CN110954754A - 一种同心锥tem室场均匀性校准方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种同心锥TEM室场均匀性校准方法，包括：将场强探头放入同心锥TEM室场均匀区中心，记为初始位置；调节TEM室输入频率至下限试验频率，馈入能产生标准场强的恒定前向功率，记录所述初始位置的场强读数和前向功率；保持所述前向功率不变，围绕初始位置，沿不同方向确定第一位置、第二位置、第三位置和第四位置，四个位置形成的区域大小，能够将场强探头包围，且与初始位置场强相差绝对值均不大于设定范围；步进调节输入频率至试验频率上限，重复上述步骤，得到同心锥TEM室场均匀区。本申请填补了同心锥TEM室场均匀性校准方法空白，能够快速、准确地进行场均匀性校准。

Description

一种同心锥TEM室场均匀性校准方法

技术领域

本申请涉及场均匀性校准领域，尤其涉及一种同心锥TEM室场均匀性校准方法。

背景技术

根据IEC61000-4-20标准，TEM室的场均匀性采用恒定功率法和恒定场强法进行校准。恒定功率校准法是通过对TEM室的的端口输入一个恒定的前向功率，然后用一个经校准的场强探头以指定的步长在每个频段内进行测量各个位置点。

校准程序是：将场探头置于TEM室内一测量位置点上，信号发生器的频率调到试验频率范围的下限频率；向TEM的端口输入一个恒定的前向功率，使场探头主轴的场强读数在标准允许的场强范围内，记录前向功率读数、探头的主轴场强读数和其他两轴读数；保持馈入TEM室的功率不变，测量并记录该频率下其他测试点处场探头的主轴场强读数和其他两轴读数；调节信号发生器输出频率，重复步骤第二步和第三步，直至下一频率超过试验频率的上限频率。

在每一频率点：将各个测量位置得到的主轴场强读数按升序排列，最小点读数和最大点读数应该在0dB～6dB的容差范围内；将各测量位置得到的其他两轴读数按升序排列，最小点读数和最大点读数应该在0dB～6dB容差范围内。

同心锥形TEM室类似于TEM室、GTEM室场强校准系统，同样是利用了双线传输线的原理，在同心锥形TEM室内部产生了可计算的场强，是一种基于标准场法的场强产生装置。由于采用了锥形内外导体，同心锥形TEM室宽带场强校准系统能够产生比TEM室、GTEM室、微波暗室场强校准系统更宽的工作带宽，工作在200MHz～40GHz频段。

然而较之常规TEM室，同心锥形TEM室场分布更加复杂，它产生的标准场由内锥指向外锥，在匹配负载附近可形成较大的均匀场区。用于探头校准的均匀区位置与相对于轴心的距离有关，而对相对于馈源的距离并不敏感。国内目前尚无针对同心锥TEM室场均匀性的校准方法，本申请设计的场均匀性校准方法可有效地解决以上不足，能够快速、准确地进行同心锥TEM室内的场均匀性校准。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种同心锥TEM室场均匀性校准方法，解决现有校准方法准确度不高和速度较慢的问题。

本申请实施例提供一种同心锥形TEM室场均匀性校准方法，包括以下步骤：将场强探头放入同心锥TEM室场均匀区中心，记为初始位置；调节TEM室输入频率至下限试验频率，并馈入能产生标准场强的恒定前向功率，记录所述初始位置的场强读数和前向功率；保持所述前向功率不变，围绕初始位置，沿不同方向确定第一位置、第二位置、第三位置和第四位置，四个所述位置形成的区域大小，能够将场强探头包围，且与初始位置场强相差绝对值均不大于设定范围；分别记录所述第一位置、第二位置、第三位置和第四位置的场强读数和空间坐标；步进调节输入频率至试验频率上限，重复上述步骤，得到试验频率范围内的同心锥TEM室场均匀区。

优选地，四个所述位置的场强与初始位置场强相差绝对值的设定范围为1dB，进一步优选地，四个所述位置的场强与初始位置场强相差绝对值为1dB。

在本申请优化的实施例中，所述四个位置与初始位置处于同一平面；首先沿外锥方向依次确定第一位置和第四位置，所述第一位置位于场均匀区底端，所述第四位置靠近场均匀区顶端，所述第一位置、第四位置场强读数与初始位置场强读数相差均不大于1dB，优选的，读数相差绝对值为1dB；其次，沿内锥方向分别确定第二位置和第三位置，所述第二位置位于场均匀区底端，所述第三位置靠近场均匀区顶端，所述第二位置、第三位置场强读数与初始位置场强读数相差均不大于1dB；优选的，读数相差绝对值为1dB。

优选地，同心锥TEM室装置轴向垂直布置，同轴馈电在底部、匹配负载和吸波体在顶部；进一步优选地，以内锥中心为原点建立球坐标系，第一位置、第二位置、第三位置、第四位置和初始位置共面，在以内锥中心为原点的球坐标系中

为常数的平面上。

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：能够准确地进行同心锥TEM室场均匀性校准，满足场强参数的计量保障需求；填补了同心锥TEM室场均匀性校准方法的空白；结合同心锥TEM室场均匀区较小的实际使用需求，摒弃了传统的场均匀性校准方法中先确定场均匀性校准区域，然后进行6dB容差判定的方法，采用先决定参考点场强相差±1dB容差再确定场均匀区空间位置的方法。

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GTEM室场均匀性校准示意图；

图2为同心锥形TEM室示意图；

图3为同心锥球坐标系示意图；

图4为同心锥形TEM室横截面场分布示意图；

图5为同心锥形TEM室轴向剖面场分布示意图；

图6为本申请实施例提供的一种同心锥TEM室场均匀性校准方法流程示意图；

图7为另一种同心锥TEM室场均匀性校准方法流程示意图；

图8为同心锥TEM室探头校准系统示意图；

图9为同心锥TEM室场均匀性校准位置示意图；

图10为同心锥TEM室场均匀区示意图。

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GTEM室场均匀性校准示意图。

根据国际标准IEC61000-4-20中描述的方法，场均匀性计算公式如下：

其中：

n表示测试点数量、E_i表示第i(i＝1，…，n)个测试点处的场强值。

常规的场均匀性测试是在选定矩形区域内均匀分布的多个测试点(例如，图1中的9个测试点，处于场传播方向的横截面上)进行测试，在馈入功率相同的情况下，根据公式1计算的最大和最小值点差异在设定范围(例如6dB)之内的矩形区域。

校准程序是：

a)将场探头置于TEM室内一测量位置点上，信号发生器的频率调到试验频率范围的下限频率；

b)向TEM的端口输入一个恒定的前向功率，使场探头主轴的场强读数在标准允许的场强范围内，记录前向功率读数、探头的主轴场强读数和其他两轴读数；

c)保持馈入TEM室的功率不变，测量并记录该频率下其他测试点处场探头的主轴场强读数和其他两轴读数；

d)调节信号发生器输出频率，重复步骤b)和c)，直至下一频率超过试验频率的上限频率。

在每一频率点：

e)将各个测量位置得到的主轴场强读数按升序排列，最小点读数和最大点读数应该在0dB～6dB的容差范围内；

f)将各测量位置得到的其他两轴读数按升序排列，最小点读数和最大点读数应该在0dB～6dB容差范围内。

恒定场强校准法与前者不同之处是保持场探头的场强读数恒定。校准程序是：

a)将场探头置于一测量位置点上，信号发生器的频率调到试验频率范围的下限频率；

b)调节馈入TEM室的前向功率，使场探头接收场强等于所需的试验场强，记录前向功率读数、场探头的场强读数；

c)将场探头移至另一测量位置点，调节馈入TEM室的前向功率，使探头读数与前一位置场强读数相同，记录前向功率读数；

d)重复步骤c)，直至测完所有位置；

e)调节信号发生器频率至下一频率，直至下一频率超过试验频率的上限频率，重复步骤b)～d)；

在每一频率点：

f)将各个测量位置得到的前向功率读数按升序排列；

g)选择最小前向功率作为参考值，计算所有其他点相对于该点的偏差值，应保证所有点的偏差在0dB～3dB容差范围内。

图2为同心锥形TEM室示意图。同心锥形TEM室由同轴馈电端、阻抗匹配段、传输段、终端匹配负载和吸波体、锥体承重支撑架等几个部分组成。

同心锥形TEM室类似于TEM室、GTEM室场强校准系统，同样是利用了双线传输线的原理，在同心锥形TEM室内部产生了可计算的场强，是一种基于标准场法的场强产生装置。由于采用了锥形内外导体(锥形内导体简称“内锥”、锥形外导体简称“外锥”)，同心锥形TEM室宽带场强校准系统能够产生比TEM室、GTEM室、微波暗室场强校准系统更宽的工作带宽，工作在200MHz～40GHz频段。

可运用的场强分布在传输段的横截面上，内锥外表面和外锥内表面之间的部分，在匹配负载附近可形成较大的均匀场区。当应用于测试时，装置轴向垂直布置，同轴馈电在底部、匹配负载和吸波体在顶部，测试区域位于靠近顶端匹配负载下方。信号由底部馈入，经匹配段阻抗匹配后于传输段产生场强，本申请检测的场均匀性校准区域即传输段上部的测试区域

图3为同心锥球坐标系示意图。同心锥形TEM室的理论分析可参考同心锥形传输线理论。同心锥形传输线的电磁场理论分析采用球坐标系

以内、外导体顶点为锥形传输线的馈点，作为坐标轴的原点建立球坐标系，也就是说，原点在内锥中心。

同心锥TEM室工作原理如下：

假定一个具有e^jωt特性的时谐场沿r方向传播，由于传输线区域内无源，假设电磁波在均匀理想介质中传输，同心锥TEM室中对于TEM波，场分量为：

其中，η为自由空间波阻抗。电场方向从内锥外表面法线方向指向外锥内表面法线方向，磁场方向为环绕内锥的方向，电磁场其他分量为0。

使用CST-MWS对同心锥的结构进行仿真，分析其内部场均匀性的变化，边界条件设置为理想电边界，得出同心锥内部电场的分布情况。

图4为同心锥形TEM室横截面场分布示意图。

在任意一个横截面上的场分布，电场方向从内锥指向外锥，强度沿径向减弱，沿着圆周

方向为等场强分布。

图5为同心锥形TEM室轴向剖面场分布示意图。

可以发现，场分布的均匀区域在场分布区域内围绕内锥外表面呈近似柱状分布。

依据理论分析与仿真分析结果，同心锥形TEM室内场分布从内锥指向外锥，逐渐减小，因此在场均匀性校准过程中，应该选择同心锥形TEM室内外锥之间中间区域，沿径向满足变化范围小于预定范围的区域。

同心锥TEM室内锥到外锥之间的空间较小，场强随位置变化很明显，因此拟采用恒定前向功率法进行场均匀性校准。

图6为本申请实施例提供的一种同心锥TEM室场均匀性校准方法流程示意图，包含步骤101～105。

步骤101：将场强探头放入同心锥TEM室场均匀区中心，记为初始位置。

探头校准系统如图8所示，信号源产生的电磁波经过放大器、定向耦合器输入到同心锥形TEM室，经TEM室内的探头接收的信号经过场强指示器接收后输入计算机，定向耦合器从输入电磁波中取样的信号经功率计检测后也输入计算机，经比较取得探头的接收特性。

优先地，开始校准前，可预热校准仪器，使信号发生器和放大器频率和幅度达到稳定，功率计完成自校准。

该初始位置，可在场均匀区自由选择，大致位于场均匀区中心位置即可，作为选定后续四个位置点的参考点。初始位置位于横截面上内锥外表面和外锥内表面位置之间；在初始位置，优选地，探头接收功率位于所述校准系统工作范围的中心。

优选地，所述场强探头采用PMM公司的EP408定标探头。

该探头频率范围覆盖1MHz～40GHz，全向性偏差很小，动态范围很宽，并且探头直径不超过50mm，放入同心锥TEM室内对场的扰动较小。

步骤102：调节TEM室输入频率至下限试验频率，并馈入能产生标准场强的恒定前向功率，记录所述初始位置的场强读数和前向功率。

向同心锥TEM室馈入一个恒定的前向功率，在同心锥TEM室中产生稳定的场强。

所述恒定前向功率大小，根据校准需要进行合理设定。设定完成后，后续所有校准过程都保持不变。

步骤103：保持所述前向功率不变，围绕初始位置，沿不同方向确定第一位置、第二位置、第三位置和第四位置，所述四个位置形成的区域大小，能够将场强探头包围，且与初始位置场强相差均不大于1dB。

如图9所示，初始位置确定后，以初始位置为原点，可沿轴向上下方向，以及径向内锥、外锥方向，移动场强探头，确定四个位置点。四个位置点的确定无先后顺序，能够将场强探头完全包围，且便于测量校准即可。

优选地，所述四个位置点和初始位置点均位于以内锥中心为原点的球坐标系中

为常数的平面上。

需要说明的是，初始位置向外锥方向移动的位置点读数小于初始位置点读数，而向内锥方向移动的位置点读数大于初始位置点读数，所述四个位置点的读数与初始位置点读数相差大小的绝对值不大于1dB，且形成的区域能够将场强探头完全包围。比如，初始点位置场强读数为20V/m，则外锥方向的场强读数不应小于17.85V/m(比20V/m小1dB)，内锥方向所选位置读数不大于22.4V/m(比20V/m大1dB)。同心锥TEM室内锥到外锥之间的空间较小，场强随位置变化很明显，因此拟采用恒定前向功率法进行场均匀性校准。

优选地，所述四个位置点的读数与初始位置点读数相差大小的绝对值为1dB。考虑到同心锥TEM室实际使用要求，以场强最大偏差1dB的区域作为场均匀区性能指标。需要说明的是，在实际测试中包含测试容差，例如实际的场强偏差为0.98～1.02dB。

步骤104：分别记录所述第一位置、第二位置、第三位置和第四位置的场强读数和空间坐标。

优选地，设定内锥中轴线和探头支撑介质平面的交点为坐标原点。注意，记录第一位置～第四位置的空间坐标时，使用如图10所示的坐标系。

步骤105：步进调节输入频率至试验频率上限，重复步骤101至步骤104，得到试验频率范围内的同心锥TEM室场均匀区。

调节信号发生器至下一被测频率点，直至下一频率超过试验频率的上限频率，重复上述步骤。

图7为另一种同心锥TEM室场均匀性校准方法流程示意图，包含步骤201～206。

步骤201：将场强探头放入同心锥TEM室场均匀区中心，记为初始位置。

优先地，开始校准前，可预热校准仪器，使信号发生器和放大器频率和幅度达到稳定，功率计完成自校准。

该初始位置，可在场均匀区自由选择，大致位于场均匀区中心位置即可，作为选定后续四个位置点的参考点。

优选地，所述场强探头采用PMM公司的EP408定标探头。

该探头频率范围覆盖1MHz～40GHz，全向性偏差很小，动态范围很宽，并且探头直径不超过50mm，放入同心锥TEM室内对场的扰动较小。

步骤202：调节TEM室输入频率至下限试验频率，并馈入能产生标准场强的恒定前向功率，记录所述初始位置的场强读数和前向功率。

步骤203：保持所述前向功率不变，围绕初始位置5，沿不同方向确定第一位置1、第二位置2、第三位置3和第四位置4；见图9，为了快速准确确定校准区域，可选择在同一平面的5个位置点，进行测量。例如，先向外锥方向确定第一位置和第四位置，再向内锥方向确定第二位置和第三位置。或者，先确定第一位置和第二位置，再分别向上确定第四位置和第三位置。如图9所示，所述四个位置与初始位置处于同一平面，优选地，所述四个位置点和初始位置点均位于以内锥中心为原点的球坐标系中

为常数的平面上；

步骤203中，例如，首先向外锥方向，依次确定第一位置和第四位置，所述第一位置位于场均匀区底端介质平台表面，第一位置与内锥之间的距离大于初始位置与内锥之间的距离，所述第四位置靠近场均匀区顶端，第四位置与内锥之间的距离大于初始位置与内锥之间的距离。所述第一位置、第四位置场强读数与初始位置相差均不大于1dB，优选地，读数差值为1dB。所述“读数差值”是指与初始位置读数的差值。

在查找第四位置时，在其与第一位置的连线平行于外锥内表面的位置开始，向内锥方向查找。也就是说，假定第四位置和第一位置的连线平行于外锥内表面，寻找一满足所述读数差值要求不大于1dB的第四位置；或者，当假定的第四位置和第一位置连线平行于外锥内表面时，从假定的第四位置向内锥方向查找读数差值为1dB的点作为新的第四位置。

或者，在查找第四位置时，在其与第一位置的连线平行于内锥外表面的位置开始，先向内锥方向查找、再向外锥方向查找。也就是说，假定第四位置和第一位置的连线平行于内锥外表面，寻找一满足所述读数差值要求不大于1dB的第四位置；或者，当假定的第四位置和第一位置连线平行于内锥外表面时，从假定的第四位置向内锥方向查找读数差值为1dB的点作为新的第四位置。如果失败，再向外锥方向查找。比如，初始点位置场强读数为20V/m，则外锥方向的场强读数不小于17.85V/m(比20V/m小1dB)，内锥方向所选位置读数为不大于22.4V/m(比20V/m大1dB)。

步骤204：向内锥方向，分别确定第二位置和第三位置，所述第二位置位于场均匀区底端介质平台表面，第二位置与内锥之间的距离小于初始位置与内锥之间的距离，所述第三位置靠近场均匀区顶端，第三位置与内锥之间的距离小于初始位置与内锥之间的距离。所述第二位置、第三位置场强读数与初始位置相差均不大于1dB，优选地，读数差值为1dB。所述“读数差值”是指与初始位置读数的差值。

在查找第三位置时，在其与第二位置的连线平行于外锥内表面的位置开始，向内锥方向查找。也就是说，假定第三位置和第二位置的连线平行于外锥内表面，寻找一满足所述读数差值要求不大于1dB的第三位置；或者，当假定的第三位置和第一位置连线平行于外锥内表面时，从假定的第三位置向内锥方向查找读数差值为1dB的点作为新的第三位置。

或者，在查找第三位置时，在其与第二位置的连线平行于内锥外表面的位置开始，先向内锥方向查找、再向外锥方向查找。也就是说，假定第三位置和第二位置的连线平行于内锥外表面，寻找一满足所述读数差值要求不大于1dB的第三位置；或者，当假定的第三位置和第二位置连线平行于内锥外表面时，从假定的第三位置向内锥方向查找读数差值为1dB的点作为新的第三位置，如果失败，再向外锥方向查找。

比如，初始点位置场强读数为20V/m，则外锥方向的场强读数不小于17.85V/m(比20V/m小1dB)，内锥方向所选位置读数不大于22.4V/m(比20V/m大1dB)。

进一步地，确定完第四位置后，将场强探头回归初始位置，再确定第二位置和第三位置。

将场强探头回归初始位置，主要是便于参考定位。

步骤205：分别记录所述第一位置、第二位置、第三位置和第四位置的场强读数和空间坐标。

优选地，设定内锥中轴线和探头支撑介质平面的交点为坐标原点。注意，记录第一位置～第四位置的空间坐标时，使用如图10所示的坐标系。

步骤206：步进调节输入频率至试验频率上限，重复上述步骤，得到试验频率范围内的同心锥TEM室场均匀区。

进一步地，本申请方法的实施例还包含以下步骤，将所述场均匀区沿

方向旋转任意角度，获得新的场均匀区。

根据记录的空间坐标，分别确定场均匀区截面，即图10中所示“均匀区”。

图10中表示的PMI泡沫台，即为所述介质平台。

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 (10)

1.一种同心锥TEM室场均匀性校准方法，其特征在于，包含以下步骤：

将场强探头放入同心锥TEM室场均匀区中心，记为初始位置；

调节TEM室输入频率至下限试验频率，并馈入能产生标准场强的恒定前向功率，记录所述初始位置的场强读数和前向功率；

保持所述前向功率不变，围绕初始位置，沿不同方向确定第一位置、第二位置、第三位置和第四位置，四个所述位置形成的区域大小，能够将场强探头包围，且与初始位置场强相差绝对值均不大于设定范围；

分别记录所述第一位置、第二位置、第三位置和第四位置的场强读数和空间坐标；

步进调节输入频率至试验频率上限，重复上述步骤，得到试验频率范围内的同心锥TEM室场均匀区。

2.如权利要求1所述同心锥TEM室场均匀性校准方法，其特征在于，所述四个位置与初始位置处于同一平面；首先沿外锥方向依次确定第一位置和第四位置，所述第一位置位于场均匀区底端，所述第四位置靠近场均匀区顶端，其次，沿内锥方向分别确定第二位置和第三位置，所述第二位置位于场均匀区底端，所述第三位置靠近场均匀区顶端。

3.如权利要求2所述同心锥TEM室场均匀性校准方法，其特征在于，同心锥TEM室装置轴向垂直布置，同轴馈电在底部、匹配负载和吸波体在顶部。

4.如权利要求1所述同心锥TEM室场均匀性校准方法，其特征在于，设定内锥中轴线和探头支撑介质平面的交点为坐标原点。

5.如权利要求1所述同心锥TEM室场均匀性校准方法，其特征在于，还包括预热校准仪器，使信号发生器和放大器频率和幅度达到稳定，功率计完成自校准。

6.如权利要求1所述同心锥TEM室场均匀性校准方法，其特征在于，所述场强探头采用PMM公司的EP408定标探头。

7.如权利要求1～6任意一项所述方法，其特征在于，四个所述位置的场强与初始位置场强相差绝对值的设定范围为1dB。

8.如权利要求1～6任意一项所述方法，其特征在于，四个所述位置的场强与初始位置场强相差绝对值为1dB。

9.如权利要求1～6任意一项所述方法，其特征在于，

所述第一位置位于场均匀区底端介质平台表面，第一位置与内锥之间的距离大于初始位置与内锥之间的距离，所述第四位置靠近场均匀区顶端，第四位置与内锥之间的距离大于初始位置与内锥之间的距离；

所述第二位置位于场均匀区底端介质平台表面，第二位置与内锥之间的距离小于初始位置与内锥之间的距离，所述第三位置靠近场均匀区顶端，第三位置与内锥之间的距离小于初始位置与内锥之间的距离。

10.如权利要求1～6任意一项所述方法，其特征在于，

以内锥中心为原点建立球坐标系，第一位置、第二位置、第三位置、第四位置和初始位置共面，在以内锥中心为原点的球坐标系中

为常数的平面上。

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