9 kHz～30 MHz鞭状天线校准规范

19kHz～30MHz鞭状天线校准规范1范围本规范适用于工作频段为9kHz～30MHz、符合CISPR16-1-6:2014、ANSIC63.5—2006和SAEARP958—2003标准要求的电磁兼容测试用鞭状天线。不符合上述标准要求的鞭状天线，可以参照本校准规范执行。2引用文件本规范引用了下列文件：CISPR16-1-6:2014:无线电骚扰和抗扰度测量仪器和测量方法—1-6部分：辐射骚扰和抗扰度测量仪器-电磁兼容-天线校准(SPECIFICATIONFORRADIODIS-TURBANCEANDIMMUNITYMEASURINGAPPARATUSANDMETHODS—Part1-6:Radiodisturbanceandimmunitymeasuringapparatus—EMC—antennacalibration)ANSIC63.5-2006:电磁兼容—电磁骚扰的辐射发射(EMI)测量控制—(9kHzto40GHz)频段天线校准[AmericanNationalStandardforElectromagneticCompati-bility—RadiatedEmissionMeasurementsinElectromagneticInterference(EMI)Con-trol—CalibrationofAntennas(9kHzto40GHz)]SAEARP958-2003:电磁骚扰测量天线标准校准方法MeasurementAntennas;StandardCalibrationMethod)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(包括所有的修改单元)适用于本规范。3术语下列术语和定义适用于本规范。将由馈线送来的高频电流能量转换为电磁波能量并向一定方向空间辐射，或反之将空间辐射的电磁波能量转换为高频电流能量送入馈线的装置，是将导行波与自由空间波相互转换的装置。3.2鞭状天线rodantenna分为有源和无源两种，一般由一定长度(通常为1m左右)的天线杆、反射板和天线基座构成，天线基座中包含有阻抗变换和信号处理单元。在EMC领域中通常工作在9kHz～30MHz,有时也称为杆天线或拉杆天线。3.3天线有效高度antennaeffectiveheight天线有效高度表明了天线发射或接收电磁能量的能力。有效高度(h。)是一个与口径有关的参量，定义为天线感应电压与入射电场之比3.4天线系数antennafactor被测场强与该场在天线端口产生的电压之比。23.5等效电容替代法EquivalentCapacitorSubstitutionMethod(ECSM)鞭状天线的单极子单元被一个等于单极子自身容量的电容替代，用这个替代的等效电容模拟实际的单极子振子，进行相应的天线系数校准的方法。鞭状天线(以下简称天线)通常分为有源和无源天线两种，有源用于接收，无源用于发射和接收。主要用于测量受试设备(EUT)工作时，在9kHz～30MHz频段向外辐射的电磁波电场场强和向EUT辐射发射电磁波电场场强。天线主要由天线杆、反射板和天线基座构成，其中天线基座中包含有阻抗变换和信号处理单元。6校准条件6.1环境条件6.1.1温度：(23±5)℃。6.1.3交流电源：(220±11)V,(50±1)Hz。6.1.4周围无影响正常校准工作的电磁干扰和机械震动。6.2校准用的主要仪器和配套附件6.2.1网络分析仪频率范围：9kHz～30MHz;动态范围：在全频段范围优于90dB。6.2.2配套附件6.2.2.1T型网路(组成结构见图1)6.2.2.2两根长度、规格相同的50Ω同轴电缆；3B端口A端口7校准项目和校准方法7.1校准项目7.1.1外观及工作正常性检查。7.1.2天线系数AF。7.2校准方法本校准方法采用等效电容替代法(ECSM)。7.2.1外观及工作正常性检查7.2.1.1外观检查：确认被校准天线是否有机械或结构性损坏，在天线杆与基座的连接部分接触面是否有氧化，确保清洁和干燥及有效的电连接；7.2.1.2对于有源天线，需要检查电源是否充足，不足会影响内部放大器的工作状态。7.2.1.3将检查结果记在附录A.1中。B端口T型网络A端口a)校准图b)测量图图2天线校准和测量连接示意图7.2.2天线系数AF7.2.2.1网络分析仪开机预热半小时，设置起始频率为9kHz,终止频率为30MHz,源输出功率为0dBm,IF=100Hz,设置测量频点数，频率刻度选用对数方式，利用两条同样规格和长度的同轴电缆分别与网络分析仪的双端口连接，然后针对电缆的两端口进行全双端口校准，校准完成后，设置网络分析仪测量参数为S₂₁;7.2.2.2按图2所示连接测试设备。a)将T型网络等效虚拟天线端尽可能靠近被校准天线的天线端口连接，T型网络地线与校准天线的外壳直接相连(地线尽量短)。将网络分析仪源端口连接到T型网络A端口，接收端与T型网络B端口相连；将天线基座输出端连接50Ω同轴负载，打开天线基座电源，让其稳定工作。b)测量并记录相应频点的Sz₁p值；c)将连接T型网络B端口的电缆端移开，与天线基座输出端连接，负载转移到T型网络的B端口，测量并记录相应频点的SzR值；47.2.3数据处理将上述校准测量结果带入到式(1):AF=S₂ip-Szir-(-6dB)+5dB(1)Szip——T型网络A到B端口的S₂1;SziR——T型网络A到C端口的Sz;-6dB——等效高度为hg=0.5m时对应的修正值：-20log(0.5)=-6(dB);5dB——T型网络馈入等效电容端的电压V。与接收机测量端电压Vp的分压系数为20log(89/50)=5.008dB。按公式(1)计算得到被校准天线的天线系数，记录于附录A.2中。8校准结果表达天线校准后，出具校准证书。校准证书至少应包含以下信息：b)实验室名称和地址；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；e)客户的名称和地址；f)被校对象的描述和明确标识；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和应用有关时，应对被校样品的抽样程序进行说明；i)校准所依据的技术规范的标识，包括名称及代号；j)本次校准所用测量标准的溯源性及有效性说明；k)校准环境的描述；1)校准结果及其测量不确定度的说明；m)对校准规范的偏离的说明；n)校准证书签发人的签名、职务或等效标识；o)校准结果仅对被校对象有效的说明；p)未经实验室书面批准，不得部分复制证书的声明。9复校时间间隔复校时间间隔由用户根据使用情况自行确定，推荐为1年。5校准记录内容A.1外观及工作正常性检查A.2天线系数频率/MHzT型适配网络直通连接参考测量Szp/dB匹配单元输出连接测量Szir/dB天线系数/备注6校准证书内页格式频率/MHz天线系数/(dB/m)不确定度U(k=2)7天线系数校准不确定度评定示例C.1测量模型y=AF=S₂p-S21R+11=△S₂+11(C.1)式中，AF为根据公式(1)得到的天线系数测量值，dB(1/m)。C.2不确定度传播律及相关性依据公式(C.1),以及不确定度来源分析，上述各个分量间彼此不相关，对△S₂求偏导得到灵敏系数c₁=dAF/2△S₂₁=1代入通用不确定度传播率公式得(C.2)式：C.3不确定度的来源及分析C.3.1不确定度来源依据C.1,校准天线系数的不确定度来源为：1)u△s:测量△S₂₁时由矢量网络分析仪引入的不确定度分量，其中包括：A)网络分析仪的非理想性引入的不确定度分量us…(dB);B)测量△S₂₁=Szip-SziR时，端口失配引入的不确定度分量uportmismatch(dB)。测量过程中一些其他非理想因素所导致的影响量，包括：2)T型网络等效自电容C。的值的不准确引入的不确定度分量uc,(dB)3)天线放大器的增益不稳定引入的不确定度分量upg(dB)4)T型网络非标准引入的不确定度分量urnetwork(dB)5)天线有效高度值的不准确引入的不确定度分量ueh(dB)测量重复性引入的不确定度分量：6)测量△Sz₁的重复性引入的不确定度分量usap(dB)C.3.2不确定度分析1)uas:测量△S₂₁时由矢量网络分析仪引入的不确定度分量。A)网网分析仪的非理想性引入的AF的不确定度分量uas(dB)网络分析仪测量S₂₁的影响包括非线性、分辨力，引入的不确定度分量由两部分构成，分别是测量Szp和SzR时引起的，即,该项可用矢量网络分析仪厂家给出的不确定度计算方法进行估算：;B)测量端口失配引起的S₂₁的不确定度分量uportmismtch(dB)端口失配导致Szp和Sz₁R测量不准引起的不确定度分量，分别是测量Szp和SzR时8端口失配引起的，其分布为反正弦分布。依据网络分析仪的技术参数及指标可查出，网络分析仪的接收机和信号源的回波损耗在全频段为26dB以上，相应Is=IR=0.05,由于测量分为两步，相应的不确定度可表达为：,同时参见公式[C.3]:δM吉=20log[1±(|Fs|S₁|+|Fg||S₂|+|Fs|S₂||FS+|F||Fs||S₂|²)]其中由于T型网络的对称性可知Su=S₂,并设Fp=Fs=FR,并用相同的反射系数Fp表达发送和接收端口，上述公式可进一步简化为δM=20log[1±(2|F,||Snl+2|F,l²|Sz₁l²)]将实际测量结果代入上述公式最终得到：上述两项在S₂测量时，因其独立不相关，则由网分测量S2引起的总的不确定度：测量过程中一些其他非理想因素所导致的影响量，包括：2)T型网络等效自电容C。的值的不准确，引入的不确定度分量uc,(dB)该量反映了实际所用等效电容值偏离理想电容值的影响。由CISPR16-1-6:2014附录G可知，当天线底座的输入阻抗模值远小于理想电容和等效电容的阻抗模值时，有天线等效电容的偏差导致的天线系数的偏差为：其中C。=11.6pF,为T型网络中实际所用的电容值，实际我们采用最大相对误差为±5%的高精度独石电容；C。是在给定频率下天线振子的理想等效电容值，则可假定C₄有0.6pF的偏差。而在1m的天线杆上从9kHz到30MHz,C。的选定值有2pF的变化，取中间值1pF,对应电容值分配为±1.6pF的不确定性因素是公平合理的，在应用的频段内，假设为矩形分布，则有：假设其分布为矩形分布，半宽△ôc/2≈1.20(dB)uc,=Vδc/2/√3=1.205/√3≈0.69(dB)3)天线放大器增益的不稳定引入的不确定度分量upg(dB)按照相关标准文献中提供的数据，在放大器正常工作条件下，其增益波动引起的天线系数偏差估计值，标准不确定度upg=0.05dB,服从正态分布。4)T型网络非标准，引入的不确定度分量uTnetwok(dB)由图2的实际校准电路可知，参考测量与校准测量之间，差了一个衰减量Au:其衰减量其中，R为标称值为39Ω的高精度贴膜电阻，最大相对误差为1%。因此，R=(39±0.39)Ω,服从矩形分布。那么,估计值：标准不确定度：因R服从矩形分布，故该修正项服从矩形分布。uTnetwork=ÔTnetwoik/√3≈0.038/1.732=0.022(dB)5)天线有效高度值的不准确引入的不确定度分量u-(dB)由天线的等效高度给出的天线系数的修正项为：其中，h。为天线有效高度，文献给出其计算公式为：由于h=1m,9通常估计，在30kHz～30MHz范围内λ≥10m,λ>h,tan(πh/λ)≈πh/λ,MHz频点处，由上式计算得到的有效高度为h。=0.517因此，m,这时该计算值与估计值的偏差最大。相对偏差为δn-30MHz=h。/h-1=0.517/0.5-1=3.4%,保守一些，可将9kHz～30MHz内最大相对偏差估计为δ-30MHz-MAx≈4%,相应的对数值为20lg(1+4%)=