一種低電平工頻電場探頭的校準方法

黎亮文，徐文娟，史云雷，邵鄂，李帥男，李宣毅，劉斌輝

（1.工業和信息化部電子第五研究所, 廣州 511370；2.智能產品質量評價與可靠性保障技術工業和信息化部重點實驗室, 廣州 511370）

引言

工頻電場是指交流電壓工作頻率的電場強度，我國電力系統的供電頻率為50 Hz，工頻電場即為50 Hz的電場。工頻電場測量應用廣泛，尤其是在電力系統、電磁兼容和生物效應等領域，具有重要意義[1]。隨著現今社會對環境電磁輻射危害的重視，工頻電場也越來越受到關注。

測量工頻電場主要使用工具為工頻電場探頭或工頻電場測量儀，兩者原理相同，均是利用電場傳感器測量，轉成電信號，通過數據處理分析還原電場強度。為保證工頻電場測量準確可靠，工頻電場探頭或工頻電場測量儀必須定期進行校準。目前國內工頻電場探頭校準方法，多數適用于高電場強度（10 V/m以上），而低電平電場強度（mV/m級別）校準誤差較大。本文采用GTEM小室和低頻信號發生器，介紹一種低電場強度工頻電場探頭校準方法，并對此校準方法進行驗證。

1 工頻電場探頭校準裝置

傳統工頻電場探頭校準裝置原理是施加一定電壓到平行板上，使其產生均勻電場，根據電場公式計算工頻電場探頭校準區域中的電場，對比工頻電場探頭顯示數值，得出校正系數。平行板間電場強度大小由公式（1）確定。

式中：

U—兩板間電壓，單位為伏（V）；

d—平行板距離，單位為米（m）。

為避免平行板的邊緣效應，需要平行板的間距相對板的尺寸足夠小，以便產生用于校準大小和方向已知的均勻場區域[2]，同時，被校探頭尺寸相對于平行板尺寸盡可能小，才能忽略探頭置于電場中對電場的影響，因此，工頻電場校準裝置尺寸往往較大。

尺寸過大的校準裝置存在明顯缺點，公式（2）是平板電容計算公式，相同條件下，平行板面積越大，電容值越大，電壓源需要高壓驅動從而產生高電場強度。另外，平行板尺寸大屏蔽困難，建造屏蔽外殼造價高，以至于校準裝置無法屏蔽外界信號，校準低電場強度時容易受到周圍工頻環境影響。

2 GTEM小室

GTEM小室是采用同軸及非對稱矩形傳輸線設計原理，整體外形設計為劈尖形狀，以避免內部電磁波產生發射和諧振，輸入端在尖端位置，采用N型同軸接頭，隨后漸變至非對稱矩形結構[3]。芯板延伸至后蓋板，使用50 Ω負載作為阻抗匹配網絡，芯板和底板之間形成矩形均勻電場區域，可以用于電磁兼容輻射騷擾發射和輻射抗擾度的測試。

GTEM可用頻率范圍取決于GTEM的橫截面積尺寸和長度，頻率范圍常見為直流到GHz級別。小室內部電場分布如圖3所示[4]，3 dB區域為測試區域，電磁兼容測試在此區域內進行，1 dB區域為高準確區，誤差很小，可以用作探頭校準[5]。

圖3 GTEM室最大開口處場分布示意圖

3 工頻電場探頭GTEM小室校準法

GTEM小室校準區域電場強度計算公式如下：

式中：

Z—GTEM小室特性阻抗，單位為歐姆（Ω）；

P—輸入凈功率，單位為瓦（W）；

圖1 傳統工頻電場校準裝置

圖2 GTEM小室結構

h—GTEM小室芯板和底板之間的距離，單位為米（m）。

3.1 系統搭建

結合工頻信號發生器，定向耦合器，EMI接收機和GTEM小室搭建工頻電場探頭校準系統。系統整體原理：信號發生器輸出工頻信號，經過定向耦合器輸入到GTEM小室，EMI接收機通過定向耦合器記錄GTEM小室接收到的凈功率，利用公式（3）計算GTEM小室內的電場強度。

嚴格來說，EMI接收機記錄GTEM小室輸入凈功率，但是由于工頻信號是極低頻信號，波長非常長，無需考慮傳輸線反射問題，保證信號發生器輸出阻抗和GTEM小室阻抗一致，那么，信號發生器輸出功率就是GTEM小室輸入凈功率。同時考慮到定向耦合器有較大衰減，而校準低強度電場所需信號較小，使用定向耦合器測量準確度不高。另外，定向耦合器常用于射頻電路，對于工頻這種極低頻信號，適用性不強。因此校準系統可以簡化為由工頻信號發生器和GTEM小室組成。

圖4 GTEM小室工頻電場探頭校準系統

圖6 校準系統試驗平臺搭建

3.2 系統驗證

德國Narda公司生產的EHP-50F低頻探頭測試頻率覆蓋1 Hz～400 kHz，且可選頻測量，電場強度測試范圍1 mV/m～100 kV/m。可使用EHP-50F對GTEM小室工頻電場探頭校準系統進行驗證。

利用瑞士TESEQ公司的GTEM 250小室和Keysight公司的33500B信號發生器搭建工頻電場探頭校準系統，并對系統進行驗證。系統校驗原理如圖5所示，將EHP-50F低頻探頭置于GTEM小室校準區域中間，開機后使探頭檢測頻率設置為50 Hz，觀察無信號輸入時低頻探頭工頻電場底噪。信號發生器設置輸出阻抗為50 Ω，輸出工頻信號，直至低頻探頭測量到的工頻電場明顯超過底噪，記錄電場強度和信號發生器的輸出功率。輸出不同信號強度，根據GTEM小室電場計算公式，驗證此校準系統。

圖5 校準系統校驗原理框圖

EHP-50F低頻探頭在GTEM小室內工頻電場底噪為（8～12）mV/m，信號發生器輸出至-35 dBm時可以明顯看到50 Hz頻點電場強度高于底噪，GTEM小室校準區域芯板到底板的距離為0.217 m，增大輸出功率，對比分析理論電場強度和實測電場強度。驗證結果見表1所示，選擇10個功率點測試，實測GTEM小室電場強度均在1 dB誤差范圍內。

表1 校準系統驗證結果

使用GTEM小室校準低電平工頻電場探頭，最低可以校準20 mV/m以下電場強度，且誤差也在1 dB允許范圍內。但需要注意，在低電平工頻電場校準過程中，探頭放置高度對測量結果影響很大，同時考慮到探頭會對GTEM小室內電磁場產生擾動現象，因此，被校探頭相對于GTEM小室測試區域盡可能小，尺寸應小于芯板到底板距離的10 %，以減小探頭校準不確定度。另外，GTEM小室的電場方向是由芯板到底板，可以通過翻轉電場探頭來校準其電場方向性。

4 結論

GTEM小室既是一個電場發生器，也是一個屏蔽體，無需天線即可產生均勻電場，根據理論推導，GTEM小室可以產生幾毫伏每米到幾百伏每米的電場強度，最高電場強度主要取決于小室最大可承受功率。溫濕度對工頻電場影響較大，GTEM小室體積小，對溫濕度控制的準確定和便捷性都很高。采用GTEM和信號發生器組成的工頻電場探頭校準系統，可以實現三維極化的工頻電場探頭的校準。