高频电场标准装置的研制
杨盛祥 席德熊 吴 钒 张鸿祥 马晓庆
(中国计量科学研究院，北京100013)
摘要 本文介绍新近研制成功的高频电场标准装置。该装置采用标准电场法原理，由13副工作频率各异的半波谐振偶极子天线作标准发射天线，覆盖频率范围30～1000MHz，在长40m、宽12.5m的钢质开阔试验场上，发射场强100～120dBμV/m，不确定度优于1dB。目前已用于场强量值传递和天线校准等电磁兼容试验。
关键词: 高频电场标准 标准电场法 偶极子天线 开阔试验场
1 引言
目前，国内生产及引进频率范围在30～1000MHz的电磁干扰(EMI)、场强测量仪已多达近万台［1］，广泛用于电视、调频广播、环境保护 、科学研究、通讯、质检中心和生产厂。这些仪器不仅国别多、厂家多、规格品种多，而且数量大，许多仪器已使用多年，亟待计量和校试。因此，研建30～1000MHz高频电场标准装置，具有重要的意义。
高频场强计量的基本方法之一是标准电场法，即在一个光滑、平坦、电导率均匀的开阔场地上，架设发射天线和被校接收天线，发射建立一个高频标准电场，这个场的强度及空间分布是可以准确计算的。接收天线处的场强可由发射天线电流、收发天线间距、各自距地面高度、天线有效高度和地面反射系数等代入场强求值方程，准确计算得到，并按此标准场值对被校场强仪进行刻度定标。
1992年,我们建成了长40m、宽12.5m、架高0.9m的钢质开阔试验场。1995年，采用标准电场法，建立了30～1000MHz高频电场标准装置，发射场强为100～120dBμV/m，不确定度优于1dB。
2 原理
如图1所示，当发射、接收天线架设在开阔试验场上时，可得到水平发射偶极子天线所产生的在空间某点(接收天线所在处)的电场强度有效值为［2］
式中：he为天线有效高度(m)；I为发射天线中心处电流有效值(A)；d1为直射波行程，d1=［(h1-h2)2+d2］1/2；d2为地面反射波行程，d2=［(h1+h2)2+d2］1/2；λ为自由空间波长(m)；Γ=ρe-jφ为地面反射系数；β=2π/λ为相移常数；α为复地表波衰减因子；h1为发射天线离地高度(m)；h2为接收天线离地高度(m)；d为收、发天线间水平距离(m)。
图1 标准电场发射布置
分析式(1)可见，它由3项组成：第1项表示发射天线、接收天线均置于自由空间时，直射波产生之场强；第2项为地面反射波产生之场强，它与第1项迭加，共同组成空间波；第3项为地表波，与地表面实际流过的射频电流有关。地表波的传播主要是在30MHz以下频段内，而在30MHz以上频段，发射天线水平极化时，地表波衰减很快，常可忽略不计。因此，式(1)可简化为
以Γ=ρe-jφ代入式(2)，并对其求模可得
在本装置中，为了确保试验场地光滑、平坦、电导率均匀良好，专门建造了符合CISPR No.16规范要求的标准钢板开阔场，全部发射、接收试验均在其上进行。因此，在VHF和UHF频段内，地面反射波接近于全反射，亦即反射波相移φ≈180°，反射系数ρ≈1。此外，由式(3)可看出，由于直射波和地面反射波的迭加，在接收端形成驻波。在比对实验中，亦证明了此点。除在场强最大点处场强随高度变化较平缓外，其它位置场强对高度很敏感，高度稍有变化，接收场强变化就很大，这给测量、读数带来不便。因此，我们选择在接收场强最大的位置进行比对测量。以ρ=1、φ=180°代入式(3)，并求其最大值可得
我们的标准天线为半波偶极子天线，其有效高度为he=λ/π。以he、d1和d2的表达式代入式(4)，可得简化后的发射天线辐射电场计算公式为
由式(5)可见：接收天线接收到的高频电场强度值Emax不仅与收发天线的高度h1、h2和距离d有关，而且与发射天线输入端的高频电流有效值I及其测试有关。h1、h2和d是几何量，容易测得，关键是如何准确测量电流I，由此才可计算出所需的电场强度值。
3 系统的组成
高频电场标准装置系统由标准发射天线、开阔试验场、天线杆与转台、R/S SMS2合成信号发生器和AR 10W1000功率放大器等构成。
3.1 标准发射天线
我们采用半波偶极子天线制做标准发射天线。由于半波偶极子天线是窄带天线，如采用普通拉杆天线，则不仅粗细不匀，而且长度易产生误差。所以选择在13个频率点(即30、50、75、100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000MHz)上各设1副发射天线。其中100MHz以上的10副天线由直径3的黄铜棒制成，而30、50、75MHz这3副天线，考虑到尺寸大、重量重、易弯曲，为提高强度，则采用直径10的不锈钢管制成。无限细半波偶极子天线的有效高度为
实践证明：当有一定粗细的偶极子天线处于严格半波自谐振状态时，其实际长度要比半个波长略微缩短一些。天线愈粗，缩短率s愈大。缩短率可由下式计算［3］：
式中：D为天线棒的直径(m)；λ为波长(m)。
实际天线长度按下式计算：
测量天线电流的装置，不能影响偶极子天线的参数。我们采用经高频校准的真空热偶作热电变换器，测试天线电流。为避免破坏偶极子天线的平衡，发射天线设计成图2所示结构。
图2 发射天线结构及电流测量
图3 真空热偶校准配置图
由合成信号发生器与功率放大器构成的高频信号源，通过一杯形同轴平衡-不平衡变换器，从λ/2长之双线传输线的中点给半波偶极子天线馈电。馈电点一侧经λ/4双线传输线接到偶极子天线上；而另一侧则由λ/4双线传输线接到真空热偶上。当偶极子天线和真空热偶分别通过λ/4双线传输线与馈点相连时，不管偶极子天线输入端与真空热偶端的阻抗是否相等，流过它们的电流都是相等的。因此，只要测出流过真空热偶的高频电流，也就得到了发射天线输入端的电流。
3.2 真空热偶的校准
我们选用FH25型真空热偶作热电变换器。工作频率范围为10Hz～1000MHz。其冷热阻值、输出电势随额定电流不同而不同。在不同频率点的偶极子天线中，接入不同额定电流的真空热偶。
对于30～1000MHz频段，由于真空热偶丝分布参数和趋肤效应的影响，其频响误差随频率升高而急剧增加。因此，不能采用直流校准，而必须于实验前对其采用高频校准。此外，考虑到高频工作状态下，真空热偶接在天线上校准与取下来校准，其分布参数的影响大不相同。因此，不能把真空热偶由天线上取下来校准，而应直接在天线上对热偶校准，以避免校准时与实际工作时分布参数不一致带来的影响。值得注意的是，馈电点与天线和真空热偶之间分别接入λ/4双线传输线后，不论阻抗相等与否，流过天线输入端的电流都等于流过热偶端的电流。我们采用射频毫伏表Boonton 9200A测量电压来计算电流的校准方法，即保持天线系统的其它配置不变，只将天线棒取下，换上电压测量装置。校准框图示于图3。
3.3 试验场地
前已述及，标准电场建立在一个场地光滑、平坦、电导率均匀良好、无反射物体的开阔试验场之上，全部发射与接收试验均在其上进行。没有这个开阔试验场，标准电场则无法建立，因此场地问题是个关键。通常要求测试场地是椭圆形，其长轴是两焦点间距离的两倍，短轴是两焦点间距离的3倍。标准发射天线与标准偶极子天线(或被校准的偶极子天线)分别置于椭圆的两焦点上［4，5］。
鉴于我们研制的高频电场标准的工作波长是0.3～10m，而且是远场标准，为了确保远场条件充分满足，我们建造了长40m、宽12.5m的钢质开阔试验场。架高0.9m，便于维修和走线。其归一化场地衰减经测试，符合CISPR No.16的要求。
3.4 天线杆与转台
为便于固定和升降标准发射天线和被校接收天线，专门研制了两根天线杆，杆长8m，由80玻璃钢管制成，插固于钢板下面的可程控转台中央。天线可固定于滑筒上，既可沿杆升降，又能作360°的转动。
4 误差分析
由标准电场计算公式(5)知，标准电场的误差来源于计算公式中各个变量的测量误差及计算误差。
4.1 高频电流测量误差
此项误差主要来源于真空热偶本身及其校准过程，以及环境温度变化带来的影响等，其中以热偶校准测量误差为最大，按下式计算：
用Boonton 9200A射频毫伏表测电压，不确定度为1%～3%；负载阻抗R=50Ω，不确定度为1%，故热偶校准测量误差为±3.2%。
真空热偶工作温度为170℃，环境温度变化比之其工作温度小得多，经反复试验观察，只要注意热偶保温，防止强光直射，则环境温度变化引入误差约±1%。真空热偶热电势读数误差约±1%；由测得的热电势求电流，引入误差估计为±2%；平衡变换器引入误差约±1%。因此，高频电流测量总误差ε1为±8.2%。
4.2 偶极子天线有效高度误差
此项误差主要由偶极子天线实际长度测量误差及偶极子天线上电流非正弦分布影响所致，按下式计算：
注意到λ=0.3～10m，Δl通常为±2mm，再把电流非正弦影响考虑进去，可得偶极子天线有效高度最大误差为ε2=±4.6%。
4.3 天线高度和距离测量误差
此项误差ε3按下式计算：
式中：
长度测量误差设为±1%，把不同频率点实测的h1、h2(1～8m之间)和d(d=20m)值代入进行具体计算，取其中误差较大者为ε3，得ε3≤1%。
4.4 地面反射引入的误差
开阔试验场的钢板并非理想导体，故地面反射系数ρ≠1，由此引入误差ε4≤1%。
4.5 其它误差
由于风及场地环境不理想等，引入误差估计为ε5≤2%。
鉴于上述误差互不相关、彼此独立，采用比较保守的方和根法进行误差合成为
注意到百分误差与分贝误差的关系，+0.81dB相当于+9.7%；-0.88dB相当于-9.7%。因此
5 结语
在用标准电场法研制高频电场标准装置的同时，我们还采用标准偶极子天线法研制了另一套高频电场标准接收装置［6］，它由13副工作频率各别的半波谐振偶极子天线和跨接在天线中心空隙处的平衡式硅晶体二极管电压表构成，覆盖频率范围30～1000MHz。用它在开阔场地上收测高频电场，在量程100～120dBμV/m范围内，不确定度优于1dB。
两套工作原理不同的标准装置在13个频率点上进行了逐点比对，两者最大偏差为-0.8～+0.5dB；换算成相对百分误差为-8.8%～+5.9%。
参 考 文 献
1 杨盛祥．高频、微波电磁场的计量测试．北京：中国计量出版社，1989；118～242
2 Green F M. NBS field strength standards and measurements (30Hz to 1000MHz). Proc IEEE, 1967; 55 (6): 970～981
3 吴毅，都世民，杨盛祥等．高频、微波场强与干扰的计量测试．北京：中国计量出版社，1986:128～129
4 Specification of Electro-magnetic Interference and Susceptibility Measuring Equipments． CISPR Pub No.16, 1993
5 Salter M J,Alexander MJ.EMC antenna calibration and the design of an open-field site.J Phys E,1991;2:510~519
6 杨盛祥，席德熊等．高频电场标准接收装置的研制．见: 第四届全国电磁兼容学术交流大会论文集, 苏州, 1996: 98～103
Development of Standard Set for HF Electric Field
Yang Shengxiang, Xi Dexion, Wu Fan, Zhang Hongxiang, Ma Xiaoqing
(National Institute of Metrology, Beijing 100013)
Abstract——This paper describes the standard set for the HF electric field, which has been completed recently by using standard electric field method. The standard transmitting antenna consists of thirteen half-wave tuned dipole antennas with different operating frequencies. The frequency range is 30～1000MHz. The transmitting field strength is 100～120dBμV/m on the steel open area test site with the dimensions of 40m in length and 12.5m in width, and the uncertainty of the standard set is less than 1dB. It has been used for EMC test such as the traceability of the value of field strength and the calibration of antenna factor.
Key words: HF electric field standard; Standard electric field method; Dipole antenna; Open area test site
