阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡關(guān)鍵參數(shù)測量結(jié)果的不確定度評定

劉 瀟， 謝 鳴， 李 渤

（中國計量科學研究院，北京 100029）

阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡關(guān)鍵參數(shù)測量結(jié)果的不確定度評定

劉 瀟， 謝 鳴， 李 渤

（中國計量科學研究院，北京 100029）

根據(jù)GB9254—2008標準的要求，對于電信端口發(fā)射出來的共模騷擾進行測量時，需要使用阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡（ISN）。ISN的4個主要參數(shù)為共模阻抗、電壓分壓系數(shù)、縱向轉(zhuǎn)換損耗以及去耦合衰減。對于這4個參數(shù)的測量結(jié)果，現(xiàn)行標準中尚未給出不確定度評定的過程或結(jié)果。因此，根據(jù)測量過程，給出了這4個參數(shù)的不確定度分量及不確定度評定結(jié)果，該測量結(jié)果的不確定度可用于電信端口共模騷擾發(fā)射測量的不確定度評定。

計量學；阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡；共模阻抗；電壓分壓系數(shù)；縱向轉(zhuǎn)換損耗；去耦合衰減；不確定度

1 前 言

GB 9254—2008《信息技術(shù)設備的無線電騷擾限值和測量方法》中規(guī)定了信息技術(shù)設備電信端口的測量方法［1］。在對電信端口發(fā)射出來的共模騷擾進行測量時，需要使用阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡（Impedance Stabilization Network，ISN）。ISN是為待測設備（EUT）提供穩(wěn)定阻抗的人工網(wǎng)絡［2］。將ISN插在EUT與任何使EUT運行的輔助設備（AE）或負載之間的信號電纜中，ISN應不影響EUT的正常工作，并能將EUT電信端口的共模騷擾輸出到接收設備。

ISN具有3個端口，分別是待測設備（EUT）端口，輔助設備（AE）端口和接收機（RF）端口。ISN的4個主要參數(shù)分別為共模阻抗、電壓分壓系數(shù)、縱向轉(zhuǎn)換損耗（LCL）以及去耦合衰減。共模阻抗規(guī)定了ISN從EUT端口向內(nèi)看去的共模阻抗幅度和相角。電壓分壓系數(shù)定義為dB，其中，Vcm為ISN的EUT端口共模阻抗兩端的共模電壓；Vmp為接收機在RF端口直接測得的結(jié)果。LCL為在一個單端口或雙端口網(wǎng)絡中，由互連線上的縱向（不對稱模式）信號在網(wǎng)絡的端子上產(chǎn)生無用橫向（對稱模式）信號程度的量度（其比值用dB表示），反映了對稱模式信號的抑制。去耦合衰減為ISN對于來自AE并出現(xiàn)在EUT端口的共模騷擾的去耦（用dB表示），又稱為隔離度。為滿足共模騷擾測試要求，GB 9254—2008中對于這4個參數(shù)給出了典型值和范圍［1］。

隨著ISN在信息技術(shù)設備電信端口共模騷擾測量中的廣泛使用，使用者開始關(guān)注ISN的性能及其關(guān)鍵參數(shù)對共模騷擾測量結(jié)果的影響，文獻［3］從使用角度對ISN的3個參數(shù)（阻抗特性，隔離度和LCL）進行了分析，給出了使用具有不同LCL值ISN的測試數(shù)據(jù)。進一步，使用者對ISN提出了校準要求，ISN的測量不確定度是共模騷擾測量結(jié)果的不確定度中的一個分量，是量值傳遞中重要一環(huán)。然而，現(xiàn)行標準中尚未給出ISN不確定度評定過程及結(jié)果。因此，結(jié)合ISN的測量過程本文給出了ISN的4個主要參數(shù)的測量結(jié)果的不確定度評定過程和結(jié)果。

2 不確定度評定

根據(jù)上述4個ISN主要參數(shù)的測量過程分別進行分析，給出每個參數(shù)的不確定度分量及評定結(jié)果。文中不確定度評定的頻段為150 kHz～30 MHz，使用的主要測量儀器為安捷倫公司生產(chǎn)的矢量網(wǎng)絡分析儀E5071C。

2.1 共模阻抗幅度和相角

將矢量網(wǎng)絡分析儀的一個端口通過適配器與ISN的EUT端口連接，ISN的RF端口用50Ω負載端接，EUT端口開路，測量得到共模阻抗。對于ISN的EUT端共模阻抗測量結(jié)果，認為各輸入量不相關(guān)，其合成標準不確定度可表示為［4］

其中各分量靈敏系數(shù)均為1，各分量含義具體如下：

（1）矢量網(wǎng)絡分析儀（vector network analyzer，VNA）測量EUT端口反射系數(shù)S11時引入的不確定度分量uVNA。參考標準，并結(jié)合對ISN共模阻抗的測量經(jīng)驗，EUT連接端口的反射系數(shù)模值在0.44～0.55之間，查VNA不確定度表，由VNA測量反射系數(shù)帶來的共模阻抗最大允許誤差在－8.36～7.77Ω之間。取8.36Ω作為其置信區(qū)間的半寬度a。同樣方法可以得到阻抗相角在該頻段的最大允許誤差。

（2）適配器引入的不確定度分量ua。對ISN進行測量時，在VNA測量端口和ISN EUT端口之間使用一組適配器，包括一個阻抗測量適配器夾具U0和一個1 mm香蕉頭至RJ45或RJ11的轉(zhuǎn)接頭，這樣一組適配器可以實現(xiàn)VNA同軸輸出端口至ISN的EUT端口的連接。理想的夾具U0和轉(zhuǎn)接頭組成的適配器組的阻抗與50Ω偏差為零，相位延遲也應為零。但實際的適配器組必然存在一定阻抗和相位變化，這部分變化可以作為一項不確定度分量計入合成不確定度。通過實際測量兩組背靠背的U0和RJ45對，得到其偏離50Ω的曲線，見圖1。假設阻抗是累加的，那么一對適配器阻抗偏離50Ω的值為這個值的1／2，由此可以計算出一對適配器引入的不確定度分量。適配器引入的相位影響可以通過對適配器的電尺寸估算得到。

圖1 適配器對偏離50Ω的阻抗

（3）RF端口遠端50Ω負載引入的不確定度分量u1。在測量共模阻抗時，ISN的RF端口接有50 Ω負載。實際負載在49.5～50.5Ω之間變化時，測量得到共模阻抗和相角的測量結(jié)果最大偏差。

（4）接地布置條件變化引入的不確定度分量ug。測量共模阻抗和相角時，ISN外殼接地。改變接地布置，包括手持適配器等，觀察測量結(jié)果的變化。

（5）重復性ur。測量系統(tǒng)在斷開和重新連接的情況下，重復測量10次，將結(jié)果代入貝塞爾公式中計算實驗標準差，從而得到該項標準不確定度分量。

150 kHz～30 MHz頻段，共模阻抗幅度和相角的不確定度隨頻率變化，表1、表2給出了150 kHz和30 MHz 2個頻率處幅度和相角的不確定度分量與評定結(jié)果。

表1 共模阻抗幅度測量結(jié)果的不確定度

表2 共模阻抗相角測量結(jié)果的不確定度

在150 kHz～30 MHz頻段范圍，對于共模阻抗幅度來說，矢量網(wǎng)絡分析儀引入的不確定度分量最大，這與矢量網(wǎng)絡分析儀的測量原理有關(guān)。在頻率低端，適配器引入不確定度分量較小，隨著頻率升高，適配器引入不確定度分量逐漸增大，越接近30 MHz，其在合成不確定度中所占比重越大。相比而言，其他幾個分量均較小。

2.2電壓分壓系數(shù)

將VNA的端口1通過適配器連接ISN的EUT端口，端口2連接ISN的RF端口，AE端口接150Ω負載，VNA測量的S21取絕對值即為電壓分壓系數(shù)VDF。

認為各輸入量不相關(guān)，VDF測量結(jié)果的合成標準不確定度可表示為

其中各分量的靈敏系數(shù)均為1，各分量含義具體如下：

（1）VNA測量傳輸系數(shù)S21引入的不確定度分量uVNA。通過查VNA手冊或利用安捷倫矢量網(wǎng)絡分析儀不確定度計算電子數(shù)據(jù)表得到。

（2）適配器插損引入的不確定度分量ua。100 Ω轉(zhuǎn)換器U100和RJ45適配器共同引入，由測量得到。

（3）EUT端口失配引入的不確定度分量uEUT。VNA利用精密校準件校準后，端口特性阻抗非常接近50Ω，通過一個標稱值100Ω的適配器U100連接到ISN的EUT端口。理想情況下，假如EUT端共模阻抗為150Ω時，U100和EUT端口間阻抗匹配，不存在反射。然而實際的EUT端口共模阻抗往往不是準確的150Ω，且隨頻率變化，因此在該連接面上必然會存在阻抗不匹配，造成失配誤差，引入不確定度。EUT端口輸入電壓反射系數(shù)ΓL＝0.06，源端輸入電壓反射系數(shù)Γg＝0.06，使用公式U＝20 log）計算得到該項不確定度分量。

（4）AE端口處用來匹配共模信號的150Ω負載會引入失配誤差，該項不確定度分量為uAE。

（5）RF端口失配引入的不確定度分量uRF。根據(jù)公式），計算RF端口失配引入的不確定度。其中VNA與ISN RF端口連接處的輸入反射系數(shù)由測量得到，其值為0.02。

（6）接地ug和ur與阻抗測量過程類似。

150kHz～30MHz頻段電壓分壓系數(shù)的測量不確定度結(jié)果見圖2，表3給出了150kHz和30MHz的不確定度分量和評定結(jié)果。

圖2 150 kHz～30 MHz ISN電壓分壓系數(shù)測量結(jié)果的不確定度

對于電壓分壓系數(shù)的測量結(jié)果，雖然不確定度分量較多，但主要的不確定度分量由網(wǎng)絡分析儀和RF端口失配引入的，其余分量均較小，有些可忽略。電壓分壓系數(shù)測量結(jié)果的不確定度可以直接用于電信端口共模發(fā)射測量結(jié)果的不確定度評定中。

2.3 縱向轉(zhuǎn)換損耗

測量縱向轉(zhuǎn)換損耗時，RF端口接50Ω匹配負載，AE端口平衡對線接100Ω負載。

利用LCL三類、五類、六類平衡對線的LCL測量結(jié)果的合成標準不確定度可以表示為

其中各分量彼此互不相關(guān)，靈敏系數(shù)均為1，各分量含義見表4。表4中以五類線為例給出LCL測量結(jié)果的不確定度分量及結(jié)果，三類、六類平衡對線的情況可以依此計算。

表3 2個頻點電壓分壓系數(shù)測量結(jié)果的不確定度

表4 2個頻點五類平衡對線LCL測量結(jié)果的不確定度

對于測量LCL，VNA測量傳輸系數(shù)的不確定度分量占較大分量。由于VNA對于測量小量值時本身不確定度較大，因此在測量中應選取盡量窄的中頻帶寬和合適的端口輸出功率。

2.4 去耦合衰減（隔離度）

去耦合衰減定義為

式中，V1和V2分別為AE端口和RF端口電壓；avdiv為測量的電壓分壓系數(shù)。adecoup的單位為dB。

因此，去耦合衰減測量結(jié)果的合成標準不確定度可表示為

各分量含義見表5。

表5 2個頻點去耦合衰減測量結(jié)果的不確定度

3 結(jié) 論

本文針對ISN的4個參數(shù)測量結(jié)果的不確定度進行評定，給出150 kHz、30 MHz 2個典型頻點詳細的不確定度分量及結(jié)果，研究了ISN 4個關(guān)鍵參數(shù)測量結(jié)果的不確定度結(jié)果。其中，電壓分壓系數(shù)VDF的不確定度可以直接用于信號端口的共模發(fā)射測量結(jié)果的不確定度評定。

［1］ GB 9254—2008信息技術(shù)設備的無線電騷擾限值和測量方法［S］.

［2］ CISPR 16-1-2：2006 Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods-part1-2：Radio disturbance and immunity measuring apparatusancillary equipment-conducted disturbances［S］.

［3］ 陳煒.GB 9254—2008中電信端口測試用ISN的相關(guān)問題［J］.安全與電磁兼容，2011，（5）：26－29.

［4］ JJF 1059—1999測量不確定度評定與表示［S］.

Uncertainty Estimation for the Measurement Results of Impedance Stabilization Network

LIU Xiao， XIEMing， LIBo
（National Institute of Metrology，Beijing 100029，China）

According to standard GB9254—2008，impedance stabilization networks（ISNs）are used when performing the common mode disturbance measurements at the telecommunication ports.ISN has four key parameters which are commonmode impedance，voltage division factor，longitudinal conversion loss and decoupling attenuation.However the uncertainty estimation for ISNmeasurement results is not given in current standards.Therefore based on themeasurement procedures，the uncertainty budget and results are given for themeasurement results of the four parameters.The uncertainty can be directly used in the uncertainty estimation for common mode disturbance measurements at the telecommunication ports.

Metrology；Impedance stabilization network；Common mode impedance；Voltage division factor；Longitudinal conversion loss；Decoupling attenuation；Uncertainty.

TB973

A

1000-1158（2014）06-0540-05

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．06．04

2012-12-25；

2014-03-25

劉瀟（1983－），女，遼寧大連人，中國計量科學研究院博士，主要從事天線和場強計量技術(shù)的研究工作。liuxiao＠nim.ac.cn