王淞宇 齊萬泉

（北京無線電計(jì)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(dá)裝備的廣泛應(yīng)用，裝備面臨的電磁環(huán)境場強(qiáng)愈來愈高。裝備外部射頻電磁輻射敏感性試驗(yàn)考核的場強(qiáng)環(huán)境要求也更高。電場探頭是測量場強(qiáng)環(huán)境的常用設(shè)備。電場探頭的校準(zhǔn)程度直接影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。目前，電場探頭的校準(zhǔn)主要參照IEEE1309—2013，標(biāo)準(zhǔn)中提出在1GHz以上主要利用標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線和微波暗室建立的校準(zhǔn)裝置開展電場探頭校準(zhǔn)［1］。這種方法對于電場探頭和標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭之間的對準(zhǔn)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(zhǔn)精度。目前基于微波暗室建立的場強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)最高達(dá)到200V/m。電場探頭的量程達(dá)到1000V/m，實(shí)際測試的環(huán)境場強(qiáng)也遠(yuǎn)高于200V/m。為了實(shí)現(xiàn)200V/m以上電場探頭校準(zhǔn)，理論上通過增加功率放大器的功率可以實(shí)現(xiàn)，但是造價(jià)昂貴，而且不斷增加功率放大器的功率并不現(xiàn)實(shí)。因此，需要開展高場強(qiáng)環(huán)境下的電場探頭校準(zhǔn)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(qiáng)等優(yōu)勢［2］［3］?；谏鲜鰞?yōu)勢，國外已經(jīng)開展利用混響室進(jìn)行電場探頭校準(zhǔn)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(zhǔn)的想法，介紹了利用混響室進(jìn)行電場探頭校準(zhǔn)的一些問題［4］。美國NIST與Liberty Labs，Inc合作，利用具有兩個(gè)攪拌器的混響室在18GHz～40GHz頻段同時(shí)對二十個(gè)電場探頭進(jìn)行了高場強(qiáng)環(huán)境下的校準(zhǔn)。本文主要研究基于混響室的電場探頭校準(zhǔn)方法，并與微波場強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)下的校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證校準(zhǔn)方法的可行性。

2 混響室場強(qiáng)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(gè)較大的工作區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生空間均勻、各向同性、隨機(jī)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(qiáng)無法通過理論計(jì)算出來［6］。但是，混響室在一個(gè)攪拌周期內(nèi)的平均場強(qiáng)具有一定的統(tǒng)計(jì)特性，該統(tǒng)計(jì)特性對于某個(gè)攪拌位置并不適用，也不具有任何意義。混響室一個(gè)攪拌周期內(nèi)單個(gè)軸向的平均場強(qiáng)可以通過式（1）計(jì)算［7］：

在混響室內(nèi)單個(gè)軸向的平均場強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)。

因此，混響室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)場的建立是基于一個(gè)攪拌周期內(nèi)的平均場強(qiáng)，通過記錄一個(gè)攪拌周期內(nèi)不同攪拌步進(jìn)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(qiáng)進(jìn)行定標(biāo)。

歸一化場強(qiáng)是混響室的重要指標(biāo)之一，混響室歸一化場強(qiáng)可以按照式（7）計(jì)算：

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

表1 不同頻率下混響室內(nèi)場強(qiáng)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(shí)現(xiàn)平均場強(qiáng)大于200V/m，最大場強(qiáng)甚至可以達(dá)到800V/m。因此，利用混響室實(shí)現(xiàn)高場強(qiáng)是可行的。

3 基于混響室的電場探頭校準(zhǔn)方法

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

圖1 電場探頭校準(zhǔn)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?yàn)?0cm×30cm×20cm，發(fā)射天線和接收天線選用ETS 3115雙脊喇叭天線，場強(qiáng)計(jì)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(zhǔn)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(zhǔn)時(shí)，校準(zhǔn)過程中接收天線和電場探頭應(yīng)同時(shí)置于校準(zhǔn)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(qiáng)定標(biāo)理論得到一個(gè)攪拌周期內(nèi)對應(yīng)攪拌步進(jìn)數(shù)的平均場強(qiáng)。同時(shí)，記錄電場探頭在一個(gè)攪拌周期內(nèi)對應(yīng)攪拌步進(jìn)數(shù)的平均指示值。為了驗(yàn)證該數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，200V/m以下采用與微波場強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比。根據(jù)混響室中定標(biāo)的場強(qiáng)，計(jì)算出在微波場強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)中產(chǎn)生該標(biāo)準(zhǔn)場強(qiáng)所需的功率。從而在微波場強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)中建立標(biāo)準(zhǔn)場強(qiáng)，并將場強(qiáng)探頭置于微波場強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)中，記錄讀數(shù)。校準(zhǔn)結(jié)果如圖4至圖6所示。

圖4 1GHz混響室內(nèi)和微波場強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)電場探頭校準(zhǔn)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(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)電場探頭校準(zhǔn)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(zhǔn)結(jié)果與微波場強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)中的校準(zhǔn)結(jié)果基本一致。兩者之間的偏差可以按式（8）計(jì)算：

式中：E1——混響室內(nèi)電場探頭校準(zhǔn)結(jié)果，V/m；E2——微波場強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)中電場探頭校準(zhǔn)結(jié)果，V/m。

根據(jù)式（8）計(jì)算出兩組校準(zhǔn)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(shí)偏差結(jié)果達(dá)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(yàn)、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(zhǔn)的原理、系統(tǒng)組成和校準(zhǔn)方法，在250V/m以下場強(qiáng)范圍內(nèi)對比了基于混響室和微波場強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)的電場探頭校準(zhǔn)結(jié)果，兩組校準(zhǔn)結(jié)果基本一致，偏差在3GHz達(dá)到最大為0．76dB。

因此，利用混響室開展電場探頭校準(zhǔn)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(jìn)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(jī)設(shè)計(jì)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(jiān)近．混響室的理論、設(shè)計(jì)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．