Приложение Е (справочное). Метод калибровки датчиков электрического поля в ТЕМ-волноводах

Приложение Е
(справочное)

Метод калибровки датчиков электрического поля в ТЕМ-волноводах

Е.1 Обзор

Датчики электрического поля с широкой частотной полосой и большим динамическим диапазоном амплитудно-частотной характеристики чаще всего используются в процедуре проверки однородности поля согласно требованиям настоящего стандарта. Кроме того, качество калибровки датчика поля напрямую влияет на бюджет неопределенности при испытании на устойчивость к излучаемому электромагнитному полю.

В общем случае в зависимости от выбранного испытательного уровня при испытании на устойчивость к излучаемому электромагнитному полю датчики могут облучаться полем до 200 В/м и даже более при проведении процедуры проверки однородности поля согласно требованиям настоящего стандарта. Поэтому необходимо убедиться, что калибровка датчиков поля, использующихся в рамках настоящего стандарта, соответствует требованиям к частотному и динамическому диапазонам.

Текущие результаты калибровки датчика показывают разные значения, когда калибровка проводится в различных калибровочных лабораториях. Поэтому должны быть определены условия окружающей среды и метод калибровки пробника поля. Настоящее приложение содержит процедуры проверки ТЕМ-волновода, которые применяются для калибровки датчика и предоставляют необходимую информацию о калибровке датчиков поля, применяемых согласно требованиям настоящего стандарта при измерении однородности поля, для сравнения с нормируемым значением этих разностей при оценке результатов.

Е.2 Требования к калибровке датчика поля

Е.2.1 Общие положения

Калибровка датчиков электрического поля, предназначенных для применения при процедуре проверки области однородности поля, как определено в настоящем стандарте, должно удовлетворять следующим требованиям. Область однородного поля представляет собой гипотетическую вертикальную плоскость при калибровке поля, в которой разницы значений между точками калибровки приемлемо малы.

Е.2.2 Калибровка частотного диапазона

Частотный диапазон должен нормально охватывать наивысшую частоту, которая определяется размером и структурой ТЕМ-волновода. Максимальный размер головки датчика электрического поля I _pmax должен быть меньше чем 1/4 длины волны на максимальной частоте калибровки f _cmax, чтобы предотвратить возможный резонанс. Поэтому максимальная частота задается размером головки датчика:

,

(E.1)

где с ₀ - скорость света.

Например, когда наибольший размер головки электрического датчика I _pmax равен 2,5 см, тогда максимальная частота задается как 3 ГГц из уравнения (Е.1). Если частота превышает максимальную частоту, которая определяется проверкой ТЕМ-вида колебаний, приведенной в 5.2.1, то калибровка проводится вплоть до максимальной частоты, определенной проверкой ТЕМ-вида колебаний.

Е.2.3 Объем калибровки

Размеры объема калибровки, который должен быть, как правило, в виде куба или параллелограмма, должен быть менее 20 % расстояния между внутренним и внешним проводниками (высота септа). Центр объема, где датчик электрического поля может быть откалиброван, должен располагаться в центре высоты септа.

Проверка объема должна проводиться по точкам сетки куба. Интервал сетки между двумя калибровочными точками выбирается равным около 10 % высоты септа. Датчик электрического поля или сенсор для проведения проверки должен быть малым, насколько это возможно. Датчик поля или сенсор не должен быть калиброван в обязательном порядке.

Примечание 1 - Например, когда размеры объема калибровки представлены 20-сантиметровым кубом, то интервал сетки равен 10 см и количество точек измерения равно 27, как показано на рисунке Е.1.

Процедура проверки объема состоит в следующем:

a) электрическое поле измеряется во всех точках с использованием метода постоянной подводимой мощности, приведенный в 5.2.3. Частоты должны выбираться согласно Е.2.6;

b) рассчитывается стандартное отклонение для измеренных электрических полей;

c) стандартное отклонение должно быть менее 1,0 дБ для однопортового ТЕМ-волновода и 0,6 дБ для двухпортового ТЕМ-волновода.

Примечание 2 - Основание для этих стандартных отклонений приведено в [51].

Рисунок Е.1 - Пример выбора точек измерения для проверки

Е.2.4 Размеры датчика

Размеры головки датчика поля должны быть менее 10 % расстояния между внутренним и внешним проводниками (высота септа) h (см. 5.2.3). Размеры пробника также должны быть меньше, чем объем калибровки (см. Е.2.3).

Е.2.5 Возмущения в ТЕМ-волноводе, вызванные датчиком поля

Возмущения в ТЕМ-волноводе, вызванные датчиком поля, включая измерительную аппаратуру, должны быть проведены с и без датчика поля.

Примечание - Возмущение зависит не только от возмущений, вызванных измерительной аппаратурой, но также линейностью ТЕМ-волновода.

Рисунок Е.2 - Расположение оборудования для проверки возмущения

Пример расположения измерительного оборудования для проверки отражен на рисунке Е.2. Усилитель мощности, генератор сигнала, двунаправленный ответвитель и измеритель мощности должны быть подключены к ТЕМ-волноводу таким же образом, как и при калибровке датчика. Антенна в виде монополя используется для измерения электрического поля. Небольшое отверстие делается в заземленной пластине, к которой затем присоединяется антенна. Датчик электрического поля, оказывающий меньшее влияние, например оптический датчик электрического поля с LiNbO ₃ электрооптическим кристаллом, также может применяться взамен монопольной антенны. При применении сенсора отверстие не нужно. Антенна или сенсор не должны быть калиброваны в обязательном порядке. Монопольная антенна подключается к анализатору спектра для измерения выхода антенны. Металлический куб, который имеет размеры калибруемого объема, может использоваться как датчик поля.

Процедура проверки возмущения проводится следующим образом:

a) установить частоту без датчика поля и обеспечить подаваемую мощность на ТЕМ-волновод;

b) измерить уровень мощности и записать значение на анализаторе спектра;

c) увеличить мощность и повторить шаг b);

d) изменить частоту (см. Е.2.6) и повторить шаги а) - с);

e) когда измерения проведены для всех частот, установить датчик поля и повторить шаги а) - d);

f) проверить возмущение по записанным данным входной мощности.

Разница между возмущением с датчиком и без датчика должна быть меньше, чем неопределенность измерителя мощности и анализатора спектра.

Примечание - См. [52] и [53] для определения неопределенности. Некоторые производители измерительной аппаратуры указывают неопределенность измерений аппаратуры.

Е.2.6 Шаги частоты

Для того чтобы была возможность сравнивать результаты испытаний между различными лабораториями, необходимо использовать для калибровки фиксированные частоты, см. таблицу Е.1.

Таблица Е.1 - Частоты калибровки

Диапазон частот	Типовые частоты калибровки, МГц
от f 0 до 1 ГГц	f 0, 50, 100, 150, 200, ..., 950, 1000
Свыше 1 ГГц	1000, 1200, 1400, ...
Примечание - f 0 - минимальная частота калибруемого датчика.

Е.2.7 Напряженность поля

Напряженность поля, на которой датчик калибруется, должна быть основана на напряженности поля, требуемой для проведения испытаний на помехоустойчивость. Так как предпочтительный метод проверки однородности поля проводится при напряженности поля, которая как минимум в 1,8 раза больше напряженности поля, применяемой при проведении испытаний, то рекомендуется проводить калибровку датчика поля при двойной напряженности поля, как показано в таблице Е.2.

Примечание - Это также охватывает требование к усилителю мощности по 1 дБ насыщению.

Таблица Е.2 - Уровни калибровки напряженности поля

Калибровочный уровень	Калибровочная напряженность поля, В/м
1	2
2	6
3	20
4	60
X	Y
Примечание - X, Y - открытые калибровочные уровни (могут быть заданы в документах на продукцию или испытательной лабораторией).

Е.3 Требования к калибровочному оборудованию

Е.3.1 Характеристики ТЕМ-волноводов

ТЕМ-волноводы могут применяться для установки стандартных полей для калибровки датчиков поля. Поле в центре ТЕМ-камеры между септом и верхней или нижней пластинами рассчитывается из формулы

,

(Е.2)

где Z ₀ - характеристическое полное сопротивление ТЕМ-камеры (обычно 50 Ом),

P _net - мощность, определенная согласно Е.3.4, Вт,

h - расстояние между септом и верхней или нижней пластиной, м.

Примечание 1 - Поле в средней точке между двумя проводниками определяется по формуле (Е.2).

Примечание 2 - Формула (Е.2) справедлива только для ТЕМ-вида колебаний.

Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) ТЕМ-камеры должен сохраняться малым, т.е. менее 1,3, для минимизации неопределенности измерений.

При альтернативном методе измерения P _net должен применяться калиброванный аттенюатор с низким КСВН и измеритель мощности, подключенный к выходному порту ТЕМ-волновода (только для двухпортовых ТЕМ-волноводов).

Е.3.2 Гармоники и нежелательные сигналы

Любые гармоники или нежелательные сигналы от усилителя мощности должны быть как минимум на 20 дБ ниже уровня на несущей частоте. Это необходимо для всех уровней напряженности поля при проведении калибровки и при проверке линейности. Так как содержание гармоник усилителей мощности обычно хуже при высоких уровнях мощности, то измерение гармоник может проводиться только при самой высокой калибровочной напряженности поля. Измерение гармоник может проводиться с применением калиброванного анализатора спектра, который подключается к выходу усилителя через аттенюатор или направленный ответвитель.

Калибровочные лаборатории должны проводить измерения для проверки того, что гармоники и/или нежелательные сигналы от усилителя удовлетворяют требованиям для всех измерительных конфигураций. Это может быть сделано подсоединением анализатора спектра к порту 3 направленного ответвителя [заменяя датчик измерителя мощности на вход анализатором спектра (см. рисунок Е.3)].

Примечание - Необходимо гарантировать, что уровень мощности не превышает максимально допустимый входной уровень анализатора спектра. Аттенюатор может применяться.

Полоса частот должна охватывать как минимум третью гармонику основной излучаемой частоты. Проверочные измерения должны проводиться при уровне мощности, который генерирует максимальную требуемую напряженность поля. Фильтр для подавления гармоник может применяться для улучшения спектральной чистоты усилителя(ей) мощности.

Примечание - "Требуемая частота" означает максимальную частоту, которая должна калиброваться.

Е.3.3 Корпус датчика

Корпус датчика может создавать отражения электромагнитных полей при проведении калибровки датчика. Корпус должен быть сделан из материала с относительной проницаемостью менее 1,2 и тангенсом диэлектрических потерь менее 0,005.

Е.3.4 Измерение подаваемой мощности на передающее устройство с использованием направленных ответвителей

Подаваемая мощность, передаваемая на передающее устройство, может быть измерена при помощи четырехпортового двунаправленного ответвителя или двух трехпортовых одиночных направленных ответвителей, соединенных встречно друг с другом (формируя так называемый двойной направленный ответвитель). Общая схема с применением двунаправленного ответвителя для измерения подаваемой мощности на передающее устройство отражена на рисунке Е.3. Прямая связь и обратная связь определяются следующими формулами для случая, когда каждый порт соединен с согласованной нагрузкой и согласованным источником:

,

(Е.3)

,

(Е.4)

где P ₁, P ₂, Р ₃ и Р ₄ - это соответствующие значения мощности на каждом порту направленного ответвителя.

Подаваемая мощность, передаваемая на передающее устройство, определяется формулой

,

(Е.5)

где РМ ₁ и РМ ₂ - значения измерителя мощности в единицах линейных измерений.

Если КСВН ТЕМ-волновода известен, то может применяться одиночный трехпортовый ответвитель. Например, когда ТЕМ-волновод имеет КСВН, равный 1,5, то это эквивалентно коэффициенту отражения по напряжению (VRC), равному 0,2.

Точность определяется направленностью ответвителя. Направленность - это мера способности ответвителя изолировать подаваемый сигнал от отраженного. Для хорошо согласованного передающего устройства отраженная мощность намного меньше, чем подаваемая мощность. Эффект направленности является поэтому менее важным, чем отражения в устройстве. Например, когда ТЕМ-волновод имеет КСВН, равный 1,5, и ответвитель имеет направленность 20 дБ, абсолютная максимальная неопределенность, подаваемой мощности из-за окончательной направленности составляет 0,22 - 0,18 дБ = 0,04 дБ при U-образном распределении (где 0,22 дБ являются потерями падающей мощности от КСВН, равном 1,5).

Подаваемая мощность, передаваемая на передающее устройство, определяется формулой

.

(Е.6)

Рисунок Е.3 - Общая схема для измерения подаваемой мощности на передающее устройство

Е.4 Калибровка датчика поля

Е.4.1 Методы калибровки

Хотя три метода калибровки приведены в [53], обычно применяются два метода. Стандартный метод калибровки поля, использующий расчет напряженностей поля, применяется для двухпортового ТЕМ-волновода (см. Е.4.2). Метод калибровки, использующий стандарт передачи (т.е. датчик поля калибруется по отношению к аналогичному датчику), применяется для однопортового ТЕМ-волновода.

Е.4.2 Процедура калибровки для двухпортового ТЕМ-волновода

Для двухпортового ТЕМ-волновода может применяться стандартный метод калибровки датчиков. На рисунке Е.4 показан пример схемы расположения оборудования для калибровки датчика электрического поля. Если уровень электрического поля, подаваемая и отраженная мощности считываются вручную, то компьютер нет необходимости применять. Калибровочная процедура должна выбираться в соответствии с типом ТЕМ-волновода. Процедура для проведения калибровки в случае двухпортового ТЕМ-волновода должна быть следующей:

a) изотропный датчик напряженности электрического поля располагают в центре высоты септа;

b) прикладывают подаваемую мощность на входной порт ТЕМ-волновода таким образом, чтобы первичная компонента поля находилась в диапазоне от 6 до 20 В/м во всем диапазоне частот, определенном в Е.2.2 с шагом частоты, определенным в Е.2.6, и записать все значения подаваемой и отраженной мощностей, первичной и вторичной компонент напряженности поля;

c) рассчитывают подводимую мощность P _net по формулам (Е.5) и (Е.6) и измеренные мощности;

d) рассчитывают номинальную первичную напряженность электрического поля по формуле (Е.2) как E _approx.

Примечание - Коэффициент калибровки может изменяться в зависимости от того, как датчик установлен. Также для устранения влияния всех частей, отличных от головки датчика, применяют метод расположения только головки датчика в верхней части ТЕМ-волновода.

Коэффициент калибровки F _p можно получить из формулы:

,

(Е.7)

где E _m - измеренная первичная составляющая напряженности поля.

Рисунок Е.4 - Пример схемы расположения оборудования для калибровки датчика электрического поля

Е.4.3 Процедура калибровки для однопортового ТЕМ-волновода

Е.4.3.1 Метод передачи

В общем случае отклонения измеренной напряженности электрического поля от напряженности поля, приведенной в формуле (Е.2), находятся в пределах  0,5 дБ для всех частот в случае двухпортового ТЕМ-волновода. Тем не менее отклонение может быть  3 дБ или  4 дБ в случае однопортового ТЕМ-волновода. Поэтому метод калибровки, приведенный в Е.4.2, не должен применяться в однопортовых ТЕМ-волноводах. В этом случае калибровка может проводиться с использованием метода передачи.

Передающий датчик может применяться для определения стандартных полей в генерирующем поле устройстве (рабочее стандартное устройство). Характеристика передающего датчика может быть определена либо теоретическими расчетами (для датчиков в виде диполя), либо калибровками, проводящимися согласно некоторым методам (например, может применяться метод трех антенн в безэховой камере). Другой метод применяется для небольших (допускает более высокую частоту) двухпортовых ТЕМ-камер. Это, конечно, требует, чтобы передающий датчик был достаточно небольшим. Так как передающие функции рабочих стандартных устройств известны, то калибровка датчика может проводиться на других уровнях мощности, при условии линейности характеристик рабочего стандартного устройства. Возможные дополнительные ошибки из-за различий в условиях калибровки (например, калибровочная площадка, размер, ориентация) для передающих стандартов, а также отличия в кривых между передающим стандартом и калибруемым датчиком должны быть приняты во внимание.

Примечание 1 - Обычно любые отличия в условиях калибровки между эталонной калибровкой и действительной обстановкой в калибровочной лаборатории будут вводить систематические ошибки. К тому же передающий стандарт, используемый в калибровочной лаборатории, должен в идеале иметь аналогичную геометрию и конструкцию датчика, который в действительности будет калиброваться. Если это не является случаем дополнительных систематических ошибок, которые возникнут, чтобы быть определенными количественно.

Процедура проведения калибровки с использованием передающего датчика должна быть следующей:

a) устанавливают передающий датчик в центр высоты септа;

b) подводят подаваемую мощность на входной порт ТЕМ-волновода во всем диапазоне частот, установленном в Е.2.2, с шагом частоты, установленным в Е.2.6, и записывают все значения подаваемой и отраженной мощностей, первичной компоненты напряженности поля (или выходное напряжение передающего датчика).

Примечание 2 - Если измеряются выходные напряжения, то они должны быть преобразованы в напряженность электрического поля;

c) рассчитывают подводимую мощность P _net по формулам (Е.5) и (Е.6) и измеренные мощности;

d) заменяют передающий датчик на калибруемый изотропный датчик напряженности электрического поля;

е) подводят такую подаваемую мощность, чтобы она была аналогична мощности в шаге b); записывают первичную составляющую напряженности поля.

Коэффициент калибровки F _p, может быть получен по формуле:

,

(Е.8)

где E _T - первичная составляющая напряженности поля, полученная передающим датчиком.

Метод передачи является точным, если выполняются следующие условия:

- схема расположения оборудования не изменялась между передающей и калибровочной процедурами;

- положение датчика при измерениях воспроизводимое;

- передаваемая мощность оставалась одинаковой;

- калибруемый датчик по конструкции (размер и элементы конструкции) аналогичен передающему датчику;

- кабели, соединяющие головку датчика и считывающее устройство, не мешают либо поддерживают поле;

- рабочее стандартное устройство в значительной степени безэховое.

Более подробную информацию об этом методе см. в [54] и [55].

Е.4.3.2 Метод оценки электрического поля в калибровочном положении

Если передающий датчик отсутствует, то датчик может быть откалиброван другим методом. При этом используется монопольная антенна, указанная в Е.2.5 (см. рисунок Е.5). Калибровочная процедура должна быть следующей:

a) располагают монопольную антенну на заземленной пластине;

b) подводят подаваемую мощность на входной порт ТЕМ-волновода во всем диапазоне частот, установленном в Е.2.2, с шагом частоты, установленным в Е.2.6, и записать все значения подаваемой и отраженной мощностей и данные анализатора спектра, P _nmono;

c) рассчитывают напряженность электрического поля в положении монополя E _mono, используя коэффициент калибровки антенны;

d) рассчитывают подводимую мощность P _net по формулам (Е.5) или (Е.6) и измеренные мощности;

е) убирают монополь, затем небольшой датчик электрического поля (например, оптический датчик электрического поля) помещают на место, где был расположен монополь;

f) подводят такую подаваемую мощность, чтобы она была аналогична мощности в шаге b); записывают первичную составляющую напряженности поля или данные отдатчика на анализаторе спектра (E _M или Р _M).

Примечание - Небольшой датчик электрического поля нет необходимости калибровать. Несмотря на то, что датчик электрического поля может применяться, калиброванный датчик применяться не должен;

g) располагают небольшой электрический датчик поля в положение для калибровки (обычно центральная точка высоты септа);

h) подводят такую подаваемую мощность, чтобы она была аналогична мощности в шаге b); записывают Первичную составляющую напряженности поля или данные от датчика на анализаторе спектра (E _C или Р _C).

Рисунок Е.5.а - Применение монопольной антенны

Рисунок Е.5.b - Применение небольшого датчика электрического поля

Рисунок Е.5 - Схема расположения оборудования для калибровки датчика электрического поля другим методом

Эталонное электрическое поле может быть рассчитано по следующим уравнениям:

.

(Е.9)

Коэффициент калибровки F _p может быть получен по формуле:

,

(Е.10)

где E _m - первичная составляющая напряженности поля, полученная калибруемым датчиком.

Процедура коэффициента калибровки монопольной антенны устанавливается в Е.4.3.3.

Е.4.3.3 Расчет коэффициента калибровки антенны из полного сопротивления антенны при использовании эквивалента длины

Полное сопротивление антенны может быть получено путем измерения коэффициента отражения антенны с помощью сетевого анализатора или расчета с помощью формулы Лабуса [56] или другими цифровыми методами, такими как метод моментов.

Рисунок Е.6 - Эквивалентная схема антенны и измерительной аппаратуры

Эквивалентная схема приемной антенны и измерительной аппаратуры показана на рисунке Е.6. Напряжение на зажимах антенны V ₀ получаем по следующей формуле:

,

(E.11)

где Z ₀ и Z _ant - характеристическое полное сопротивление аппаратуры и полное сопротивление антенны соответственно;

E - электрическое поле на месте, где расположен элемент антенны;

l _е - эффективная длина антенны, которая рассчитывается по формулам:

,

(E.12)

,

(E.13)

где l и - элементы длины антенны и длина волны соответственно.

Коэффициент антенны AF выражается через электрическое поле и напряжение на зажимах по следующей формуле:

.

(E.14)

Коэффициент антенны получается из (Е.11) и (Е.14) как:

.

(E.15)