CN109975732B - 一种基于矩形波导凋落模式的电磁场探头空间分辨率校准装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于矩形波导凋落模式的电磁场探头空间分辨率校准装置，包括连接有匹配负载的矩形波导，所述矩形波导具有宽度a、高度b和长度l，其中，a≤0.4c/f_max，b＜a，l＞8λ_c10，c为真空中的光速，f_max为最高校准频率，λ_c10为矩形波导的主模TE₁₀模式的截止波长，所述矩形波导的上宽壁的半宽位置处设置有开缝以形成校准区域，所述开缝的宽度w和所述矩形波导的高度b配置成使得探头能够完全伸入开缝并在其中移动，同时所述开缝的宽度w配置成使得开缝对波导内场结构的扰动在校准精度的允许范围之内。本发明的装置设计灵活、可塑，校准频段宽，同时能获取较大电磁场梯度，便于校准操作，校准精度高。

Description

一种基于矩形波导凋落模式的电磁场探头空间分辨率校准 装置

技术领域

本发明属于电磁计量领域，尤其涉及一种基于矩形波导凋落模式的电磁场探头空间分辨率校准装置。

背景技术

在进行电磁干扰(EMI：Electromagnetic Interference)问题的分析、整改时，经常利用电磁场探头对辐射干扰源进行定位。探头的空间分辨率是评价其定位精度的重要参数。

电磁场探头的空间分辨率被认为是能够区分电磁场分布变化的最小空间移动距离。目前主要有两种校准方法：第一种是在一条微带线的源端输入信号后，在导带正上方的一定高度横向(即与传输方向垂直)平移探头，通过探头和频谱仪测量横向的场强分布，测量结果相差6dB的两点间距就是空间分辨率；第二种是在一条开放的传输线的源端输入信号后，在传输线上方开放的空间中纵向(即沿信号传输方向)平移探头，通过探头和频谱仪测量纵向的场强梯度(即场强沿纵向位置的变化率)，在频谱仪幅度可信的发生变化时，测得探头的移动距离，即是空间分辨率。

探头所测得电磁场发生有效的最小变化，不仅取决于探头本身，还取决于频谱仪等设备的幅度分辨率。因此，探头的空间分辨率实际上是包括探头和频谱仪在内的测量系统的参数。显然，第二种方法更加符合空间分辨率的内涵，且第一种方法也不能够准确解析微带线上方横向电磁场的分布，在没有测量结果的理论解的情况下，导致不同微带线上的校准结果没法实现比对。目前采用第二种方法的校准装置均是基于平面传输线设计，这些平面传输线传输准TEM波，沿传输方向电磁场矢量方向不发生改变，量值可以解析，符合校准装置的要求。但这种传输线也有不足，由于限制了传输模式，传输线的基材必须选择低介电常数的材料，导致其传输电磁场的梯度很小，不利于测试。

发明内容

本发明针对现有以TEM或准TEM类型传输线为基础构成的电磁场探头空间分辨率校准装置电磁场梯度小，不利于测试的缺陷，提出一种基于矩形波导凋落模式的电磁场探头空间分辨率校准装置，该装置利用了矩形波导主模的凋落模式，其中矩形波导的主模是TE₁₀模式，即，电场只存在垂直于传播方向的截面内，且垂直于截面的宽边；磁场存在两个分量。各场分量如下：

E_z＝E_x＝H_y＝0

在矩形波导的截面半宽度位置处，只有H_x和E_y分量，场结构简单，适合用于探头空间分辨率的校准。

根据本发明的一方面，提供了一种基于矩形波导凋落模式的电磁场探头空间分辨率校准装置，包括连接有匹配负载的矩形波导，所述矩形波导具有宽度a、高度b和长度l，其中，a≤0.4c/f_max，b＜a，l＞8λ_c10，c为真空中的光速，f_max为最高校准频率，λ_c10为矩形波导的主模TE₁₀模式的截止波长.

所述矩形波导的上宽壁的半宽位置处设置有开缝以形成校准区域，所述开缝的一端开放，另一端沿平行于矩形波导的长度方向延伸，所述开缝具有宽度w和长度l_o，所述长度l_o＜l，

所述开缝的宽度w和所述矩形波导的高度b配置成使得探头能够完全伸入开缝并在其中移动，同时所述开缝的宽度w配置成使得开缝对波导内场结构的扰动在校准精度的允许范围之内。

特别地，可以沿所述开缝的长度方向上设置有距离刻度。

特别地，开缝前后波导内场分布的变化低于测试误差的允许范围。

特别地，所述矩形波导的凋落模式的场梯度α_dB与矩形波导的宽度a有如下关系：

其中，k_c1为矩形波导主模TE₁₀模式的截止波数，k为校准频率对应的波数，n为矩形波导主模TE₁₀模式的截止频率f_c10与校准频率的比值，n之1.25。

特别地，所述矩形波导采用例如金属铜的良导体制作。

根据本发明的另一方面，提供了一种使用上述装置的校准方法，包括如下步骤：

S1在矩形波导的终端接入匹配负载，根据给定的校准频率对装置进行单频点激励并使其工作于凋落模式；

S2将探头伸入矩形波导的开缝中心，使探头的极化方向与电场或磁场方向一致，然后保持同一水平高度沿着开缝的长度方向移动，随着探头在开缝内移动，通过频谱仪测量场强梯度，在频谱仪幅度可信的发生变化时，读取距离刻度获得探头的移动距离，即，获得校准的空间分辨率。

本发明的有益效果：

1)由于通过改变矩形波导的尺寸，可以调整校准装置的校准频率范围，因此本发明的装置具备较宽的校准带宽，能够满足不同频段内的校准需求。

2)本发明利用矩形波导凋落模式可以获取较大的电磁场梯度，同时本发明解析了本装置的电磁场梯度与矩形波导的宽度a的函数关系，使得在设计好波导宽度之后，在加工之前可以通过上述解析函数计算并预估装置的电磁场梯度(即校准精度)是否满足校准需要，必要时还可以进一步对波导宽度进行调整。

3)本装置内场梯度恒定，可保证电磁场梯度线性衰减，从而保证校准精度高。

4)本装置便于校准操作，即，只要将探头伸入矩形波导的开缝中心，使其极化方向与电场或磁场方向一致，然后保持同一水平高度沿着开缝移动，即可进行校准。

附图说明

图1为本发明的基于矩形波导凋落模式的电磁场探头空间分辨率校准装置的矩形波导的设计流程图。

图2为本发明的校准装置的矩形波导的结构示意图。

图3为基于本发明的校准装置的电磁场探头校准布置的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。图1示出了本发明的基于矩形波导凋落模式的电磁场探头空间分辨率校准装置的矩形波导的设计流程图，包括如下步骤：

第一步，根据校准频段确定矩形波导的尺寸上限。

为获取较大场梯度需要使用波导凋落模式，本发明通过波导的截止频率条件确定设计矩形波导尺寸上限。具体地，矩形波导TE₁₀模式(主模)的截止频率满足f_c10＝c/2a，式中，c为真空中的光速，a为波导宽度。当电磁波频率低于主模截止频率时，波导内所有传输模式均截止，仅存在凋落波，此时电磁场将会迅速衰减。所以本发明利用矩形波导主模的凋落模式获取较大场梯度，但是装置的有效校准频段将受到凋落模式产生条件(主模截止条件)的约束。设最高校准频率为f_max，在实际应用中，需留出一定裕量，推荐波导宽度a满足如下约束条件：

即波导宽度a的上限为0.4c/f_max。

为了便于说明，假设校准频率范围为100k～17GHz，根据矩形波导凋落模式产生条件(主模截止条件)，矩形波导使用频率范围应满足f≤0.8f_c10，即，波导宽度a的上限为0.4c/f_max。因此，在17GHz的最高校准频率下，波导宽度a应不大于0.705cm。

第二步，根据场梯度要求和被测探头尺寸设计波导尺寸。

在矩形波导凋落模式下，电磁波将迅速衰减，一般认为6～8个波长就会衰减至零，推荐矩形波导长度l取8个截止波长λ_c10以上，优选的10个截止波长λ_c1以上。通常电磁场的测量和计算值以对数形式表示，令频率f＝f_c10/n，n为主模截止频率与校准频率的比值，n之1.25，矩形波导凋落模式的场梯度可由下式计算：

基于第一步得到的矩形波导宽度a的上限，根据上述公式进一步设计波导宽度a。同时，电磁场梯度的理论值应比校准需求高一定裕量，以保证校准精度。此外，矩形波导的高度b要配置成使得探头能够完全伸入，即，b＞h，h为探头高度，同时要小于a，例如取a/2。

为了便于校准结果计算，取场梯度α_dB为整数，同时令波导长度l＝10λ_c10，波导高度b＝a/2，式中，λ_c10＝2a为波导主模的截止波长；此外，参考当前市场上不同频段的电磁场探头尺寸，最终设计得到5个实施例的波导宽度a，如表1所示，总体覆盖100k～17GHz的校准频段，并且可满足不同的场梯度要求。

表1. 5个实施例的波导宽度a及其对应的校准频段和理论场梯度

优选地，采用例如金属铜等良导体加工制作矩形波导，构成装置的电磁边界条件。

第三步，结合被测探头尺寸和开缝限制条件，设计开缝尺寸，在矩形波导一个宽面上的半宽度位置处开缝。

矩形波导截面半宽度位置处的场结构简单，适合用于探头空间分辨率校准，但是其封闭的结构并不便于探头直接测量。所以本发明结合被测探头尺寸，通过在该位置处开缝形成测试区域，以便探头伸入、移动并进行校准。特别地，开缝的宽度w要配置成使得探头能够完全伸入开缝并在其中移动(即，开缝的宽度需大于探头的厚度)，同时要使得开缝对波导内场结构的扰动在校准精度的允许范围之内。

根据天线理论，开缝会改变金属的表面电流路径，若开缝不切割表面电流，就不会向外辐射能量。结合矩形波导主模的表面电流分布，设开缝宽度为w，在波导截面半宽度位置处，当w/a的值足够小时，不会切割金属表面的高频电流，此时开缝不会有能量泄漏，也不会破坏波导内的场结构。然而考虑到探头的实际尺寸，w/a的值不能太小。因此，要求开缝前后场分布的变化低于测试误差的允许范围。例如，在w/a≤1/3和相对场梯度误差低于6％的约束条件下，利用三维电磁仿真软件进行数值求解，针对上述5个实施例，设计得到相应的开缝宽度尺寸，如表2所示：

表2. 5个实施例的开缝宽度

上表2中的5个开缝宽度，在满足开缝限制条件的前提下，当波导宽度较大、校准频率较低时，w/a的取值较小，以减小开缝对波导内校准场结构的影响，提高校准精度；当波导宽度较小、校准频率较高时，w/a的取值较大，以保证探头能够伸入并移动。虽然在17.6GHz下的开缝宽度只有0.2cm，但是频率越高探头的尺寸就越小，此时探头仍能够深入开缝并进行测量。

接下来沿着波导开缝标注距离刻度，便于在校准时读取探头的移动距离，如图2所示。

本发明的基于上述实施例对电磁场探头进行校准的方法包括：在校准装置终端接入匹配负载，根据具体的校准频率对装置进行单频点激励并使其工作于凋落模式；将探头伸入开缝中心并使其极化方向与电场或磁场方向一致，然后保持同一水平高度沿着开缝移动(如图3所示)，随着探头在开缝内移动，通过频谱仪能够读出场强梯度，在频谱仪幅度可信的发生变化时，测得探头的移动距离，即是校准的空间分辨率。

对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请创造构思的前提下，还可以对本发明的上述实施例做出若干变型和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于矩形波导凋落模式的电磁场探头空间分辨率校准装置，其特征在于，包括连接有匹配负载的矩形波导，所述矩形波导具有宽度a、高度b和长度l，其中，a≤0.4c/f_max，b<a，l>8λ_c10，c为真空中的光速，f_max为最高校准频率，λ_c10为矩形波导的主模TE₁₀模式的截止波长，

所述矩形波导的上宽壁的半宽位置处设置有开缝以形成校准区域，所述开缝的一端开放，另一端沿平行于矩形波导的长度方向延伸，所述开缝具有宽度w和长度l_o，所述长度l_o<l，

所述开缝的宽度w和所述矩形波导的高度b配置成使得探头能够完全伸入开缝并在其中移动，同时所述开缝的宽度w配置成使得开缝对波导内场结构的扰动在校准精度的允许范围之内，

所述矩形波导的凋落模式的场梯度α_dB与矩形波导的宽度a有如下关系：

其中，k_c10为矩形波导主模TE₁₀模式的截止波数，k为校准频率对应的波数，n为矩形波导主模TE₁₀模式的截止频率f_c10与校准频率的比值，n≥1.25。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，沿所述开缝的长度方向上设置有距离刻度。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，开缝前后矩形波导内的场分布变化低于测试误差的允许范围。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述矩形波导采用良导体制作。

5.一种使用权利要求1-4之一所述的装置的校准方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1在矩形波导的终端接入匹配负载，根据给定的校准频率对装置进行单频点激励并使其工作于凋落模式；

S2将探头伸入矩形波导的开缝中心，使探头的极化方向与电场或磁场方向一致，然后保持同一水平高度沿着开缝的长度方向移动，随着探头在开缝内移动，通过频谱仪测量场强梯度，在频谱仪幅度可信的发生变化时，读取距离刻度获得探头的移动距离，即，获得校准的空间分辨率。

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