耦合去耦網(wǎng)絡(luò)的耦合系數(shù)和去耦衰減的校準(zhǔn)

顧夏珍 / 浙江省計量科學(xué)研究院

0 引言

射頻傳導(dǎo)抗擾度耦合去耦網(wǎng)絡(luò)（以下簡稱耦合去耦網(wǎng)絡(luò)）的作用是將射頻騷擾信號耦合到被測設(shè)備所連接的各種電纜上，并防止騷擾信號影響測量裝置、設(shè)備及系統(tǒng)。它具有三個端口：射頻輸入（RF IN）端、被測設(shè)備（EUT）端和輔助設(shè)備（AE）端，并主要包括以下幾種類型： 用于屏蔽電纜的CDN-S型耦合去耦網(wǎng)絡(luò)、用于非屏蔽電纜的CDN-M型耦合去耦網(wǎng)絡(luò)、用于非屏蔽平衡線的CDN-T型耦合去耦網(wǎng)絡(luò)等。圖1和圖2給出了CDN-M3型耦合去耦網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和簡化電路。

圖1 耦合去耦網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖2 CDN-M3型耦合去耦網(wǎng)絡(luò)簡化電路

在耦合去耦網(wǎng)絡(luò)中，將射頻騷擾信號耦合至被測設(shè)備所連接的各種電纜上的技術(shù)指標(biāo)為耦合系數(shù)，而防止騷擾信號影響測量裝置、設(shè)備及系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)為去耦衰減，這些均為耦合去耦網(wǎng)絡(luò)需要校準(zhǔn)的主要參數(shù)。

目前，耦合去耦網(wǎng)絡(luò)大量應(yīng)用于電磁兼容實驗室，其性能參數(shù)對檢測結(jié)果起到關(guān)鍵作用，因此，耦合去耦網(wǎng)絡(luò)的耦合系數(shù)和去耦衰減的準(zhǔn)確校準(zhǔn)就非常重要，以保證耦合去耦網(wǎng)絡(luò)量值朔源的準(zhǔn)確可靠，滿足各檢測實驗室的使用要求，確保電磁兼容試驗結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。

1 耦合去耦網(wǎng)絡(luò)的耦合系數(shù)和去耦衰減的技術(shù)指標(biāo)

耦合系數(shù)（coupling coefficient）的定義為耦合去耦網(wǎng)絡(luò)的被測設(shè)備（EUT）端口所獲得的開路電壓與施加到射頻輸入（RF IN）端上的開路電壓的比值。

去耦衰減（decoupling attenuation）的定義為在耦合去耦網(wǎng)絡(luò)的輔助設(shè)備（AE）端口所獲得的開路電壓與施加到射頻輸入（RF IN）端上的開路電壓的比值。

綜合GB/T 17626.6-2017和IEC 61000-4-6:2013，以及耦合去耦網(wǎng)絡(luò)生產(chǎn)廠家給出的技術(shù)指標(biāo)，耦合去耦網(wǎng)絡(luò)的耦合系數(shù)和去耦衰減的技術(shù)指標(biāo)中頻率范圍：0.14～ 230 MHz，耦合系數(shù)：（0±1.5）dB，去耦衰減：≥20 dB。

2 校準(zhǔn)所用標(biāo)準(zhǔn)器

校準(zhǔn)所用標(biāo)準(zhǔn)器中除了一臺網(wǎng)絡(luò)分析儀外，由于耦合去耦網(wǎng)絡(luò)的被測設(shè)備端（EUT）和輔助設(shè)備端（AE）為150 Ω平衡端，而網(wǎng)絡(luò)分析儀接口為50 Ω不平衡，因此，需要添加一只標(biāo)準(zhǔn)150 Ω/50 Ω阻抗適配器。校準(zhǔn)所用的主要標(biāo)準(zhǔn)器如下：

1）網(wǎng)絡(luò)分析儀：頻率范圍為0.15～230 MHz，阻抗測量最大允許誤差為±5%，傳輸系數(shù)幅值測量最大允許誤差為±（0.01～0.4）dB。

2）標(biāo)準(zhǔn)150 Ω/50 Ω阻抗適配器：頻率范圍為0.15～230 MHz，標(biāo)稱插入損耗為9.5 dB，插入損耗最大允許誤差為±0.20 dB。

3）同軸精密負載：頻率范圍為0.15～230 MHz；特征阻抗為50 Ω；電壓駐波比為≤1.1。

4）同軸固定衰減器：數(shù)量為兩只，頻率范圍為0.15～230 MHz，衰減量為10 dB，電壓駐波比為≤1.1，允許輸入功率為≥0 dBm。

5）參考接地平面：平整的金屬平板，材質(zhì)為銅、黃銅或者鋁；參考接地平面的尺寸應(yīng)超過置于平面上器件所有邊的幾何投影尺寸至少0.2 m。

3 校準(zhǔn)注意事項

校準(zhǔn)應(yīng)在參考接地平面上完成，校準(zhǔn)時各部件的導(dǎo)電部分應(yīng)充分接觸，必要時可以使用螺栓或者導(dǎo)電膠帶固定于參考接地平面上。

4 耦合系數(shù)的校準(zhǔn)

網(wǎng)絡(luò)分析儀的兩個射頻電纜端均接同軸固定衰減器，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)分析儀的頻率范圍與被測耦合去耦網(wǎng)絡(luò)的工作頻段一致，測量模式設(shè)置為傳輸測量，測量顯示格式設(shè)置為對數(shù)幅度，對網(wǎng)絡(luò)分析儀電纜（包含10 dB衰減器）兩端口自校準(zhǔn)。儀器的連接布置如圖3所示，網(wǎng)絡(luò)分析儀的源端與耦合去耦網(wǎng)絡(luò)的射頻輸入端相連。

圖3 耦合系數(shù)校準(zhǔn)連接布置

設(shè)定網(wǎng)絡(luò)分析儀的標(biāo)記頻率，分別在耦合去耦網(wǎng)絡(luò)的AE端相對參考接地平面開路和短路兩種情況下，讀取網(wǎng)絡(luò)分析儀在不同頻率下的插入損耗示值，記為A2，利用式（1）計算得到耦合去耦網(wǎng)絡(luò)的耦合系數(shù)C。

式中：C——耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)的耦合系數(shù)，dB；

A1——標(biāo)準(zhǔn)150 Ω/50 Ω阻抗適配器插入損耗，此處為9.5 dB；

A2——網(wǎng)絡(luò)分析儀插入損耗示值，dB

5 去耦衰減的校準(zhǔn)

去耦衰減校準(zhǔn)的連接布置如圖4所示，網(wǎng)絡(luò)分析儀的源端與耦合去耦網(wǎng)絡(luò)的射頻輸入端相連。設(shè)定測量頻率，分別在耦合去耦網(wǎng)絡(luò)的EUT端相對參考接地平面開路和短路兩種情況下，讀取網(wǎng)絡(luò)分析儀在不同頻率下的傳輸測量結(jié)果，記為A3，利用式（2）計算得到耦合去耦網(wǎng)絡(luò)的去耦衰減D。

圖4 去耦衰減校準(zhǔn)連接布置

式中：D——耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)的去耦衰減，dB；

A1——標(biāo)準(zhǔn)150 Ω/50 Ω阻抗適配器插入損耗，此處為9.5 dB；

A3——網(wǎng)絡(luò)分析儀示值，dB

6 校準(zhǔn)結(jié)果

表1和表2為某公司生產(chǎn)的型號為CDN-M1的耦合去耦網(wǎng)絡(luò)的校準(zhǔn)結(jié)果。

表1 耦合系數(shù)校準(zhǔn)結(jié)果

表2 去耦衰減校準(zhǔn)結(jié)果

7 耦合系數(shù)的測量不確定度評定

由于校準(zhǔn)涉及的參數(shù)有耦合系數(shù)和去耦衰減，兩者校準(zhǔn)時的不確定度來源相一致，差別在于網(wǎng)絡(luò)分析儀在測量不同衰減量時的技術(shù)指標(biāo)不同，因此，這里僅給出耦合系數(shù)的不確定度評定過程及結(jié)果。

7.1 測量模型

測量模型為式（1）：C=A2-A1

對式（1）中A2求偏導(dǎo)數(shù)，得到c1= 1；對A1求偏導(dǎo)數(shù)，得到c2= -1。

7.2 不確定度來源

1）網(wǎng)絡(luò)分析儀插入損耗測量最大允許誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1；

2）標(biāo)準(zhǔn)150 Ω/50 Ω阻抗適配器插入損耗誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2；

3）衰減器與耦合去耦網(wǎng)絡(luò)的射頻輸入端的失配誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3；

4）衰減器與標(biāo)準(zhǔn)150 Ω/50 Ω阻抗適配器的50 Ω端的失配誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u4；

5）測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u5。

7.3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的評定

1）網(wǎng)絡(luò)分析儀插入損耗測量的最大允許誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分析儀的技術(shù)說明書，在0.15～300 MHz頻段，在測量10 dB插入損耗時，網(wǎng)絡(luò)分析儀插入損耗測量的最大允許誤差為±0.10 dB，假設(shè)為均勻分布，，則：

2）標(biāo)準(zhǔn)150 Ω/50 Ω適配器插入損耗誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2

標(biāo)準(zhǔn)150 Ω/50 Ω適配器插入損耗誤差與標(biāo)稱的9.5 dB存在一定程度的偏差，經(jīng)實測，最大偏差為±0.20 dB，假設(shè)為均勻分布，，則

3）衰減器與耦合去耦網(wǎng)絡(luò)的射頻輸入端的失配誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3

衰減器輸出端的電壓駐波比≤1.1，則其反射系數(shù)的模值 |Γ1|為

|Γ1| = 0.048

耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)的射頻輸入端的電壓駐波比小于1.3；則其反射系數(shù)的模值|ΓRF|為

|ΓRF| = 0.130

失配誤差極限值用式（3）估計：

式中：Δ1——失配誤差極限值，dB；

|Γ1|——衰減器輸出端反射系數(shù)；

|ΓRF|——耦合去耦網(wǎng)絡(luò)的射頻輸入端反射系數(shù)得到

Δ1= ±0.054 dB

4）衰減器與標(biāo)準(zhǔn)150 Ω/50 Ω阻抗適配器的50 Ω端的失配誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u4

衰減器輸出端的電壓駐波比≤1.1，得到其反射系數(shù)的模值

|Γ2| = 0.048

標(biāo)準(zhǔn)150 Ω/50 Ω阻抗適配器的50 Ω端的電壓駐波比小于1.2，得到其反射系數(shù)的模值

|Γm| = 0.091

失配誤差極限值用式（4）估計：

式中：Δ2——失配誤差極限值，dB；

|Γ1|——衰減器輸出端反射系數(shù)；

|Γm|——耦合去耦網(wǎng)絡(luò)的射頻輸入端反射系數(shù)得到

Δ2=±0.038 dB

5）測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u5

測量耦合去耦網(wǎng)絡(luò)在230 MHz頻點處的插入損耗值，重復(fù)測量10次，用貝塞爾公式計算得到單次測量值的實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差s（y）為0.05 dB，即

u5= 0.05 dB

7.4 計算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

耦合系數(shù)測量不確定度見表3。

表3 耦合系數(shù)測量不確定度匯總表

7.5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

各分量不相關(guān)，

7.6 擴展不確定度

包含因子k= 2，擴展不確定度：

U=kuc= 2×0.15 dB = 0.30 dB

8 結(jié)語

實際校準(zhǔn)結(jié)果和不確定度評定表明本文提出的標(biāo)準(zhǔn)器選擇合理、校準(zhǔn)方法可行，滿足了客戶對于耦合去耦網(wǎng)絡(luò)的校準(zhǔn)需求。