9 kHz～30 MHz鞭狀天線校準(zhǔn)規(guī)范

19kHz～30MHz鞭狀天線校準(zhǔn)規(guī)范1范圍本規(guī)范適用于工作頻段為9kHz～30MHz、符合CISPR16-1-6:2014、ANSIC63.5—2006和SAEARP958—2003標(biāo)準(zhǔn)要求的電磁兼容測試用鞭狀天線。不符合上述標(biāo)準(zhǔn)要求的鞭狀天線，可以參照本校準(zhǔn)規(guī)范執(zhí)行。2引用文件本規(guī)范引用了下列文件：CISPR16-1-6:2014:無線電騷擾和抗擾度測量儀器和測量方法—1-6部分：輻射騷擾和抗擾度測量儀器-電磁兼容-天線校準(zhǔn)(SPECIFICATIONFORRADIODIS-TURBANCEANDIMMUNITYMEASURINGAPPARATUSANDMETHODS—Part1-6:Radiodisturbanceandimmunitymeasuringapparatus—EMC—antennacalibration)ANSIC63.5-2006:電磁兼容—電磁騷擾的輻射發(fā)射(EMI)測量控制—(9kHzto40GHz)頻段天線校準(zhǔn)[AmericanNationalStandardforElectromagneticCompati-bility—RadiatedEmissionMeasurementsinElectromagneticInterference(EMI)Con-trol—CalibrationofAntennas(9kHzto40GHz)]SAEARP958-2003:電磁騷擾測量天線標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)方法MeasurementAntennas;StandardCalibrationMethod)凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本規(guī)范；凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單元)適用于本規(guī)范。3術(shù)語下列術(shù)語和定義適用于本規(guī)范。將由饋線送來的高頻電流能量轉(zhuǎn)換為電磁波能量并向一定方向空間輻射，或反之將空間輻射的電磁波能量轉(zhuǎn)換為高頻電流能量送入饋線的裝置，是將導(dǎo)行波與自由空間波相互轉(zhuǎn)換的裝置。3.2鞭狀天線rodantenna分為有源和無源兩種，一般由一定長度(通常為1m左右)的天線桿、反射板和天線基座構(gòu)成，天線基座中包含有阻抗變換和信號處理單元。在EMC領(lǐng)域中通常工作在9kHz～30MHz,有時也稱為桿天線或拉桿天線。3.3天線有效高度antennaeffectiveheight天線有效高度表明了天線發(fā)射或接收電磁能量的能力。有效高度(h。)是一個與口徑有關(guān)的參量，定義為天線感應(yīng)電壓與入射電場之比3.4天線系數(shù)antennafactor被測場強與該場在天線端口產(chǎn)生的電壓之比。23.5等效電容替代法EquivalentCapacitorSubstitutionMethod(ECSM)鞭狀天線的單極子單元被一個等于單極子自身容量的電容替代，用這個替代的等效電容模擬實際的單極子振子，進(jìn)行相應(yīng)的天線系數(shù)校準(zhǔn)的方法。鞭狀天線(以下簡稱天線)通常分為有源和無源天線兩種，有源用于接收，無源用于發(fā)射和接收。主要用于測量受試設(shè)備(EUT)工作時，在9kHz～30MHz頻段向外輻射的電磁波電場場強和向EUT輻射發(fā)射電磁波電場場強。天線主要由天線桿、反射板和天線基座構(gòu)成，其中天線基座中包含有阻抗變換和信號處理單元。6校準(zhǔn)條件6.1環(huán)境條件6.1.1溫度：(23±5)℃。6.1.3交流電源：(220±11)V,(50±1)Hz。6.1.4周圍無影響正常校準(zhǔn)工作的電磁干擾和機械震動。6.2校準(zhǔn)用的主要儀器和配套附件6.2.1網(wǎng)絡(luò)分析儀頻率范圍：9kHz～30MHz;動態(tài)范圍：在全頻段范圍優(yōu)于90dB。6.2.2配套附件6.2.2.1T型網(wǎng)路(組成結(jié)構(gòu)見圖1)6.2.2.2兩根長度、規(guī)格相同的50Ω同軸電纜；3B端口A端口7校準(zhǔn)項目和校準(zhǔn)方法7.1校準(zhǔn)項目7.1.1外觀及工作正常性檢查。7.1.2天線系數(shù)AF。7.2校準(zhǔn)方法本校準(zhǔn)方法采用等效電容替代法(ECSM)。7.2.1外觀及工作正常性檢查7.2.1.1外觀檢查：確認(rèn)被校準(zhǔn)天線是否有機械或結(jié)構(gòu)性損壞，在天線桿與基座的連接部分接觸面是否有氧化，確保清潔和干燥及有效的電連接；7.2.1.2對于有源天線，需要檢查電源是否充足，不足會影響內(nèi)部放大器的工作狀態(tài)。7.2.1.3將檢查結(jié)果記在附錄A.1中。B端口T型網(wǎng)絡(luò)A端口a)校準(zhǔn)圖b)測量圖圖2天線校準(zhǔn)和測量連接示意圖7.2.2天線系數(shù)AF7.2.2.1網(wǎng)絡(luò)分析儀開機預(yù)熱半小時，設(shè)置起始頻率為9kHz,終止頻率為30MHz,源輸出功率為0dBm,IF=100Hz,設(shè)置測量頻點數(shù)，頻率刻度選用對數(shù)方式，利用兩條同樣規(guī)格和長度的同軸電纜分別與網(wǎng)絡(luò)分析儀的雙端口連接，然后針對電纜的兩端口進(jìn)行全雙端口校準(zhǔn)，校準(zhǔn)完成后，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)分析儀測量參數(shù)為S??;7.2.2.2按圖2所示連接測試設(shè)備。a)將T型網(wǎng)絡(luò)等效虛擬天線端盡可能靠近被校準(zhǔn)天線的天線端口連接，T型網(wǎng)絡(luò)地線與校準(zhǔn)天線的外殼直接相連(地線盡量短)。將網(wǎng)絡(luò)分析儀源端口連接到T型網(wǎng)絡(luò)A端口，接收端與T型網(wǎng)絡(luò)B端口相連；將天線基座輸出端連接50Ω同軸負(fù)載，打開天線基座電源，讓其穩(wěn)定工作。b)測量并記錄相應(yīng)頻點的Sz?p值；c)將連接T型網(wǎng)絡(luò)B端口的電纜端移開，與天線基座輸出端連接，負(fù)載轉(zhuǎn)移到T型網(wǎng)絡(luò)的B端口，測量并記錄相應(yīng)頻點的SzR值；47.2.3數(shù)據(jù)處理將上述校準(zhǔn)測量結(jié)果帶入到式(1):AF=S?ip-Szir-(-6dB)+5dB(1)Szip——T型網(wǎng)絡(luò)A到B端口的S?1;SziR——T型網(wǎng)絡(luò)A到C端口的Sz;-6dB——等效高度為hg=0.5m時對應(yīng)的修正值：-20log(0.5)=-6(dB);5dB——T型網(wǎng)絡(luò)饋入等效電容端的電壓V。與接收機測量端電壓Vp的分壓系數(shù)為20log(89/50)=5.008dB。按公式(1)計算得到被校準(zhǔn)天線的天線系數(shù)，記錄于附錄A.2中。8校準(zhǔn)結(jié)果表達(dá)天線校準(zhǔn)后，出具校準(zhǔn)證書。校準(zhǔn)證書至少應(yīng)包含以下信息：b)實驗室名稱和地址；c)進(jìn)行校準(zhǔn)的地點(如果與實驗室的地址不同);d)證書的唯一性標(biāo)識(如編號),每頁及總頁數(shù)的標(biāo)識；e)客戶的名稱和地址；f)被校對象的描述和明確標(biāo)識；g)進(jìn)行校準(zhǔn)的日期，如果與校準(zhǔn)結(jié)果的有效性和應(yīng)用有關(guān)時，應(yīng)說明被校對象的h)如果與校準(zhǔn)結(jié)果的有效性和應(yīng)用有關(guān)時，應(yīng)對被校樣品的抽樣程序進(jìn)行說明；i)校準(zhǔn)所依據(jù)的技術(shù)規(guī)范的標(biāo)識，包括名稱及代號；j)本次校準(zhǔn)所用測量標(biāo)準(zhǔn)的溯源性及有效性說明；k)校準(zhǔn)環(huán)境的描述；1)校準(zhǔn)結(jié)果及其測量不確定度的說明；m)對校準(zhǔn)規(guī)范的偏離的說明；n)校準(zhǔn)證書簽發(fā)人的簽名、職務(wù)或等效標(biāo)識；o)校準(zhǔn)結(jié)果僅對被校對象有效的說明；p)未經(jīng)實驗室書面批準(zhǔn)，不得部分復(fù)制證書的聲明。9復(fù)校時間間隔復(fù)校時間間隔由用戶根據(jù)使用情況自行確定，推薦為1年。5校準(zhǔn)記錄內(nèi)容A.1外觀及工作正常性檢查A.2天線系數(shù)頻率/MHzT型適配網(wǎng)絡(luò)直通連接參考測量Szp/dB匹配單元輸出連接測量Szir/dB天線系數(shù)/備注6校準(zhǔn)證書內(nèi)頁格式頻率/MHz天線系數(shù)/(dB/m)不確定度U(k=2)7天線系數(shù)校準(zhǔn)不確定度評定示例C.1測量模型y=AF=S?p-S21R+11=△S?+11(C.1)式中，AF為根據(jù)公式(1)得到的天線系數(shù)測量值，dB(1/m)。C.2不確定度傳播律及相關(guān)性依據(jù)公式(C.1),以及不確定度來源分析，上述各個分量間彼此不相關(guān)，對△S?求偏導(dǎo)得到靈敏系數(shù)c?=dAF/2△S??=1代入通用不確定度傳播率公式得(C.2)式：C.3不確定度的來源及分析C.3.1不確定度來源依據(jù)C.1,校準(zhǔn)天線系數(shù)的不確定度來源為：1)u△s:測量△S??時由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀引入的不確定度分量，其中包括：A)網(wǎng)絡(luò)分析儀的非理想性引入的不確定度分量us…(dB);B)測量△S??=Szip-SziR時，端口失配引入的不確定度分量uportmismatch(dB)。測量過程中一些其他非理想因素所導(dǎo)致的影響量，包括：2)T型網(wǎng)絡(luò)等效自電容C。的值的不準(zhǔn)確引入的不確定度分量uc,(dB)3)天線放大器的增益不穩(wěn)定引入的不確定度分量upg(dB)4)T型網(wǎng)絡(luò)非標(biāo)準(zhǔn)引入的不確定度分量urnetwork(dB)5)天線有效高度值的不準(zhǔn)確引入的不確定度分量ueh(dB)測量重復(fù)性引入的不確定度分量：6)測量△Sz?的重復(fù)性引入的不確定度分量usap(dB)C.3.2不確定度分析1)uas:測量△S??時由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀引入的不確定度分量。A)網(wǎng)網(wǎng)分析儀的非理想性引入的AF的不確定度分量uas(dB)網(wǎng)絡(luò)分析儀測量S??的影響包括非線性、分辨力，引入的不確定度分量由兩部分構(gòu)成，分別是測量Szp和SzR時引起的，即,該項可用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀廠家給出的不確定度計算方法進(jìn)行估算：;B)測量端口失配引起的S??的不確定度分量uportmismtch(dB)端口失配導(dǎo)致Szp和Sz?R測量不準(zhǔn)引起的不確定度分量，分別是測量Szp和SzR時8端口失配引起的，其分布為反正弦分布。依據(jù)網(wǎng)絡(luò)分析儀的技術(shù)參數(shù)及指標(biāo)可查出，網(wǎng)絡(luò)分析儀的接收機和信號源的回波損耗在全頻段為26dB以上，相應(yīng)Is=IR=0.05,由于測量分為兩步，相應(yīng)的不確定度可表達(dá)為：,同時參見公式[C.3]:δM吉=20log[1±(|Fs|S?|+|Fg||S?|+|Fs|S?||FS+|F||Fs||S?|2)]其中由于T型網(wǎng)絡(luò)的對稱性可知Su=S?,并設(shè)Fp=Fs=FR,并用相同的反射系數(shù)Fp表達(dá)發(fā)送和接收端口，上述公式可進(jìn)一步簡化為δM=20log[1±(2|F,||Snl+2|F,l2|Sz?l2)]將實際測量結(jié)果代入上述公式最終得到：上述兩項在S?測量時，因其獨立不相關(guān)，則由網(wǎng)分測量S2引起的總的不確定度：測量過程中一些其他非理想因素所導(dǎo)致的影響量，包括：2)T型網(wǎng)絡(luò)等效自電容C。的值的不準(zhǔn)確，引入的不確定度分量uc,(dB)該量反映了實際所用等效電容值偏離理想電容值的影響。由CISPR16-1-6:2014附錄G可知，當(dāng)天線底座的輸入阻抗模值遠(yuǎn)小于理想電容和等效電容的阻抗模值時，有天線等效電容的偏差導(dǎo)致的天線系數(shù)的偏差為：其中C。=11.6pF,為T型網(wǎng)絡(luò)中實際所用的電容值，實際我們采用最大相對誤差為±5%的高精度獨石電容；C。是在給定頻率下天線振子的理想等效電容值，則可假定C?有0.6pF的偏差。而在1m的天線桿上從9kHz到30MHz,C。的選定值有2pF的變化，取中間值1pF,對應(yīng)電容值分配為±1.6pF的不確定性因素是公平合理的，在應(yīng)用的頻段內(nèi)，假設(shè)為矩形分布，則有：假設(shè)其分布為矩形分布，半寬△?c/2≈1.20(dB)uc,=Vδc/2/√3=1.205/√3≈0.69(dB)3)天線放大器增益的不穩(wěn)定引入的不確定度分量upg(dB)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)中提供的數(shù)據(jù)，在放大器正常工作條件下，其增益波動引起的天線系數(shù)偏差估計值，標(biāo)準(zhǔn)不確定度upg=0.05dB,服從正態(tài)分布。4)T型網(wǎng)絡(luò)非標(biāo)準(zhǔn)，引入的不確定度分量uTnetwok(dB)由圖2的實際校準(zhǔn)電路可知，參考測量與校準(zhǔn)測量之間，差了一個衰減量Au:其衰減量其中，R為標(biāo)稱值為39Ω的高精度貼膜電阻，最大相對誤差為1%。因此，R=(39±0.39)Ω,服從矩形分布。那么,估計值：標(biāo)準(zhǔn)不確定度：因R服從矩形分布，故該修正項服從矩形分布。uTnetwork=?Tnetwoik/√3≈0.038/1.732=0.022(dB)5)天線有效高度值的不準(zhǔn)確引入的不確定度分量u-(dB)由天線的等效高度給出的天線系數(shù)的修正項為：其中，h。為天線有效高度，文獻(xiàn)給出其計算公式為：由于h=1m,9通常估計，在30kHz～30MHz范圍內(nèi)λ≥10m,λ>h,tan(πh/λ)≈πh/λ,MHz頻點處，由上式計算得到的有效高度為h。=0.517因此，m,這時該計算值與估計值的偏差最大。相對偏差為δn-30MHz=h。/h-1=0.517/0.5-1=3.4%,保守一些，可將9kHz～30MHz內(nèi)最大相對偏差估計為δ-30MHz-MAx≈4%,相應(yīng)的對數(shù)值為20lg(1+4%)=