一种三维空间电磁场分布测量系统及测试方法

技术领域

本发明属于电磁场测量技术领域，更具体地，涉及一种三维空间电磁场分布测量系统及测试方法。

背景技术

随着无线输能技术、雷达技术和电磁兼容技术的发展，电磁波的空间传输特性测量越来越重要，无论是研究远距离大功率微波发射设备传输能量在空间中的分布规律，还是探测芯片周边场强度的分布规律，其测量精准度对系统的设计和理论分析起了关键作用。在微波无线传能技术领域，高增益天线、近场聚焦和波矢调控技术都需要通过实验进行验证，接收端整流天线和整流电路也需要依据测量结果进行设计。在雷达技术领域，研究相控阵雷达波束的形成和控制，需要进行场分布的测试。在电磁兼容技术领域，当设备需要进行电磁兼容仿真设计以满足相关的辐射安全标准时，设备三维空间内电磁场分布测量是有效的分析验证手段，能使电磁波在三维空间内可视化，以测试结果为导向，可准确测得辐射量超标准部位从而推断出电磁干扰源。因此为了促进相关技术的发展，需要使三维空间电磁场分布测量逐步走向自动化和精准化。国内有提出使用无人机载空间电磁场测量系统，此系统由无人机平台、场探头和测试软件组件，无人机使用RTK差分定位系统，定位精度可达到厘米量级，但此方法使用的无人机供电受电池约束，续航能力多为25-30分钟，大多情况下无法一次测量完成，导致测试不能连续进行，而且当测量场强较大时，易发生电磁兼容问题，致使无人机紊乱甚至损坏，同时也无法完成毫米量级精度的测试。因此一种三维空间电磁场分布测量系统和测试方法对于验证电磁波的空间传输特性，促进无线输能技术、雷达技术和电磁兼容技术的发展具有实际意义。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种三维空间电磁场分布测量系统及测试方法，能实现自动化、高精度及实时数据处理，可以根据实际工作条件选择多种结构配置，适用于无线能量传输技术、雷达技术和电磁兼容等领域的电磁场分布测试。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种三维空间电磁场分布测量系统，包括：测试对象、接收端和控制处理端；

所述测试对象包括电磁发生装置；所述接收端包括电磁场接收探头及三维扫描架；所述控制处理端包括频谱仪、驱动器、矢量信号源、数据处理器及显控平台；

所述电磁发生装置与所述矢量信号源连接，所述电磁场接收探头安装于所述三维扫描架上，所述电磁场接收探头与所述频谱仪连接，所述三维扫描架与所述驱动器连接，所述矢量信号源与所述功率放大器连接，所述显控平台分别与所述频谱仪、所述驱动器及所述矢量信号源连接，所述数据处理器与所述显控平台连接；

所述显控平台将调制信号下载至所述矢量信号源，并通过所述矢量信号源将输出信号发送至所述电磁发生装置；

所述显控平台通过所述驱动器控制所述三维扫描架沿设定的轨迹运行，带动所述三维扫描架托盘上固定连接的所述电磁场接收探头沿设定的轨迹接收所述电磁发生装置产生的电磁波，经由所述频谱仪测量出的场强值并存入所述显控平台中的存储器，然后由所述数据处理器实时将存入的数据绘制成场分布图。

其中，测试对象可以为天线或受试设备，在测试对象为天线时，利用天线的辐射特性将电信号能量转换为空间中电磁波能量，并定向辐射至某一方向，以达到特定的电磁活动为目标，不同的天线形式和不同的调控手段都将在远场处产生不同的辐射结果；在测试对象为待测量辐射标准的受试设备时，此方式是一种不通过天线的被动电磁辐射，它是由于电子设备工作时意外产生的，当电磁辐射量很高时，会成为一种干扰源。

其中，测试对象和接收端之间的距离随着测试对象的不同而有所改变，可以在数厘米至数米的范围内变化。

在一些可选的实施方案中，在所述测试对象为天线时，所述测试对象还包括位于所述电磁发生装置和所述矢量信号源之间的功率放大器，所述显控平台设置的调制信号下载至所述矢量信号源，并通过所述矢量信号源将输出信号通过所述功率放大器连接至所述电磁发生装置。

其中，所述功率放大器具有稳幅稳相特点，在测试对象为天线时，用于将所述矢量信号源(或矢量网络分析仪)输出的小功率微波信号按比例放大，以确保在相同的距离下所述电磁场接收探头能获得更大的输入功率。

在一些可选的实施方案中，所述电磁场接收探头为电场探头、磁场探头或测试天线，用于从所述电磁发生装置中捕获不同的电磁信号。

其中，电磁场接收探头需要根据不同的应用场景进行选型，通常需要考虑探头灵敏度、分辨率和频率响应特征，应具有较好的平坦度，以确保能够耦合到清晰的信号特征。

在一些可选的实施方案中，所述三维扫描架包括：可沿着竖杆上下移动的活动横杆、滑动配合的套在活动横杆上的可左右移动的横移滑块、可拆卸的设在横移滑块上且用于安装电磁场接收探头的托盘、用于限定活动横杆、横移滑块和底座移动位置的限位器，可在导轨上滑动的底座。

其中，所述三维扫描架的托盘固定连接有所述电磁场接收探头，可以利用三个电机带动所述电磁场接收探头在设定的三维轨迹上运行，其中，所述三维扫描架在一立方米的空间内步进精度达到毫米量级。

其中，三维轨迹需要根据不同的测试对象进行设定。若测试对象为芯片或电路板，可在电路板模型周边数毫米的空间轨迹上运行。若测试对象为天线，可在平行于天线口面的空间上，以一个立方体的轨迹运行。

其中，通常情况下托盘和竖杆部分应由非金属材料构成，以减小电磁扰动引起的测量误差，通过在三个运行维度的端点处设置限位器，阻止滑块运动出有效范围而造成脱落。

其中，频谱仪用于测量场的幅值，应有足够的幅值测试精度、灵敏性、动态范围和分辨率带宽，具有存储和运算功能，并且能够通过标准接口与显控平台连接进行远程控制。

其中，驱动器能够下载程序，可根据程序文件中编程点的空间位置控制三维扫描架进行工作，精准控制三轴的方位、运动速度及停留时长，具有一定的存储空间，并且能够进行串口通信和网口通信。

其中，运行速度一般为固定值。停留时长需要根据测试对象辐射电磁波的特性、控制处理端仪表的性能，进行综合考量设定，一般为3-5秒。

其中，所述电磁发生装置为天线时，矢量信号源与测试对象中的功率放大器相连，当测量至远场处辐射功率不足，可在中间加装功率放大器。

其中，所述显控平台与数据处理器、频谱仪、驱动器及矢量信号源相连，作为信息交互中心，用于显示控制数据处理器、频谱仪、驱动器及矢量信号源的设置参数，并获得经数据处理后的场分布图像加以显示。

其中，所述数据处理器与所述显控平台连接，用于调取数据库中所述频谱仪测量到的幅值，并通过相关算法将其转换为三维场强分布图。

其中，可以使用matlab提取数据库中的三个坐标轴和场强值，然后可以用mesh和plot基本命令，绘制立体网状图或立体曲面图。

按照本发明的另一方面，提供了一种三维空间电磁场分布测试方法，包括：

S1:试验场地选取电磁环境干净且不受干扰的位置；

S2:选取合适的电磁场接收探头，设置三维扫描架的运动速度和每个监测点的采样时间，并计算所需的采样点间隔，其中，采样间隔Δ<λ/2，λ为电磁波在真空中的波长；

S3:根据场的测试要求，设置三维扫描架在三维空间内的运行轨迹；

S4:启动电磁测试对象，按照给定工况运行；

S5:采集所测得的场分布数据并按顺序保留在显控平台的存储器中；

S6:提取数据，进行数据处理，生成场分布图。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

采用上述方案后，本发明提出的一种三维空间电磁场分布测量系统和测试方法有效易行，只需结合实际测量需要，选取合适的电磁场接收探头，设置适宜的运行参数(包括接收端三维扫描架的轨迹、速度和停留时间，控制处理端频谱仪的扫描时间、分辨率带宽和最大保持轨迹的设定)，就能实现具有自动化、高精度及实时处理数据等特点的测试系统，同时，本方案结构灵活，根据实际工作条件选择多种结构配置，适用于无线能量传输技术、雷达技术和电磁兼容等领域复杂场景测试，对测量具体场的分布特性发挥重要作用，提升空间场测量的测试效率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种表示电磁场分布测量系统的结构示意图；

图2是实施例一中电磁波远场分布测量系统示意图；

图3是表示电磁波远场分布测量监测点三维空间内的运行轨迹图；

图4是实施例二中电磁场近场分布测量系统示意图；

图中：1-三维扫描架、2-远场测试天线、3-控制处理端、4-辐射天线、5-近场测试探头、6-近场待测物。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例一

对于三维空间电磁场远场分布测量系统结构，如图1所示，电磁波远场分布测量系统如图2所示，为实现三维空间远场测量，电磁波测试对象为阵列天线4，接收端控制三维扫描架1沿设定的轨迹运行，同时三维扫描架1托盘上固定连接有远场测试天线2也沿上述设定的轨迹接收电磁波，经由频谱仪测量出的场强值并存入显控平台中的存储器，由数据处理器实时将存入数据绘制成场分布图。实施例一中的三维空间电磁场分布测量系统主要包括测试对象、接收端和控制处理端3，测试对象包括阵列天线4及功率放大器；接收端包括远场测试天线2及三维扫描架1；控制处理端3包括频谱仪、驱动器、矢量信号源、数据处理器及显控平台。

测试对象为阵列天线4，利用阵列天线的辐射特性将电信号能量转换为空间中电磁波能量，并定向辐射至某一方向，以达到特定的电磁活动为目标，不同的天线形式和不同的调控手段都将在远场处产生不同的辐射结果，根据天线阵面的设计或不同的调方式，可在远场处产生X型波束或圆形型波束。

功率放大器应具有稳幅稳相的特点，可将矢量信号源输出的小功率微波调制信号按比例放大，当天线发射电磁波时，以确保在相同的距离下远场测试天线2能获得更大的输入功率，提高信号的辨识度。

电磁波接收探头为远场测试天线时，可选用单极天线，测试过程中接收天线口面应保持与发射天线口面平行，且极化方向相同，以确保能够耦合到清晰的信号特征。

三维扫描架托盘固定连接有远场测试天线，利用三个电机带动电磁探头在预设的三维轨迹上运行，三维扫描架在一立方米的空间内步进精度达到毫米量级，通常情况下托盘和竖杆部分应由非金属材料构成，此处选用玻璃纤维增强塑料，以减小电磁扰动引起的测量误差，通过在三个运行维度的端点处设置限位器，阻止滑块运动出有效范围而造成脱落。

频谱仪微波输入端连接有远场测试天线，用于测量场的幅值，选用单极天线，应有足够的幅值测试精度、灵敏性、动态范围和分辨率带宽，具有存储和运算功能，并且能够通过标准接口与显控平台连接进行远程控制，响应显控平台设定的测量参数，并将测试所得数据实时发送至显控平台中的存储器存储。

驱动器能够下载程序，可根据程序文件中编程点的空间位置控制三维扫描架进行工作，精准控制三轴的方位、运动速度及停留时长，具有一定的存储空间，并且能够进行串口通信和网口通信。此实例支持文件调用等丰富的移动指令，以及开放式的用户自定义指令，由显控平台导入的PLT文件和G代码文件，操控电机以任意的速率步进。

显控平台与数据处理器、频谱仪、驱动器及矢量信号源相连，作为信息交互中心，用于显示控制各模块的设置参数及数据处理后的场分布图像。

数据处理器与显控平台连接，用于调取数据库中频谱仪测量到的幅值，并通过相关算法软件将其转换为三维场强分布图。

本实施例中三维空间电磁场测试方法，包括以下步骤：

S1：试验场地选取电磁环境干净且不受干扰的位置；

测试环境通常在微波暗室中进行天线远场的测量，若场地距离不够时可移至开阔场，正式测量前需记录远场测试天线处的电磁环境，避免因周围环境影响造成测量误差。

S2:选取合适的电磁场接收探头，设置三维扫描架的运动速度和每个监测点的采样时间，并计算所需的采样点间隔；

本实例测试远场，所用的电磁场接收探头为远场测试天线，不同频率电磁波的天线系数不一样，可查表求得。实际情况下运动速度的选取应和天线发射电磁波的波长相关，若波长较短则运动速度减小。当采样的信号为脉冲波，每个测试点采样时间需保持3-5S，以确保取得脉冲的最大值，采样间隔Δ<λ/2，其中λ为电磁波在真空中的波长。

S3:根据场的测试要求，设计三维扫描架在三维空间内的运行轨迹；

本实例中远场测试轨迹如图3所示，测量点先扫描完yoz平面后，沿x轴步进Δ后再一次扫面yoz平面后，扫描至x轴指定坐标后结束。

S4:启动电磁发生装置，按照给定工况运行；

显控平台设置所需的调制信号并下载至矢量信号源，将输出信号通过功率放大器连接至阵列天线，以确保在相同的距离下远场测试天线能获得更大的输入功率，提高信号的辨识度。

S5:采集所测得的场分布数据并按顺序保留在显控平台的存储器中；

所选用存储器为硬盘，其容量大，而且保存数据更加安全可靠。

S6:由数据处理器提取数据，进行数据处理，生成场分布图；

根据运动轨迹所测量的点，绘制出场分布图，图形既可以是三维图，也可以为二维图，采用热力图表示场强值的大小，在yoz平面上可以看出不同距离下主波束的形状、大小，在xoz平面上可以推断出波束角以及衰减规律。

此实施例为一种可用于无线能量传输的远场测试系统，具有高精度、实时处理数据等特点，能够满足无线能量传输技术的测量。若将天线与三维扫描架间距移动至近场距离，该测试系统同样可以测试近场。

实施例二

对于三维空间电磁场近场分布测量系统，如图4所示，近场待测装置6可以为印制电路板或天线近场区，当测试对象为印制电路板时，设备的正常工作会在周边产生电磁场，此方式是一种不通过天线的被动电磁辐射，当电磁辐射量很高时，会成为一种干扰源，对其它设备造成严重的电磁干扰。电磁场接收探头为电场探头5，通常可以利用偶极子天线接收环境中的场强，使用前需对其进行标校以保证其测量的准确性和可靠性。近场扫描时，一般要求电场探头距离待测装置较近，设计点在三维空间内运行轨迹，可以根据待测装置的形状特点进行直线运动或圆弧线运动，采样间隔Δ<λ/2，其中λ为电磁场主要干扰频段在真空中的波长。数据处理生成的场分布图像可以是二维或三维，在显控平台显示出高辐射区域一目了然。

利用三维空间电磁场近场测量系统和测试方法，通过显控平台连接频谱仪或矢量网络分析仪，自动高精度控制电场探头的扫描位置，能有效应用于电路的电磁兼容设计中，准确定位杂散源的位置和频带范围，提高测试效率。

本发明具有自动化测量、高精度及有效数据存储等特点，可根据测试需求，设计探头测量的运动轨迹，步进精度可达毫米量级，测量出待测物工作时附近三维空间电磁场分布或天线辐射远场处某一空间电磁场分布。通过数据处理器，绘制出三维空间电磁场分布图，可在无线输能、雷达和电磁兼容等领域复杂场景测试下，提升空间场测量的测试效率，并发挥重要作用。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。