一种TEM室场均匀性自动校准装置和校准方法

技术领域

本发明属于无线电计量技术领域，具体涉及一种TEM室场均匀性自动校准装置和校准方法。

背景技术

TEM传输室是在1974年由美国国家标准局的专家M.L.Crawford提出的一种新的测试方法。用TEM传输室的测量方法已列入CISPR-16-1及IEC61000-4-20EMC测试标准之中。

由于TEM传输室相当于可移动的屏蔽室，因而应用相当广泛。TEM传输室是电子设备电场幅射敏感度试验的理想装置，既可进行射频连续波敏感度试验，又可进行脉冲波的敏感度试验，此外，它还可以用于粗略测量电子、电气、机电设备甚至计算机芯片和微处理器所产生的辐射发射。还广泛应用于电磁场生物效应的研究，屏蔽效能的测试以及对场探头和天线进行校准。

在对相关仪器产品进行射频电磁场辐射抗扰度试验时，TEM室场强的“均匀性”直接影响其试验结果的判定，即场均匀性是横电磁波小室一个重要技术指标。本次研制的自动校准装置主要用于校准TEM室内场的均匀性，保证TEM室性能准确可靠。

根据国际电工技术委员会(IEC)规定，TEM场均匀性有两种评判标准：一种是利用极化电场值作为评定标准，另一种是采用总场值作为评定标准。

TEM室场均匀性的定义是依据极化电场值法和总场值法，具体而言，即对TEM室极板之间场强实施多测点测量，然后将其他测点与中心测点场强比较，场强差值在±3dB以内区域定义为TEM室场均匀区。鉴于TEM室尺寸不等且开口很小，若人为操作单点测量，定位不准、干扰场均匀区且操作误差极大，会导致校准不确定度很大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种TEM室场均匀性自动校准装置和校准方法，用于校准多种尺寸的TEM室内场的均匀性。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种TEM室场均匀性自动校准装置，其特征在于：包括依次串联的场强传感器阵列、数据处理单元、增益单元、分析单元；场强传感器阵列包括埋设在支架中的场强传感器，场强传感器的埋设间隔均匀，使场强传感器阵列在同一个平面上，并根据TEM室的开口大小将场强传感器分组固定；每个场强传感器通过单独的屏蔽导线连接到数据处理单元的信号输入端，用于将场强传感器所处的TEM室的射频微波信号转换成直流信号并发送给数据处理单元；数据处理单元包括依次串联的调理模块、编码模块、电光转换器；调理模块用于对收到的直流信号进行滤波和放大并发送给编码模块，编码模块用于对调理后的信号进行编码并发送给电光转换器，电光转换器用于将编码信号转换为光信号并通过光纤传输给增益单元；增益单元的信号收发端连接分析单元的信号收发端，用于接收分析单元的控制命令，并根据控制命令增益收到的信号并发送给分析单元；分析单元用于统计分析场强值。

按上述方案，场强传感器阵列的分组方式为均匀分布的2×2个场强传感器。

按上述方案，场强传感器阵列的分组方式为均匀分布的3×3个场强传感器。

按上述方案，场强传感器阵列的分组方式为均匀分布的4×6个场强传感器。

按上述方案，场强传感器采用电场强度检测范围为1V/m～300V/m、测量频率范围为400MHz～18GHz的微波晶体检波管；屏蔽导线的线芯为高阻线，电阻为125千欧；偶极子阻抗为375欧姆。

按上述方案，支架采用包括四氟乙烯的对电磁场干扰不敏感的材料；支架内设有均匀排列在同一平面上的槽口用于埋设场强传感器。

按上述方案，增益单元通过串口网口转换模块连接分析单元实现串口与以太网口的通信。

按上述方案，分析单元包括通信模块、交互模块、存储模块、辅助模块、显示模块；通信模块用于设置串口的工作模式为115200bps，一位起始位，一位停止位，偶校验；定义接收和发送队列数据结构，提供访问的接口；建立通信线程，实现数据收发；交互模块用于将用户输入的控制命令填充到发送队列，实时解析接收队列中的相关信息，并采用对话框的形式完成人机交互；存储模块用于将多路电压值存入数据库，提供按时间查询接口，并将查询结果保存为Excel文件；辅助模块用于完成时间设置、增益参数设置、数据库维护功能；显示模块用于显示多路电压采集值和分析结果。

一种TEM室场均匀性自动校准方法，包括以下步骤：

S1：根据待测的TEM室尺寸在4路场强传感器阵列、9路场强传感器阵列、24路场强传感器阵列中选取相应的场强传感器阵列，将场强传感器阵列放入极板间的均匀区；

S2：将场强传感器阵列、数据处理单元、增益单元、分析单元依次连接；

S5：装置上电，实现仪器控制和信号采集；

S6：通过场强传感器阵列采集数据，数据处理单元、增益单元对数据进行预处理；

S7：分析单元接收预处理后的数据，并分析、保存、显示场强数据，评价被校准TEM室的场均匀性；

S8：装置断电，拆收校准装置，完成校准工作。

进一步的，所述的步骤S7中，分析单元接收预处理数据的具体步骤为：

S71：分析单元选择串口接收数据，并向数据处理单元发送测试命令设置测试场强、采集路数、增益参数；

S72：数据处理单元应答测试模式设置状态，每隔1秒发送增益数据到分析单元；

S73：数据稳定后，分析单元保存场强及对应的增益数据，并导出为EXCEL文件、显示给用户。

本发明的有益效果为：

1.本发明的一种TEM室场均匀性自动校准装置和校准方法，通过多路集成的低扰动电场探头阵列按顺序获取场强值，再通过计算机统计分析场强分布、评价横电磁波室内产生的电磁场是否均匀从而评定TEM室性能，实现了校准多种尺寸的TEM室内场的均匀性的功能。

2.本发明利用晶体检波器场强传感器组成的传感器阵列作为信号采集部分，并分别通过4路、9路、24路电光转换器转换后，由光纤输出电信号数据阵列，再通过数据分析软件得出场均匀性结果；实现了对TEM室或GTEM室极板间场的均匀性校准，频率范围宽，动态范围广，光纤信号传输抗干扰性强，使用方便；适合于计量校准、科研生产和检测检验等活动，特别适合工业、环保、通信、武器装备等射频微波电磁场均匀性监测的行业。

3.本发明是一种集机械、电子、计算机技术、光纤通信技术、软件等方面技术为一体的智能化、集成化的检测仪器；主要涉及的技术有：机械设计、机械原理、电子技术、电磁波技术、传感器技术、数字微处理技术、模拟电子电路、射频电路设计、数据处理、PC通信技术、光纤通信技术、数据结构与算法分析等；可用于：1)校准TEM室内场均匀性；2)通信、卫生、环保、工业领域射频电磁场监测；3)武器装备电磁场监测等。

附图说明

图1是本发明实施例的4路场强传感器阵列图。

图2是本发明实施例的9路场强传感器阵列图。

图3是本发明实施例的24路场强传感器阵列图。

图4是本发明实施例的接线图。

图5是本发明实施例的通信界面图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的实施例根据不同尺寸TEM室场均匀区的大小，研制出三套尺寸不同的阵列传感器探头测量装置(TEM室尺寸已知)，分别为4×6、3×3和2×2，传感器可拆装；传感器高阻线电阻125千欧且互相绝缘；24路信号光纤传输，由主机屏幕显示场强值。

1.1仪器技术指标

1.2功能要求

传感器探头按阵列均匀分布，传感器固定支架拆装方便；

传感器固定支架材质选择，选用对电磁场干扰不敏感的材料；

各个传感器的测量结果可传输到PC机上进行处理；

PC机上可同时显示阵列上的各个传感器的测量结果，并进行统计分析。

2.1主机部分

2.1.1电路板的设计与制作

电路板制作使电路迷你化、直观化，对于固定电路的批量生产和优化用电器布局起重要作用。

印制电路板的构成主要是绝缘基材与导体两类材料，在电子设备中起到支撑、互连和部分电路元件的作用。集成路与电阻、电容等电子元件作为单个的个体是无法发挥作用的，只有在印制电路板上有了立足之地并有导结将其连通，在这整体中才能发挥其功能。印制电路板是支撑元器件的骨架，连通电信号的管道。另外，有的印制电路板中附有电阻、电容、电感等元器件，成为功能性电路，起到器管作用。

2.1.2电子元器件

电子元器件(Electronic components)，是电子元件和电子器件的总称。主要由电子元件业、半导体分立器件和集成电路业等部分组成。电路板是带有连通导体的绝缘板，把电子元器件固定其上且联成电路。

2.1.3串口服务器

串口服务器采用的是Mport3101系列产品主要实现以太网和串口(RS-232/RS-485/RS-422)之间的数据传输。该系列产品基于32位ARM Cortex-M4的主控CPU实现一路以太网接口与一路串口通讯并进行数据交换的功能。该系列产品将工业自动化领域的串口设备转换为以太网络的通讯格式，让原来无法上网的RS-232/RS-485/RS-422设备也能够方便、灵活的链接至网络。同时该系列产品采用标准35mm间距DIN卡轨式安装方式，非常适合工业现场的安装应用。

主要特点：实现一路以太网接口与一路串口通讯；自动识别串口信号流向，零延时自动转发；支持Windows/Linux COM/TTY驱动；标准TCP/IP接口和丰富的应用模式；所有串口内置15KV ESD保护。

表1串口服务器性能参数

2.1.4主机界面

主机控制器是这个装置的核心。按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电阻值来控制测试部分的启动、停止等功能的装置。它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个仪器的操作。

整个数据采集由电脑控制，传感信号采集后，信号用光纤传输，24路信号统一数据处理，电脑软件中显示场强值。因此控制器面板设计上只采用了开关、复位按钮，满足使用功能需求。仪器面板上有信号指示灯，表明仪器处于何种工作状态。

2.2传感器阵列

整体测试架选用对电磁场无扰动的原材料，考虑的主要材料有两种：一是电木，即酚醛塑料；二是聚四氟乙烯。考虑到加工及感观方面，最终选择聚四氟乙烯作整体测试支架的原材料。在支架上按照设计图纸中显示的位置整齐均匀的布置槽口，传感器及信号线平整、合适的卡入槽口，稳妥的固定在支架上，保证整体测试装置在TEM室内整齐划一，在同一平面上。

按照设计要求，整体支撑面应在同一个平面，且传感器振子均匀布置在支撑架上。支撑架主要设计重点在于，一是保证整体在同一水平面上，从而确保整体测试数据的可靠性与准确性；但是根据TEM室开口大小设计结构组成，4路传感器支架不能放入场均匀区，故将同一平面的阵列方式改为前后队列式的阵列。

2.3软件模块设计

通信模块：设置串口的工作模式为115200bps，一位起始位，一位停止位，偶校验；定义接收和发送队列数据结构，提供访问的接口；建立通信线程，实现数据收发。

交互模块：采用对话框的形式，完成人机交互。将用户输入的下位机控制命令填充到发送队列，并实时解析接收队列中的相关信息，将多路电压采集值显示在主界面上。

存储模块：将多路电压值存入本地数据库。提供按时间查询接口，将查询结果保存为Excel表格。

辅助模块：完成下位机时间设置、增益参数设置、数据库维护等功能。

4路、9路、24路传感器阵列图分别如图1至图3所示，根据需求将不同数量的场强传感器分布在四氟乙烯支撑支架中，每一个传感器信号都由专门的信号线输出，同时对信号线实施屏蔽，使信号既不受TEM室场强干扰又不干扰TEM室场分布。

TEM室近区场均匀性校准装置的接线图如图4所示。传感器通过微波晶体检波管将射频微波信号转换成直流信号，通过主机对采集的信号进行调理，CPU进行数据处理和编码，再通过电光转换器后由光纤输出到RF信号转换器。

通信界面如图5所示。在串口号栏下拉选择所用的串口，点击保存后，数据存入数据库。在测试命令区，输入场强，下拉选择采集路数和增益参数，点击发送。上位机向发位机发送测试命令，下位机应答测试模式设置状态，每隔1秒发送增益数据到上位机。数据稳定后，上位机点击保存按钮，将场强及其对应的增益数据保存到测试数据列表。点击导出将该列表内容导出到EXCEL。

本发明的校准方法，包括以下步骤：

S1：打开仪器箱，取出校准系统中的主机、信号转换器、测试探头阵列(4路、9路、24路)及相关接插线等。

S2：根据TEM室尺寸选取相应的测试探头阵列，放入极板间的均匀区。将测试支架上的另外一端(航空插件)插入主机后面的RF输入端，测试支架与主机紧固连接。

S3：将光纤线一端两个SC接口插入主机TXD、RXD接口处，另外一端的两个SC接口插入RF信号转换器的TX、RX处。注意主机上的TXD接口线对应信号转换器RX，RXD对应信号转换器TX，即蓝色接口插入TXD、另一端的白色接口插信号转换器的RX口，不能反接。

S4：将数据线一端接信号转换器的RS232接口处，另一端接入电脑，实现仪器控制和信号采集。

S5：将主机、RF信号转换器背后的电源线插好，开机。

S6：打开测试电脑进入测试界面，用电路电压采集模块点击开始测试，控制装置采集数据。

S7：完成采集后保存数据，并进行数据处理，评价被校准TEM的场均匀性。

S8：关闭电源，拆收校准装置，完成校准工作。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。