基于網(wǎng)絡(luò)分析儀的EMC測(cè)量天線校準(zhǔn)方法研究

劉鵬，劉君榮，梁瓊崇

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東廣州510610）

基于網(wǎng)絡(luò)分析儀的EMC測(cè)量天線校準(zhǔn)方法研究

劉鵬，劉君榮，梁瓊崇

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東廣州510610）

首先，介紹了SAE ARP 958D-1999（R2003）中建議的天線校準(zhǔn)方法，指出了該方法具有操作繁瑣、效率低和精度不高等問題；然后，提出了基于網(wǎng)絡(luò)分析儀的簡便天線校準(zhǔn)方法，該方法利用網(wǎng)絡(luò)分析儀的S21掃頻測(cè)試功能，能夠一次性地測(cè)試得到整個(gè)待校準(zhǔn)頻段的參數(shù)，不但可以簡化測(cè)試操作步驟，提高工作效率，而且還可以提高測(cè)量精度和校準(zhǔn)精度。

天線；校準(zhǔn)；網(wǎng)絡(luò)分析儀

0 引言

天線是重要的電磁兼容測(cè)試設(shè)備，天線系數(shù)和天線增益作為天線的重要參數(shù)[1]，其校準(zhǔn)是電磁兼容工程師們極其關(guān)注的問題[2]。天線由于長期使用、磨損等原因，商家提供的出廠天線系數(shù)將有可能不能滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的精度要求。因此，在將天線用于測(cè)試之前，必須對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。SAE ARP 958D-1999（R2003）《電磁干擾測(cè)量天線:標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)法》（簡稱:SAE ARP 958D）[3]是目前被廣泛采用的一種天線校準(zhǔn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但是，該標(biāo)準(zhǔn)建議的校準(zhǔn)方法操作繁雜、效率不高，因此，研究新方法來提高天線校準(zhǔn)的效率和精度，具有現(xiàn)實(shí)的意義。

1 SAE-ARP 958D標(biāo)準(zhǔn)建議的天線校準(zhǔn)方法介紹

SAE-ARP 958只適用于兩個(gè)相同型號(hào)EMC測(cè)量天線1 m天線系數(shù)[4]的校準(zhǔn)。

1.1 基本原理

當(dāng)兩個(gè)天線的軸線對(duì)齊并且其極化方向相同時(shí)，在距離發(fā)射天線r處的接收天線的輸出功率[5]為:

式（1）中:GT和GR——發(fā)射天線和接收天線的增益值；PR——接收天線的輸出功率，W；PT——發(fā)射天線的饋入功率，W；

r——兩天線之間的距離，m；

λ——對(duì)應(yīng)頻率電磁波的波長，m。

如果兩個(gè)天線相同，即GT=GR，則有G2=

1.2 標(biāo)準(zhǔn)建議的方法的測(cè)試步驟

1.2.1 測(cè)試系統(tǒng)的搭建

搭建測(cè)試系統(tǒng)需要的設(shè)備主要包括信號(hào)源、接收機(jī)（頻譜儀）、同軸線纜、6 dB同軸衰減器、連接同軸線纜的連接器（直通）和一些需要的轉(zhuǎn)接頭。信號(hào)源和接收機(jī)必須能覆蓋待測(cè)天線標(biāo)稱頻率范圍，50 Ω阻抗匹配，并且要求接收機(jī)的輸入端VSWR≤1.25。

系統(tǒng)搭建的示意如圖1所示，測(cè)試場(chǎng)地為開闊場(chǎng)，也可用半電波暗室模擬開闊場(chǎng)[5]。天線水平距離為1 m，天線距離地面的高度為3 m，使天線軸線對(duì)齊并且極化方向匹配。

1.2.2 測(cè)試步驟

a）按照?qǐng)D1搭建測(cè)試系統(tǒng)，調(diào)整信號(hào)源輸出，使接收機(jī)（頻譜儀）接收到一個(gè)合適的電壓。

b）微調(diào)天線的角度，使接收機(jī)的指示電壓值達(dá)到最大值后固定天線方位，并記錄此時(shí)接收機(jī)的電壓Vb和信號(hào)源的輸出電壓VT。依次完成對(duì)各個(gè)天線待校頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Vb、VT的測(cè)試。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)建議的方法的測(cè)試系統(tǒng)示意圖

c）先將與天線連接的兩條射頻線纜分別與天線（在天線端口處）斷開，然后再用直通將兩根線纜短接。

d）調(diào)整信號(hào)源輸出直至接收機(jī)的指示電壓值與步驟b）中的Vb一致，并記錄此時(shí)信號(hào)源的輸出電壓值VR。重復(fù)上述操作，依次完成對(duì)各個(gè)天線待校頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的VR的測(cè)試。

e）將各個(gè)頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的VR和VT帶入公式（2），計(jì)算出兩根天線之間的間距為1 m時(shí)各個(gè)頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的增益值G。

f）最后依據(jù)式（3），計(jì)算出各個(gè)頻點(diǎn)的天線系數(shù)AF。

2 基于網(wǎng)絡(luò)分析儀的天線校準(zhǔn)方法

SAE-ARP 958D標(biāo)準(zhǔn)建議使用信號(hào)源和接收機(jī)兩臺(tái)儀器配合進(jìn)行測(cè)試，每校準(zhǔn)一個(gè)頻點(diǎn)需要按照上述1.2.2節(jié)的測(cè)試步驟b）、c）、d）進(jìn)行測(cè)試并記錄一組Vb、VT、VR電壓值。尤其是步驟d）需要多次微調(diào)信號(hào)源直至接收機(jī)的電壓與步驟b）中的電壓Vb一致，操作繁瑣、耗時(shí)。

因此，作者提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)分析儀（簡稱網(wǎng)分）的天線校準(zhǔn)方法，該方法在滿足SAE-ARP 958D標(biāo)準(zhǔn)要求的同時(shí)還能夠簡便、快速地進(jìn)行天線校準(zhǔn)。

2.1 基本原理

令UT、UR、Ub（單位為dBm）分別為對(duì)應(yīng)電壓VT、VR、Vb（單位為V）的信號(hào)電平值。

如圖1所示，令信號(hào)源輸出電平為UT、最終到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)電平為Ub，信號(hào)在鏈路中經(jīng)歷的衰減包括:線纜與同軸衰減器造成的衰減Lcab、發(fā)射天線與接收天線造成的衰減LAF和天線之間的1 m距離與空間環(huán)境造成的衰減LSA，則UT與Ub關(guān)系式可表示為:

按上述1.2.2中的步驟d）微調(diào)測(cè)試鏈路中信號(hào)源的輸出電平到UR，信號(hào)經(jīng)歷線纜和同軸衰減器的衰減Lcab，到達(dá)接收機(jī)信號(hào)電平變?yōu)閁b，則信號(hào)電平UR與Ub之間的關(guān)系式可表示為:

用上述UT減去UR可得:

從式（5）可知，ΔU值等于鏈路中衰減LAF與LSA之和，使用網(wǎng)分（以安捷倫公司的E5071C為例）功能菜單“Meas”中的“S21”插入損耗測(cè)試功能，可以方便地測(cè)得ΔU值，具體的方法如下所述。

在保持網(wǎng)分輸出端功率電平為UT不變的情況下，分別測(cè)試1.2.2節(jié)中的步驟b）、d）的對(duì)應(yīng)測(cè)試鏈路的損耗ΔUTb、ΔUTc，可得:

ΔUTc=UT-Uc=Lcab（其中，Uc對(duì)應(yīng)網(wǎng)分發(fā)射端為UT時(shí)網(wǎng)分接收端的電平值）。

兩個(gè)損耗值相減得:ΔUTb-ΔUTc=LAF+LSA，依據(jù)式（5）得:ΔUTb-ΔUTc=ΔU。

所以，利用網(wǎng)分測(cè)試出兩個(gè)鏈路的插入損耗值并將其相減即可得到ΔU，由式（2）、（4）可知關(guān)系式GdBi=10 lg（G）可得對(duì)數(shù)形式的天線增益:

2.2 基于網(wǎng)分方法的測(cè)試步驟

2.2.1 測(cè)試系統(tǒng)的搭建

基于網(wǎng)分方法搭建的測(cè)試系統(tǒng)的示意圖如圖2所示，其結(jié)構(gòu)與1.2.1節(jié)中描述的標(biāo)準(zhǔn)建議的方法的測(cè)試系統(tǒng)一致，只是將信號(hào)源和接收機(jī)替換為了網(wǎng)絡(luò)分析儀。搭建天線的水平距離為1 m，距離地面的垂直高度為3 m，將天線對(duì)齊并極化匹配。

圖2 基于網(wǎng)分方法搭建的測(cè)試系統(tǒng)示意圖

2.2.2 測(cè)試步驟

a）按圖2所示的方法來搭建測(cè)試系統(tǒng)，設(shè)置網(wǎng)分到S21損耗測(cè)試功能，輸出合適的電平值UT，設(shè)置合適的掃描參數(shù)（掃描頻率覆蓋天線待校頻率范圍），確保網(wǎng)分測(cè)試得到穩(wěn)定的損耗值。

b）微調(diào)天線角度方向，使網(wǎng)分指示損耗值達(dá)到最?。ù藭r(shí)鏈路對(duì)應(yīng)的插入損耗為ΔUTb），然后將網(wǎng)分測(cè)得的插入損耗值曲線進(jìn)行歸一化操作，即以ΔUTb值作參考進(jìn)行后續(xù)的測(cè)試。

c）將與天線連接的兩條射頻線纜與天線（在天線端口處）斷開，然后用校準(zhǔn)過的50 Ω直通將兩根線纜短接。

d）網(wǎng)分運(yùn)行掃描測(cè)試得到ΔU值曲線，記錄網(wǎng)分指示的各個(gè)待校頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的ΔU值。

e）將ΔU的值帶入式（6）計(jì)算各個(gè)頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的天線增益值GdBi。天線增益值也可表示為

3 實(shí)驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)分析

分別利用標(biāo)準(zhǔn)建議的方法和基于網(wǎng)分的方法對(duì)SCHWARZBECK公司的兩個(gè)型號(hào)為VHBB9124（配置相同）的雙錐天線進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)頻率范圍為天線標(biāo)稱的工作頻段（30～300 MHz）。標(biāo)準(zhǔn)建議方法使用的測(cè)試設(shè)備為Agilent公司的信號(hào)源E8257D和頻譜儀E4440A，基于網(wǎng)分方法使用的測(cè)試設(shè)備為Agilent公司的網(wǎng)分E5071C。兩種方法的測(cè)試數(shù)據(jù)分別如表1、2所示。

3.1 測(cè)量不確定度的來源

依據(jù)SAE-ARP 958D標(biāo)準(zhǔn)，由式（3）、（6）可得，在理想條件下，EMC測(cè)量天線的天線系數(shù)的理論計(jì)算公式為:

在實(shí)際條件下，考慮到測(cè)量過程的各種影響因素，測(cè)量不確定度評(píng)定[6]的模型可以表示為:

A3（σ1）——校準(zhǔn)場(chǎng)地不完善的影響量；

A4（σ2）——兩天線對(duì)正和極化誤差的影響量；

A5（σ3）——測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定性對(duì)應(yīng)的影響量。對(duì)應(yīng)該模型，測(cè)量不確定的來源主要包括:

1）ΔU測(cè)量誤差引入的不確定度u1；

2）兩天線之間的距離誤差引入的不確定度u2；

3）校準(zhǔn)場(chǎng)地不完善引入的不確定度u3；

4）兩天線對(duì)正和極化誤差引入的不確定度u4；

5）測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定性對(duì)應(yīng)的不確定度u5。

3.2 兩種方法測(cè)量不確定度的比較

本文中給出的兩種方法的不確定度的來源相同，僅僅是由測(cè)試設(shè)備的不同而導(dǎo)致ΔU測(cè)量誤差的不同，對(duì)應(yīng)不確定度分量u1的不同。在兩者的不確定度評(píng)定中除u1外，其余不確定度分量均可視為相同。

3.2.1 標(biāo)準(zhǔn)建議方法的ΔU測(cè)量不確定度

標(biāo)準(zhǔn)建議方法使用信號(hào)源和頻譜儀測(cè)量ΔU值，按前面介紹的步驟調(diào)節(jié)信號(hào)源，使頻譜儀的電平維持為Ub不變，將兩次信號(hào)源輸出功率的電平分別記錄為UT、UR，將兩次記錄相減即可得到ΔU值，即ΔU=UT-UR。ΔU測(cè)量誤差通過信號(hào)源E8257D的幅度線性指標(biāo)估算。

通過查E8257D技術(shù)資料得知，其幅度線性指標(biāo)為±0.6 dB度線性指標(biāo)，認(rèn)為符合均勻分布，由B類評(píng)定方法[6]可得:

用E4440A和E8257D多次測(cè)試，按A類評(píng)定方法[6]估算可得:

則合成標(biāo)準(zhǔn)的不確定度為:

3.2.2 基于網(wǎng)分方法的ΔU測(cè)量不確定度

基于網(wǎng)分方法是將網(wǎng)分E5071C設(shè)置參考后掃描測(cè)試直接得到ΔU值，其測(cè)量誤差以網(wǎng)分的接收幅度動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確度指標(biāo)估算。

通過查E5071C技術(shù)資料得知，其接收幅度動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確度指標(biāo)為±0.15 dB，認(rèn)為符合均勻分布，按B類評(píng)定方法可得:

用E5071C多次測(cè)試，按A類評(píng)定方法估算可得:

則合成標(biāo)準(zhǔn)的不確定度為:

對(duì)比uc1、uc2可知，基于網(wǎng)分方法的ΔU測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)不確定度比標(biāo)準(zhǔn)建議方法的值降低了0.25 dB，由此可以判斷，基于網(wǎng)分方法的精度更高。

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

分析各個(gè)測(cè)量不確定度分量，最終估算可得，標(biāo)準(zhǔn)建議方法的測(cè)量不確定度Ud1=1.1 dB，基于網(wǎng)分方法的測(cè)量不確定度Ud2=0.96 dB。

表1和表2所示的是作者用兩種方法對(duì)相同天線校準(zhǔn)所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比兩者可發(fā)現(xiàn)天線系數(shù)的值相差不超過0.9 dB（即|AF2-AF1|≤0.9 dB），對(duì)應(yīng)的En值滿足如下關(guān)系:

表1 利用標(biāo)準(zhǔn)建議方法測(cè)得的天線VHBB9124的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

表2 基于網(wǎng)分方法測(cè)得的天線VHBB9124的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

按En判據(jù)，由|En|＜1可知，兩種方法沒有明顯的差異，驗(yàn)證了基于網(wǎng)分方法的正確性。

另外，用秒表對(duì)測(cè)試過程計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)建議方法耗時(shí)53 min，而基于網(wǎng)分方法耗時(shí)僅12 min。由此可知，基于網(wǎng)分方法耗時(shí)少、效率高，并且測(cè)量不確定度低，明顯地優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)建議方法。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于網(wǎng)分的天線校準(zhǔn)方法，給出了相應(yīng)的理論公式的推導(dǎo)過程，并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，該方法利用網(wǎng)絡(luò)分析儀的S21掃頻測(cè)試功能，能夠一次性地測(cè)試得到整個(gè)待校準(zhǔn)頻段的參數(shù)，從而使得天線校準(zhǔn)變得簡便、快捷，在提高工作效率的同時(shí)還提高了校準(zhǔn)精度，具有一定的推廣價(jià)值。

[1]林昌祿.天線工程手冊(cè)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2002.

[2]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.

[3]Ae-4 Electromagnetic Environmental Effects（E3）Commint-tee.Electromagnetic Interference Measurement Antennas，Standard Calibration Method:ARP 958 D[S].America: SAE International，2003.

[4]電磁兼容測(cè)量天線的天線系數(shù)校準(zhǔn)規(guī)范:GJB/J 5410-2005[S].

[5]王一平，郭宏福.電磁波:傳輸·輻射·傳播[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

[6]全國法制計(jì)量管理技術(shù)委員會(huì).測(cè)量不確定度評(píng)定與表示:JJF 1059-2012[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

The Study of EMC Measurement Antenna Calibration Method Based on Network Analyzer

LIU Peng，LIU Junrong，LIANG Qiongchong
（CEPREI，Guangzhou 510610，China）

Firstly，the antenna calibration method proposed in SAE ARP 958D-1999（R2003）is introduced，and then it is pointed out that the method has the disadvantages of complicated operation，low efficiency and low precision.Secondly，an antenna calibration method based on network analyzer is presented.The method can use the S21 scanning function of the network analyzer to test the parameters of the whole calibration band.And it can not only simplify the test operation，improve work efficiency，but also improve the measurement accuracy and calibration accuracy.

antenna；calibration；network analyzer

TN 820；TM 930.115；TN 03

A

：1672-5468（2017）02-0039-06

10.3969/j.issn.1672-5468.2017.02.009

2016-07-27

劉鵬（1988-），男，江西贛州人，工業(yè)和信息化部電子第五研究所計(jì)量檢測(cè)中心工程師，碩士，從事無線電和時(shí)間頻率計(jì)量工作。