250 MHz～110 GHz口面天线增益校准规范(外推法)

250MHz～110GHz口面天线增益校准规范(外推法)本规范适用于频率范围250MHz～110GHz的标准增益喇叭天线、波纹喇叭天线、CISPR16-1-6:2014关于电波骚扰与抗扰测量设备和方法的规范第1-6部分：电波骚扰与抗扰测量设备EMC天线校准(SpecificationforrIEEEStd145:2013天线术语定义(DefinitionsofTermsforAntennas)IEEEStd149—1979(R2008)IEEE天线标准测试程序(IEEEStandardTest凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本规范；凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规范。测量天线增益的一种方法，能够修正多路径和近距离效应对天线增益测量结果的3.3增益gain天线在给定方向上的辐射强度与馈入天线的净天线是无线电系统的基本组成单元，用于实现换。天线被广泛应用在通信、导航、遥感、广播电视等领域2喇叭天线、波纹喇叭天线、双脊喇叭天线等线处理，尽管其物理口径并不满足电大条件。图1给出了角锥喇叭天线、圆锥喇叭天图1口面天线和开口波导探头示例增益G:0dBi<G≤40dBi(频率250MHz～110GHz)。注：G的上限40dBi采用了IEEEStd149-1979(R2008)中12.2.4的建议。环境温度：(23±5)℃,校准期间温度变化不超过2℃;动态范围(IFBW=10Hz时):≥80dB。最大测量功率：≥5dBm;分辨力：≤0.2mm。3全电波暗室：若在250MHz频点校准天线，暗室尺寸应达到14m×7m×7m。定向耦合器、功率放大器、低通滤波器、混频器、本振/中频分配单元、直导轨、注：可移动天线塔的高度至少达到校准时天线最大间距的0.15倍(见IEEEStd149,12.2.4)。天线增益。首先在收、发天线相距一系列不同距离下测量两过数值滤波方法修正收、发天线之间多重反射波对测量数据数据关于距离的变化曲线做拟合，再将拟合结果做距离外积。三副天线两两组对进行上述测量和数据处理过程，可得到混频器2IF步号同信图2使用功率计、网络分析仪两种方式测量天线增益原理框图4其中，信号源用于产生单频发射信号。功率放大器用于放大发射信号，增大测量系统动态范围。低通滤波器用于减小功率放大器可能产生的谐波影响。定向耦合器用于提取发射端参考信号，接口可为同轴或波导形式。功率探头和功率计用于测量发射端的耦合功率和接收端功率，间接获得收、发天线输入端口间的插入损耗。这种方式可以获得更好的系统稳定性。网络分析仪用于测量收、发天线输入端口间的插入损耗，以及有关元件的端口反射系数。当网络分析仪使用外置信号源时，在收、发两端使用混频器，配合使用本振/中频分配单元，完成收、发两端射频信号的混频和网络分析仪的中频接收。混频器射频信号端可为同轴或波导接口。此外，用外推法校准天线增益时需在不同收、发天线间距下进行测量。收、发天线间距的改变通过天线塔在导轨上前后移动实现。测距仪用于测量收、发天线间距。用外推法校准1副待校天线时需使用2副辅助天线，辅助天线通常采用标准增益喇叭天线。7.2.2准备工作校准开始前，应检查待校天线外观，确保配件齐全，形状无变形，天线接口法兰盘或同轴连接器内无杂质。应仔细检查同轴连接器的状况，连接器阳头异常凸出的内导体可能损坏天线阴头的内导体；应确保同轴连接器清洁、干燥(见CISPR16-1-6中的7.2.3校准过程7.2.3.1直通测量将图2中连接收、发天线端口的电缆或波导对接。如果收、发端使用同轴电缆，则直通测量时需使用一个连接器将收、发电缆对接。若采用功率计方式测量，记功率计1示数为PTo,功率计2示数为PRo。由式(1)计算得到直通校准因子K(f)。若采用网络分析仪方式测量，假定发射端对应网络分析仪端口1,接收端对应端口2,用网络分析仪测量S参数得到|Szi|。这种测量方式下K(f)=|Sz₁|²。在记录直通测量数据之前，需检查测量系统线性。方法是，以信号源某一输出功率为起点，记下K(f),减小信号源功率至少12dB,确认K(f)的变化量小于0.05dB。否则，减小信号源输出功率，重复以上过程，直至达到以上要求。然后，在最后一次调整的起点信号源功率下开展直通测量。若采用功率计方式测量，将P和PR记录到A.2的表中；若采用网络分析仪方式测量，将测量得到的|S2i|记录到A.3的表中。7.2.3.2传输测量收、发端接天线进行传输测量(见图2)。首先对准两天线，使两天线视轴共线，极化匹配。然后在一系列不同天线间距d下测量天线端口间的插入损耗IL(f,d),其中d通常定义为两天线口面间距。确定外推测量天线间距d(dmn≤d≤dmx)的通常规则是：dmx>2D²/λ,dmin=dmx/n。其中D为收、发天线的最大口径，λ为波长；n一般取3或4。通常选取相邻5若采用网络分析仪方式测量，假定发射端对应网络分析仪端口1,接收端对应端口2,用网络分析仪测量S参数得到|S₂|。这种测量方式下IL(f,d)=|Sz₁|²/K(f)。在记录传输测量数据之前，需检查测量系统线性。在天线间距取最小值dmi时，采用与7.2.3.1相同的方法，确保IL(f,d)的变化量小于0.05dB。若采用功率计方式测量，将测量得到的PR和PT记录到A.4的表中。若采用网络分析仪方式测量，将|S2|记录到A.5的表中。7.2.3.3数据处理在不同间距d下测量得到一系列插入损耗以后，基于式(3)做数值滤波以去除收、发天线之间的多重反射，再做关于(1/d)的3项(或4项)多项式拟合，可得到拟合系数A₁、A₂、A₃(和A₄)。数值滤波和多项式拟合方法参见IEEEStd149—1979(R2008)中12.2.4及其有关参考文献。令d→~,从式(3)可得接收、发射天线增益乘积与系数A₁的关系[见式(4)]:Gr——发射天线增益；GR——接收天线增益；d——天线口面间距；A₁——拟合系数。从而可以得到发射、接收天线增益乘积GPrR[见式(5)]。三副天线(a、b、c)两两组对，进行三组(ab、ac、bc)上述测量和数据处理过程，可得天线两两之间的增益乘积GPφ、GP、GPb,再由式(6)可得G、6对网络分析仪做全二端口校准，然后测量三副天线的端口反口处向接收端看去的负载反射系数、直通连接器(如果用到的话)的S参数，以及定向耦合器的S参数，将测量数据记录到A.1的表格中。再利用这些反射系数和S参数，对Ga、G,、G。做关于测量系统接收端和发射端所有网络端口的失配修正[参见IEEEStd149-1979(R2008)的12.2.4],可得待校天线的增益。c)进行校准的地点(如果与实验室的地址不同);d)证书的唯一性标识(如编号),每页及总页数的标识；g)进行校准的日期，如果与校准结果的有效性和应用有关时，应说明被校对象的h)如果与校准结果的有效性或应用有关时，应对被校样品p)未经实验室书面批准，不得部分复制证书的声明复校时间间隔由用户根据使用情况自行确定，推荐为1年。7原始记录格式端口频率/GHz实部虚部A.2直通测量数据(功率计方式)频率f/GHzA.3直通测量数据(网络分析仪方式)频率f/GHzS参数|S8A.4传输测量数据(功率计方式)发射天线序列号接收天线序列号频率f/GHz发射天线序列号接收天线序列号频率f/GHz9第三组发射天线序列号接收天线序列号频率f/GHzA.5传输测量数据(网络分析仪方式)第一组发射天线序列号接收天线序列号频率f/GHzS参数|S₂₁l第二组发射天线序列号接收天线序列号频率f/GHzS参数|S₂l第三组发射天线序列号接收天线序列号频率f/GHzS参数|S₂|附录B校准证书内页格式测量方式(功率计或网络分析仪)待校天线工作状态(发射或接收)天线对准参考平面(例如口面)频率/GHz扩展不确定度(k=2)附录C天线增益校准不确定度评定示例C.1测量模型在三天线外推法测量中，假定待校天线作为天线c,其增益测量模型见式(C.1)GP;=GPjM·δCF·ÔAu·ÔKM·0Kp·ÔPn·0FR·0F式中：GP;——天线i和天线j的增益乘积，ij可取ab、bc、acMc——阻抗失配修正因子；AA——大气吸收修正因子；GP;m——直通测量和传输测量数据经过数值滤波、多项式拟合和距离外推后得到的天线i和天线j的增益乘积，参见7.2.3;δCr——射频线缆形变造成的影响量；δAy——天线对准的影响量；δKm——系统直通测量重复性的影响量；δKp——直通校准因子漂移的影响量；6Pw——极化失配的影响量；δFR——多项式拟合随机误差的影响量；δFr——多项式拟合截断误差的影响量；δS₁——系统非线性的影响量；δAR——吸波材料反射的影响量。将式(C.1)和式(C.2)两边取10log₀(·),转换为以dB为单位，可得式+δPm+ôFR+ôFr+δSi+ôAR[dB](C.4)将测量重复性在GP;M中评估，可假定式(C.2)等号右边各输入量和Mc、AA相互间均不相关。在式(C.3)和式(C.4)两边计算不确定度，将式(C.4)代入式(C.3),考虑式(C.3)中GP;之间的相关性，可以计算得到各输入量的灵敏系数。然后基于各输入量不相关的假定，可计算天线c增益的合成标准不确定度，见式(C.5)。式中，各灵敏系数的计算过程将在以下介绍各个输入量的不确定度评定过程中进行解释。C.2标准不确定度的评定C.2.1基于测量数据得到的天线增益乘积GP;M(即测量重复性)引入的标准不确定GP;M的测量重复性由传输测量得到的接收与发射功率比来评估。多次连接待测天线，测量接收与发射功率比，选择测量频段内最大实验标准偏差作为该输入量的标准不为获得天线c的增益值，外推法测量按照天线a和天线b(以下简称avb)、天线a和天线c(以下简称avc)、天线b和天线c(以下简称bvc)的配对顺序进行测量。在计算天线c的增益时，天线a连接重复性的影响被抵消掉；天线b被连接2次，且两次连接重复性的影响不相关；天线c连接重复性的两次影响完全正相关。因此该输入量不确定度的灵敏系数该输入量的标准不确定度典型值为适用于功率计方式和网络分析仪方式。C.2.2射频线缆形变造成的影响量δC:引入的标准不确定度u(δCr)人为多次弯曲系统内的射频微波线缆，不改变其他系统状态，以相同距离和位置处收发天线插入损耗的最大变化量作为误差界。该影响量服从矩形分布，包含因子k=√3。为获得天线c的增益值，外推法测量按照avb、avc、bvc顺序进行测量。在计算天线c的增益时，天线a连接电缆的影响被抵消掉；天线b被连接2次，且两次连接电缆的影响不相关；天线c连接电缆的两次影响相同(即完全正相关)。因此该输入量不确定度的灵敏系数为若采用网络分析仪方式，该影响量误差界的典型值为±0.01dB;若采用热敏功率计方式，该影响量的影响很小，可忽略。因此，若采用网络分析仪方式，则C.2.3天线对准的影响量δAu引入的标准不确定度u(δAu)天线对准误差有两个来源，一是角度偏差，包括俯仰和旋转，二是平移偏差。其中平移偏差在外推至无限远处时可被忽略；角度对准误差可以通过光学测量仪器测量天线安装角度偏差，扫描天线E面方向图，获取在该角度偏差范围2倍～3倍内的接收信号强度的变化量。假定该影响量服从正态分布，取接收信号的最大变化量作为该影响量的扩展不确定度(k=2)的估计值。外推法测量按照avb、avc、bvc顺序进行测量。在计算天线c的增益时，天线a对准的影响被抵消掉；天线b被连接2次，且两次对准的影响不相关；天线c对准的两次影响相同(即完全正相关)。因此该输入量不确定度的灵敏系数为对于高增益标准增益喇叭天线，该影响量的扩展不确定度(k=2)典型值为0.03dB,适用于功率计方式和网络分析仪方式。因此：C.2.4系统直通测量重复性的影响量δKw引入的标准不确定度u(δKm)做至少10次直通测量，选择测量频段内最大实验标准偏差值作为影响量的标准不确定度。三组传输测量使用同一组直通校准因子值，因此该不确定度分量的灵敏系数为该影响量的标准不确定度典型值为适用于功率计方式和网络分析仪方式。C.2.5系统漂移的影响量δKp引入的标准不确定度u(δKp)比较三天线法测量前后直通校准值的变化量，以全频段内最大变化量作为该影响量的误差界。该影响量服从矩形分布，包含因子k=√3.假设系统飘移对单组测量结果影响相同，且对三组结果的影响不相关。因此该不确定项分量的灵敏系数为√3/2≈0.866。使用网络分析仪测量时，该影响量误差界的典型值为±0.02dB;使用热敏功率计测量时为±0.002dB。因此，使用网络分析仪测量时：使用功率计测量时：C.2.6极化失配的影响量δPv引入的标准确定度u(δPy)用天线极化效率描述极化失配对增益测量的影响，见式(C.6)。选取三次组合的最大值作为该影响量的误差界。式中：F——天线极化效率；r和r,发射天线和接收天线的轴比；△——收、发天线极化椭圆主轴夹角。该影响量服从反正弦分布，包含因子k=√2。假设极化失配对三组测量的影响相同，且不相关，则该不确定度分量的灵敏系数为收、发天线均为轴比≥40dB的线极化天线时，该影响量误差界的典型值为±0.004dB。C.2.7多项式拟合随机误差的影响量δFR引入的标准不确定度u(òFg)采用数值方法进行天线对增益乘积多项式拟合时，通常在某一位置处拟合数据和实际测量数据之间存在偏差，称这种偏差为拟合残差。假定该影响量服从正态分布，选取三组测量所有测量位置点拟合残差的均方根值的最大值作为该影响量的标准不确定度的多项式拟合引入的误差为随机误差，假设对每组天线对增益乘积拟合的影响相同，且不相关，因此该影响量的灵敏系数为√3/2≈0.866。该影响量的标准不确定度的典型值为适用于功率计方式和网络分析仪方式。C.2.8多项式拟合截断误差的影响量δFr引入的标准不确定度u(δFr)使用有限阶数的多项式拟合测量结果时，忽略高阶项的截断误差构成增益结果的一个影响量。该影响量的误差界可以通过拟合项数、拟合系数以及多项式拟合残差计算获得。假定该影响量服从正态分布，选取三组测量中所有频点误差界的最大值作为该影响量的标准不确定度的估计值。校准天线c时，通常选择两个相同型号的辅助天线(a和b)进行两两组对测量。外推法测量按照avb、avc、bvc顺序进行，由于辅助天线a和b近似相同，因此增益乘积多项式拟合截断误差的影响对avc和bvc两组测量近似完全正相关，但和avb不相关。因此该不确定度分量的灵敏系数该影响量的标准不确定度的典型值为适用于功率计方式和网络分析仪方式。C.2.9系统非线性的影响量δS,引入的标准不确定度u(δSL)测量系统的非线性对增益测量结果造成影响。在直通测量和传输测量时，分别评估非线性的影响。通过调节信号源输出功率，比较调节前后接收信号的变化，以最大变化值作为该影响量的误差界。该影响量服从矩形分布，包含因子k=√3。校准天线c时，通常选择两个相同型号的辅助天线(a和b)进行两两组对测量。外推法测量按照avb、avc、bvc顺序进行，由于辅助天线a和b近似相同，因此系统非线性对avc和bvc两组测量的影响近似完全正相关，但和avb不相关。因此该不确定度分量的灵敏系数为使用网络分析仪测量时，该影响量误差界的典型值为±0.02dB;使用热敏功率计测量时，误差界的典型值为±0.002dB。因此，使用网络分析仪测量时：使用功率计测量时：C.2.10吸波材料反射的影响量δAg引入的标准不确定度u(δAg)吸波材料的非理想性对收、发天线插入损耗测量有直接影响，距离天线较近的吸波材料影响较大，因此可建立天线附近吸波材料布局模型，基于吸波材料的反射率指标，评估吸波材料对增益测量的影响。该影响量服从反正弦分布，包含因子k=√2。校准天线c时，通常选择两个相同型号的辅助天线(a和b)进行两两组对测量。外推法测量按照avb、avc、bvc顺序进行，由于辅助天线a和b近似相同，因此吸波材料对avc和bvc两组测量的影响近似完全正相关，但和avb不相关。因此该不确定度分量的灵敏系数为该影响量误差界的典型值为±0.01dB,适用于功率计方式和网络分析仪方式。C.2.11阻抗失配修正因子Mc引入的标准不确定度u(Mc)天线馈电端口以及测量系统内各连接端口处的阻抗失配会直接影响增益测量结果，因此需要对增益值进行阻抗失配修正。该修正值基于实际测量的各端口复反射系数计算获得。反射系数测量不确定度一方面来源于端口连接随机效应，另一方面也来源于网络分析仪校准系统误差，其中前者可以通过蒙特卡罗方法进行评估，后者的评估方法可参考EURAMETcg-12[GuidelinesontheEvaluation(VNA)]。该影响量服从正态分布，取测量频段内最大实验标准偏差作为