电磁脉冲电场探头转换系数的校准

刘 阳 韩玉峰

（北京无线电计量测试研究所，北京100039）

1 引 言

随着电磁兼容试验的广泛开展，电磁脉冲对电子设备的影响越来越引起人们的重视。 电磁脉冲是设备的威胁电磁环境，在试验考核中，部分设备已将电磁脉冲试验纳入考核项目。 许多实验室建立了电磁脉冲试验系统。 系统中配备的电磁脉冲电场探头是电磁脉冲电场测量的基本设备，和接收设备一起构成电磁脉冲电场测量系统，其中探头系数的准确性是电磁脉冲电场测量结果准确性的基础，各单位的校准结果一致性和准确性是保证电磁脉冲防护试验结果有效性的必备条件，因此探头系数的准确校准是非常重要的［1，2］。

2 校准原理

电磁脉冲电场探头的转换系数（校准因子）定义为

式中：K——探头的转换系数，（kV／m）／mV；E——电场强度的最大值，kV／m；U——接收电压的最大值，mV。

由式（1）可知，只要确定了转换系数K 值，就可通过测得的电压值得到被测的脉冲场强。

通常探头转换系数的校准方法大致有两类：标准场法和标准天线法［3，4］。 标准天线法是由一个参数可以准确预知的天线或探头，通过比较测量来校准被校探头。 标准场法是建立一个可以准确确定的场用于校准，直接利用定义式即可得到电磁脉冲电场探头的转换系数。

目前各实验室的校准方法多是参考现有天线或探头的校准方案，即多是采用标准场的方法进行校准。 而国内外建立的场强标准通常是连续波的场强标准装置，探头的校准也是在连续波的条件下进行校准的，局限于实验室条件，校准场强也偏低。而一般核电磁脉冲敏感度测试项目中电磁脉冲电场探头是工作在几十千伏每米的脉冲场下的。 由于电磁脉冲电场探头对不同频率、不同幅值的瞬态电磁场信号的处理能力存在一定差异，在不同波形指标的电场信号下的转换系数也不完全相同，因此，低场强连续波条件下的校准系数，无法满足测试时的使用需要［5］。

为了保证校准结果的准确统一，采用符合实际测试需求的波形曲线校准探头系数，以减小探头系数不准给瞬态电磁场测量结果准确性带来的影响。采用标准场法，选用了可产生指定脉冲波形的瞬态脉冲信号发生器以及与之配套使用的横电磁波室，产生一个与试验要求相符的脉冲波形。 利用标准场对电磁脉冲电场探头的转换系数进行校准。

3 校准装置

电磁脉冲电场探头校准装置主要由高压脉冲源、横电磁波室、示波器以及衰减器等部分组成。校准系统原理图如图1所示，高压脉冲源是采用Marx 发生器产生高电压脉冲信号，横电磁波室作为场强产生装置，示波器用来测量脉冲波形参数。 校准系统框图如图2所示。

图1 系统原理示意图Fig.1 System principle diagram

图2 校准系统示意图Fig.2 Schematic diagram of calibration system

校准系统包含的主要设备有瞬态脉冲信号发生器、横电磁波室、衰减器、示波器等。 瞬态脉冲信号发生器产生一个如图3所示的双指数脉冲信号［6］，在横电磁波室中产生脉冲电磁场。 示波器用于测量脉冲电压。

图3 脉冲波形示意图Fig.3 Pulse waveform

上述波形应满足以下技术指标：

脉冲型式：双指数型；

输出峰值场强：≥50kV／m；

脉冲上升时间：1.8ns≤tr≤2.8ns；

脉冲持续时间：≥20ns。

经过计算，可得到以下时域参数：

上升时间（10% ～90%）：2.47ns；

脉冲宽度（50% ～50%）：22.978 9ns；

峰值场强：50kV／m；

最大峰值时刻：4.835 8ns。

对脉冲波形做谱分析，其傅立叶变换为

密度谱曲线如图4所示。 其幅度在200MHz衰减到峰值的18.8%，在300MHz 衰减到峰值的12.0%，在500MHz 衰减到峰值的6.2%。 其幅度的分布见表1。

图4 密度谱曲线图Fig.4 Power density spectrum

表1 幅度分布表Tab.1 Amplitude distribution

能量（功率）谱分布百分比为

能量（功率）谱曲线如图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%。 其分布见表2。

图5 能量谱曲线图Fig.5 Energy spectrum

表2 能量分布表Tab.2 Energy distribution

通过对上述信号幅度谱和能量谱的分析，如系统按500MHz 带宽设计，引入的附加上升时间为0.7ns，对脉冲前沿测量的误差小于4%，可以满足测试要求。

因此，整个校准系统按照500MHz 带宽进行设计，包括示波器的选取以及横电磁波室的带宽设计。

4 校准方法

电磁脉冲电场探头为微分探头，测得的微分信号需要通过积分器还原成完整的原始时域信号，因此，校准的转换系数是电磁脉冲电场探头连同配套积分器一同使用时的转换系数，送校时应将探头及配套积分器一同送校，才能保证校准结果的准确性。

校准时按图2 连接仪器，示波器输入阻抗设置为高阻。 将被校探头放置于横电磁波室有效测试区的中心，如图6所示，并保证探头极化方向与电场方向一致。 若被校探头为地探头，应将探头放置于横电磁波小室的下极板上，确保探头底面与极板接触良好。 若被校探头为空间探头，应使用对电磁场影响尽可能小的介质材料支撑探头，并保证探头处于有效测试区的中间位置，如图7所示。

图6 场探头位置（俯视）示意图Fig.6 Setup for Plan view

图7 场探头位置（正视）示意图Fig.7 Setup for EMP D-dot Sensor／Probe（Front View）

设置瞬态脉冲信号发生器的输出参数，输出一个单脉冲，读取示波器通道1 上输出波形的峰值电压、上升时间及脉冲宽度，按式（5）计算横电磁波小室中的场强值［7，8］，确认场强幅度、上升时间、脉冲宽度满足波形指标要求

式中：E（t）——横电磁波小室中的电场强度，kV／m；U1（t）——示波器通道1 中读取到的电压峰值，V；A——衰减器及电缆衰减量，dB；D——横电磁波小室高度，m。

使瞬态脉冲信号发生器输出一个单脉冲，记录示波器通道1 采集到的脉冲波形的峰值电压U1及通道2 采集到的脉冲波形的峰值电压U2。 按式（5）计算横电磁波小室中的标准场强值E；按式（6）计算探头转换系数

式中：K——探头转换系数，（kV／m）／mV；E——电场强度峰值，kV／m；U2——接收电压峰值，mV。

最终转换系数取多次测量的平均值［9］。

5 试验结果

为了满足试验中对不同幅值脉冲试验的需求，需要在指定场强幅值范围内对探头的转换系数进行校准。 以确保探头在不同场强条件下使用时，可选择准确的、有针对性的转换系数。 例如军标试验中要求先施加确定脉冲幅值的10%，然后分两到三次增加到50kV／m，因此探头转换系数的场强幅度范围选择了从5kV／m 到50kV／m，每5kV／m 为间隔进行校准试验，试验数据见表3。

表3 不同场强下转换系数校准数据Tab.3 Calibration data in different fields

由表3 可以看出，同一场强探头在不同电场强度下，探头系数确实存在一定差距，因此，利用实际实验脉冲波形对探头进行校准十分必要。

6 结束语

通过大量试验验证和出厂系数、理论计算值的比对验证等，结果显示利用TEM 室校准电磁脉冲电场探头的校准方法有效可靠，可满足RS105 项目中使用的脉冲探头的校准需求，为规范各实验室的测试设备使用、保证军用装备试验结果的一致性提供了技术依据。