基于混响室的电场探头校准方法研究

王淞宇 齐万泉

（北京无线电计量测试研究所，北京 100039）

1 引 言

随着信息技术的高速发展以及大功率雷达装备的广泛应用，装备面临的电磁环境场强愈来愈高。装备外部射频电磁辐射敏感性试验考核的场强环境要求也更高。电场探头是测量场强环境的常用设备。电场探头的校准程度直接影响试验数据采集的准确性。目前，电场探头的校准主要参照IEEE1309—2013，标准中提出在1GHz以上主要利用标准增益喇叭天线和微波暗室建立的校准装置开展电场探头校准［1］。这种方法对于电场探头和标准增益喇叭之间的对准位置要求很高，而且微波暗室内的一些不必要的反射都会影响电场探头校准精度。目前基于微波暗室建立的场强标准最高达到200V/m。电场探头的量程达到1000V/m，实际测试的环境场强也远高于200V/m。为了实现200V/m以上电场探头校准，理论上通过增加功率放大器的功率可以实现，但是造价昂贵，而且不断增加功率放大器的功率并不现实。因此，需要开展高场强环境下的电场探头校准方法研究。

混响室作为一种新型的电磁兼容测试场地，相比于传统的测试场地，具有测试频带宽、重复性好以及在测试过程中采用合适功率产生较高场强等优势［2］［3］。基于上述优势，国外已经开展利用混响室进行电场探头校准的研究。Dennis Lewis和John Ladbury最早提出利用混响室开展电场探头校准的想法，介绍了利用混响室进行电场探头校准的一些问题［4］。美国NIST与Liberty Labs，Inc合作，利用具有两个搅拌器的混响室在18GHz～40GHz频段同时对二十个电场探头进行了高场强环境下的校准。本文主要研究基于混响室的电场探头校准方法，并与微波场强标准下的校准结果进行对比分析，验证校准方法的可行性。

2 混响室场强定标理论

混响室本身是装有搅拌器的屏蔽腔体。混响室主要是利用谐振腔原理，通过搅拌器的不断动作改变腔体内的电磁边界条件，从而使屏蔽腔体内的场分布特性不断发生变化，在一个较大的工作区域内产生空间均匀、各向同性、随机极化的电磁环境［5］。

混响室内某一搅拌器位置下的场强无法通过理论计算出来［6］。但是，混响室在一个搅拌周期内的平均场强具有一定的统计特性，该统计特性对于某个搅拌位置并不适用，也不具有任何意义。混响室一个搅拌周期内单个轴向的平均场强可以通过式（1）计算［7］：

在混响室内单个轴向的平均场强满足χ2分布，即瑞利分布：

χ6分布条件下的平均值为15σ因此，综合场强的平均值可以表示为［8］：

将式（1）代入式（5），得到式（6）：

从式（6）中可见，混响室内的平均场强与平均接收功率成正比。得到平均接收功率即可以得到平均场强。

因此，混响室内标准场的建立是基于一个搅拌周期内的平均场强，通过记录一个搅拌周期内不同搅拌步进下的接收功率，按照式（6）对混响室工作区域内的平均场强进行定标。

归一化场强是混响室的重要指标之一，混响室归一化场强可以按照式（7）计算：

利用归一化场强结果可以计算实际能够达到的场强。针对现有的1．5m×1m×0．8m混响室计算归一化场强，见表1。

表1 不同频率下混响室内场强与输入功率的关系Tab.1 Realationship between input power and E-field in reverberation chamber at different frequencies

从表1中可见，使用20W的功率放大器，可以在混响室内实现平均场强大于200V/m，最大场强甚至可以达到800V/m。因此，利用混响室实现高场强是可行的。

3 基于混响室的电场探头校准方法

基于混响室开展电场探头校准时，校准过程中将接收天线和电场探头同时置于校准区域内。利用接收天线测量一个搅拌周期内的平均接收功率，按照公式（6）实现对混响室内平均场强的定标。对比电场探头的平均场强指示结果，得出校准因子。基于混响室的电场探头校准系统如图1所示。

图1 电场探头校准系统组成Fig.1 The composition of the calibration system for E-field probe

利用现有的1．5m×1．0m×0．8m混响室，工作区域为30cm×30cm×20cm，发射天线和接收天线选用ETS 3115双脊喇叭天线，场强计选取HI6100，电场探头选用HI6053，具体设备连接图如图2所示，接收天线和电场探头布置如图3所示。

图2 校准设备连接图Fig.2 Calibration equipment connection diagram

图3 电场探头和接收天线布局图Fig.3 The layout of E-field probe and antenna

4 测量结果分析

基于混响室开展电场探头校准时，校准过程中接收天线和电场探头应同时置于校准区域内，具体布置如图3所示。利用接收天线按照混响室内的场强定标理论得到一个搅拌周期内对应搅拌步进数的平均场强。同时，记录电场探头在一个搅拌周期内对应搅拌步进数的平均指示值。为了验证该数据的准确性，200V/m以下采用与微波场强标准进行对比。根据混响室中定标的场强，计算出在微波场强标准中产生该标准场强所需的功率。从而在微波场强标准中建立标准场强，并将场强探头置于微波场强标准中，记录读数。校准结果如图4至图6所示。

图4 1GHz混响室内和微波场强标准内电场探头校准结果对比Fig.4 E-fieldamplitudescomparebetweenreverberation chamber and anechoic chamber at 1GHz

图6 18GH混响室内和微波场强标准内电场探头校准结果对比Fig.6 E-fieldamplitudescomparebetweenreverberation chamber and anechoic chamber at 18GHz

由测试结果可见，混响室中的电场探头校准结果与微波场强标准中的校准结果基本一致。两者之间的偏差可以按式（8）计算：

式中：E1——混响室内电场探头校准结果，V/m；E2——微波场强标准中电场探头校准结果，V/m。

根据式（8）计算出两组校准结果的偏差，偏差结果在（0．14～0．76）dB范围内，其中在3GHz时偏差结果达到最大0．76dB。

5 结束语

混响室在电磁兼容领域具有多种应用，包括辐射敏感性试验、屏蔽效能测试等。本文主要介绍基于混响室开展电场探头校准的原理、系统组成和校准方法，在250V/m以下场强范围内对比了基于混响室和微波场强标准的电场探头校准结果，两组校准结果基本一致，偏差在3GHz达到最大为0．76dB。

因此，利用混响室开展电场探头校准是可行的。

［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］张林昌．混响室及其进展（上）［J］．安全与电磁兼容，2001．4．

［3］梁小亮．电磁兼容混响室发展及应用综述［J］．民用飞机设计与研究，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］王国庆，程二威．电波混响室理论与应用［M］．国防工业出版社，2013．

［6］丁坚近．混响室的理论、设计和测试［D］．博士论文．北京交通大学．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．