基于三天線法測(cè)量對(duì)數(shù)周期天線的天線系數(shù)

繆軼 陳超嬋 桑昱 朱建剛 左建生 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

基于三天線法測(cè)量對(duì)數(shù)周期天線的天線系數(shù)

繆軼 陳超嬋 桑昱 朱建剛 左建生 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

介紹了基于ANSI C63.5：2006三天線法的天線系數(shù)測(cè)量原理，在開闊場(chǎng)地中搭建了對(duì)數(shù)周期天線的天線系數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，分析比較了標(biāo)準(zhǔn)天線在實(shí)際測(cè)試與溯源下的測(cè)試數(shù)據(jù)，總結(jié)提高測(cè)量準(zhǔn)確性的措施，滿足日益發(fā)展的高頻天線的天線系數(shù)測(cè)試需求。

三天線法；天線系數(shù)；開闊場(chǎng)；對(duì)數(shù)周期天線

0 引言

天線系數(shù)是天線的一個(gè)基本參數(shù)，是指入射平面波的電場(chǎng)強(qiáng)度與連接到天線的指定負(fù)載（典型的為50 Ω）上引起電壓的比值［1，2］。由于使用頻率、使用地點(diǎn)、環(huán)境場(chǎng)所等因素的影響，直接使用出廠時(shí)的天線系數(shù)會(huì)帶來測(cè)量誤差。因此，對(duì)用于電磁兼容測(cè)試或其他目的的接收天線而言，必須每年進(jìn)行一次校準(zhǔn)，給出該天線當(dāng)前的天線系數(shù)。

CISPR16-1-6-2014［1］標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了30 MHz ～1 GHz電磁兼容天線的三種基本校準(zhǔn)方法。它們分別是標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)地法或稱三天線法（SSM）、標(biāo)準(zhǔn)天線法（RAM）和等效電容替代法（ECSM）。ANSI C63.5-2006［2］對(duì)9 kHz ～40 GHz天線的校準(zhǔn)提出了詳盡的三天線法校準(zhǔn)方案。本文根據(jù)ANSI C63.5-2006三天線法，在安吉開闊試驗(yàn)場(chǎng)中對(duì)對(duì)數(shù)周期天線的自由空間天線系數(shù)進(jìn)行測(cè)試。

1 三天線法測(cè)試原理

三天線法是一種利用標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)地測(cè)量天線系數(shù)的方法［1-7］，其原理是建造一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的理想反射場(chǎng)地，在這個(gè)場(chǎng)地上三對(duì)天線的組合為天線1發(fā)射，天線2接收為第一組；天線1發(fā)射，天線3接收為第二組；天線2發(fā)射，天線3接收為第三組，得到三組測(cè)量數(shù)據(jù)。經(jīng)過計(jì)算就可以分別得到三個(gè)天線系數(shù)。要求使用三幅天線在同一測(cè)量條件下（h1，h2，R）兩兩進(jìn)行測(cè)量，其中h1、h2分別是接收和發(fā)射天線的高度，而R是兩線之間的距離（見圖1）。測(cè)量三組插入損耗，最終得到每副天線的天線系數(shù)表達(dá)式與插入損耗有關(guān)的三組公式為

式中：EDmax——距離發(fā)射天線R處的最大接收電平；

AF1、AF2、AF3——被測(cè)天線的天線系數(shù)；

fM——頻率數(shù)值，MHz；

A1——天線1和天線2之間的插入損耗；

A2——天線1和天線3之間的插入損耗；

A3——天線2和天線3之間的插入損耗

所有數(shù)值均采用dB為單位。

圖1 基于開闊場(chǎng)的天線系數(shù)測(cè)量模型

2 測(cè)試系統(tǒng)搭建

建立的測(cè)試系統(tǒng)由功率信號(hào)源、頻譜分析儀、天線升降塔、升降塔控制器和計(jì)算機(jī)組成，系統(tǒng)搭建如圖2所示。在安吉開闊場(chǎng)實(shí)際搭建的天線測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示。在實(shí)際測(cè)試過程中，采用羅德施瓦茲的對(duì)數(shù)周期天線（天線型號(hào)見表1），天線間的距離為10 m，發(fā)射天線高度2 m，通過控制信號(hào)源輸出不同的頻率，讓接收天線從低到高（高度變化區(qū)間1～4 m）在天線塔上移動(dòng)，搜索最大信號(hào)，由頻譜分析儀記錄數(shù)據(jù)，即可得到此頻率下的插入損耗。通過測(cè)量不同頻率點(diǎn)的插入損耗值進(jìn)行天線系數(shù)的計(jì)算。

圖2 天線校準(zhǔn)系統(tǒng)

圖3 基于安吉開闊場(chǎng)的天線系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)搭建實(shí)測(cè)圖

表1 天線類型

3 天線系數(shù)測(cè)試與計(jì)算

對(duì)數(shù)周期天線的頻率相對(duì)低，導(dǎo)致地面的影響很難消除，應(yīng)確保安吉開闊場(chǎng)地面為良導(dǎo)體，以獲得可重復(fù)和可比對(duì)的結(jié)果。

由式（1）可以看出：通過測(cè)得的頻率、場(chǎng)地衰減值（表2）和相對(duì)應(yīng)的 （數(shù)值參考ANSI C63.5表2），可以求出天線系數(shù)AF（表3）。為確保測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性，該標(biāo)準(zhǔn)天線還送到中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院的開闊場(chǎng)地進(jìn)行天線系數(shù)的溯源校準(zhǔn)，天線系數(shù)測(cè)試數(shù)值對(duì)比見圖4。

表2 天線系數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)

表3 對(duì)數(shù)周期天線的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與溯源數(shù)據(jù)

圖4 上海市計(jì)量院與中國(guó)計(jì)量院的天線系數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)比較

從圖4可以看出，10 m間距下對(duì)數(shù)周期天線的天線系數(shù)測(cè)量值和溯源值之間存在一定差別。分析原因可以發(fā)現(xiàn)，10 m間距下天線之間存在耦合，此外場(chǎng)地也是一個(gè)重要的影響因素。因此，在實(shí)際天線系數(shù)校準(zhǔn)過程中，應(yīng)考慮測(cè)量?jī)x器、天線耦合及場(chǎng)地等因素引起的不確定度，從而解決天線的溯源問題。經(jīng)分析，不確定度來源于以下幾個(gè)方面：頻譜分析儀相對(duì)電平測(cè)量引起的不確定度，信號(hào)發(fā)生器的穩(wěn)定性引起的不確定度，頻譜分析儀與天線阻抗失配引起的不確定度，信號(hào)發(fā)生器與天線阻抗失配引起的不確定度，場(chǎng)地不完善引起的不確定度，系統(tǒng)連接重復(fù)性引起的不確定度，測(cè)量距離變化的不確定度，而綜合上述所有來源，得出最終的相對(duì)不確定度為2.2 dB。

5 結(jié)語

利用ANSI C63.5：2006三天線法的天線系數(shù)測(cè)量原理，搭建天線系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院的對(duì)數(shù)周期天線（標(biāo)準(zhǔn)天線）在浙江安吉開闊場(chǎng)中進(jìn)行測(cè)試，并溯源至中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、比較，得出引起不確定度差異的重要影響因素。

［1］IEC.CISPR 16-1-6-2014 Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods -Part 1 -6： Radio disturbance and immunity measuring apparatus-EMC-antenna calibration［S］. Geneva，2010.

［2］IEEE.ANSI C63.5：2006 American National Standard for Electromagnetic Compatibility-Radiated Emission Measurements in Electromagnetic Interference （EMI） Control-Calibration of Antennas （9 kHz to 40 GHz） ［S］. New York，2006.

［3］IEEE.ANSI C63.4：2009 American National Standard for Methods of Measurement of Radio-Noise Emissions from Low-Voltage Electrical and Electronic Equipment in the Range of 9 kHz to 40 GHz［S］. New York，2009.

［4］IEEE.ANSI C63.7：2005 American National Standard Guide for Construction of Open-Area Test Sites for Performing Radiated Emission Measurements ［S］. New York，2005.

［5］吳釩，王維龍，洪力.30～1 000 MHz天線系數(shù)的校準(zhǔn)［J］.安全與電磁兼容，2007（4）：42-44.

［6］秦順友，王海，王聚亮.電磁兼容天線參數(shù)定義及其相互關(guān)系［J］.微波學(xué)報(bào)，2010，26（Z2）：162-164.

［7］白同云，吳畏，陳志雨.天線系數(shù)的校準(zhǔn)和使用［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2000，15（4）：526-529.

The measurement of antenna factor of log periodic antenna based on SSM

Miao Yi，Chen Chaochan，Sang Yu，Zhu Jiangang，Zuo Jiansheng
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

This paper introduced the measurement principle of antenna factor using Standard Site Method （SSM） based on the ANSI C63.5：2006 standard and set up a measurement system for determing antenna factor of log periodic antenna in Open Area Test Sites（OATS）. Then it analyzed and compared the actual test data and the traceable calibration data of standard antennae. In the end， it summarized the measures of improving measurement accuracy， in order to meet the growing demands for tesing antenna factors of high freguency antennae.

Standard Site Method（SSM）； antenna factor； Open Area Test Sites（OATS）； log periodic antenna