成的高幅度场强传感器校准工作。

Description

一种基于微波暗室的高幅度场强传感器校准方法
技术领域
本发明涉及无线电技术领域，具体涉及一种基于微波暗室的高幅度场强传感器校准方法。
背景技术
场强是无线电的基本参数之一，电磁场传感器是测量场强的常用设备。标准场强环境的研建及电磁场传感器的校准一直是国内外计量机构的一个发展方向。随着电子设备所面临的电磁场幅度越来越高，高场强环境下电磁场传感器的校准成为高场强环境测量所必需解决的问题。
传统的电磁场传感器校准国际上依据的主要标准是国际电气电子工程师协会(IEEE)电磁兼容分会颁布的IEEE Std 1309-2005《IEEE Standard for calibration ofelectromagnetic field sensors and probes,excluding antennas,from 9kHz to40GHz》。该标准在不同频段对不同场强类型和作用域描述了九种场强产生方法，为电磁场传感器的校准提供了标准场强环境。1GHz-40GHz频段电磁场传感器的校准通常采用标准场(微波暗室)法，如图1所示。
该方法将微波信号通过角锥喇叭天线在微波暗室中生成标准电磁场强环境，实现电磁场强传感器的校准。在实际使用中，依据该方法可以实现200V/m的场强校准环境，目前国内已建立频段覆盖1GHz～40GHz，场强幅度覆盖1V/m～200V/m的场强标准装置。然而，目前能够购买到的场强传感器场强幅度测量范围通常超过200V/m，现有的场强标准装置无法满足200V/m以上场强环境下的校准需求。
产生200V/m以上的场强环境，首先需要大功率的放大器，其次，定向耦合器、衰减器、天线、线缆等配套微波设备也需要能够承受大功率的注入。最后，还需要对高幅度的场强环境进行标定。国内现有的场强标准装置还无法满足这些要求。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于微波暗室的高幅度场强传感器校准方法。该方法对现有基于标准场(微波暗室)法的场强标准装置进行了改进，使用了连续波1000W的功率放大器，并对高功率传输链路中使用的微波设备进行了合理的改进，实现了1GHz以上频段、高于200V/m场强的电磁场传感器校准需求；从而实现了现有场强标准装置不能完成的高幅度场强传感器校准工作。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于微波暗室的高幅度场强传感器校准方法，包括以下步骤：
S1、搭建基于微波暗室的电磁场传感器校准系统；
所述校准系统包括：用于产生电磁场信号的仪器设备，信号发生器、功率放大器、定向耦合器、衰减器、第一功率计/功率敏感器和标准增益天线；
用于接收电磁场信号的仪器设备，接收天线和第二功率计/功率敏感器；
以及产生标准场强环境的微波暗室；
S2、设定信号发生器输出频率点为固定值，设定信号发生器的初始输出电平，通过第一功率计/功率敏感器读出并得到前向功率Pin和反向功率Pr，利用公式(2)计算距离天线口面d处的场强；
Figure BDA0001526009020000021
式中：E1－距离天线口面d处的场强，V/m；
η－自由空间波阻抗，377Ω；
Pin－前向功率，W；
Pr－反向功率，W；
Cf－定向耦合器的前向耦合系数，无量纲；
Cr－定向耦合器的反向耦合系数，无量纲；
G－标准增益天线增益，无量纲；
d－距天线口面处的距离，m；
L－电缆损耗，无量纲；
S3、计算接收天线处的场强，并与S2中计算的场强进行比较，两者差值作为修正系数修正标准场法计算的场强结果，并将修正后的场强作为标准场强；
S4、由小到大调节信号发生器的输出电平，至下一个场强幅度，并按照步骤S3对场强结果进行修正，得到该输出电平下的标准场强，分别记录输出电平和标准场强，得到一组电平-标准场强数据，直至最高标准场强达到1000V/m；
S5、将接收天线、第二功率计/功率敏感器分别更换为待校准电磁场传感器和场强计，记录电磁场传感器或场探头的指示值，并与在S4中得到的一组电平-标准场强数据中找到对应的标准场强，与之进行比较，计算待校准电磁场传感器的线性响应偏差和线性响应修正因子。
优选地，所述功率放大器的功率大于等于1000W。
优选地，所述定向耦合器、标准增益天线的输入输出端口采用波导或7/16接头。
优选地，所标准增益天线与接收天线之间的距离在7米以上。
具体的，S3中使用公式(3)计算接收天线处的场强，
EdB＝PdB+AF+IL-13…………………………………(3)
式中：
EdB－接收天线处的场强，dBV/m；
PdB－接收天线处的功率，dBm；
AF－接收天线的天线系数，1/m；
IL－线缆损耗，dB。
具体的，S5中由公式(4)计算待校准电磁场传感器的线性响应偏差，由公式(5)计算待校准电磁场传感器的线性响应修正因子；
Figure BDA0001526009020000031
式中：
δL－待校准的电磁场传感器与标准场强的偏差，dB；
E－标准场强，V/m；
Es－待校准电磁场传感器的场强指示值，V/m；
Figure BDA0001526009020000032
式中：
AL－线性响应修正因子，无量纲；
E－标准场强，V/m；
Es－待校准电磁场传感器场强指示值，V/m。
优选地，S3中标准场法计算场强具体根据公式(1)计算：
Figure BDA0001526009020000033
式中：
E1—自由空间的电场强度，V/m；
P—发射天线的馈入净功率，W；
G—发射天线的增益，无量纲；
d—发射天线口面到接收点的距离，m；
η0—自由空间波阻抗，120π，Ω。
本发明的有益效果
本发明的基于微波暗室的高幅度场强传感器校准的方法，与现有的标准场法场强标准装置相比，提出了1000W放大器的设计方案，并提出了采用该放大器和耐受功率超过1000W的微波器件实现1000V/m或更高场强的产生方法，采用空间衰减的方法避开了微波器件无法在大功率条件下溯源的问题，解决了标准场法和标准天线法目前不能对200V/m以上幅度场强进行溯源的问题，从而可解决目前能够购买到的场强传感器场强幅度测量范围通常超过200V/m，而现有的场强标准装置只能满足200V/m以下场强传感器校准的问题。
附图说明
图1为1GHz-40GHz场强标准装置系统结构示意图；
图2为本发明标准场法电磁场传感器校准框图；
图3为功率放大器原理框图；
图4为本发明标准天线法场强验证原理图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据以上发明的内容做出一些非本质的改进和调整。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明提供一种基于微波暗室的高幅度场强传感器校准方法，包括以下步骤：
S1、搭建基于微波暗室的电磁场传感器校准系统；如图4所示，所述校准系统包括：用于产生电磁场信号的仪器设备，信号发生器、功率放大器、定向耦合器、衰减器、第一功率计/功率敏感器和标准增益天线；用于接收电磁场信号的仪器设备，接收天线和第二功率计/功率敏感器；以及产生标准场强环境的微波暗室；其中标准增益天线作为发射天线。
本优选实施例中，该系统使用了2GHz～6GHz频段1000W功率放大器，可扩展至1GHz～40GHz或更宽，场强幅度覆盖1V/m～1000V/m或更高。
如图2所示，电磁场传感器校准区域的场强可由如下公式(1)计算得到。
Figure BDA0001526009020000041
式中：
E2—自由空间的电场强度，V/m；
P—发射天线的馈入净功率，W；
G—发射天线的增益，无量纲；
d—发射天线口面到接收点的距离，m；
η0—自由空间波阻抗，120π，Ω。
要实现1000V/m场强，如果使用天线的增益16dBi,校准位置距离天线1米，则需要的输入功率可由公式(1)计算得到约850瓦，为此可选定1000W功率放大器或更高。功率放大器的原理框图如图3所示。为了耐受1000W功率，定向耦合器、天线等微波器件输入输出端口采用波导或7/16接头。
由于大功率放大器的使用，微波器件已无法满足大功率溯源的要求，因此采用公式(1)计算的场强结果还需要有另外的方法验证，可采用标准天线法。与标准场法通过发射端功率计算得到标准场强不同，标准天线法采用已知天线系数的接收天线由公式(3)计算得到校准位置的场强，具体如S3。
在使用公式(3)时，如果电场强度为1000V/m，标准增益天线的天线系数为37dB/m,则距离发射天线1米处的接收功率为36dBm，超过了功率探头20dBm的量程范围，需要使用衰减器，而衰减器的校准通常在1W以下，因此校准数据无法使用。为了解决该问题，可采用空间衰减的方法，即由公式(1)，接收天线远离发射天线时，场强降低，接收天线的接收功率也降低。当输入功率1000W，发射天线增益16dBi，接收天线的天线系数37dB/m时，要使接收天线的接收功率降到20dBm，由公式(1)和(3)，需要收发天线间距离在7米以上，这样就可以避免在接收端使用衰减器，也就避免了无法溯源的问题。
S2、设定信号发生器输出频率点为固定值，设定信号发生器的初始输出电平，通过第一功率计/功率敏感器读出并得到前向功率Pin和反向功率Pr，利用公式(2)计算距离天线口面d处的场强；
Figure BDA0001526009020000051
式中：E1－距离天线口面d处的场强，V/m；
η－自由空间波阻抗，377Ω；
Pin－前向功率，W；
Pr－反向功率，W；
Cf－定向耦合器的前向耦合系数，无量纲；
Cr－定向耦合器的反向耦合系数，无量纲；
G－标准增益天线增益，无量纲；
d－距天线口面处的距离，m；
L－电缆损耗，无量纲；
S3、使用公式(3)计算接收天线处的场强，并与S2中计算的标准场强进行比较，两者差值作为修正系数修正标准场法计算的场强结果，并将修正后的场强作为标准场强；
EdB＝PdB+AF+IL-13…………………………………(3)
式中：
EdB－接收天线处的场强，dBV/m；
PdB－接收天线处的功率，dBm；
AF－接收天线的天线系数，1/m；
IL－线缆损耗，dB。
S4、由小到大调节信号发生器的输出电平，至下一个场强幅度，并按照步骤S3对场强结果进行修正，得到该输出电平下的标准场强，分别记录输出电平和标准场强，得到一组电平-标准场强数据，直至最高标准场强达到1000V/m；
S5、将接收天线、第二功率计/功率敏感器分别更换为待校准电磁场传感器和场强计，得到如图2所示的系统，记录电磁场传感器或场探头的指示值，并在S4中记录得到的一组电平-标准场强数据中找到对应的标准场强，与之进行比较，由公式(4)计算待校准电磁场传感器的线性响应偏差，由公式(5)计算待校准电磁场传感器的线性响应修正因子；
Figure BDA0001526009020000061
式中：
δL－待校准的电磁场传感器与标准场强的偏差，dB；
E－标准场强，V/m；
Es－待校准电磁场传感器的场强指示值，V/m；
Figure BDA0001526009020000062
式中：
AL－线性响应修正因子，无量纲；
E－标准场强，V/m；
Es－待校准电磁场传感器场强指示值，V/m。
本发明提出了1000W放大器的设计方案，并提出了采用该放大器和耐受功率超过1000W的微波器件实现1000V/m或更高场强的产生方法，采用空间衰减的方法避开了微波器件无法在大功率条件下溯源的问题，从而实现了场强传感器场强幅度测量范围超过200V/m时的校准工作。
显然，所描述的实施例仅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，都属于本发明保护范围。

Claims (7)

1.一种基于微波暗室的高幅度场强传感器校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、搭建基于微波暗室的电磁场传感器校准系统；
所述校准系统包括：用于产生电磁场信号的仪器设备，所述用于产生电磁场信号的仪器设备包括：信号发生器、功率放大器、定向耦合器、衰减器、第一功率计/功率敏感器和标准增益天线；
用于接收电磁场信号的仪器设备： 接收天线和第二功率计/功率敏感器；
以及产生标准场强环境的微波暗室；
S2、设定信号发生器输出频率点为固定值，设定信号发生器的初始输出电平，通过第一功率计/功率敏感器读出并得到前向功率Pin和反向功率Pr，利用公式(2)计算距离天线口面d处的场强；
Figure FDA0002524242390000011
式中：E1－距离天线口面d处的场强，V/m；
η－自由空间波阻抗，377Ω；
Pin－前向功率，W；
Pr－反向功率，W；
Cf－定向耦合器的前向耦合系数，无量纲；
Cr－定向耦合器的反向耦合系数，无量纲；
G－标准增益天线增益，无量纲；
d－距天线口面处的距离，m；
L－电缆损耗，无量纲；
S3、计算接收天线处的场强，并与S2中计算的场强进行比较，两者差值作为修正系数修正标准场法计算的场强结果，并将修正后的场强作为标准场强；
S4、由小到大调节信号发生器的输出电平，至下一个场强幅度，并按照步骤S3对场强结果进行修正，得到该输出电平下的标准场强，分别记录输出电平和标准场强，得到一组电平-标准场强数据，直至最高标准场强达到1000V/m；
S5、将接收天线、第二功率计/功率敏感器分别更换为待校准电磁场传感器和场强计，记录待校准电磁场传感器场强指示值，并在S4中得到的电平-标准场强数据中找到对应的标准场强，与所述场强指示值进行比较，计算待校准电磁场传感器的线性响应偏差和线性响应修正因子。
2.根据权利要求1所述的基于微波暗室的高幅度场强传感器校准方法，其特征在于，所述功率放大器的功率大于等于1000W。
3.根据权利要求1所述的基于微波暗室的高幅度场强传感器校准方法，其特征在于，所述定向耦合器、标准增益天线的输入输出端口采用波导或7/16接头。
4.根据权利要求1所述的基于微波暗室的高幅度场强传感器校准方法，其特征在于，所述标准增益天线与接收天线之间的距离在7米以上。
5.根据权利要求1所述的基于微波暗室的高幅度场强传感器校准方法，其特征在于，S3中使用公式(3)计算接收天线处的场强，
EdB＝PdB+AF+IL-13…………………………………(3)
式中：
EdB－接收天线处的场强，dBV/m；
PdB－接收天线处的功率，dBm；
AF－接收天线的天线系数，1/m；
IL－线缆损耗，dB。
6.根据权利要求1所述的基于微波暗室的高幅度场强传感器校准方法，其特征在于，S5中由公式(4)计算待校准电磁场传感器的线性响应偏差，由公式(5)计算待校准电磁场传感器的线性响应修正因子；
Figure FDA0002524242390000021
式中：
δL－待校准的电磁场传感器与标准场强的偏差，dB；
E－标准场强，V/m；
Es－待校准电磁场传感器的场强指示值，V/m；
Figure FDA0002524242390000022
式中：
AL－线性响应修正因子，无量纲；
E－标准场强，V/m；
Es－待校准电磁场传感器场强指示值，V/m。
7.根据权利要求1所述的基于微波暗室的高幅度场强传感器校准方法，其特征在于，S3中标准场法计算场强具体根据公式(1)计算：
Figure FDA0002524242390000031
式中：
E2—自由空间的电场强度，V/m；
P—发射天线的馈入净功率，W；
G—标准增益天线增益，无量纲；
d—距天线口面处的距离，m；
η0—自由空间波阻抗，120π，Ω。
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Title
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