劉 陽 韓玉峰

（北京無線電計(jì)量測試研究所，北京100039）

1 引 言

隨著電磁兼容試驗(yàn)的廣泛開展，電磁脈沖對電子設(shè)備的影響越來越引起人們的重視。 電磁脈沖是設(shè)備的威脅電磁環(huán)境，在試驗(yàn)考核中，部分設(shè)備已將電磁脈沖試驗(yàn)納入考核項(xiàng)目。 許多實(shí)驗(yàn)室建立了電磁脈沖試驗(yàn)系統(tǒng)。 系統(tǒng)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(shè)備，和接收設(shè)備一起構(gòu)成電磁脈沖電場測量系統(tǒng)，其中探頭系數(shù)的準(zhǔn)確性是電磁脈沖電場測量結(jié)果準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)，各單位的校準(zhǔn)結(jié)果一致性和準(zhǔn)確性是保證電磁脈沖防護(hù)試驗(yàn)結(jié)果有效性的必備條件，因此探頭系數(shù)的準(zhǔn)確校準(zhǔn)是非常重要的［1，2］。

2 校準(zhǔn)原理

電磁脈沖電場探頭的轉(zhuǎn)換系數(shù)（校準(zhǔn)因子）定義為

式中：K——探頭的轉(zhuǎn)換系數(shù)，（kV／m）／mV；E——電場強(qiáng)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(zhuǎn)換系數(shù)K 值，就可通過測得的電壓值得到被測的脈沖場強(qiáng)。

通常探頭轉(zhuǎn)換系數(shù)的校準(zhǔn)方法大致有兩類：標(biāo)準(zhǔn)場法和標(biāo)準(zhǔn)天線法［3，4］。 標(biāo)準(zhǔn)天線法是由一個(gè)參數(shù)可以準(zhǔn)確預(yù)知的天線或探頭，通過比較測量來校準(zhǔn)被校探頭。 標(biāo)準(zhǔn)場法是建立一個(gè)可以準(zhǔn)確確定的場用于校準(zhǔn)，直接利用定義式即可得到電磁脈沖電場探頭的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

目前各實(shí)驗(yàn)室的校準(zhǔn)方法多是參考現(xiàn)有天線或探頭的校準(zhǔn)方案，即多是采用標(biāo)準(zhǔn)場的方法進(jìn)行校準(zhǔn)。 而國內(nèi)外建立的場強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)通常是連續(xù)波的場強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)裝置，探頭的校準(zhǔn)也是在連續(xù)波的條件下進(jìn)行校準(zhǔn)的，局限于實(shí)驗(yàn)室條件，校準(zhǔn)場強(qiáng)也偏低。而一般核電磁脈沖敏感度測試項(xiàng)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(tài)電磁場信號的處理能力存在一定差異，在不同波形指標(biāo)的電場信號下的轉(zhuǎn)換系數(shù)也不完全相同，因此，低場強(qiáng)連續(xù)波條件下的校準(zhǔn)系數(shù)，無法滿足測試時(shí)的使用需要［5］。

為了保證校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確統(tǒng)一，采用符合實(shí)際測試需求的波形曲線校準(zhǔn)探頭系數(shù)，以減小探頭系數(shù)不準(zhǔn)給瞬態(tài)電磁場測量結(jié)果準(zhǔn)確性帶來的影響。采用標(biāo)準(zhǔn)場法，選用了可產(chǎn)生指定脈沖波形的瞬態(tài)脈沖信號發(fā)生器以及與之配套使用的橫電磁波室，產(chǎn)生一個(gè)與試驗(yàn)要求相符的脈沖波形。 利用標(biāo)準(zhǔn)場對電磁脈沖電場探頭的轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。

3 校準(zhǔn)裝置

電磁脈沖電場探頭校準(zhǔn)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(zhǔn)系統(tǒng)原理圖如圖1所示，高壓脈沖源是采用Marx 發(fā)生器產(chǎn)生高電壓脈沖信號，橫電磁波室作為場強(qiáng)產(chǎn)生裝置，示波器用來測量脈沖波形參數(shù)。 校準(zhǔn)系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)原理示意圖Fig.1 System principle diagram

圖2 校準(zhǔn)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of calibration system

校準(zhǔn)系統(tǒng)包含的主要設(shè)備有瞬態(tài)脈沖信號發(fā)生器、橫電磁波室、衰減器、示波器等。 瞬態(tài)脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)如圖3所示的雙指數(shù)脈沖信號［6］，在橫電磁波室中產(chǎn)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(yīng)滿足以下技術(shù)指標(biāo)：

脈沖型式：雙指數(shù)型；

輸出峰值場強(qiáng)：≥50kV／m；

脈沖上升時(shí)間：1.8ns≤tr≤2.8ns；

脈沖持續(xù)時(shí)間：≥20ns。

經(jīng)過計(jì)算，可得到以下時(shí)域參數(shù)：

上升時(shí)間（10% ～90%）：2.47ns；

脈沖寬度（50% ～50%）：22.978 9ns；

峰值場強(qiáng)：50kV／m；

最大峰值時(shí)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(tǒng)按500MHz 帶寬設(shè)計(jì)，引入的附加上升時(shí)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(gè)校準(zhǔn)系統(tǒng)按照500MHz 帶寬進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括示波器的選取以及橫電磁波室的帶寬設(shè)計(jì)。

4 校準(zhǔn)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(shí)域信號，因此，校準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換系數(shù)是電磁脈沖電場探頭連同配套積分器一同使用時(shí)的轉(zhuǎn)換系數(shù)，送校時(shí)應(yīng)將探頭及配套積分器一同送校，才能保證校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

校準(zhǔn)時(shí)按圖2 連接儀器，示波器輸入阻抗設(shè)置為高阻。 將被校探頭放置于橫電磁波室有效測試區(qū)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(yīng)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(yīng)使用對電磁場影響盡可能小的介質(zhì)材料支撐探頭，并保證探頭處于有效測試區(qū)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(shè)置瞬態(tài)脈沖信號發(fā)生器的輸出參數(shù)，輸出一個(gè)單脈沖，讀取示波器通道1 上輸出波形的峰值電壓、上升時(shí)間及脈沖寬度，按式（5）計(jì)算橫電磁波小室中的場強(qiáng)值［7，8］，確認(rèn)場強(qiáng)幅度、上升時(shí)間、脈沖寬度滿足波形指標(biāo)要求

式中：E（t）——橫電磁波小室中的電場強(qiáng)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(tài)脈沖信號發(fā)生器輸出一個(gè)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(jì)算橫電磁波小室中的標(biāo)準(zhǔn)場強(qiáng)值E；按式（6）計(jì)算探頭轉(zhuǎn)換系數(shù)

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

最終轉(zhuǎn)換系數(shù)取多次測量的平均值［9］。

5 試驗(yàn)結(jié)果

為了滿足試驗(yàn)中對不同幅值脈沖試驗(yàn)的需求，需要在指定場強(qiáng)幅值范圍內(nèi)對探頭的轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。 以確保探頭在不同場強(qiáng)條件下使用時(shí)，可選擇準(zhǔn)確的、有針對性的轉(zhuǎn)換系數(shù)。 例如軍標(biāo)試驗(yàn)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(zhuǎn)換系數(shù)的場強(qiáng)幅度范圍選擇了從5kV／m 到50kV／m，每5kV／m 為間隔進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同場強(qiáng)下轉(zhuǎn)換系數(shù)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)Tab.3 Calibration data in different fields

由表3 可以看出，同一場強(qiáng)探頭在不同電場強(qiáng)度下，探頭系數(shù)確實(shí)存在一定差距，因此，利用實(shí)際實(shí)驗(yàn)脈沖波形對探頭進(jìn)行校準(zhǔn)十分必要。

6 結(jié)束語

通過大量試驗(yàn)驗(yàn)證和出廠系數(shù)、理論計(jì)算值的比對驗(yàn)證等，結(jié)果顯示利用TEM 室校準(zhǔn)電磁脈沖電場探頭的校準(zhǔn)方法有效可靠，可滿足RS105 項(xiàng)目中使用的脈沖探頭的校準(zhǔn)需求，為規(guī)范各實(shí)驗(yàn)室的測試設(shè)備使用、保證軍用裝備試驗(yàn)結(jié)果的一致性提供了技術(shù)依據(jù)。