電磁脈沖電場探頭轉換系數的校準

劉 陽 韓玉峰

（北京無線電計量測試研究所，北京100039）

1 引 言

隨著電磁兼容試驗的廣泛開展，電磁脈沖對電子設備的影響越來越引起人們的重視。 電磁脈沖是設備的威脅電磁環境，在試驗考核中，部分設備已將電磁脈沖試驗納入考核項目。 許多實驗室建立了電磁脈沖試驗系統。 系統中配備的電磁脈沖電場探頭是電磁脈沖電場測量的基本設備，和接收設備一起構成電磁脈沖電場測量系統，其中探頭系數的準確性是電磁脈沖電場測量結果準確性的基礎，各單位的校準結果一致性和準確性是保證電磁脈沖防護試驗結果有效性的必備條件，因此探頭系數的準確校準是非常重要的［1，2］。

2 校準原理

電磁脈沖電場探頭的轉換系數（校準因子）定義為

式中：K——探頭的轉換系數，（kV／m）／mV；E——電場強度的最大值，kV／m；U——接收電壓的最大值，mV。

由式（1）可知，只要確定了轉換系數K 值，就可通過測得的電壓值得到被測的脈沖場強。

通常探頭轉換系數的校準方法大致有兩類：標準場法和標準天線法［3，4］。 標準天線法是由一個參數可以準確預知的天線或探頭，通過比較測量來校準被校探頭。 標準場法是建立一個可以準確確定的場用于校準，直接利用定義式即可得到電磁脈沖電場探頭的轉換系數。

目前各實驗室的校準方法多是參考現有天線或探頭的校準方案，即多是采用標準場的方法進行校準。 而國內外建立的場強標準通常是連續波的場強標準裝置，探頭的校準也是在連續波的條件下進行校準的，局限于實驗室條件，校準場強也偏低。而一般核電磁脈沖敏感度測試項目中電磁脈沖電場探頭是工作在幾十千伏每米的脈沖場下的。 由于電磁脈沖電場探頭對不同頻率、不同幅值的瞬態電磁場信號的處理能力存在一定差異，在不同波形指標的電場信號下的轉換系數也不完全相同，因此，低場強連續波條件下的校準系數，無法滿足測試時的使用需要［5］。

為了保證校準結果的準確統一，采用符合實際測試需求的波形曲線校準探頭系數，以減小探頭系數不準給瞬態電磁場測量結果準確性帶來的影響。采用標準場法，選用了可產生指定脈沖波形的瞬態脈沖信號發生器以及與之配套使用的橫電磁波室，產生一個與試驗要求相符的脈沖波形。 利用標準場對電磁脈沖電場探頭的轉換系數進行校準。

3 校準裝置

電磁脈沖電場探頭校準裝置主要由高壓脈沖源、橫電磁波室、示波器以及衰減器等部分組成。校準系統原理圖如圖1所示，高壓脈沖源是采用Marx 發生器產生高電壓脈沖信號，橫電磁波室作為場強產生裝置，示波器用來測量脈沖波形參數。 校準系統框圖如圖2所示。

圖1 系統原理示意圖Fig.1 System principle diagram

圖2 校準系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of calibration system

校準系統包含的主要設備有瞬態脈沖信號發生器、橫電磁波室、衰減器、示波器等。 瞬態脈沖信號發生器產生一個如圖3所示的雙指數脈沖信號［6］，在橫電磁波室中產生脈沖電磁場。 示波器用于測量脈沖電壓。

圖3 脈沖波形示意圖Fig.3 Pulse waveform

上述波形應滿足以下技術指標：

脈沖型式：雙指數型；

輸出峰值場強：≥50kV／m；

脈沖上升時間：1.8ns≤tr≤2.8ns；

脈沖持續時間：≥20ns。

經過計算，可得到以下時域參數：

上升時間（10% ～90%）：2.47ns；

脈沖寬度（50% ～50%）：22.978 9ns；

峰值場強：50kV／m；

最大峰值時刻：4.835 8ns。

對脈沖波形做譜分析，其傅立葉變換為

密度譜曲線如圖4所示。 其幅度在200MHz衰減到峰值的18.8%，在300MHz 衰減到峰值的12.0%，在500MHz 衰減到峰值的6.2%。 其幅度的分布見表1。

圖4 密度譜曲線圖Fig.4 Power density spectrum

表1 幅度分布表Tab.1 Amplitude distribution

能量（功率）譜分布百分比為

能量（功率）譜曲線如圖5所示。 其能量的分布在200MHz 以下，占92. 2%；在300MHz 以下，占96%；在500MHz 以下，占98.5%。 其分布見表2。

圖5 能量譜曲線圖Fig.5 Energy spectrum

表2 能量分布表Tab.2 Energy distribution

通過對上述信號幅度譜和能量譜的分析，如系統按500MHz 帶寬設計，引入的附加上升時間為0.7ns，對脈沖前沿測量的誤差小于4%，可以滿足測試要求。

因此，整個校準系統按照500MHz 帶寬進行設計，包括示波器的選取以及橫電磁波室的帶寬設計。

4 校準方法

電磁脈沖電場探頭為微分探頭，測得的微分信號需要通過積分器還原成完整的原始時域信號，因此，校準的轉換系數是電磁脈沖電場探頭連同配套積分器一同使用時的轉換系數，送校時應將探頭及配套積分器一同送校，才能保證校準結果的準確性。

校準時按圖2 連接儀器，示波器輸入阻抗設置為高阻。 將被校探頭放置于橫電磁波室有效測試區的中心，如圖6所示，并保證探頭極化方向與電場方向一致。 若被校探頭為地探頭，應將探頭放置于橫電磁波小室的下極板上，確保探頭底面與極板接觸良好。 若被校探頭為空間探頭，應使用對電磁場影響盡可能小的介質材料支撐探頭，并保證探頭處于有效測試區的中間位置，如圖7所示。

圖6 場探頭位置（俯視）示意圖Fig.6 Setup for Plan view

圖7 場探頭位置（正視）示意圖Fig.7 Setup for EMP D-dot Sensor／Probe（Front View）

設置瞬態脈沖信號發生器的輸出參數，輸出一個單脈沖，讀取示波器通道1 上輸出波形的峰值電壓、上升時間及脈沖寬度，按式（5）計算橫電磁波小室中的場強值［7，8］，確認場強幅度、上升時間、脈沖寬度滿足波形指標要求

式中：E（t）——橫電磁波小室中的電場強度，kV／m；U1（t）——示波器通道1 中讀取到的電壓峰值，V；A——衰減器及電纜衰減量，dB；D——橫電磁波小室高度，m。

使瞬態脈沖信號發生器輸出一個單脈沖，記錄示波器通道1 采集到的脈沖波形的峰值電壓U1及通道2 采集到的脈沖波形的峰值電壓U2。 按式（5）計算橫電磁波小室中的標準場強值E；按式（6）計算探頭轉換系數

式中：K——探頭轉換系數，（kV／m）／mV；E——電場強度峰值，kV／m；U2——接收電壓峰值，mV。

最終轉換系數取多次測量的平均值［9］。

5 試驗結果

為了滿足試驗中對不同幅值脈沖試驗的需求，需要在指定場強幅值范圍內對探頭的轉換系數進行校準。 以確保探頭在不同場強條件下使用時，可選擇準確的、有針對性的轉換系數。 例如軍標試驗中要求先施加確定脈沖幅值的10%，然后分兩到三次增加到50kV／m，因此探頭轉換系數的場強幅度范圍選擇了從5kV／m 到50kV／m，每5kV／m 為間隔進行校準試驗，試驗數據見表3。

表3 不同場強下轉換系數校準數據Tab.3 Calibration data in different fields

由表3 可以看出，同一場強探頭在不同電場強度下，探頭系數確實存在一定差距，因此，利用實際實驗脈沖波形對探頭進行校準十分必要。

6 結束語

通過大量試驗驗證和出廠系數、理論計算值的比對驗證等，結果顯示利用TEM 室校準電磁脈沖電場探頭的校準方法有效可靠，可滿足RS105 項目中使用的脈沖探頭的校準需求，為規范各實驗室的測試設備使用、保證軍用裝備試驗結果的一致性提供了技術依據。