一种基于混响室的电磁场传感器校准系统与方法与流程

本发明涉及电磁场传感器校准领域。更具体地，涉及一种基于混响室的电磁场传感器校准系统与方法。

背景技术：

场强是无线电的基本参数之一，电磁场传感器是测量场强的常用设备。标准场强环境的研建及电磁场传感器的校准一直是国内外计量机构的一个发展方向。由于电磁场传感器标称场强测量范围可以达到1000V/m，而目前国内场强校准能力只能达到200V/m(1GHz以上频段)，因此如何实现更高幅度场强环境下的电磁场传感器校准成为电磁场传感器校准技术的发展方向之一。

传统的电磁场传感器校准国际上依据的主要标准是国际电气电子工程师协会(IEEE)电磁兼容分会颁布的IEEE Std 1309-2005《IEEE Standard for calibration of electromagnetic field sensors and probes,excluding antennas,from9kHz to 40GHz》。该标准在不同频段对不同场强类型和作用域描述了九种场强产生方法，为电磁场传感器的校准提供了标准场强环境。1GHz～40GHz频段电磁场传感器的校准通常采用包括角锥喇叭天线的微波暗室，该校准系统的结构如图1所示。

该方法将微波信号通过角锥喇叭天线在微波暗室中生成标准电磁场强环境，实现电磁场强传感器的校准。在实际使用中该方法存在着诸多不便。首先为了实现1GHz～18Ghz频段电磁场传感器的校准，需要使用八个不同的角锥喇叭天线覆盖全频段，更换天线带来了操作上的繁琐与不便；其次为了实现200V/m场强环境下电磁场传感器的校准，需要使用200W功率放大器；最后该方法必须在性能优良的微波暗室中进行。综合如上因素，使用包括角锥喇叭天线的微波暗室进行电磁场传感器的校准，既不方便，成本又高，且校准的场强范围只能在200V/m以下。

因此，需要提供一种基于混响室的电磁场传感器校准系统与方法，以实现高效低成本的对电磁场传感器进行校准，且提高电磁场传感器场强的校准范围。

技术实现要素：

本发明要解决的一个技术问题是提供一种基于混响室的电磁场传感器校准系统，本发明要解决的另一个技术问题是提供一种基于混响室的电磁场传感器校准方法，以实现高效低成本的对电磁场传感器进行校准，提高电磁场传感器场强的校准范围。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：

本发明一方面公开了一种基于混响室的电磁场传感器校准系统，其特征在于，所述系统包括：

混响室；

置于所述混响室内工作区域连接有衰减机的接收天线；

与所述接收天线连接的接收机；

位于所述混响室内的搅拌器和发射天线；和

位于所述混响室外与所述发射天线连接的电磁场信号发生装置。

优选地，所述电磁场信号发生装置包括依次连接的信号发生器、功率放大器和功率监测子系统，所述功率监测子系统与所述发射天线连接。

优选地，所述功率监测子系统包括定向耦合器、衰减器、功率计或功率敏感器，所述定向耦合器与所述功率放大器和所述发射天线分别连接。

优选地，所述功率放大器的输出功率在200W以下。

优选地，所述系统的频段覆盖范围为1GHz～18GHz，场强幅度覆盖范围为5V/m～1000V/m。

优选地，所述混响室的长、宽和高不超过2m。

本发明另一方面同时公开了一种基于混响室的电磁场传感器校准方法，其特征在于，所述方法包括：

S1：通过电磁场信号发生装置在混响室内产生标准场强的电磁场，将接收天线与已经过微波暗室校准过的电磁场传感器放入混响室内；

S2：调整所述混响室内电磁场的场强与电磁场传感器在微波暗室校准时的场强值相同，计算所述接收天线的参考天线系数；

S3：将待校准的电磁场传感器替换所述电磁场传感器，通过调整混响室中场强对所述待校准的电磁场传感器进行校准。

优选地，所述参考天线系数为

AF＝P1-E1+IL+107

其中，P1为接收天线的平均功率，E1为电磁场传感器在微波暗室校准时的场强值，IL为线缆损耗。

优选地，所述S3包括：

S31：根据所述接收天线的参考天线系数计算调整后的场强；所述调整后的场强为

E2＝P2+AF+IL+107

其中，E2为待校准的电磁场传感器位置的场强，P2为接收天线的平均功率；AF为接收天线的参考天线系数，IL为线缆损耗；

S32：通过调整后的场强与待校准电磁场传感器的指示场强值计算得到场强修正因子对待校准电磁场传感器进行校正，所述场强修正因子为

其中，E2为待校准的电磁场传感器位置的场强，E3为待校准的电磁场传感器的平均场强指示值。

本发明的有益效果如下：

本发明提出了基于混响室的电磁场传感器校准方法，与包括角锥喇叭天线的微波暗室法相比较，本发明不需要使用暗室环境。在1GHz～18GHz频段同样产生200V/m场强的微波暗室法需要200W功率放大器，而本发明只需要20W的功率放大器，本发明有效地降低了校准成本。使用200W的功率放大器，微波暗室法无法实现200V/m以上场强环境下的电磁场传感器校准，而本发明可以实现1000V/m场强环境下的电磁场传感器校准。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出现有技术中包括角锥喇叭天线的微波暗室电磁场传感器校准系统的结构示意图。

图2示出本发明一种基于混响室的电磁场传感器校准系统的结构示意图。

图3示出本发明一种基于混响室的电磁场传感器校准方法的流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图2所示，本发明一方面公开了一种基于混响室的电磁场传感器校准系统，所述系统包括：混响室、连接有衰减机的接收天线、搅拌器、发射天线、电磁场信号发生装置和与所述接收天线连接的接收机。所述系统的频段覆盖范围为1GHz～18GHz或更宽，可扩展至80MHz～40GHz或更宽，场强幅度覆盖范围为5V/m～1000V/m或更大。

所述混响室优选为高Q值的金属腔体，其长、宽和高优选的一般不超过2m。

所述搅拌器和发射天线位于所述混响室内。所述搅拌器旋转一周的步进数优选一般不小于250次。

所述电磁场信号发生装置位于所述混响室外与所述发射天线连接。所述电磁场信号发生装置可包括依次连接的信号发生器、功率放大器和功率监测子系统，所述功率监测子系统与所述发射天线连接。所述功率监测子系统可包括定向耦合器、衰减器、功率计或功率敏感器，所述定向耦合器与所述功率放大器和所述发射天线分别连接。所述功率放大器的输出功率在200W以下，在所述混响室中产生的场强可达到1000V/m。

在本实施例中，混响室的大小为1.5m×1m×0.8m，由于混响室内的电磁场分布较为复杂，所以需要采用统计的方法进行分析，并需要将场强溯源至微波暗室的标准场强中。分析结果如表1所示

表1不同频率下混响室内产生不同场强幅度所需的输入功率

对于混响室，在一个搅拌周期内的平均场强具有一定的统计特性，这个统计特性对于单个搅拌位置并不适用，也不具有任何意义。因此在实际操作时需要将混响室搅拌器以一定步进角旋转一周，每个角度纪录传递探头和待校准的电磁场传感器每个轴向的场强结果。搅拌器旋转一周后计算传递探头和待校准的电磁场传感器每个轴向的场强结果的平均值，本实施例中，搅拌器旋转一周的步进次数为250步，选取250步进为实际测量的步进数，通过不同步数测量的混响室内的场强如表2所示，当步数取250步以上时，场强趋于稳定。

表2不同搅拌步进下的场强计算结果

如图3所示，本发明另一方面公开了一种应用所述系统的一种基于混响室的电磁场传感器校准方法，首先通过电磁场信号发生装置在混响室内产生标准场强的电磁场，将接收天线与已经过微波暗室校准过的电磁场传感器放入混响室内，然后调整所述混响室内电磁场的场强与电磁场传感器在微波暗室校准时的场强值相同，计算所述接收天线的参考天线系数；所述参考天线系数为

AF＝P1-E1+IL+107

其中，P1为接收天线的平均功率，E1为电磁场传感器在微波暗室校准时的场强值，IL为线缆损耗。表1为1GHz频率下计算得到的接收天线的参考天线系数，基本为一个恒定值。

表1混响室等效天线系数计算

由于天线和混响室都是无源器件，理论上在其工作频率范围内本身电性能随场强幅度的变化基本不变。通过实际测量，表明随着混响室输入信号的不断增加，其平均净输入功率和平均接收功率基本是成线性增加，平均净输入功率与平均接收功率的差值保持相对固定，证明混响室内场强可以线性外推至高幅度场强，如表2所示。

表2不同场强幅度下混响室平均净输入功率与平均接收功率

因此，随着信号源输入信号的增加，混响室接收天线的参考天线系数是定值，最后将待校准的电磁场传感器替换所述电磁场传感器，通过调整混响室中场强对所述待校准的电磁场传感器进行校准。其中，首先根据所述接收天线的参考天线系数计算调整后的场强，所述调整后的场强为

E2＝P2+AF+IL+107

其中，E2为待校准的电磁场传感器位置的场强，P2为接收天线的平均功率；AF为接收天线的参考天线系数，IL为线缆损耗。

然后通过调整后的场强与待校准电磁场传感器的指示场强值计算得到场强修正因子对待校准电磁场传感器进行校正，所述场强修正因子为

其中，E2为待校准的电磁场传感器位置的场强，E3为待校准的电磁场传感器的平均场强指示值。

本实施例的计算结果如表3所示。

表3混响室等效天线法场强计算结果

从表3中可见，等效天线系数法对混响室内场强测量结果偏差最大为0.87dB，满足不确定度要求。将待校准的电磁场传感器放入混响室中，通过比较等效天线系数法的场强计算结果和待校准的电磁场传感器的读数即可完成电磁场传感器的校准。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。