三環(huán)天線確認系數(shù)校準和不確定度評定

摘 ?要：本文介紹了三環(huán)天線系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)及其技術參數(shù)，確認系數(shù)的校準方法和不確定度的評定過程，符合GB/T 6113.104-2016/CISPR 16-1-4：2012中對三環(huán)天線的技術要求。同時結(jié)合多家設備生產(chǎn)商生產(chǎn)的三環(huán)天線的功能及技術參數(shù)，提出了三環(huán)天線的計量特性、測量標準、校準方法不確定度評定等過程滿足生產(chǎn)、使用和溯源的技術要求，可做為三環(huán)天線校準的方法參考和技術依據(jù)。

關鍵詞：三環(huán)天線;計量特性;確認系數(shù);巴倫-偶極子;不確定度

中圖分類號：TN820 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）12-0044-04

Abstract：This paper introduces the principle，structure and calibration method of the technical parameters confirmation coefficient and the evaluation process of the uncertainty of the three-loop antenna system，which is in accordance with GB/T 6113.104-2016/CISPR 16-1-4：2012 technical requirements for the antenna. At the same time，combined with the functions and technical parameters of the three-loop antenna produced by several equipment manufacturers，the technical requirements of the measurement，measurement standards and calibration method uncertainty of the three-ring antenna are met，which can meet the technical requirements of production，use and traceability. It can be used as a reference and technical basis for the calibration of three-loop antenna.

Keywords：three-loop antenna;measurement characteristics;confirmation coefficient;balun-dipole;uncertainty

0 ?引 ?言

三環(huán)天線系統(tǒng)由三個相互垂直的、通常直徑為2m的大圓環(huán)天線（LLAS）構(gòu)成，由非金屬底座支持，用于測量由單臺受試設備發(fā)射的磁場所感應的電流，受試設備置于環(huán)形天線系統(tǒng)的中心。三個相互垂直的大圓環(huán)天線能夠以規(guī)定的準確度來測量所有極化方向上的輻射場的干擾，而不用旋轉(zhuǎn)受試設備或改變大圓環(huán)天線的方向。每個大圓環(huán)天線的輸出端有一個1A/1V的電流探頭，可將被測電流轉(zhuǎn)換為輸出電壓，使確認系數(shù)的校準轉(zhuǎn)化為大圓環(huán)天線的插入損耗校準。

1 ?計量特性

直徑為2m的標準三環(huán)天線確認系數(shù)如圖1所示。

直徑為2m的三環(huán)天線確認系數(shù)與圖1中給出的確認系數(shù)之間偏差不超過±2dB。

非標準直徑的三環(huán)天線系統(tǒng)的確認系數(shù)和標準直徑（D=2m）的三環(huán)天線系統(tǒng)的確認系數(shù)之間的關系如圖2所示。

2 ?測量標準及其它設備

三環(huán)天線確認系數(shù)校準使用的測量標準及設備如表1所示。

3 ?確認系數(shù)的校準

（1）按圖3連接網(wǎng)絡分析儀，并進行測量前的直通校準。網(wǎng)絡分析儀的測量模式設置為傳輸測量S21或S12，掃描模式設置為對數(shù)頻率，源信號功率設置為-10dBm，中頻帶寬設為不大于100Hz，起始頻率為9kHz，終止頻率大于30MHz。

（2）在網(wǎng)絡分析儀的測試端口連接測試線纜1和測試線纜2，線纜1和線纜2之間接6dB或10dB衰減器，對網(wǎng)絡分析儀進行直通校準。

（3）按圖4連接儀器，將網(wǎng)絡分析儀的輸出端線纜1帶衰減器接至巴倫-偶極子的輸入端，大環(huán)天線的輸出端經(jīng)同軸開關接至網(wǎng)絡分析儀的輸入端。

（4）巴倫-偶極子用支架置于被校大環(huán)天線的同一平面，并使巴倫-偶極子的轉(zhuǎn)動軸位于大環(huán)天線的圓心處，水平放置初始位置為0°（如圖5所示的位置1）。

（5）用網(wǎng)絡分析儀標記功能讀取不同頻率點的測量值（插入損耗）V0，所選頻率點應包括三環(huán)天線頻率范圍的下限9kHz和上限30MHz。確認系數(shù)實測值F0=V0+6dB，記錄于原始記錄中，并保存網(wǎng)絡分析儀測量量值圖。（注：確認系數(shù)是發(fā)射信號的開路電壓值，而測量結(jié)果S21或S12是源信號在輸出阻抗為50Ω負載的電壓，因此測量結(jié)果差6dB。）

（6）確認系數(shù)誤差按式（2）計算：

（7）轉(zhuǎn)動巴倫-偶極子的角度，重復上述校準步驟，分別在位置2，45°;位置3，90°;位置4，135°;位置5，180°;位置6，225°;位置7，270°;位置8，315°進行確認系數(shù)的校準，校準過程中保持巴倫-偶極子與被校大環(huán)天線共面，校準位置如圖5所示。

（8）第一個大環(huán)天線校準完后，分別置巴倫-偶極子于第二、第三大環(huán)天線的平面內(nèi)進行校準，重復上述操作步驟，并記錄結(jié)果于原始記錄中。

4 ?確認系數(shù)測量結(jié)果不確定度的評定

4.1 ?測量模型

4.2 ?不確定度來源

不確定度來源主要有：網(wǎng)絡分析儀電平測量動態(tài)準確度、傳輸測量誤差、巴倫-偶極子的損耗、線纜位置及偶極子與大環(huán)天線不共面、系統(tǒng)失配誤差、測量重復性引入的不確定度分量等。

4.3 ?標準不確定度評定

4.3.1 ?網(wǎng)絡分析儀電平測量動態(tài)準確度引入的不確定度分量u1

網(wǎng)絡分析儀-90dB電平測量動態(tài)準確度最大為±0.8dB，按均勻分布，取k=，則不確定度分量u1=0.8dB/= 0.462dB。

4.3.2 ?網(wǎng)絡分析儀傳輸跟蹤誤差引入的不確定度分量u2

網(wǎng)絡分析儀傳輸跟蹤測量9kHz～30MHz最大允許誤差為±0.04dB，按均勻分布，取k=，則不確定度分量u2=0.04dB/=0.023dB。

4.3.3 ?巴倫-偶極子引入的不確定度分量u3

巴倫-偶極子的插入損耗為0.5dB，按均勻分布，取k=，則不確定度分量u3=0.5dB/=0.289dB。

4.3.4 ?網(wǎng)絡分析儀示值分辨力引入的標準不確定度分量u4

網(wǎng)絡分析儀測量電平時分辨力為0.05dB，按均勻分布，k=，由分辨率引入的不確定度分量為：u4=0.025dB/=0.014dB。

4.3.5 ?線纜位置、偶極子與天線不共面及環(huán)境影響引入的標準不確定度分量u5

線纜位置、偶極子與天線不共面及環(huán)境影響引入的最大誤差為0.3dB，按均勻分布，k=，由此引入的不確定度分量為：u5=0.3dB/=0.173dB。

4.3.6 ?系統(tǒng)失配誤差引入的標準不確定度分量u6

系統(tǒng)失配包括網(wǎng)絡分析儀發(fā)射端和電纜之間的阻抗不匹配、電纜和偶極子之間的阻抗不匹配;接收端轉(zhuǎn)換開關和電纜之間阻抗不匹配、電纜和網(wǎng)絡分析儀之間阻抗不匹配。

（1）校準前網(wǎng)絡分析儀用校準件進行雙端口校準，根據(jù)網(wǎng)絡分析儀技術指標其信號源和接收機端的反射系數(shù)ГS=ГR=0.05;電纜電壓駐波比小于1.15，其反射系數(shù)ГC=（1.15-1）/（1.15+1）=0.07。失配誤差△=20lg（1+2|ГS| |ГC|）=0.06dB，按反正弦分布，k=，由此引入的不確定度分量為：uS1=0.06dB/=0.04dB。

偶極子端口反射系數(shù)ГB=0.06;電纜反射系數(shù)ГC= 0.07。失配誤差△=20lg（1+2|ГB||ГC|）=0.073dB，按反正弦分布，k=，由此引入的不確定度分量為：uS2=0.073 dB/=0.052dB。

發(fā)射端阻抗不匹配引入的不確定度分量uS==0.066dB。

（2）接收端轉(zhuǎn)換開關電壓駐波比小于1.2，其反射系數(shù)ГSW=（1.2-1）/（1.2+1）=0.091;電纜反射系數(shù)ГC=0.07。失配誤差△=20lg（1+2|ГSW||ГC|）=0.11dB，按反正弦分布，k=，由此引入的不確定度分量為：uR1=0.11dB/=0.078dB。

電纜和網(wǎng)絡分析儀接收端阻抗不匹配引入的不確定度分量為：uR2=0.04dB。

接收端阻抗不匹配引入的不確定度分量uR==0.088dB。

（3）系統(tǒng)失配引入的標準不確定度分量u6==0.11dB。

4.3.7 ?測量重復性引入的標準不確定度分量uA

對三環(huán)天線系統(tǒng)Y向@10MHz進行重復性測量，結(jié)果如表2所示（dB）。

由于測量重復性包含了人員讀數(shù)時因分辨率引入的誤差，因此由分辨率引入的不確定度分量u4和測量重復性引入的不確定度分量uA取大者。

4.4 ?合成標準不確定度

4.4.1 ?主要不確定度匯總表

標準不確定度分量如表3所示。

4.4.2 ?合成標準不確定度計算

以上各項不確定度分量相互獨立不相關，合成標準不確定度為：uc==0.61dB。

4.5 ?擴展不確定度

取包含因子k=2，則擴展不確定度為：U=kuc=1.3dB，k=2。

5 ?結(jié) ?論

通過對三環(huán)天線確認系數(shù)的校準及不確定度的評定，說明本文校準方法能滿足GB/T 6113.104-2016/CISPR 16-1-4：2012中對三環(huán)天線技術條件及溯源要求，測量結(jié)果不確定度評定合理，可依據(jù)本文中方法開展三環(huán)天線的校準。

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作者簡介：劉曉琴（1984-），女，漢族，重慶長壽人，科研經(jīng)理，本科，研究方向：無線電、時間頻率、光電子測量儀器的校準和測試。