CN110542875A - 一种光纤型电磁场探针幅相校准的装置及方法 - Google Patents

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杨露
朱艳萍
张思敏
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陶成忠
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Abstract

本发明涉及一种光纤型电磁场探针幅相校准的装置，包括：矢量网络分析仪，用于测量校准装置中幅度和相位值；功率放大器，用于进行微波功率放大；可调衰减/移相器，用于改变校准装置中的幅度和相位值；双定向耦合器，用于耦合GTEM小室的输入功率和GTEM小室的反射功率；第一功率计；第二功率计；GTEM小室，用于形成稳定均匀的电磁场；探针，用于感应所在位置的电磁场幅度和相位变化；解调装置，用于将光载波中携带的电磁波信息分离出，获得电磁波信号的幅度和相位信息。本发明还公开了一种光纤型电磁场探针幅相校准的方法。本发明结构封闭、传输损耗低、不易受外界干扰；幅度校准范围大；更易搭建实现，适合光纤型电磁场探针的现场快速校准。

Description

一种光纤型电磁场探针幅相校准的装置及方法
技术领域
本发明涉及无线电磁场现场在线计量技术领域，尤其是光纤型电磁场探针幅相校准的装置及方法。
背景技术
电磁场测量在众多科学技术领域都是一个重要的关键部分，过程控制、医学设备的电场监测、弹道控制、电磁兼容测量、微波集成电路测试、强电场测量等都是电磁场传感器的应用领域。光纤型电磁场探针作为研究电磁场近场分布的有效手段，具有抗电磁场干扰、大测量带宽、小体积、易远程测量等显著优势，其通过探头所在位置的电磁场对光纤中所传输激光的偏振态进行调制，利用光链路中的偏振相关解调器件将偏振变化转换为光强变化，最终再通过光电探测器将光强信号转换为电信号，是一种间接的电场振幅测试方法。
目前用于电磁场测量的方法和装置，可实现对被测电磁场幅相信息的测量，但为保证电磁测量的结果准确可靠，对探针进行溯源校准是必不可少的重要环节。现有校准技术一般是利用微波暗室产生标准场对光学探针进行校准，但是由于微波暗室均在室内，且资源紧张、测试成本高，很难满足电磁场探针工作现场搭建的要求，且微波暗室所能获得电场范围有限。因此提出一种更易实现、测量范围更大的光纤型电磁场探针校准方法和装置十分必要。
发明内容
本发明的首要目的在于提供一种传输损耗低，性能稳定，且在较好的匹配条件下，可以极大消除驻波影响，更易现场搭建等优势，通过GTEM小室、可调衰减器与移相器和矢量网络分析获得可测、可控的校准场，实现对光纤型电磁场探针的幅度和相位的校准的光纤型电磁场探针幅相校准的装置。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种光纤型电磁场探针幅相校准的装置，该装置包括：
矢量网络分析仪，用于为校准装置提供微波激励信号，并测量校准装置中幅度和相位值；
功率放大器，用于进行微波功率放大；
可调衰减/移相器，用于改变校准装置中的幅度和相位值；
双定向耦合器，用于耦合GTEM小室的输入功率和GTEM小室的反射功率，实时监视GTEM小室内准确功率；
第一功率计，用于测量GTEM小室的输入功率；
第二功率计，用于测量GTEM小室的反射功率；
GTEM小室，用于形成稳定均匀的电磁场；
探针，放置在GTEM小室测试区域的中心位置，用于感应所在位置的电磁场幅度和相位变化，调整光纤中所传输激光的偏振态；
解调装置，用于将光载波中携带的电磁波信息分离出，获得电磁波信号的幅度和相位信息。
所述矢量网络分析仪的输出端与功率放大器的输入端相连，功率放大器的输出端与可调衰减/移相器的输入端相连，可调衰减/移相器的输出端与双定向耦合器的输入端相连，双定向耦合器的输出端与GTEM小室的输入端相连，GTEM小室的输出端与矢量网络分析仪的输入端相连，第一功率计与双定向耦合器的前向耦合端相连,第二功率计与双定向耦合器的反向耦合端相连,所述探针的输出端与解调装置的输入端相连。
所述矢量网络分析仪的输出端提供一个微波射频信号，通过功率放大器放大，经过可调衰减/移相器和双定向耦合器后进入GTEM小室形成稳定均匀分布的电磁场，通过改变可调衰减/移相器的量值实现对GTEM小室电磁场的强度和相位改变；将GTEM小室的输出信号接入矢量网络分析仪的输入端，矢量网络分析仪测量的幅度和相位值作为标称值；探针放在GTEM小室的电场均匀分布区域进行探测，解调装置测量得到实测值；将实测值与标称值相减得到偏差，用此偏差修正探针幅度和相位，实现校准；通过第一功率计和第二功率计对双定向耦合器的前向耦合端和反向耦合端的功率测量，计算出馈入GTEM小室中的微波功率。
本发明还提供一种光纤型电磁场探针幅相校准的装置的校准方法，该方法包括下列顺序的步骤：
(1)组装装置，开机预热30分钟；
(2)将第一功率计和第二功率计进行清零、校准；
(3)对第一功率计和第二功率计进行参数设置，对矢量网络分析仪进行参数设置；
(4)将可调衰减/移相器的衰减量设置为0dB，调整功率放大器的增益，直至馈入GTEM小室的功率符合需要的功率值；
(5)归一化解调装置和矢量网络分析仪，并以此为参考；
(6)调整可调衰减/移相器的衰减值，记录解调装置和矢量网络分析仪测量的幅度值，将解调装置测量值与矢量网络分析仪的测量值相减得到校准装置幅度偏差，用此偏差修正探针幅度，实现幅度校准；
(7)调整可调衰减/移相器的移相值，记录解调装置和矢量网络分析仪测量的相位值，将解调装置测量值与矢量网络分析仪的测量值相减得到校准装置相位偏差，用此偏差修正探针相位，实现相位校准。
所述步骤(4)具体是指：将可调衰减/移相器的衰减量设置为0dB，调整功率放大器的增益，记录第一功率计和第二功率计的测量值，按公式(1)和公式(2)计算得到馈入GTEM小室中实际的功率，使GTEM小室馈入达到需要的功率值；
探针放置在GTEM小室的电磁场均匀分布区域，该区域的GTEM小室顶板与底板的高度为h，GTEM小室特性阻为Zc＝50Ω，馈入GTEM小室中的微波功率为Pnet,天线所在位置电场E为：
对馈入GTEM小室中的微波功率Pnet通过与双定向耦合器结合的第一功率计和第二功率计来获得，通过第一功率计测量双定向耦合器的前向耦合端功率P1，通过第二功率计测量双定向耦合器的反向耦合端功率P2，按照公式(2)计算馈入波导中实际的功率值：
Pnet＝CfwdP1-CrevP2 (2)
其中，Cfwd、Crev分别是前向耦合系数与反向耦合系数。
由上述技术方案可知，本发明的优点在于：第一，本发明结构封闭、传输损耗低、不易受外界干扰；第二，本发明幅度校准范围大；第三，体积小，更易搭建实现，适合光纤型电磁场探针的现场快速校准；第四，所用仪表都可溯源，可获得可测、可控的校准场，保证测试结果的准确性。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图；
图2为本发明中幅度校准的方法流程图；
图3为本发明中相位校准的方法流程图。
具体实施方式
如图1所示，一种光纤型电磁场探针幅相校准的装置，该装置包括：
矢量网络分析仪，用于为校准装置提供微波激励信号，并测量校准装置中幅度和相位值；
功率放大器，用于进行微波功率放大；
可调衰减/移相器，用于改变校准装置中的幅度和相位值；
双定向耦合器，用于耦合GTEM小室的输入功率和GTEM小室的反射功率，实时监视GTEM小室内准确功率；
第一功率计，用于测量GTEM小室的输入功率；
第二功率计，用于测量GTEM小室的反射功率；
GTEM小室，用于形成稳定均匀的电磁场；
探针，放置在GTEM小室测试区域的中心位置，用于感应所在位置的电磁场幅度和相位变化，调整光纤中所传输激光的偏振态；
解调装置，用于将光载波中携带的电磁波信息分离出，获得电磁波信号的幅度和相位信息。
如图1所示，所述矢量网络分析仪的输出端与功率放大器的输入端相连，功率放大器的输出端与可调衰减/移相器的输入端相连，可调衰减/移相器的输出端与双定向耦合器的输入端相连，双定向耦合器的输出端与GTEM小室的输入端相连，GTEM小室的输出端与矢量网络分析仪的输入端相连，第一功率计与双定向耦合器的前向耦合端相连,第二功率计与双定向耦合器的反向耦合端相连,所述探针的输出端与解调装置的输入端相连。
如图1所示，所述矢量网络分析仪的输出端提供一个微波射频信号，通过功率放大器放大，经过可调衰减/移相器和双定向耦合器后进入GTEM小室形成稳定均匀分布的电磁场，通过改变可调衰减/移相器的量值实现对GTEM小室电磁场的强度和相位改变；将GTEM小室的输出信号接入矢量网络分析仪的输入端，矢量网络分析仪测量的幅度和相位值作为标称值；探针放在GTEM小室的电场均匀分布区域进行探测，解调装置测量得到实测值；将实测值与标称值相减得到偏差，用此偏差修正探针幅度和相位，实现校准；通过第一功率计和第二功率计对双定向耦合器的前向耦合端和反向耦合端的功率测量，计算出馈入GTEM小室中的微波功率。
如图2、3所示，本方法包括下列顺序的步骤：
(1)组装装置，开机预热30分钟；
(2)将第一功率计和第二功率计进行清零、校准；
(3)对第一功率计和第二功率计进行参数设置，对矢量网络分析仪进行参数设置；
(4)将可调衰减/移相器的衰减量设置为0dB，调整功率放大器的增益，直至馈入GTEM小室的功率符合需要的功率值；
(5)归一化解调装置和矢量网络分析仪，并以此为参考；
(6)调整可调衰减/移相器的衰减值，记录解调装置和矢量网络分析仪测量的幅度值，将解调装置测量值与矢量网络分析仪的测量值相减得到校准装置幅度偏差，用此偏差修正探针幅度，实现幅度校准；
(7)调整可调衰减/移相器的移相值，记录解调装置和矢量网络分析仪测量的相位值，将解调装置测量值与矢量网络分析仪的测量值相减得到校准装置相位偏差，用此偏差修正探针相位，实现相位校准。
如图2、3所示，所述步骤(4)具体是指：将可调衰减/移相器的衰减量设置为0dB，调整功率放大器的增益，记录第一功率计和第二功率计的测量值，按公式(1)和公式(2)计算得到馈入GTEM小室中实际的功率，使GTEM小室馈入达到需要的功率值；
探针放置在GTEM小室的电磁场均匀分布区域，该区域的GTEM小室顶板1与底板2的高度为h，GTEM小室特性阻为Zc＝50Ω，馈入GTEM小室中的微波功率为Pnet,天线所在位置电场E为：
对馈入GTEM小室中的微波功率Pnet通过与双定向耦合器结合的第一功率计和第二功率计来获得，通过第一功率计测量双定向耦合器的前向耦合端功率P1，通过第二功率计测量双定向耦合器的反向耦合端功率P2，按照公式(2)计算馈入波导中实际的功率值：
Pnet＝CfwdP1-CrevP2 (2)
其中，Cfwd、Crev分别是前向耦合系数与反向耦合系数。
由公式(1)可知，如果在GTEM小室输入功率不变的条件下，顶板1与底板2间的距离越近，即h越小，场内所产生的场强也就越大；如要使GTEM小室内某些点处产生的场强大小相同，则在较大空间处，即h值越大，所需输入的功率值也越大。
考虑到GTEM小室内场强的均匀性，测试时一般将被测件放置在测试区域的中心位置。当被测件的高度不大于顶板1与底板2高度的1/2，则可认为被测件的大小在此范围内不会引起特性阻抗的明显减小。
光纤型电磁场探针尺寸相对其对GTEM小室场均匀分布中心区域尺寸不大于1/5，对GTEM小室场的分布电容不会产生大的影响，所以GTEM小室场特性阻抗所受影响也比较小，同时光纤型电磁场探针由非金属的介质材料构成，侵入性低，对校准的影响可以忽略。
对光纤型电磁场探针的电场幅度和相位性能进行校准时，通过第一功率计、第二功率计的显示，调节功率放大器与可调衰减/移相器的搭配，使GTEM小室馈入需要的功率；调整可调衰减/移相器的衰减值，记录解调装置和矢量网络分析仪测量的幅度值，将解调装置测量值与矢量网络分析仪的测量值相减得到校准装置幅度偏差，用此偏差修正探针幅度，实现幅度校准。调整可调衰减/移相器的移相值，记录解调装置和矢量网络分析仪测量的相位值，将解调装置测量值与矢量网络分析仪的测量值相减得到校准装置相位偏差，用此偏差修正探针相位，实现相位校准。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种光纤型电磁场探针幅相校准的装置，其特征在于：该装置包括：
矢量网络分析仪，用于为校准装置提供微波激励信号，并测量校准装置中幅度和相位值；
功率放大器，用于进行微波功率放大；
可调衰减/移相器，用于改变校准装置中的幅度和相位值；
双定向耦合器，用于耦合GTEM小室的输入功率和GTEM小室的反射功率，实时监视GTEM小室内准确功率；
第一功率计，用于测量GTEM小室的输入功率；
第二功率计，用于测量GTEM小室的反射功率；
GTEM小室，用于形成稳定均匀的电磁场；
探针，放置在GTEM小室测试区域的中心位置，用于感应所在位置的电磁场幅度和相位变化，调整光纤中所传输激光的偏振态；
解调装置，用于将光载波中携带的电磁波信息分离出，获得电磁波信号的幅度和相位信息。
2.根据权利要求1所述的光纤型电磁场探针幅相校准的装置，其特征在于：所述矢量网络分析仪的输出端与功率放大器的输入端相连，功率放大器的输出端与可调衰减/移相器的输入端相连，可调衰减/移相器的输出端与双定向耦合器的输入端相连，双定向耦合器的输出端与GTEM小室的输入端相连，GTEM小室的输出端与矢量网络分析仪的输入端相连，第一功率计与双定向耦合器的前向耦合端相连,第二功率计与双定向耦合器的反向耦合端相连,所述探针的输出端与解调装置的输入端相连。
3.根据权利要求1所述的光纤型电磁场探针幅相校准的装置，其特征在于：所述矢量网络分析仪的输出端提供一个微波射频信号，通过功率放大器放大，经过可调衰减/移相器和双定向耦合器后进入GTEM小室形成稳定均匀分布的电磁场，通过改变可调衰减/移相器的量值实现对GTEM小室电磁场的强度和相位改变；将GTEM小室的输出信号接入矢量网络分析仪的输入端，矢量网络分析仪测量的幅度和相位值作为标称值；探针放在GTEM小室的电场均匀分布区域进行探测，解调装置测量得到实测值；将实测值与标称值相减得到偏差，用此偏差修正探针幅度和相位，实现校准；通过第一功率计和第二功率计对双定向耦合器的前向耦合端和反向耦合端的功率测量，计算出馈入GTEM小室中的微波功率。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光纤型电磁场探针幅相校准的装置的校准方法，其特征在于：该方法包括下列顺序的步骤：
(1)组装装置，开机预热30分钟；
(2)将第一功率计和第二功率计进行清零、校准；
(3)对第一功率计和第二功率计进行参数设置，对矢量网络分析仪进行参数设置；
(4)将可调衰减/移相器的衰减量设置为0dB，调整功率放大器的增益，直至馈入GTEM小室的功率符合需要的功率值；
(5)归一化解调装置和矢量网络分析仪，并以此为参考；
(6)调整可调衰减/移相器的衰减值，记录解调装置和矢量网络分析仪测量的幅度值，将解调装置测量值与矢量网络分析仪的测量值相减得到校准装置幅度偏差，用此偏差修正探针幅度，实现幅度校准；
(7)调整可调衰减/移相器的移相值，记录解调装置和矢量网络分析仪测量的相位值，将解调装置测量值与矢量网络分析仪的测量值相减得到校准装置相位偏差，用此偏差修正探针相位，实现相位校准。
5.根据权利要求4所述的光纤型电磁场探针幅相校准的装置的校准方法，其特征在于：所述步骤(4)具体是指：将可调衰减/移相器的衰减量设置为0dB，调整功率放大器的增益，记录第一功率计和第二功率计的测量值，按公式(1)和公式(2)计算得到馈入GTEM小室中实际的功率，使GTEM小室馈入达到需要的功率值；
探针放置在GTEM小室的电磁场均匀分布区域，该区域的GTEM小室顶板与底板的高度为h，GTEM小室特性阻为Zc＝50Ω，馈入GTEM小室中的微波功率为Pnet,天线所在位置电场E为：
对馈入GTEM小室中的微波功率Pnet通过与双定向耦合器结合的第一功率计和第二功率计来获得，通过第一功率计测量双定向耦合器的前向耦合端功率P1，通过第二功率计测量双定向耦合器的反向耦合端功率P2，按照公式(2)计算馈入波导中实际的功率值：
Pnet＝CfwdP1-CrevP2 (2)
其中，Cfwd、Crev分别是前向耦合系数与反向耦合系数。
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