黎亮文，徐文娟，史云雷，邵鄂，李帥男，李宣毅，劉斌輝

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所, 廣州 511370；2.智能產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)與可靠性保障技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州 511370）

引言

工頻電場(chǎng)是指交流電壓工作頻率的電場(chǎng)強(qiáng)度，我國(guó)電力系統(tǒng)的供電頻率為50 Hz，工頻電場(chǎng)即為50 Hz的電場(chǎng)。工頻電場(chǎng)測(cè)量應(yīng)用廣泛，尤其是在電力系統(tǒng)、電磁兼容和生物效應(yīng)等領(lǐng)域，具有重要意義[1]。隨著現(xiàn)今社會(huì)對(duì)環(huán)境電磁輻射危害的重視，工頻電場(chǎng)也越來(lái)越受到關(guān)注。

測(cè)量工頻電場(chǎng)主要使用工具為工頻電場(chǎng)探頭或工頻電場(chǎng)測(cè)量?jī)x，兩者原理相同，均是利用電場(chǎng)傳感器測(cè)量，轉(zhuǎn)成電信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理分析還原電場(chǎng)強(qiáng)度。為保證工頻電場(chǎng)測(cè)量準(zhǔn)確可靠，工頻電場(chǎng)探頭或工頻電場(chǎng)測(cè)量?jī)x必須定期進(jìn)行校準(zhǔn)。目前國(guó)內(nèi)工頻電場(chǎng)探頭校準(zhǔn)方法，多數(shù)適用于高電場(chǎng)強(qiáng)度（10 V/m以上），而低電平電場(chǎng)強(qiáng)度（mV/m級(jí)別）校準(zhǔn)誤差較大。本文采用GTEM小室和低頻信號(hào)發(fā)生器，介紹一種低電場(chǎng)強(qiáng)度工頻電場(chǎng)探頭校準(zhǔn)方法，并對(duì)此校準(zhǔn)方法進(jìn)行驗(yàn)證。

1 工頻電場(chǎng)探頭校準(zhǔn)裝置

傳統(tǒng)工頻電場(chǎng)探頭校準(zhǔn)裝置原理是施加一定電壓到平行板上，使其產(chǎn)生均勻電場(chǎng)，根據(jù)電場(chǎng)公式計(jì)算工頻電場(chǎng)探頭校準(zhǔn)區(qū)域中的電場(chǎng)，對(duì)比工頻電場(chǎng)探頭顯示數(shù)值，得出校正系數(shù)。平行板間電場(chǎng)強(qiáng)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(yīng)，需要平行板的間距相對(duì)板的尺寸足夠小，以便產(chǎn)生用于校準(zhǔn)大小和方向已知的均勻場(chǎng)區(qū)域[2]，同時(shí)，被校探頭尺寸相對(duì)于平行板尺寸盡可能小，才能忽略探頭置于電場(chǎng)中對(duì)電場(chǎng)的影響，因此，工頻電場(chǎng)校準(zhǔn)裝置尺寸往往較大。

尺寸過(guò)大的校準(zhǔn)裝置存在明顯缺點(diǎn)，公式（2）是平板電容計(jì)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(qū)動(dòng)從而產(chǎn)生高電場(chǎng)強(qiáng)度。另外，平行板尺寸大屏蔽困難，建造屏蔽外殼造價(jià)高，以至于校準(zhǔn)裝置無(wú)法屏蔽外界信號(hào)，校準(zhǔn)低電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)容易受到周圍工頻環(huán)境影響。

2 GTEM小室

GTEM小室是采用同軸及非對(duì)稱矩形傳輸線設(shè)計(jì)原理，整體外形設(shè)計(jì)為劈尖形狀，以避免內(nèi)部電磁波產(chǎn)生發(fā)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(duì)稱矩形結(jié)構(gòu)[3]。芯板延伸至后蓋板，使用50 Ω負(fù)載作為阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，芯板和底板之間形成矩形均勻電場(chǎng)區(qū)域，可以用于電磁兼容輻射騷擾發(fā)射和輻射抗擾度的測(cè)試。

GTEM可用頻率范圍取決于GTEM的橫截面積尺寸和長(zhǎng)度，頻率范圍常見(jiàn)為直流到GHz級(jí)別。小室內(nèi)部電場(chǎng)分布如圖3所示[4]，3 dB區(qū)域?yàn)闇y(cè)試區(qū)域，電磁兼容測(cè)試在此區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，1 dB區(qū)域?yàn)楦邷?zhǔn)確區(qū)，誤差很小，可以用作探頭校準(zhǔn)[5]。

圖3 GTEM室最大開(kāi)口處場(chǎng)分布示意圖

3 工頻電場(chǎng)探頭GTEM小室校準(zhǔn)法

GTEM小室校準(zhǔn)區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)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(tǒng)工頻電場(chǎng)校準(zhǔn)裝置

圖2 GTEM小室結(jié)構(gòu)

h—GTEM小室芯板和底板之間的距離，單位為米（m）。

3.1 系統(tǒng)搭建

結(jié)合工頻信號(hào)發(fā)生器，定向耦合器，EMI接收機(jī)和GTEM小室搭建工頻電場(chǎng)探頭校準(zhǔn)系統(tǒng)。系統(tǒng)整體原理：信號(hào)發(fā)生器輸出工頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)定向耦合器輸入到GTEM小室，EMI接收機(jī)通過(guò)定向耦合器記錄GTEM小室接收到的凈功率，利用公式（3）計(jì)算GTEM小室內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度。

嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，EMI接收機(jī)記錄GTEM小室輸入凈功率，但是由于工頻信號(hào)是極低頻信號(hào)，波長(zhǎng)非常長(zhǎng)，無(wú)需考慮傳輸線反射問(wèn)題，保證信號(hào)發(fā)生器輸出阻抗和GTEM小室阻抗一致，那么，信號(hào)發(fā)生器輸出功率就是GTEM小室輸入凈功率。同時(shí)考慮到定向耦合器有較大衰減，而校準(zhǔn)低強(qiáng)度電場(chǎng)所需信號(hào)較小，使用定向耦合器測(cè)量準(zhǔn)確度不高。另外，定向耦合器常用于射頻電路，對(duì)于工頻這種極低頻信號(hào)，適用性不強(qiáng)。因此校準(zhǔn)系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化為由工頻信號(hào)發(fā)生器和GTEM小室組成。

圖4 GTEM小室工頻電場(chǎng)探頭校準(zhǔn)系統(tǒng)

圖6 校準(zhǔn)系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)搭建

3.2 系統(tǒng)驗(yàn)證

德國(guó)Narda公司生產(chǎn)的EHP-50F低頻探頭測(cè)試頻率覆蓋1 Hz～400 kHz，且可選頻測(cè)量，電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)試范圍1 mV/m～100 kV/m。可使用EHP-50F對(duì)GTEM小室工頻電場(chǎng)探頭校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。

利用瑞士TESEQ公司的GTEM 250小室和Keysight公司的33500B信號(hào)發(fā)生器搭建工頻電場(chǎng)探頭校準(zhǔn)系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。系統(tǒng)校驗(yàn)原理如圖5所示，將EHP-50F低頻探頭置于GTEM小室校準(zhǔn)區(qū)域中間，開(kāi)機(jī)后使探頭檢測(cè)頻率設(shè)置為50 Hz，觀察無(wú)信號(hào)輸入時(shí)低頻探頭工頻電場(chǎng)底噪。信號(hào)發(fā)生器設(shè)置輸出阻抗為50 Ω，輸出工頻信號(hào)，直至低頻探頭測(cè)量到的工頻電場(chǎng)明顯超過(guò)底噪，記錄電場(chǎng)強(qiáng)度和信號(hào)發(fā)生器的輸出功率。輸出不同信號(hào)強(qiáng)度，根據(jù)GTEM小室電場(chǎng)計(jì)算公式，驗(yàn)證此校準(zhǔn)系統(tǒng)。

圖5 校準(zhǔn)系統(tǒng)校驗(yàn)原理框圖

EHP-50F低頻探頭在GTEM小室內(nèi)工頻電場(chǎng)底噪為（8～12）mV/m，信號(hào)發(fā)生器輸出至-35 dBm時(shí)可以明顯看到50 Hz頻點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度高于底噪，GTEM小室校準(zhǔn)區(qū)域芯板到底板的距離為0.217 m，增大輸出功率，對(duì)比分析理論電場(chǎng)強(qiáng)度和實(shí)測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度。驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表1所示，選擇10個(gè)功率點(diǎn)測(cè)試，實(shí)測(cè)GTEM小室電場(chǎng)強(qiáng)度均在1 dB誤差范圍內(nèi)。

表1 校準(zhǔn)系統(tǒng)驗(yàn)證結(jié)果

使用GTEM小室校準(zhǔn)低電平工頻電場(chǎng)探頭，最低可以校準(zhǔn)20 mV/m以下電場(chǎng)強(qiáng)度，且誤差也在1 dB允許范圍內(nèi)。但需要注意，在低電平工頻電場(chǎng)校準(zhǔn)過(guò)程中，探頭放置高度對(duì)測(cè)量結(jié)果影響很大，同時(shí)考慮到探頭會(huì)對(duì)GTEM小室內(nèi)電磁場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)現(xiàn)象，因此，被校探頭相對(duì)于GTEM小室測(cè)試區(qū)域盡可能小，尺寸應(yīng)小于芯板到底板距離的10 %，以減小探頭校準(zhǔn)不確定度。另外，GTEM小室的電場(chǎng)方向是由芯板到底板，可以通過(guò)翻轉(zhuǎn)電場(chǎng)探頭來(lái)校準(zhǔn)其電場(chǎng)方向性。

4 結(jié)論

GTEM小室既是一個(gè)電場(chǎng)發(fā)生器，也是一個(gè)屏蔽體，無(wú)需天線即可產(chǎn)生均勻電場(chǎng)，根據(jù)理論推導(dǎo)，GTEM小室可以產(chǎn)生幾毫伏每米到幾百伏每米的電場(chǎng)強(qiáng)度，最高電場(chǎng)強(qiáng)度主要取決于小室最大可承受功率。溫濕度對(duì)工頻電場(chǎng)影響較大，GTEM小室體積小，對(duì)溫濕度控制的準(zhǔn)確定和便捷性都很高。采用GTEM和信號(hào)發(fā)生器組成的工頻電場(chǎng)探頭校準(zhǔn)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)三維極化的工頻電場(chǎng)探頭的校準(zhǔn)。