宽带电场探头的灵敏度限值

周　峰，熊宇飞，袁修华，刘　畅，朱　琨，张向阳

(1. 中国信息通信研究院泰尔实验室, 北京 100191； 2. 中国合格评定国家认可委员会, 北京 100062；3. 北京森馥科技有限公司, 北京 100012)

0　引　言

电场探头是用于测量电场强度的仪表，在电磁辐射安全评估、电磁兼容与无线通信测试、天线和电磁兼容测试场地评估、国防电子对抗等领域有广泛应用. 电场探头可简单分类为选频型和宽带型，其中宽带型直接测量通带内的总场强[1-5]. 在相当长的一段时间内，德国、美国产品占据我国电场探头市场的主要份额. 近些年来，我国企业开始自主研发宽带电场探头. 灵敏度是电场探头的重要指标之一，故对宽带电场探头的理论灵敏度极限进行探索，意义重大.

1　数学证明

假设宽带电场探头的带宽是W，频率下限和上限分别是fL,fH，按照接收天线的理论，偶极子天线接收功率是导体在外加电场激励下产生感应电动势的过程，所以只要外加电场相同，无论磁场如何，感应电动势是相同的[3,4]，接收功率也相同. 参照平面波激励下的天线接收功率公式，考虑到短偶极子天线的等效接收面积是3λ2/8π[5,6]，可以得到短偶极子天线在频率为f、对应波长为λ的简谐电场激励下的接收功率PR为

(1)

式中：η0是波阻抗，在真空和空气中可以取120π；c是光速. 假设系统的频率分辨率带宽是df，而接收机的噪声系数线性值是FN，这是一个大于1的数. 则在带宽为df的一小段频谱上，接收机底噪引入的接收功率是

(2)

式中：K是玻尔兹曼常数，可以取1.38×10-23；T是热力学温度，室温条件下可以取300 K. 研究表明，即使采用带通采样器，这种热噪声也是不可避免的[6].

(3)

考虑到各个带宽为df的小频段上，电场是不相关的，则从fL到fH的总的场强值为

(4)

综合式(3)，将式(4)转换为积分形式，为

(5)

显然，EW具有均方根值的性质.

目前，常用的宽带电场探头一般具有X-Y-Z三个正交空间轴向，可以测量空间某一点的总场强. 三轴电场探头可以认为具有三个独立的接收机通道，故总的底噪场强为

(6)

2　算例和测量

关于EW和E3-axis，可以理解为在外界激励为0或者远小于内部热噪声激励的情况下，电场探头的底噪示值. 外界电场激励只有大于底噪示值一定的倍数，才可能被有效测量. 此外，还有一些型号的场探头在显示端做了处理，当仪表判断外界电场激励较小而难于准确测量时，直接显示零值或“LOW(低场强)”. 以下针对若干真实的场探头型号，给出算例和测量结果.

测量在具有高屏蔽效能的全电波暗室中进行，计算表明，电波暗室中的场强远远低于噪声系数为 0 dB 时理想电场探头的底噪示值，满足理论设定的条件. 被测均选用三轴电场探头，计算和测量结果如表 1～表 2 所示. 在计算中，除了频率上下限、噪声系数FN使用标注值外，其他的物理常数均采用上文给出的典型值.

表 1　电场探头A与B的底噪示值计算和测量

3　结　论

算例和测量的对比表明，式(5)所示规律基本符合实际. 当然，考虑到不同频段上接收机噪声系数的不同，及一些类型电场探头采用了数字校准、修正的技术，工程遇到的实际情况会更复杂一些，有待于进一步研究.