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

隨著信息技術的高速發(fā)展以及大功率雷達裝備的廣泛應用，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)境的常用設備。電場探頭的校準程度直接影響試驗數據采集的準確性。目前，電場探頭的校準主要參照IEEE1309—2013，標準中提出在1GHz以上主要利用標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準增益喇叭之間的對準位置要求很高，而且微波暗室內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，但是造價昂貴，而且不斷增加功率放大器的功率并不現實。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，相比于傳統的測試場地，具有測試頻帶寬、重復性好以及在測試過程中采用合適功率產生較高場強等優(yōu)勢［2］［3］?；谏鲜鰞?yōu)勢，國外已經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，并與微波場強標準下的校準結果進行對比分析，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的電磁邊界條件，從而使屏蔽腔體內的場分布特性不斷發(fā)生變化，在一個較大的工作區(qū)域內產生空間均勻、各向同性、隨機極化的電磁環(huán)境［5］。

混響室內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的平均場強具有一定的統計特性，該統計特性對于某個攪拌位置并不適用，也不具有任何意義?；祉懯乙粋€攪拌周期內單個軸向的平均場強可以通過式（1）計算［7］：

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

歸一化場強是混響室的重要指標之一，混響室歸一化場強可以按照式（7）計算：

利用歸一化場強結果可以計算實際能夠達到的場強。針對現有的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場強與輸入功率的關系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，可以在混響室內實現平均場強大于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。利用接收天線測量一個攪拌周期內的平均接收功率，按照公式（6）實現對混響室內平均場強的定標。對比電場探頭的平均場強指示結果，得出校準因子?；诨祉懯业碾妶鎏筋^校準系統如圖1所示。

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

利用現有的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同時置于校準區(qū)域內，具體布置如圖3所示。利用接收天線按照混響室內的場強定標理論得到一個攪拌周期內對應攪拌步進數的平均場強。同時，記錄電場探頭在一個攪拌周期內對應攪拌步進數的平均指示值。為了驗證該數據的準確性，200V/m以下采用與微波場強標準進行對比。根據混響室中定標的場強，計算出在微波場強標準中產生該標準場強所需的功率。從而在微波場強標準中建立標準場強，并將場強探頭置于微波場強標準中，記錄讀數。校準結果如圖4至圖6所示。

圖4 1GHz混響室內和微波場強標準內電場探頭校準結果對比Fig.4 E-fieldamplitudescomparebetweenreverberation chamber and anechoic chamber at 1GHz

圖6 18GH混響室內和微波場強標準內電場探頭校準結果對比Fig.6 E-fieldamplitudescomparebetweenreverberation chamber and anechoic chamber at 18GHz

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

式中：E1——混響室內電場探頭校準結果，V/m；E2——微波場強標準中電場探頭校準結果，V/m。

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

5 結束語

混響室在電磁兼容領域具有多種應用，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、系統組成和校準方法，在250V/m以下場強范圍內對比了基于混響室和微波場強標準的電場探頭校準結果，兩組校準結果基本一致，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)展及應用綜述［J］．民用飛機設計與研究，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用［M］．國防工業(yè)出版社，2013．

［6］丁堅近．混響室的理論、設計和測試［D］．博士論文．北京交通大學．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．