CN111398882B - 一种基于多分量的电场探头和磁场探头校准系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多分量的电场探头和磁场探头校准系统及方法。包括微带线校准组件、夹具、矢量网络分析仪和数据处理单元；微带线校准组件包含的两组微带线可以分布于同一PCB板的不同走线层上，也可以分布在独立的PCB板上；第一组微带线为单根微带线或者共模激励下的差分线，用于产生磁场主分量H_y，第二组微带线为差模激励下的差分线，用于产生电场主分量E_x。本发明采用两组微带线分别产生水平磁场和水平电场分量来测量电磁场探头对外加电场和磁场的耦合度，并提出了校准因子的计算公式，弥补了目前采用单磁场分量或单电场分量只能测量探头对待测场耦合度的局限性，能够全面地衡量电场探头对非待测磁场、磁场探头对非待测电场的耦合度。

Description

一种基于多分量的电场探头和磁场探头校准系统及方法

技术领域

本发明涉及探头校准测量技术领域，尤其涉及一种基于多分量的电场探头和磁场探头校准系统及方法。

背景技术

电场探头和磁场探头用于检测未知电磁干扰源或者天线的近场辐射。为了精确定量分析辐射量，需要知道电场探头、磁场探头的输出电压与待测电场、磁场的比例系数，这个系数定义为探头的校准因子(Probe Factor，PF)。国际标准组织IEC规定采用单根标准微带线作为校准件，先用电磁全波软件仿真得到校准件上方的电、磁场，再用探头在同一位置测量校准件，校准因子即定义为磁场探头/电场探头输出电压与仿真得到的磁场值/电场值的比值。

标准微带线工作时其一个端口为激励，另一端口为50欧姆的匹配负载。认为其工作时产生的场为标准横电磁波的场。磁场探头进行校准时，将磁场探头放置于标准微带线中心上方，磁场探头的开口平行于微带线的电流方向，认为此时磁场探头的输出只取决于磁场探头与标准微带线辐射的磁场的耦合，与微带线产生的电场无关。目前单微带线的校准方法，计算特定类型探头的校准因子，往往只考虑探头与主要待测场分量的耦合，比如，在对磁场探头进行校准时，只考虑某一方向上待测磁场的幅度(比如H_y)与磁场探头输出电压的比值。同理，在对电场探头进行校准时，只考虑某一方向上待测电场的幅度(比如E_x)与电场探头输出的比值，这样只能知道磁场探头对待测磁场的耦合能力，或者电场探头对待测电场的耦合能力。

对于磁场探头，其在工作时，也会耦合到空间上的电场，耦合到的空间电场会对磁场探头输出有一部分的贡献，等同于探头的环境噪声。目前的校准方法在计算PF时，忽略了空间电场的耦合。同理，对于电场探头，通常也忽略了空间磁场的耦合或者空间磁场在探头输出端产生的环境噪声，影响到了校准的准确性。因此需要提供一种同时考虑到磁场和电场耦合的探头校准方法，提高对电场探头和磁场探头的校准精度，并用以评估探头对环境噪声的抑制能力。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于多分量的电场探头和磁场探头校准系统及方法，可应用于电场探头和磁场探头的校准。对于磁场探头，将磁场对磁场探头的耦合与电场对磁场探头的耦合分别表示出来，从而准确地得到磁场探头对待测磁场的耦合能力以及磁场探头对非待测电场分量的抑制度；对于电场探头，将电场对电场探头的耦合与磁场对电场探头的耦合分别表示出来，从而准确地得到电场探头对待测电场的耦合能力以及电场探头对非待测磁场的抑制度。本发明将外部电场、磁场分量与电场探头和磁场探头的耦合系数分别提取出来，得到电场探头和磁场探头更全面、精确的校准因子。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于多分量的电场探头和磁场探头校准系统，包括微带线校准组件、夹具、矢量网络分析仪和数据处理单元；

所述的微带线校准组件包含第一组微带线和第二组微带线，两组微带线分布于同一PCB板的不同走线层上或者分布在独立的PCB板上；所述的第一组微带线的一端连接有第一匹配负载，第一组微带线的另一端为第一激励端口；所述的第二组微带线的一端连接有第二匹配负载，第二组微带线的另一端为第二激励端口；所述的第一组微带线与第二组微带线相互垂直，其垂直交叉点正上方1mm 处为校准点，固定安装于所述夹具上的被校场探头垂直于PCB板且被校场探头的探测中心与校准点重合；

所述的矢量网络分析仪分别与所述的第一组微带线上的第一激励端口、第二组微带线上的第二激励端口、以及被校场探头的输出端口连接；所述的数据处理单元用于计算各校准频率点的被校场探头的校准因子。

作为本发明的优选，所述的第一组微带线采用单根微带线或者共模激励下的差分线，用于产生磁场分量H_y；第二组微带线采用差模激励下的差分线，用于产生电场分量E_x。

作为本发明的优选，所述的校准因子α和β的计算公式为：

其中，对于磁场探头，α为探头对待测磁场的校准因子，β为探头对非待测电场的耦合度；对于电场探头，α为探头对非待测磁场的耦合度，β为探头对待测电场的校准因子；

分别表示当第一激励端口处施加1W激励功率时，校准点的磁场强度和电场强度；

和

分别表示当第二激励端口处施加1W激励功率时，校准点的磁场强度和电场强度；S₁₃和S₂₃为矢量网络分析仪测得的散射参数；Z₃为探头终端接的阻抗(一般为50欧姆)。

本发明还公开了一种基于上述电场探头和磁场探头校准系统的校准方法，步骤如下：

1)固定微带线校准组件与被校场探头的相对位置，使被校场探头垂直于微带线所在的PCB板，并且被校场探头的探测中心与校准点重合；

2)将所述的第一组微带线上的第一激励端口、第二组微带线上的第二激励端口、以及被校场探头的输出端口分别连接到矢量网络分析仪；通过矢量网络分析仪内部的信号源施加不同校准频率的激励信号，针对每一校准频率f，再由矢量网络分析仪测得三个端口的散射参数矩阵

其中S_ij(i,j＝1,2,3) 随频率f变化；

3)针对按照步骤1)配制的微带线校准组件，在第一组微带线上的第一激励端口处施加1W的激励电压，得到校准点的磁场强度

和电场强度

同样，在第二组微带线上的第二激励端口处施加1W的激励电压，得到校准点的磁场强度

和电场强度

把

作为微带线校准组件产生的电磁场参考值；

4)根据步骤2)中矢量网络分析仪测量得到的S₁₃、S₂₃和步骤3)中得到的

采用如下公式计算每一个校准频率点的待测场探头的校准因子α和β：

其中，对于磁场探头，α为探头对待测磁场的校准因子，β为探头对非待测电场的耦合度；对于电场探头，α为探头对非待测磁场的耦合度，β为探头对待测电场的校准因子。

本发明具备的有益效果是：

本发明的校准系统采用两组微带线，在水平面内可以产生相互垂直的一个主要磁场分量和一个主要电场分量；利用该磁场与电场分量测试电场探头和磁场探头的响应来对探头进行校准，得到两个耦合系数。

在探头的校准过程中，对于磁场探头，不止考虑外部磁场对磁场探头的耦合，进一步计算外部电场对磁场探头的耦合，从而可以全面、准确的衡量磁场探头对待测磁场的耦合能力(或敏感度)和对非待测电场的抑制能力。同理，对于电场探头，不止考虑外部电场对电场探头的耦合，进一步计算外部磁场对电场探头的耦合，从而可以全面、准确的衡量电场探头对待测电场的耦合能力(或敏感度) 和对非待测磁场的抑制能力。该方法弥补了目前采用单磁场分量或单电场分量只能测量探头对待测场耦合度的局限性，能够全面地衡量电场探头对非待测磁场、磁场探头对非待测电场的抑制度，在电磁近场扫描方面有很大的引用价值。

附图说明

图1是本发明的校准系统示意图；

图2是本发明实施例中的微带线校准组件示意图，其中两组微带线分布在同一个PCB板上，位于PCB的不同走线层且相互垂直；

图3是本发明实施例中的微带线校准组件示意图，其中两组微带线分别在两个PCB板上，且两组微带线的走向相互垂直；(a)第一组微带线，(b)第二组微带线；

图4是本发明的耦合系数与现有磁场校准系数的对比。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做进一步的说明。

一种基于多分量的电场探头和磁场探头校准系统，校准示意图如图1所示，包括微带线校准组件、夹具、矢量网络分析仪和数据处理单元，所述的数据处理单元用于计算各校准频率点的被校场探头的校准因子。

微带线校准组件包含第一组微带线和第二组微带线。两组微带线可以分布于同一PCB板的不同走线层上，如图2所示，也可以分布在独立的PCB板上，如图3所示；第一组微带线为单根微带线或者共模激励下的差分线，用于产生磁场分量H_y，第二组微带线为差模激励下的差分线，用于产生电场分量E_x；所述的第一组微带线的一端连接有第一匹配负载，第一组微带线的另一端为第一激励端口；所述的第二组微带线的一端连接有第二匹配负载，第二组微带线的另一端为第二激励端口；所述的第一组微带线与第二组微带线相互垂直分布/放置，其垂直交叉点正上方1mm处为校准点，固定安装于夹具上的被校场探头垂直于PCB板且被校场探头的探测中心与校准点重合。

在本发明的具体实施中，微带线校准组件如图2所示(两组微带线在同一 PCB板的不同布线层)或者图3所示(两组微带线在不同PCB板上)。

1)第一组微带线：单根、匹配的微带线(如图1所示)或者共模激励、匹配的差分线(如图2、图3所示)，沿x方向分布，其上方产生的主要磁场分量是H_y。微带线一端连接匹配负载，另一端定义为激励端口1(对于单根微带线，在微带线与地平面之间加入激励；对于差分线，在两根线并联和地平面之间加入激励)。

2)第二组微带线：另一组是差模激励、匹配的差分线，沿y方向分布。采用差模激励(在两根线之间加入激励)，其上方产生的主要电场分量是 E_x。差分微带线一端连接匹配负载，另一端定义为激励端口2。

定义校准点为两组微带线的中心线的交叉点正上方1mm处。按照1)-2) 的配置，在校准点可以得到水平面内两个相互垂直的电磁场分量：E_x和H_y。

对于图2所示两组微带线分布在同一个PCB板上的校准组件，校准时被校场探头通过夹具放置于微带线上方，只需用矢量网络分析仪测量一次；对于图3 所示两组微带线分布在不同PCB板上的校准组件，校准时被校场探头分别放置于两组微带线上方，保持探头位置不变，更换微带线用矢量网络分析仪测量两次。探头的探测中心与校准点重合，如图1、图2、图3所示。探头的输出端定义为端口3。

对于图1、图2、图3所示结构，矢量网络分析仪分别与端口1、端口2、以及被校场探头的输出端口3连接，通过矢量网络分析仪内部的信号源输出不同校准频率的激励信号。针对每一校准频率f，再由矢量网络分析仪测得该3端口网络的S参数散射矩阵，建立如下模型：

其中a₁至a₃和b₁至b₃分别是三个端口的入射波和反射波。矩阵元素S_ij(i,j＝1,2,3) 随频率f变化，由矢量网络分析仪测量得到，满足互易性。

由于两组微带线匹配良好，由S散射参数理论和公式(1)可以得到：

当端口1外加1V激励电压、端口2匹配时

当端口2外加1V激励电压、端口1匹配时

公式(2)和(3)中，V₃是端口3接阻抗Z₃时的电压，Z₁、Z₂分别是端口 1、2的参考阻抗。下面利用校准算法，用校准点的E_x和H_y计算探头的输出电压 V₃，并令其与公式(2)和(3)分别相等，从而解出探头对外部电场和磁场的耦合系数。

1.校准算法

画出微带线校准组件模型，并用电磁全波软件仿真，可以得到校准点处E_x和H_y。仿真的微带线校准组件模型需与测量中采用的微带线一致，但不包括探头和夹具部分。对于图1所示结构，端口3的电压V₃是由校准点的电磁场H_y和E_x感应产生的，且V₃与H_y和E_x成如下正比关系：

V₃＝αH_y+βE_x (4)

其中，对于磁场探头，α为探头对待测磁场的校准因子，β为探头对非待测电场的耦合度；对于电场探头，α为探头对非待测磁场的耦合度，β为探头对待测电场的校准因子。公式(4)中既考虑了微带线校准组件产生的主要水平电、磁场分量，也考虑了次要水平电、磁场分量。

当端口1外加1W激励功率、端口2匹配时，仿真得到校准点处的电磁场为

换算为当端口1外加1V激励电压时并结合公式(4)，得到

当端口2外加1W激励功率、端口1匹配时，仿真得到校准点处的电磁场为

换算为当端口2外加1V激励电压时并结合公式(4)，得到

令(2)＝(5)，(3)＝(6)，得到

(7)式为最后得到的耦合系数的计算公式。其中，

由矢量网络分析仪测量得到，

由电磁全波软件仿真值得到，α和β为求出的校准因子或耦合系数。

α和β都随频率而变化。

2.校准因子的使用方法

采用校准后的磁场探头测量待测磁场时，以测试H_y为例，磁场探头连接频谱仪，根据频谱仪测得的电压V₃，可以计算待测磁场为H_y＝V₃/α；β用于衡量磁场探头对非待测电场的耦合度，β越小，代表非待测电场对磁场探头的影响越小。

采用校准后的电场探头测量待测电场时，以测试E_x为例，电场探头连接频谱仪，根据频谱仪测得的电压V₃，可以计算待测电场E_x＝V₃/β；α用于衡量电场探头对非待测磁场的耦合度，α越小，代表非待测磁场对电场探头的影响越小。

3.校准因子的计算例子

图4是在采用图3所示校准微带线的情况下，本发明对某一测量磁场H_y的磁场探头校准因子的计算结果。其中，“现有磁场校准系数1”是指采用图3(a) 第一组微带线作为校准件时，现有校准方法求出的磁场耦合因子；“现有磁场校准系数2”是指采用图3(b)第二组微带线作为校准件时，现有校准方法求出的磁场耦合因子。现有校准方法与本发明校准方法的主要区别在于现有校准方法只使用一组微带线作为校准件。从图中可以看出：

1)图3(a)第一组共模激励的差分线，其产生的磁场H_y较大、电场E_x较小。此时非待测电场E_x对磁场探头的影响较小，因此本发明算出的磁场耦合系数α与“现有磁场校准系数1”吻合良好，证明了本发明兼容现有磁场校准系数。

2)图3(b)第二组差模激励的差分线，其产生的磁场H_y较小、电场E_x较大。此时非待测电场E_x对磁场探头的影响较大，因此“现有磁场校准系数2”有误差，并偏离“现有磁场校准系数1”。而本发明算出的磁场耦合系数α与“现有磁场校准系数1”吻合良好，且本发明算出的电场耦合系数β可以很好地解释“现有磁场校准系数2”与“现有磁场校准系数1”偏离的原因：正是由于非待测电场E_x与磁场探头的耦合(用耦合系数β表示)，使得磁场探头在检测弱磁场时产生误差。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于多分量的电场探头和磁场探头校准系统，其特征在于，包括微带线校准组件、夹具、矢量网络分析仪和数据处理单元；

所述的微带线校准组件包含第一组微带线和第二组微带线，两组微带线分布于同一PCB板的不同走线层上或者分布在独立的PCB板上；所述的第一组微带线的一端连接有第一匹配负载，第一组微带线的另一端为第一激励端口；所述的第二组微带线的一端连接有第二匹配负载，第二组微带线的另一端为第二激励端口；所述的第一组微带线与第二组微带线相互垂直，其垂直交叉点正上方1mm处为校准点，固定安装于所述夹具上的被校场探头垂直于PCB板且被校场探头的探测中心与校准点重合；

所述的矢量网络分析仪分别与所述的第一组微带线上的第一激励端口、第二组微带线上的第二激励端口、以及被校场探头的输出端口连接；所述的数据处理单元用于计算各校准频率点的被校场探头的校准因子。

2.根据权利要求1所述的一种基于多分量的电场探头和磁场探头校准系统，其特征在于，所述的第一组微带线采用单根微带线或者共模激励下的差分线，第二组微带线采用差模激励下的差分线。

3.根据权利要求1所述的一种基于多分量的电场探头和磁场探头校准系统，其特征在于，所述的校准因子的计算公式为：

其中，对于磁场探头，α为探头对待测磁场的校准因子，β为探头对非待测电场的耦合度；对于电场探头，α为探头对非待测磁场的耦合度，β为探头对待测电场的校准因子；

分别表示当第一激励端口处施加1W激励功率时，校准点的磁场强度和电场强度；

和

分别表示当第二激励端口处施加1W激励功率时，校准点的磁场强度和电场强度；S₁₃和S₂₃为矢量网络分析仪测得的散射参数；Z₃为探头终端接的阻抗；f为校准频率。

4.一种基于权利要求1所述的电场探头和磁场探头校准系统的校准方法，其特征在于步骤如下：

1)固定微带线校准组件与被校场探头的相对位置，使被校场探头垂直于微带线所在的PCB板，并且被校场探头的探测中心与校准点重合；

2)将所述的第一组微带线上的第一激励端口、第二组微带线上的第二激励端口、以及被校场探头的输出端口分别连接到矢量网络分析仪；通过矢量网络分析仪内部的信号源施加不同校准频率的激励信号，针对每一校准频率f，再由矢量网络分析仪测得三个端口的散射参数矩阵

其中S_ij(i,j＝1,2,3)随频率f变化；

3)针对按照步骤1)配制的微带线校准组件，在第一组微带线上的第一激励端口处施加1W的激励功率，得到校准点的磁场强度

和电场强度

同样，在第二组微带线上的第二激励端口处施加1W的激励功率，得到校准点的磁场强度

和电场强度

把

作为微带线校准组件产生的电磁场参考值；

4)根据步骤2)中矢量网络分析仪测量得到的S₁₃、S₂₃和步骤3)中得到的

采用如下公式计算每一个校准频率点的待测场探头的校准因子α和β：

其中，对于磁场探头，α为探头对待测磁场的校准因子，β为探头对非待测电场的耦合度；对于电场探头，α为探头对非待测磁场的耦合度，β为探头对待测电场的校准因子。

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