一种低电平工频电场探头的校准方法

黎亮文，徐文娟，史云雷，邵鄂，李帅男，李宣毅，刘斌辉

（1.工业和信息化部电子第五研究所, 广州 511370；2.智能产品质量评价与可靠性保障技术工业和信息化部重点实验室, 广州 511370）

引言

工频电场是指交流电压工作频率的电场强度，我国电力系统的供电频率为50 Hz，工频电场即为50 Hz的电场。工频电场测量应用广泛，尤其是在电力系统、电磁兼容和生物效应等领域，具有重要意义[1]。随着现今社会对环境电磁辐射危害的重视，工频电场也越来越受到关注。

测量工频电场主要使用工具为工频电场探头或工频电场测量仪，两者原理相同，均是利用电场传感器测量，转成电信号，通过数据处理分析还原电场强度。为保证工频电场测量准确可靠，工频电场探头或工频电场测量仪必须定期进行校准。目前国内工频电场探头校准方法，多数适用于高电场强度（10 V/m以上），而低电平电场强度（mV/m级别）校准误差较大。本文采用GTEM小室和低频信号发生器，介绍一种低电场强度工频电场探头校准方法，并对此校准方法进行验证。

1 工频电场探头校准装置

传统工频电场探头校准装置原理是施加一定电压到平行板上，使其产生均匀电场，根据电场公式计算工频电场探头校准区域中的电场，对比工频电场探头显示数值，得出校正系数。平行板间电场强度大小由公式（1）确定。

式中：

U—两板间电压，单位为伏（V）；

d—平行板距离，单位为米（m）。

为避免平行板的边缘效应，需要平行板的间距相对板的尺寸足够小，以便产生用于校准大小和方向已知的均匀场区域[2]，同时，被校探头尺寸相对于平行板尺寸尽可能小，才能忽略探头置于电场中对电场的影响，因此，工频电场校准装置尺寸往往较大。

尺寸过大的校准装置存在明显缺点，公式（2）是平板电容计算公式，相同条件下，平行板面积越大，电容值越大，电压源需要高压驱动从而产生高电场强度。另外，平行板尺寸大屏蔽困难，建造屏蔽外壳造价高，以至于校准装置无法屏蔽外界信号，校准低电场强度时容易受到周围工频环境影响。

2 GTEM小室

GTEM小室是采用同轴及非对称矩形传输线设计原理，整体外形设计为劈尖形状，以避免内部电磁波产生发射和谐振，输入端在尖端位置，采用N型同轴接头，随后渐变至非对称矩形结构[3]。芯板延伸至后盖板，使用50 Ω负载作为阻抗匹配网络，芯板和底板之间形成矩形均匀电场区域，可以用于电磁兼容辐射骚扰发射和辐射抗扰度的测试。

GTEM可用频率范围取决于GTEM的横截面积尺寸和长度，频率范围常见为直流到GHz级别。小室内部电场分布如图3所示[4]，3 dB区域为测试区域，电磁兼容测试在此区域内进行，1 dB区域为高准确区，误差很小，可以用作探头校准[5]。

图3 GTEM室最大开口处场分布示意图

3 工频电场探头GTEM小室校准法

GTEM小室校准区域电场强度计算公式如下：

式中：

Z—GTEM小室特性阻抗，单位为欧姆（Ω）；

P—输入净功率，单位为瓦（W）；

图1 传统工频电场校准装置

图2 GTEM小室结构

h—GTEM小室芯板和底板之间的距离，单位为米（m）。

3.1 系统搭建

结合工频信号发生器，定向耦合器，EMI接收机和GTEM小室搭建工频电场探头校准系统。系统整体原理：信号发生器输出工频信号，经过定向耦合器输入到GTEM小室，EMI接收机通过定向耦合器记录GTEM小室接收到的净功率，利用公式（3）计算GTEM小室内的电场强度。

严格来说，EMI接收机记录GTEM小室输入净功率，但是由于工频信号是极低频信号，波长非常长，无需考虑传输线反射问题，保证信号发生器输出阻抗和GTEM小室阻抗一致，那么，信号发生器输出功率就是GTEM小室输入净功率。同时考虑到定向耦合器有较大衰减，而校准低强度电场所需信号较小，使用定向耦合器测量准确度不高。另外，定向耦合器常用于射频电路，对于工频这种极低频信号，适用性不强。因此校准系统可以简化为由工频信号发生器和GTEM小室组成。

图4 GTEM小室工频电场探头校准系统

图6 校准系统试验平台搭建

3.2 系统验证

德国Narda公司生产的EHP-50F低频探头测试频率覆盖1 Hz～400 kHz，且可选频测量，电场强度测试范围1 mV/m～100 kV/m。可使用EHP-50F对GTEM小室工频电场探头校准系统进行验证。

利用瑞士TESEQ公司的GTEM 250小室和Keysight公司的33500B信号发生器搭建工频电场探头校准系统，并对系统进行验证。系统校验原理如图5所示，将EHP-50F低频探头置于GTEM小室校准区域中间，开机后使探头检测频率设置为50 Hz，观察无信号输入时低频探头工频电场底噪。信号发生器设置输出阻抗为50 Ω，输出工频信号，直至低频探头测量到的工频电场明显超过底噪，记录电场强度和信号发生器的输出功率。输出不同信号强度，根据GTEM小室电场计算公式，验证此校准系统。

图5 校准系统校验原理框图

EHP-50F低频探头在GTEM小室内工频电场底噪为（8～12）mV/m，信号发生器输出至-35 dBm时可以明显看到50 Hz频点电场强度高于底噪，GTEM小室校准区域芯板到底板的距离为0.217 m，增大输出功率，对比分析理论电场强度和实测电场强度。验证结果见表1所示，选择10个功率点测试，实测GTEM小室电场强度均在1 dB误差范围内。

表1 校准系统验证结果

使用GTEM小室校准低电平工频电场探头，最低可以校准20 mV/m以下电场强度，且误差也在1 dB允许范围内。但需要注意，在低电平工频电场校准过程中，探头放置高度对测量结果影响很大，同时考虑到探头会对GTEM小室内电磁场产生扰动现象，因此，被校探头相对于GTEM小室测试区域尽可能小，尺寸应小于芯板到底板距离的10 %，以减小探头校准不确定度。另外，GTEM小室的电场方向是由芯板到底板，可以通过翻转电场探头来校准其电场方向性。

4 结论

GTEM小室既是一个电场发生器，也是一个屏蔽体，无需天线即可产生均匀电场，根据理论推导，GTEM小室可以产生几毫伏每米到几百伏每米的电场强度，最高电场强度主要取决于小室最大可承受功率。温湿度对工频电场影响较大，GTEM小室体积小，对温湿度控制的准确定和便捷性都很高。采用GTEM和信号发生器组成的工频电场探头校准系统，可以实现三维极化的工频电场探头的校准。