Research Progress in Electric Field Intensity Calibration Techniques
-
摘要: 研究分析了当前国内外电场场强校准技术的发展趋势,重点介绍了TEM室、GTEM室、基于同轴锥的TEM室、镜面单锥TEM室、微波暗室以及电磁混响室等装置在国内外高校、研究所以及计量机构的研究现状。介绍了各类装置的设计结构以及性能参数,并对文中所提及的各类电场场强校准设备的特点、用途、适用环境进行了比较。根据电场场强校准技术的研究进展,分析了未来场强参数现场校准的发展趋势,以满足场强传感器在生产线现场条件下的快速校准需求。Abstract: This paper presents the current development trends of electric field intensity calibration technologies domestically and internationally. The research status of TEM cells, GTEM cells, coaxial cone TEM cells, monocone TEM cells, microwave anechoic chambers, and electromagnetic reverberation chambers in universities, research institutes, and metrology institutions worldwide is emphasized. The design structure and performance parameters of various devices are introduced. A comparison is made between the characteristics, applications, and suitable environments of the various electric field intensity calibration equipment mentioned in this paper. Lastly, based on the research progress of electric field intensity calibration technology, the development trend of on-site electric field intensity calibration to meet the rapid calibration requirements of field strength sensors under production line field conditions is proposed.
-
Key words:
- metrology /
- electromagnetic field /
- standard device /
- TEM cell /
- monocone TEM cell /
- on-site calibration
-
表 1 各类场强校准系统的特点和优缺点
Table 1. Characteristics, advantages, and disadvantages of various field strength calibration systems
构型 测量范围 优缺点 TEM Cell 9 kHz~200MHz 优点:标准场均匀性较好;屏蔽效果好。
缺点:可测量频段低,不适用于高频段校准,测试空间较小。GTEM Cell 9 kHz~18GHz 优点:抗干扰能力强,测试区域较大。
缺点:需要较大空间;交叉极化性差;内部场强公式使用的是平行板场强公式,但实际结构与之不同,结果存在误差。同轴锥 ≤40GHz 优点:频率覆盖范围大;整体结构较轻,方便快捷;测量时无需更换天线。
缺点:测试空间较小。镜面单锥 100 kHz~20GHz 优点:宽频带;可计算标准电场;适用于产生标准脉冲场;轻量化。
缺点:边缘存在截断面反射;低频效果受到自身尺寸影响。微波暗室 450MHz~40GHz 优点:形成电场更加稳定均匀;受外界干扰因素小。
缺点:只能进行频域测量,且占地面积巨大,造价较高。混响室 — 优点:形成电场更加稳定均匀;受外界干扰因素小,电场场强及均匀性的控制性好,不必采用吸波材料。
缺点:造价、维护价格较高;不适用于窄脉冲测试;尺寸有最低使用频率限制。 -
[1] IEEE . IEEE standard for calibration of electromagnetic field sensors and probes, excluding antennas, from 9 kHz to 40 GHz: IEEE Std 1309-2013[S]. IEEE, 2013. [2] Graw ford M L. Generation of Standard EM Fields Using TEM Transmission Cells[J]. Electromagnetic Compatibility IEEE Transactions on, 1974, EMC-16(4): 189-195. doi: 10.1109/TEMC.1974.303364 [3] 刘潇, 赵兴, 洪力, 等. 微波暗室静区性能评测及不确定度分析[J]. 计量科学与技术, 2022, 66(4): 89-94. [4] 石照民, 张江涛, 潘仙林, 等. 超低频电压量值溯源关键技术研究[J]. 计量科学与技术, 2021, 65(5): 30-35. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2020.9011 [5] 李耿, 陈璀, 安宁, 等. 电磁环境测试系统灵敏度计算及影响因素分析[J]. 计量与测试技术, 2022, 49(8): 40-44. doi: 10.15988/j.cnki.1004-6941.2022.8.012 [6] 陈钧, 曾博, 邓俊泳, 等. 样品长期稳定性等引入的不确定度对电磁兼容能力验证计划结果评价影响的探讨[J]. 计量科学与技术, 2022, 66(11): 64-67,72. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2021.0252 [7] 孙萍萍. 军用电子方舱电磁屏蔽效能的测量不确定度分析与评定[J]. 计量与测试技术, 2022, 49(5): 106-109,114. [8] 黄丹梅. 超高压电场和低压大电流磁场屏蔽方法研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2009. [9] CRAWFORDML, WORKAMN J L, THOMAS C L. Expanding the bandwidth of TEM cells for EMC measurements[J]. IEEE Trans Electromagn Compat, 1978, 20(EMC-3): 368-375. [10] 李建轩, 赵治华, 周忠元, 等. 基于TEM小室的宽频高场强校准系统设计[J]. 海军工程大学学报, 2018, 30(6): 17-22. doi: 10.7495/j.issn.1009-3486.2018.06.004 [11] 郭启勇, 梁琼崇, 骆德汉, 等. 基于TEM小室的电场探头校准及其不确定度评定[J]. 广东工业大学学报, 2016, 33(3): 19-25. doi: 10.3969/j.issn.1007-7162.2016.03.004 [12] 陈增标. 预应力智能张拉系统的电磁兼容测试探讨[J]. 计量与测试技术, 2021, 48(4): 90-93. [13] 张柯. 电磁流量计不同信号输出差异浅析[J]. 计量与测试技术, 2020, 47(7): 54-56. [14] 宋春江, 冯骁尧, 戴飞. 基于波导缝隙天线的TEM室频率扩展方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2018, 44(4): 785-791. [15] 陈军, 万发雨, 范盼. 新型宽带横电磁波小室的设计[J]. 合肥工业大学学报(自然科学版), 2016, 39(7): 938-942. [16] 王伟, 杨静, 聂鑫, 等. 一种开放式横电磁波传输室的研制[J]. 现代应用物理, 2019, 10(4): 61-66. [17] 余绍斌, 方志坚. 用于电磁兼容测量的GTEM小室[J]. 电子质量, 2007(10): 76-78. doi: 10.3969/j.issn.1003-0107.2007.10.024 [18] 贾正森, 王磊, 张江涛, 等. 交流约瑟夫森量子电压在电磁计量中的应用[J]. 计量科学与技术, 2020(8): 44-50,60. doi: 10.3969/j.issn.1000-0771.2020.08.09 [19] 汤仕平, 蒋全兴, 周忠元, 等. 宽带GTEM小室场强校准装置和不确定度评定 [C]. 中国仪器仪表学会, 2004. [20] 庄苏宁. 环境电磁干扰模拟技术的研究[J]. 计量技术, 2019(3): 56-58. [21] 王睿. 场强探头校准用同心锥的研制[D]. 南京: 东南大学, 2017. [22] Nakayama M, Kobayashi T. Electric field strength estimation in boundary region between near and far fieles[C]. IEEE, 2012. [23] 沈平子, 贺青, 张钟华, 等. 电磁计量单位制沿革[J]. 计量技术, 2019(5): 36-42,80. [24] 黄承祖, 齐万泉, 刘星汛, 等. 同心锥形TEM室结构设计及性能研究[J]. 宇航计测技术, 2019, 39(3): 22-26. doi: 10.12060/j.issn.1000-7202.2019.03.05 [25] 尹彦臻, 檀臻, 万丽芬. 污水用电磁流量计现场校准符合性研究[J]. 计量技术, 2019(1): 44-46,28. [26] Sakharov K Y, Mikheev O V, Turkin V A. National Standard of Russian Federation for reproduction and transmission of unit sizes of pulse electric and magnetic intensities in uhrawide band range[C]. The 18th High-Power Electromagnetics Conference, 2012. [27] Kunz K S, Hudson H G, Breakall J K, et al. Lawrence Livermore National Laboratory Electromagnetic Measurement Facility[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 1987, EMC-29(2): 93-103. doi: 10.1109/TEMC.1987.304348 [28] Lee J G , Kang J S , Kim J H , et al. Time domain antenna range at KRISS[C]. IEEE, 2008. [29] 蒋廷勇, 燕有杰, 刘小龙, 等. 短电磁脉冲标准场装置实验室比对[J]. 计量学报, 2019, 40(6): 1107-1111. doi: 10.3969/j.issn.1000-1158.2019.06.27 [30] 杨超, 孟萃, 李鹏辉, 等. 镜面单锥TEM小室电磁场标准装置[J]. 高电压技术, 2016, 42(5): 1476-1482. doi: 10.13336/j.1003-6520.hve.20160412002 [31] 燕有杰, 蒋廷勇, 刘小龙, 等. 镜面单锥结构超宽谱短脉冲电场标准装置[J]. 强激光与粒子束, 2012, 24(12): 2873-2876. [32] 蒋廷勇, 王晓嘉, 周恒, 等. 电阻阵列加载单锥TEM室研究[J]. 计量学报, 2022(11): 1-5. [33] 国家市场监督管理总局. 电场探头的校准规范: JJF 1886-2020[S]. 北京: 中国质检出版社, 2020. [34] 李高升, 刘继斌, 何建国. 微波暗室设计原理的研究与应用[C]. 中国电子学会, 2004. [35] 周香. 混响室法天线参数测试研究[D] . 南京: 东南大学, 2016. [36] 沈涛, 姚利军. 混响室设计技术研究[C]. 中国宇航学会, 2004. [37] 王淞宇, 齐万泉. 基于混响室的电场探头校准方法研究[J]. 宇航计测技术, 2018, 38(1): 23-26. doi: 10.12060/j.issn.1000-7202.2018.01.05 [38] Fall A K, Besnier P, Lemoine C, et al. Design and experimental validation of a mode-stirred reverberation chamber at millimeterwaves[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2015, 57(1): 12-21. doi: 10.1109/TEMC.2014.2356712 [39] P. Hallbjorner, Shi C . Reverberation chamber for accurate antenna measurements within 2–30 GHz[C]. IEEE, 2007. [40] 赵敏, 董德晖, 李胜海. 基于混响室的电场探头快速校准系统[J]. 电子产品可靠性与环境试验, 2020, 38(S1): 66-69. [41] 张东飞, 耿存杰, 刘晓平, 等. 基于标准表定点量传的大口径电磁流量计在线校准方法研究[J]. 计量技术, 2018(10): 50-52. [42] Wang Z, Ren Y, Zhang Y, et al. A Novel Mode-Stirred Reverberation Chamber Design for 5G Millimeter Wave Bands[J]. IEEE Access, 2021, PP(99): 1.