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Experimental Design for Verifying the Time-Frequency Domain Performance of Specular Single Cone Electric Field Standard Devices
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摘要: 为解决镜面单锥电场标准装置的时域和频域性能验证问题，深入分析了国内外相关的标准规范和研究现状，提出了一种镜面单锥电场标准装置的时-频域性能验证方法。在时域上，将镜面单锥电场标准装置与TEM室所产生瞬态电磁脉冲电场的脉冲波形参数（幅度、上升时间、脉冲宽度）进行比对；在频域上，将镜面单锥电场标准装置与μTEM室产生的连续波电场强度进行比对，时域和频域性能验证的比对结果均采用En值进行评定。研究镜面单锥电场标准装置的时-频域性能验证方法，突破镜面单锥电场标准装置的时域和频域性能验证难点，对于保证我国脉冲电场量值溯源的准确性，促进我国瞬态脉冲电场参数的量值统一，具有重要意义。Abstract: This study proposes a method to verify the time domain and frequency domain performance of specular single cone electric field standard devices, drawing on an analysis of relevant international and domestic standards and research. In the time domain, pulse waveform parameters (amplitude, rise time, pulse width) of the transient electromagnetic pulse electric fields generated by both the specular single cone electric field standard device and the TEM chamber are compared. In the frequency domain, the comparison is made between the continuous-wave electric field strengths generated by the specular single cone device and the μTEM chamber. The En value is employed to assess the comparison results in both time and frequency domain performance verifications. This research, focusing on the development of a time-frequency domain performance verification method for specular single cone electric field standard devices, addresses the challenges in verifying both time and frequency domain performances of these devices. It is crucial for ensuring the accuracy of pulse electric field measurements in China and for harmonizing the transient pulse electric field parameters.
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Keywords:
- metrology /
- electromagnetic pulse /
- performance verification /
- time domain /
- frequency domain /
- electric field
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0. 引言
近些年来，雷电放电、核爆炸以及高功率微波等产生的瞬态强电磁脉冲受到越来越多的关注。瞬态强电磁脉冲是指频率范围覆盖数千赫兹至数吉赫兹[1]，峰值场强高达数万伏每米的脉冲电场。瞬态强电磁脉冲对于国防、通信、航空航天等方面的影响巨大，如电磁脉冲武器可以在战争中让所有的武器失效，航天器在轨运行过程中遇到的星际间电离辐射、太阳活动等也会产生电磁脉冲，影响航天器的在轨运行[2 − 4]。因此，强电磁脉冲的测量成为各军事强国的研究热点[5]。
研究强电磁脉冲，首先要研究产生强电磁脉冲的装置，其次对强电磁脉冲进行准确的测量。国内外用于产生标准电磁脉冲的装置主要有TEM室、GTEM室、镜面单锥[6]等，TEM室受限于频带带宽窄、GTEM室受限于场均匀性差，不建议作为优选的场生成装置，国际上更推荐镜面单锥室作为场发生器用于校准时域传感器[7]。对于镜面单锥室，国外主要有俄罗斯全俄光学物理研究院、美国计量技术和标准化研究所（NIST）、韩国计量院（KRISS）等进行相关研究[8 − 9]，国内清华大学、西北核技术研究所、北京东方计量测试研究所等单位取得了一些研究成果[10 − 15]，但是我国对镜面单锥的研究还不够成熟，尚无法对镜面单锥进行准确溯源。西北核技术研究所蒋廷勇等人联合清华大学工程物理系、俄罗斯全俄光学与物理研究院，采用D-dot传感器为传递标准，开展镜面单锥标准场的联合比对实验[16]。西北核技术研究所燕有杰等人采用标准场计算法，将镜面单锥电场标准装置分别溯源到脉冲参数、S参数以及长度参数基准[17]。
电场强度是无线电计量领域中一个重要的参数，关于电场计量器具检定、校准的标准，目前国际上IEEE Std 1309-2013给出了三种9 kHz至40 GHz频率范围内电磁场传感器和探头的校准方法[20]，分别为传递标准法、标准场计算法和基准探头法，该标准提供了频域校准参数，但对于时域校准参数没有规定。该标准给出了可以产生标准脉冲电磁场的几种装置，分别为TEM室、GTEM室和镜面单锥，但是对于这几种装置的如何溯源并未体现。国内相关的标准有JJF1886-2020《电场探头校准规范》[21]、JJF1884-2020《10kHz~100MHz电磁场探头校准规范》[22]、JJG（军工）24-2018《电磁场传感器和探头》[23]，规定了用TEM室、GTEM室、同心锥等对电磁场探头进行校准，但是这三个规范提供的校准项目为电场强度、线性响应等，没有时域参数的校准方法。GJB8218-2014《高功率超宽谱脉冲辐射场测量方法》中利用镜面单锥标定脉冲电场传感器，但标定结果只给出了被校传感器的等效高度计算方法，标定项目和结果有待明确[24 − 25]。
瞬态电磁脉冲在时域上表现为幅值变化迅速[18]，具有单个极快的上升沿，持续时间短，通常为ps或者ns级，在频域上表现为频带范围宽[19]。目前关于瞬态电磁脉冲相关标准中，绝大部分都是频域校准，时域校准也只有较少的相关论文，而镜面单锥由于其时域特性好，研究镜面单锥电场标准装置的时-频域性能验证方法，突破镜面单锥电场标准装置的时域和频域性能验证难点，对于保证我国脉冲电场量值溯源的准确性，促进我国瞬态脉冲电场参数的量值统一，具有重要意义。
1. 镜面单锥电场标准装置
由北京东方计量测试研究所联合中国人民解放军63660部队项目团队研制的基于超大型低反射镜面单锥的脉冲电场标准装置[26 − 27]，可产生的标准脉冲电场幅值为50～150 V/m可调，脉冲前沿小于100 ps，脉冲宽度大于5 ns。如图1所示，镜面单锥电场标准装置由脉冲源、镜面单锥系统以及配套的测试仪器组成。其工作原理为：脉冲源产生脉冲信号，馈电到镜面单锥系统，镜面单锥和镜面圆板之间产生可以计算的标准脉冲电场，该标准脉冲电场主要用来校准电场传感器。经过详细分析、仿真，研制了图2所示的超大型低反射镜面单锥的脉冲电场标准装置。
镜面单锥系统的示意图如图3所示，由单锥锥体和镜面圆板组成。镜面单锥是由无限长双锥天线演变而来，根据麦克斯韦方程，镜面单锥锥体和镜面板间电场与馈入电压之间的关系式为式（1）。
Eθ=(1+Γ)VS(t)rsinθln[cot(θh/2)] (1) 式中，VS(t)是馈电点的输入电压；θ是电场测量点与馈电点之间连线和单锥轴线形成的夹角；θh是单锥的半锥角；r是测量点到馈电点的距离；Г是馈电点的反射系数。上式在时间窗口：0⩽内成立，l是母线长度，c是光速。
2. 镜面单锥时域频域性能验证方法
前文相关标准分析可知，TEM室是场强校准中常用的标准装置。在结构上，TEM室由中间平行的波导段和两端锥形波导组成，其结构封闭，不向外辐射能量，结构简单，运输便携，成本低，环境适应性强，常用作标准场产生装置[21 − 22]。IEEE Std 1309-2013标准中推荐TEM室、GTEM室、单锥TEM室等作为场产生装置，用于校准电磁场传感器，但由于GTEM室场均匀差，会产生高次模，不推荐作为优选的场产生装置[29 − 30]，而TEM室产生场的均匀性相对较好，产生的场可以精确计算，发展历史较长[26 − 28]，因此本文选择TEM室作为镜面单锥时域和频域性能验证的比对装置。
清华大学姜云升等人提出了一种采用TEM室和镜面单锥进行电场传感器的时域联合校准方法[30]，并推导出时域校准和频域校准的等价性，时域校准系数和频域校准系数具有等价性。综上所述，针对镜面单锥系统的性能验证，本文提出在时域上，将TEM室和镜面单锥产生脉冲电场的波形、上升沿、时域校准系数进行比对，同时脉冲宽度也是脉冲电场的时域特性之一，因此比对项目为脉冲波形、上升沿、脉冲宽度。在频域上，将镜面单锥与中国计量科学研究院场强计量标准μTEM室的电场强度进行比对，比对项目为校准系数、电场强度值。
2.1 时域性能验证方法
针对上述镜面单锥电场标准装置，本文提出一种镜面单锥的时域性能验证方法：如图4和图5所示，首先利用脉冲源在TEM室内产生一标准脉冲场，该脉冲幅值可由TEM室的芯板高度、TEM室输出信号幅度等参数计算得到，利用脉冲电场探头测量该脉冲场，示波器记录探头的输出波形，并记录脉冲信号的上升沿，输出脉宽。利用相同脉冲源在镜面单锥内产生相同幅值的脉冲场，利用脉冲电场探头进行测量，示波器记录探头的输出波形，并记录脉冲信号的上升沿，输出脉宽。通过脉冲信号的幅值和传感器恢复信号的幅值计算时域校准系数，比较两次测量结果对镜面单锥系统时域性能进行验证，参考国家标准GB/T 28043-2019《利用实验室间比对进行能力验证的统计方法》，采用En值法对比对结果进行评定，其中En值定义如式（2）所示。
E_\mathrm{n} = \frac{{x_{{\mathrm{lab}}} - x_{{\mathrm{ref}}}}}{{\sqrt {{U^2}(x_{{\mathrm{lab}}}) + {U^2}(x_{{\mathrm{ref}}})} }} (2) 式中，xlab为镜面单锥测量值；xref为TEM室测量值；U(xlab)为镜面单锥测量系统的扩展不确定度；U(xref)为TEM室测量系统的扩展不确定度。
若−1.0<En<1.0，则比对结果满意；若En≤−1.0或者En≥1，则比对结果不满意。
时域性能验证系统中，TEM室工作频率范围10 kHz～200 MHz；脉冲源的上升时间2.3 ns，半峰值脉冲宽度23 ns，输出电压范围1～20 kV；示波器的上升时间小于100 ps，频率范围覆盖100 kHz～1 GHz，脉冲电场探头选型方面，考虑到探头的高度和TEM室要满足1/3关系，且上升时间要快，可用于测量脉冲电场，因此选用Montena公司生产的SFE3-5G型D-dot探头。时域性能验证系统可满足频率范围10 kHz～200 MHz内2.3 (上升沿)～23 ns(脉宽)脉冲波形的时域验证。
2.2 频域性能验证方法
频域性能验证方法如图6、图7所示，利用信号发生器在μTEM室内产生可计算标准场，用射频电场探头进行测量，然后在镜面单锥内相同频点下产生相同幅值的标准场，利用射频电场探头进行测量，通过信号发生器产生信号的幅值和传感器恢复信号的幅值计算频域校准系数，比较两次测量结果在频域下对镜面单锥系统进行验证，采用En值法对比对结果进行评定。
频域性能验证系统中，μTEM室为中国计量科学研究院的场强标准装置，其频率范围为10 MHz～1 GHz，产生场强范围10～60 V/m。由于μTEM室体积极小，芯板高度仅为 35 mm，开口极狭，直径仅为 8 mm 左右，且只有一个开口，目前市面上仅有北京森馥科技定制的射频电场探头RF-06M可以放入且满足相关频率及场强范围要求，因此选用该型号的探头进行频域性能验证。
3. 结论
对于电磁脉冲的校准，相关的文献和标准大多是频域校准，时域校准中校准项目和校准过程也较为模糊，对于电磁脉冲场强在时域下的量值溯源目前尚未有相关的标准或者规范能够提供完整的指导。因此对于镜面单锥电场标准装置，其时域性能和频域性能如何进行验证亟待解决。本文提出了一种镜面单锥电场标准装置的时-频域性能验证方法。在时域上，将镜面单锥电场标准装置与TEM室所产生瞬态电磁脉冲电场的脉冲波形参数（幅度、上升时间、脉冲宽度）进行比对；在频域上，将镜面单锥电场标准装置与μTEM室产生的连续波电场强度进行比对，时域和频域性能验证的比对结果均采用En值进行评定。
由于时域校准系数和频域校准系数具有等价性，因此本文提出的镜面单锥时域性能和频域性能验证方法，对于保证我国脉冲电场量值溯源的准确性，促进我国瞬态脉冲电场参数的量值统一，具有重要意义。
本文重点是研究时域和频域性能验证的方法，设计镜面单锥时域和频域上的性能验证方法实验，并对性能验证系统采用的设备进行选型，实验测试的结果将在之后的研究中侧重。
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