基于混響室的電場探頭校準方法研究

王淞宇 齊萬泉

（北京無線電計量測試研究所，北京 100039）

1 引 言

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展以及大功率雷達裝備的廣泛應(yīng)用，裝備面臨的電磁環(huán)境場強愈來愈高。裝備外部射頻電磁輻射敏感性試驗考核的場強環(huán)境要求也更高。電場探頭是測量場強環(huán)境的常用設(shè)備。電場探頭的校準程度直接影響試驗數(shù)據(jù)采集的準確性。目前，電場探頭的校準主要參照IEEE1309—2013，標(biāo)準中提出在1GHz以上主要利用標(biāo)準增益喇叭天線和微波暗室建立的校準裝置開展電場探頭校準［1］。這種方法對于電場探頭和標(biāo)準增益喇叭之間的對準位置要求很高，而且微波暗室內(nèi)的一些不必要的反射都會影響電場探頭校準精度。目前基于微波暗室建立的場強標(biāo)準最高達到200V/m。電場探頭的量程達到1000V/m，實際測試的環(huán)境場強也遠高于200V/m。為了實現(xiàn)200V/m以上電場探頭校準，理論上通過增加功率放大器的功率可以實現(xiàn)，但是造價昂貴，而且不斷增加功率放大器的功率并不現(xiàn)實。因此，需要開展高場強環(huán)境下的電場探頭校準方法研究。

混響室作為一種新型的電磁兼容測試場地，相比于傳統(tǒng)的測試場地，具有測試頻帶寬、重復(fù)性好以及在測試過程中采用合適功率產(chǎn)生較高場強等優(yōu)勢［2］［3］。基于上述優(yōu)勢，國外已經(jīng)開展利用混響室進行電場探頭校準的研究。Dennis Lewis和John Ladbury最早提出利用混響室開展電場探頭校準的想法，介紹了利用混響室進行電場探頭校準的一些問題［4］。美國NIST與Liberty Labs，Inc合作，利用具有兩個攪拌器的混響室在18GHz～40GHz頻段同時對二十個電場探頭進行了高場強環(huán)境下的校準。本文主要研究基于混響室的電場探頭校準方法，并與微波場強標(biāo)準下的校準結(jié)果進行對比分析，驗證校準方法的可行性。

2 混響室場強定標(biāo)理論

混響室本身是裝有攪拌器的屏蔽腔體?；祉懯抑饕抢弥C振腔原理，通過攪拌器的不斷動作改變腔體內(nèi)的電磁邊界條件，從而使屏蔽腔體內(nèi)的場分布特性不斷發(fā)生變化，在一個較大的工作區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生空間均勻、各向同性、隨機極化的電磁環(huán)境［5］。

混響室內(nèi)某一攪拌器位置下的場強無法通過理論計算出來［6］。但是，混響室在一個攪拌周期內(nèi)的平均場強具有一定的統(tǒng)計特性，該統(tǒng)計特性對于某個攪拌位置并不適用，也不具有任何意義。混響室一個攪拌周期內(nèi)單個軸向的平均場強可以通過式（1）計算［7］：

在混響室內(nèi)單個軸向的平均場強滿足χ2分布，即瑞利分布：

χ6分布條件下的平均值為15σ因此，綜合場強的平均值可以表示為［8］：

將式（1）代入式（5），得到式（6）：

從式（6）中可見，混響室內(nèi)的平均場強與平均接收功率成正比。得到平均接收功率即可以得到平均場強。

因此，混響室內(nèi)標(biāo)準場的建立是基于一個攪拌周期內(nèi)的平均場強，通過記錄一個攪拌周期內(nèi)不同攪拌步進下的接收功率，按照式（6）對混響室工作區(qū)域內(nèi)的平均場強進行定標(biāo)。

歸一化場強是混響室的重要指標(biāo)之一，混響室歸一化場強可以按照式（7）計算：

利用歸一化場強結(jié)果可以計算實際能夠達到的場強。針對現(xiàn)有的1．5m×1m×0．8m混響室計算歸一化場強，見表1。

表1 不同頻率下混響室內(nèi)場強與輸入功率的關(guān)系Tab.1 Realationship between input power and E-field in reverberation chamber at different frequencies

從表1中可見，使用20W的功率放大器，可以在混響室內(nèi)實現(xiàn)平均場強大于200V/m，最大場強甚至可以達到800V/m。因此，利用混響室實現(xiàn)高場強是可行的。

3 基于混響室的電場探頭校準方法

基于混響室開展電場探頭校準時，校準過程中將接收天線和電場探頭同時置于校準區(qū)域內(nèi)。利用接收天線測量一個攪拌周期內(nèi)的平均接收功率，按照公式（6）實現(xiàn)對混響室內(nèi)平均場強的定標(biāo)。對比電場探頭的平均場強指示結(jié)果，得出校準因子?；诨祉懯业碾妶鎏筋^校準系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 電場探頭校準系統(tǒng)組成Fig.1 The composition of the calibration system for E-field probe

利用現(xiàn)有的1．5m×1．0m×0．8m混響室，工作區(qū)域為30cm×30cm×20cm，發(fā)射天線和接收天線選用ETS 3115雙脊喇叭天線，場強計選取HI6100，電場探頭選用HI6053，具體設(shè)備連接圖如圖2所示，接收天線和電場探頭布置如圖3所示。

圖2 校準設(shè)備連接圖Fig.2 Calibration equipment connection diagram

圖3 電場探頭和接收天線布局圖Fig.3 The layout of E-field probe and antenna

4 測量結(jié)果分析

基于混響室開展電場探頭校準時，校準過程中接收天線和電場探頭應(yīng)同時置于校準區(qū)域內(nèi)，具體布置如圖3所示。利用接收天線按照混響室內(nèi)的場強定標(biāo)理論得到一個攪拌周期內(nèi)對應(yīng)攪拌步進數(shù)的平均場強。同時，記錄電場探頭在一個攪拌周期內(nèi)對應(yīng)攪拌步進數(shù)的平均指示值。為了驗證該數(shù)據(jù)的準確性，200V/m以下采用與微波場強標(biāo)準進行對比。根據(jù)混響室中定標(biāo)的場強，計算出在微波場強標(biāo)準中產(chǎn)生該標(biāo)準場強所需的功率。從而在微波場強標(biāo)準中建立標(biāo)準場強，并將場強探頭置于微波場強標(biāo)準中，記錄讀數(shù)。校準結(jié)果如圖4至圖6所示。

圖4 1GHz混響室內(nèi)和微波場強標(biāo)準內(nèi)電場探頭校準結(jié)果對比Fig.4 E-fieldamplitudescomparebetweenreverberation chamber and anechoic chamber at 1GHz

圖6 18GH混響室內(nèi)和微波場強標(biāo)準內(nèi)電場探頭校準結(jié)果對比Fig.6 E-fieldamplitudescomparebetweenreverberation chamber and anechoic chamber at 18GHz

由測試結(jié)果可見，混響室中的電場探頭校準結(jié)果與微波場強標(biāo)準中的校準結(jié)果基本一致。兩者之間的偏差可以按式（8）計算：

式中：E1——混響室內(nèi)電場探頭校準結(jié)果，V/m；E2——微波場強標(biāo)準中電場探頭校準結(jié)果，V/m。

根據(jù)式（8）計算出兩組校準結(jié)果的偏差，偏差結(jié)果在（0．14～0．76）dB范圍內(nèi)，其中在3GHz時偏差結(jié)果達到最大0．76dB。

5 結(jié)束語

混響室在電磁兼容領(lǐng)域具有多種應(yīng)用，包括輻射敏感性試驗、屏蔽效能測試等。本文主要介紹基于混響室開展電場探頭校準的原理、系統(tǒng)組成和校準方法，在250V/m以下場強范圍內(nèi)對比了基于混響室和微波場強標(biāo)準的電場探頭校準結(jié)果，兩組校準結(jié)果基本一致，偏差在3GHz達到最大為0．76dB。

因此，利用混響室開展電場探頭校準是可行的。

［1］IEEE 1309-2013“IEEE Standard for Calibration of Electromagnetic Field Sensors and Probes,Excluding Antennas,from 9 kHz to 40GHz”Standards Development Committee of the IEEE Electromagnetic Compatibility Society,2013．

［2］張林昌．混響室及其進展（上）［J］．安全與電磁兼容，2001．4．

［3］梁小亮．電磁兼容混響室發(fā)展及應(yīng)用綜述［J］．民用飛機設(shè)計與研究，2004．36．

［4］John Ladbury,Dennis Lewis,Galen Koepke,Randal Direen．Challenges in Using a Reverberation Chamber for Probe Calibration．In Proc．16th Int．Zurich Symp．Electromagn．Compat,vol．TM,Feb,2005．

［5］王國慶，程二威．電波混響室理論與應(yīng)用［M］．國防工業(yè)出版社，2013．

［6］丁堅近．混響室的理論、設(shè)計和測試［D］．博士論文．北京交通大學(xué)．2005．8．

［7］IEC61000-4-21-2011 Electromagnetic compatibility（EMC）-Part 4-21：Testing and measurement techniques—Reverberation chamber test methods．

［8］John Ladbury,Galen Koepke,Dennis Camell．Evaluation of the NASA Langley Research Center Mode-Stirred Chamber Facility．NIST Technical Note 1508,Jan 1999．