周　峰，熊宇飛，袁修華，劉　暢，朱　琨，張向陽

(1. 中國信息通信研究院泰爾實驗室, 北京 100191； 2. 中國合格評定國家認可委員會, 北京 100062；3. 北京森馥科技有限公司, 北京 100012)

0　引　言

電場探頭是用于測量電場強度的儀表，在電磁輻射安全評估、電磁兼容與無線通信測試、天線和電磁兼容測試場地評估、國防電子對抗等領域有廣泛應用. 電場探頭可簡單分類為選頻型和寬帶型，其中寬帶型直接測量通帶內(nèi)的總場強[1-5]. 在相當長的一段時間內(nèi)，德國、美國產(chǎn)品占據(jù)我國電場探頭市場的主要份額. 近些年來，我國企業(yè)開始自主研發(fā)寬帶電場探頭. 靈敏度是電場探頭的重要指標之一，故對寬帶電場探頭的理論靈敏度極限進行探索，意義重大.

1　數(shù)學證明

假設寬帶電場探頭的帶寬是W，頻率下限和上限分別是fL,fH，按照接收天線的理論，偶極子天線接收功率是導體在外加電場激勵下產(chǎn)生感應電動勢的過程，所以只要外加電場相同，無論磁場如何，感應電動勢是相同的[3,4]，接收功率也相同. 參照平面波激勵下的天線接收功率公式，考慮到短偶極子天線的等效接收面積是3λ2/8π[5,6]，可以得到短偶極子天線在頻率為f、對應波長為λ的簡諧電場激勵下的接收功率PR為

(1)

式中：η0是波阻抗，在真空和空氣中可以取120π；c是光速. 假設系統(tǒng)的頻率分辨率帶寬是df，而接收機的噪聲系數(shù)線性值是FN，這是一個大于1的數(shù). 則在帶寬為df的一小段頻譜上，接收機底噪引入的接收功率是

(2)

式中：K是玻爾茲曼常數(shù)，可以取1.38×10-23；T是熱力學溫度，室溫條件下可以取300 K. 研究表明，即使采用帶通采樣器，這種熱噪聲也是不可避免的[6].

(3)

考慮到各個帶寬為df的小頻段上，電場是不相關(guān)的，則從fL到fH的總的場強值為

(4)

綜合式(3)，將式(4)轉(zhuǎn)換為積分形式，為

(5)

顯然，EW具有均方根值的性質(zhì).

目前，常用的寬帶電場探頭一般具有X-Y-Z三個正交空間軸向，可以測量空間某一點的總場強. 三軸電場探頭可以認為具有三個獨立的接收機通道，故總的底噪場強為

(6)

2　算例和測量

關(guān)于EW和E3-axis，可以理解為在外界激勵為0或者遠小于內(nèi)部熱噪聲激勵的情況下，電場探頭的底噪示值. 外界電場激勵只有大于底噪示值一定的倍數(shù)，才可能被有效測量. 此外，還有一些型號的場探頭在顯示端做了處理，當儀表判斷外界電場激勵較小而難于準確測量時，直接顯示零值或“LOW(低場強)”. 以下針對若干真實的場探頭型號，給出算例和測量結(jié)果.

測量在具有高屏蔽效能的全電波暗室中進行，計算表明，電波暗室中的場強遠遠低于噪聲系數(shù)為 0 dB 時理想電場探頭的底噪示值，滿足理論設定的條件. 被測均選用三軸電場探頭，計算和測量結(jié)果如表 1～表 2 所示. 在計算中，除了頻率上下限、噪聲系數(shù)FN使用標注值外，其他的物理常數(shù)均采用上文給出的典型值.

表 1　電場探頭A與B的底噪示值計算和測量

3　結(jié)　論

算例和測量的對比表明，式(5)所示規(guī)律基本符合實際. 當然，考慮到不同頻段上接收機噪聲系數(shù)的不同，及一些類型電場探頭采用了數(shù)字校準、修正的技術(shù)，工程遇到的實際情況會更復雜一些，有待于進一步研究.