一种大功率脉冲场强校准系统和方法与流程

本申请涉及脉冲强度校准领域，特别涉及一种s波段(2ghz～4ghz)最大幅值3000v/m的大功率脉冲场强校准系统和方法。

背景技术：

场强是无线电的基本参数之一，也是复杂电磁环境中最基本的物理量之一。场传感器是测量场强的常用设备，场强测量结果的准确性需要场强传感器校准技术的保障。标准场强环境的研建及场传感器的校准一直是国内外计量机构的一个发展方向。

传统的场传感器校准方法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ieeestd1309-2013《ieeestandardforcalibrationofelectromagneticfieldsensorsandprobes,excludingantennas,from9khzto40ghz》。该标准在9khz～40ghz的不同频段，对不同场强类型和作用域描述了九种场强产生方法(如表1所示)，为场传感器的校准提供了标准场强环境。

表1ieeestd.1309-2013中描述的九种标准场强产生方法

为了满足应用需求，国外主要计量机构投入了大量资金建立连续波场强校准系统。美国国家标准技术研究所(nist)分不同频段分别在tem小室(10khz～300mhz)、开阔场(25mhz～1ghz)和电波暗室(利用开口波导和标准增益喇叭天线)(0.2ghz～40ghz)内建立了连续波场强标准装置，场强范围1v/m～200v/m，测量不确定度0.2db～1db。英国npl建立的连续波场强标准频段覆盖10hz～45.5ghz，在10hz～300mhz频段内采用tem法，场强范围为0.05v/m～1000v/m，测量不确定度为0.68db；在180mhz～2.5ghz频段内采用gtem室，场强范围为0.05v/m～600v/m，不确定度为0.8db；在2.4ghz～45.5ghz采用角锥喇叭天线，场强最大可以达到600v/m，不确定度最大为0.4db。全俄物理技术和无线电测量研究院于1987年～1992年创建了频率范围300hz～1ghz，场强测量范围为0.2v/m～10v/m的连续波电场强度国家基准；于1999年创建了0.3ghz～78.0ghz频率范围内电磁场能流密度的国家基准，测量范围为0.1w/m²～10w/m²。

在国内，北京无线电计量测试研究所在10khz～1ghz频段利用tem室、gtem室建立了量程为1v/m～300v/m，测量不确定度为l.0db的连续波场强标准；利用标准喇叭天线在微波暗室中建立1ghz～110ghz连续波场强标准，场强量程为1v/m～200v/m，测量不确定度为1.2db。国家计量院在10mhz～1ghz频段利用tem室、gtem室建立了量程为100v/m～120v/m，测量不确定度为ldb的连续波场强标准；利用标准喇叭天线在微波暗室中建立1ghz～40ghz连续波场强标准，功率通量秘密量程为0.05mw/cm²～10mw/cm²，测量不确定度为1db。

基于连续波场强的校准方法，近年来国内外也开展了小功率环境下的脉冲场强的校准研究。2006年，斯普利特大学sarolic和roje在矩形波导内馈入占空比为10％的脉冲信号,利用二极管电场探头进行测量100v/m以内的场强,计算并分析探头的校准因子。在2010年，英国npl的davidadamson等在小信号条件下模拟真实射频环境，分析连续波(cw)和各类调制信号诸如gsm、wdcma、tetra、dect、bluetooth等环境对电场探头的修正因子的影响。2014年，北京无线电计量测试研究所也开展在脉冲调制信号下电场探头的频率响应研究，分析小功率环境中脉宽、占空比等因素对二极管探头和热电偶探头修正因子的影响，取得阶段性成果，但对于大功率环境并未进行进一步研究。

目前，大功率脉冲功率放大器峰值功率一般都是千瓦甚至兆瓦级，脉冲信号经由脉冲放大器后产生的场强通常在数千伏每米，超过了常规电场探头量程(常规电场探头测量范围一般不超过800v/m)，另外常规电场探头不能反应脉冲场的时域信息，无法对大功率脉冲场强进行计量校准。

技术实现要素：

为解决上述问题之一，本申请提供了一种大功率脉冲场强校准系统和方法，以解决无法用对大功率脉冲场强进行计量校准的问题。

根据本申请实施例的第一个方面，提供了一种大功率脉冲场强校准系统，该系统包括：对向设置于微波暗室内的喇叭天线和集成光学电场传感器，以及分析模块；

所述喇叭天线在所述微波暗室内发射固定占空比的脉冲场，所述集成光学电场传感器感应脉冲场强产生感应电压；

分析模块，基于脉冲信号源的参数和所述感应电压，获得脉冲场强的校准数据。

根据本申请实施例的第二个方面，提供了一种大功率脉冲场强校准方法，该方法的步骤包括：

利用集成光学电场传感器感应脉冲信号源馈入的具有固定占空比的脉冲场，产生感应电压；

基于脉冲信号源的参数和所述感应电压，获得脉冲场强的校准数据。

本申请所述技术方案能够准确地进行大功率脉冲场强校准，可满足大功率脉冲场强的计量保障需求。

本方案的校准范围可达3000v/m，较之现有传统方法(不超过1000v/m)的校准范围有大幅度提升。

本方案还能够根据需要对脉冲场强的重复频率、脉宽、上升/下降时间等时域参数进行校准。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1示出利用本方案的一个校准系统实例的示意图；

图2示出利用本方案的另一个校准系统实例的示意图；

图3示出本方案所述集成光学电场传感器的示意图；

图4示出本方案所述大功率脉冲场强校准方法的示意图。

具体实施方式

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本方案的核心思路是利用集成光学电场传感器作为脉冲场的感应探头，根据脉冲信号源的参数和集成光学电场传感器的感应电压计算脉冲场强的校准数据，从而满足最大幅值3000v/m的大功率脉冲场强的校准需求。

实施例1

本方案公开了一种大功率脉冲场强校准系统，该系统能够校准的最大幅值可达3000v/m。该系统包括：设置在微波暗室内的喇叭天线和集成光学电场传感器；喇叭天线口面需要正对集成光学电场传感器。所述喇叭天线在所述微波暗室内发射固定占空比的脉冲场，所述集成光学电场传感器感应脉冲场强产生感应电压。该系统还包括分析模块，所述分析模块置于微波暗室外，其基于脉冲信号源的参数和所述感应电压，获得脉冲场强的校准数据。

本实施例中，该系统还可以包括：脉冲信号源，用于产生股固定占空比的脉冲场。脉冲信号源可以根据校准需要，调整脉冲的频率和占空比。所述脉冲信号源包括：信号发生器、功率放大器和定向耦合器。信号发生器产生一个固定占空比的脉冲信号，该信号依次通过功率放大器和定向耦合器馈入喇叭天线产生脉冲场。所述脉冲信号源还包括与所述定向耦合器连接的功率计，该功率计用于检测双向定向耦合器的正向/反向功率，利用正向/反向功率能够计算馈入喇叭天线的净功率。

本实施例中，如图3所示，所述集成光学电场传感器包括：电场传感器、光电探测器、信号处理电路和可调谐激光器。所述电场传感器感应到的脉冲场经光电探测器光电转换，发送至信号处理电路；所述信号处理电路对光电信号进行处理，产生感应电压信号。本实施例中，集成光学电场传感器是利用linbo3晶体在外电场的作用下的电光效应，实现电磁场的测量。

本实施例中，所述分析模块包括：采集模块和处理模块。所述采集模块采集所述集成光学电场传感器产生的感应电压，发送给处理模块；处理模块基于脉冲信号源的参数和所述感应电压，获得脉冲场强的校准数据。如图1所示，所述处理模块可以为频谱分析仪，利用频谱分析仪获得脉冲场的频谱数据。如图2所示，所述处理模块可以为示波器，利用示波器获得脉冲场的脉宽、重复频率、占空比、上升/下降沿时间等时域参数。

如图4所示，本实施例中进一步公开了一种大功率脉冲场强校准方法，该方法的步骤包括：利用集成光学电场传感器感应脉冲信号源馈入的具有固定占空比的脉冲场，产生感应电压；基于脉冲信号源的参数和所述感应电压，获得脉冲场强的校准数据；保持频率不变，调整脉冲场的占空比，获得不同占空比下的脉冲场强校准数据，或者，调整频率和占空比，获得不同频率和占空比下的脉冲场强校准数据。

所述基于脉冲信号源的参数和所述感应电压，获得脉冲场强的校准数据的步骤包括：利用脉冲信号源的前向峰值功率ppeak-fwd、反向峰值功率ppeak-rev和脉冲场的占空比τ，计算馈入天线的净平均功率p：p＝(ppeak-fwd-ppeak-rev)·τ；

利用天线的净平均功率和天线与集成光学电场传感器之间的距离，天线发射的理论标准脉冲场e0：其中，g为喇叭天线增益；

基于所述感应电压u，计算集成光学电场传感器接收到的脉冲场强值e：e＝af·u，其中，af为集成光学电场传感器的天线系数；

基于所述理论标准脉冲场e0和所述脉冲场强值e，确定修正系数：

功率脉冲场强广泛应用于脉冲雷达、相控阵雷达、遥测等国防军工领域，涉及导弹、火箭、卫星、飞机、舰船等武器型号，是外部射频电磁环境试验系统的重要指标，关系到试验结果的有效性。通过杉树方案能够准确地进行大功率脉冲场强校准，可满足大功率脉冲场强的计量保障需求。

实施例2

本实施例公开了一种s波段(2ghz～4ghz)最大幅值3000v/m的大功率脉冲场强校准方法，利用集成光学电场传感器(100mhz～18ghz)对大功率脉冲场强进行校准。其中，集成光学电场传感器是利用了linbo3晶体在外电场的作用下的电光效应，实现电磁场的测量。由于这种场传感器将电信号调制到光路上，因此多余干扰物对它造成的干扰小，且可以用于最大上万伏每米的场强测量。如图3所示，集成光学电场传感器包括可调谐激光器、光纤、电场传感器、光电探测器、信号处理电路等部分；可调谐激光器通过保偏光纤与电场传感器连接，电场传感器通过单模光纤与光电探测器连接。

如图1所示，利用信号发生器smf100a(1ghz～22ghz)产生一个固定占空比的脉冲信号，该信号通过功率放大器放大后馈入喇叭天线ath800m6g(0.8～6ghz)产生脉冲场，馈入喇叭天线的净功率可以利用功率计监测双定向耦合器的前向/反向功率计算获得。在距离喇叭天线一定距离r处，放置集成光学电场传感器(探头)。其中，r的距离可以根据设备的实际参数进行合理调整。本实例中，r可以采用0.8m。集成光学电场传感器作为接收探头，接收到的场强幅值信号通过光纤传输至信号处理主机后接入频谱仪n9020a(10hz～26.5ghz)获得。如图2所示，脉冲场强的上升/下降时间、占空比、重复频率等时域信息则可通过将信号处理主机接入高采样率的示波器获取。

具体校准过程如下：

a)按照图1所示的方式连接仪器，在使用前对仪器进行预热，使信号发生器和放大器的频率和幅度达到稳定，完成功率计的自校准；

b)将喇叭天线放入检定装置的场均匀区域内，保证集成光学电场传感器和喇叭天线口面正对；

c)信号发生器打开输出产生固定占空比τ的脉冲场，记录定向耦合器的前向峰值功率ppeak-fwd和反向峰值功率ppeak-rev，通过公式(1)计算馈入辐射天线的净平均功率p：

p＝(ppeak-fwd-ppeak-rev)·τ(1)

d)测量喇叭天线和集成光学电场传感器的距离r，利用公式(2)计算喇叭天线在距离r处产生的理论标准脉冲场e0，g为喇叭天线增益：

e)通过频谱仪读取集成光学电场传感器口面电压u；利用公式(3)计算集成光学电场传感器接收到的脉冲场强值e。

e＝af·u(3)

其中，af为集成光学电场传感器的天线系数。

f)对脉冲场强幅值的校准可以用修正系数af来表征，如公式(4)所示：

g)按图2连接仪器，将系统中的频谱仪替换为高采样率示波器，获得集成光学电场传感器接收脉冲场的时域参数，包括脉宽、重复频率、占空比、上升/下降沿时间；

h)保持频率不变，改变脉冲场占空比，重复c)～g)，获得该频率处各占空比条件下大功率脉冲场强校准数据；

i)调节信号发生器至下一被测频率点，重复a)～h)，完成对大功率脉冲场强的校准。

现有技术中关于tem室法、gtem室法、角锥喇叭天线法、开口波导法、单锥法、有界波模拟器法、亥姆霍兹线圈法、平行板电容器法和波导室法等九种标准场强产生方法中场传感器均采用的是测量场强的常用设备，场强测量结果的准确性需要场强传感器校准技术的保障。目前应用最广的场传感器是电磁场探头，电磁场探头分为二极管检波探头和热电偶探头两种，这两种探头量程一般不超过1000v/m，均无法测量数千伏每米的大功率脉冲场强。另外，该两种电磁场探头无法反映脉冲场的时域信息，无法满足脉冲场的校准需求。本申请所述技术方案能够将场强幅值校准范围提升到3000v/m，大幅度提升了校准能力；同时，与现有的校准方法相比能够对脉冲场强的重复频率、脉宽、上升/下降时间等时域参数进行准确校准。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。