(高清版)GBT 40602.1-2021 天线及接收系统的无线电干扰 第1部分：基础测量 天线方向图的室内远场测量方法

天线及接收系统的无线电干扰第1部分：基础测量天线方向图的室内远场测量方法GB/T40602.1—2021 I Ⅱ 2规范性引用文件 3术语和定义 4测量条件 4.1概述 4.2被测天线状态 4.3坐标系统 35测量环境 5.1测量环境要求 5.2测量场地要求 6测量系统 6.1系统框图 6.2机械子系统 6.3射频子系统 6.4控制子系统 6.5测量软件 7测量方法 7.1基本理论 97.2测量实施 97.3测量参数 7.4测量步骤 7.5数据分析 7.6辐射方向图表示方法 7.7测量不确定度分析 8测量报告 8.1测量报告要求 8.2测量结果输出 9安全防护 9.1安全防护要求 9.2安全防护措施 附录A(资料性)辐射方向图表示方式 附录B(资料性)测量不确定度评估的说明 参考文献 I本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。本文件是GB/T40602《天线及接收系统的无线电干扰》的第1部分。GB/T40602已经发布了以——第1部分：基础测量天线方向图的室内远场测量方法；——第2部分：基础测量高增益天线方向图室内平面近场测量方法。本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由全国无线电干扰标准化技术委员会(SAC/TC79)提出并归口。本文件起草单位：上海电器科学研究院、中国电子科技集团公司第三十九研究所、广东省珠海市质量计量监督检测所、上海添唯认证技术有限公司、上海霍莱沃电子系统技术股份有限公司、厦门大学、上海电器科学研究所(集团)有限公司、上海机器人产业技术研究院有限公司、上海无委无线电检测实验室有限公司、芮锋射频技术(上海)有限公司、北京中科国技信息系统有限公司、中国汽车工程研究院股份有限公司、佛山市禅信通科技有限公司。Ⅱ天线及接收系统的无线电干扰是以“天线”(无形天线-无线接收系统)为切入点，建立天线和无线电接收系统的电磁兼容标准，涵盖天线、测量场地和无线接收系统。GB/T40602《天线及接收系统的无线电干扰》拟由如下部分构成。——第1部分：基础测量天线方向图的室内远场测量方法。目的在于规定天线辐射方向图(以下简称辐射方向图)在微波暗室内等高架远场的测量方法。——第2部分：基础测量高增益天线方向图室内平面近场测量方法。目的在于规定高增益天线平面近场扫描法在微波暗室内测量天线方向图的方法。——第3部分：场地测量紧缩场场地性能确认方法。目的在于规定紧缩场屏蔽效能、静场辐射特性、相位特性和交叉极化性能的测量方法。——第4部分：无线接收系统集成无线电模块电子设备电磁兼容测试方法。目的在于规定用于工业、科学、医疗、汽车、家用电器等集成无线模块电子设备的电磁兼容测试要求和测试方法。上述四部分与之前已发布的关于车载天线及系统的GB/T38889—2020共同构成了天线及接收系统的无线电干扰标准体系。1天线及接收系统的无线电干扰第1部分：基础测量天线方向图的室内远场测量方法本文件描述了天线辐射方向图(以下简称辐射方向图)在微波暗室内等高架远场的测量方法。本文件适用于工作频段不超出实验室可工作频段，远场距离条件满足实验室测试距离，测量运动范围在微波暗室静区内的天线辐射方向图测量。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB8702—2014电磁环境控制限值GB/T14733.10—2008电信术语天线3术语和定义GB8702—2014和GB/T14733.10—2008界定的以及下列术语和定义适用于本文件。坐标系统coordinatesystem一种包含天线坐标系、转台坐标系、场地坐标系的系统。注1:一般选择天线坐标系为测量坐标系，若选择其他坐标系，需从该天线坐标系变换到另外的测量或工作坐标系中去，只要它们的相对取向和位置是已知的。注2:用这种坐标系统，测得的天线参数与天线的安装或取向无关。室内远场farfieldinmicrowaveanechoicchamber一种在微波暗室内，且在远场条件下进行天线测量的室内测量场地。线极化天线linearly-polarizedantenna在最大增益方向上，作发射时辐射线极化电磁波的天线，或作接收时能使天线终端得到最大可用功率的方向入射线极化电磁波的天线。圆极化天线circularly-polarizedantenna在最大增益方向上，作发射时辐射圆极化电磁波的天线，或作接收时能使天线终端得到最大可用功率的方向入射圆极化电磁波的天线。2在被测天线的远场区进行的测量，测量结果无需算法转换，可以直接表征天线的远场辐射方向图特性。辐射方向图radiationpattern表征天线辐射量在空间的分布。注：表征场的量，如电磁场的一个规定分量的大小或场强-距离乘积、辐射强度、方向性、绝对增益或相对增益等。[来源：GB/T14733.10—2008,712-02-15,有修改]在给定方向和辐射场区内天线每单位立体角的辐射功率。注1:辐射强度以每球面度的瓦数表示。注2:辐射强度可以认为是两个正交极化分量辐射强度之和。[来源：GB/T14733.10—2008,712-02-41,有修改]在输入功率相等的条件下，实际天线与标准增益天线在空间同一点处所产生的信号的功率密度注1:如果用理想的无方向性的点源天线作比较对象，增益的单位为dBi,在各方向上的增益是均匀的。注2:本文件的增益考虑dBi和dBd的情况，其关系为dBi=dBd+2.15。注3:增益不包括阻抗和极化失配引起的损耗，并且不依赖于天线所连接的系统。注4:对应于各向同性辐射功率的辐射强度等于天线接收的功率除以4π。注5:如果天线无损耗，则给定方向上天线的绝对增益在数值上和它的方向性系数相同。注6:如果未指定方向，则为最大辐射强度的方向。对所需极化，包含辐射强度最大值方向在内的天线辐射瓣。副瓣secondarylobe;minorlo除主瓣以外的任何辐射瓣。其轴与主瓣轴的前向大约成180°角度的副瓣。差波瓣零值深度nulldepthofdifferencebeam差波瓣最大电平与差波瓣中心最小电平之比的分贝数。微波暗室microwaveanechoicchamber一种经过专门设计的能模拟自由空间的封闭室。3辅助天线beaconantenna室内远场测量中用于接收或发射信号的天线，与被测天线形成完整的测量信号收发链路。辅助天线塔beacontower室内远场测量中用于架设辅助天线的结构体。在微波暗室内，电磁波的反射被控制到设计水平的区域。4测量条件4.1概述室内远场测量方法是在微波暗室内直接测量的方法，将被测天线架设在位于静区的转台上，将辅助天线架设在被测天线的远场位置处，通过转台带动被测天线旋转，接收设备采集到幅度和相位后，测量软件根据相应的位置信息生成远场辐射方向图。4.2被测天线状态被测天线的状态有发射状态、接收状态、连续波状态、脉冲工作状态。当被测天线是无源、线性可逆的装置，则该天线的辐射特性可以在发射状态或接收状态下测量。当被测天线含有源、非线性和不可逆电路元件时，应在天线相应的工作状态下测量。注：当被测天线在大功率状态下工作时，需要对系统测量设备进行相应的设计与保护。4.3坐标系统天线远场辐射方向图一般是以辐射电场矢量的分量随方向或位置的变化来表示的。不论是矢量的分量还是方向参数都应以相对应的坐标系来定义。为了最大限度地实用，坐标系统应相对于天线固定。用这种坐标系，测得的天线参数与天线的安装或取向无关。如果需要，可以从该天线坐标系变换到另外的测量或工作坐标系中去，只要它们的相对取向和位置是已知的。室内远场测量中一般采用图1所示的坐标系统，其xoy平面取为被测天线的口径面或天线阵的阵面，原点与口径面的几何中心重合，z轴垂直于被测天线口径面，指向辅助天线。对线极化天线，天线口面场主极化的方向取作x轴或y轴；对非线极化天线，x轴和y轴的取向尽可能满足结构上的某种对称性。4-X-X图1室内远场测量坐标系统5测量环境5.1测量环境要求除另有规定外，测量应在以下气候条件下进行：a)环境温度：15℃~35℃;b)相对湿度：25%～75%;5.2测量场地要求天线辐射方向图的室内远场测量通常在矩形微波暗室内进行，应满足的要求如下：a)微波暗室净空间尺寸应满足远场测量条件、静区指标、测量设备和被测天线安装架设和旋转采样的空间需求，如图2所示。5GB/T40602.1—2021标引序号说明：R——远场测量距离，单位为米(m);R₁——辅助天线到暗室前墙的距离，单位为米(m);R₂——被测天线到暗室后墙的距离，单位为米(m);D——被测天线等效辐射口径，单位为米(m);W——暗室的高度，单位为米(m);L——暗室的总长度；θ——辅助天线的入射角。注：净空间尺寸是指不包含吸波材料的尺寸。为使收发天线满足远场测量条件，收发天线间的最小测量距离R应满足式(1)要求：式中：……………R——远场测量距离，单位为米(m);D——被测天线等效辐射口径，单位为米(m);d——辅助天线等效辐射口径，单位为米(m);λmin——被测天线最高工作频率对应的最短工作波长，单位为米(m);λmx——被测天线最低工作频率对应的最长工作波长，单位为米(m)。暗室的总长度L应满足式(2)的要求：L=R₁+R+R₂……(2)式中：R₁——辅助天线到暗室前墙的距离，单位为米(m);R₂——被测天线到暗室后墙的距离，单位为米(m)。注1:辅助天线距暗室前墙的距离R,约为1m～W/2,其中W为暗室的高度；6GB/T40602.1—2021式中：注2:当θ≤70°,吸波材料具有较好的吸波性能。注3:从吸波材料所允许的入射角看，当暗室的高度等于宽度时，交叉极化特性较好。b)微波暗室工作频率覆盖被测天线工作频率范围。c)微波暗室静区的范围应覆盖被测天线采样时的旋转区域，静区中心应位于暗室宽度和高度的中心。d)微波暗室静区反射电平应满足：1)当频率700MHz～1GHz时，静区反射电平≤—35dB;2)当频率1GHz～3GHz时(不包括1GHz),静区反射电平≤—40dB;3)当频率>3GHz时，静区反射电平≤—45dB。e)微波暗室静区空间的幅值均匀性应满足：1)被测天线沿轴线移动时，接收信号起伏不超过±2.0dB;2)被测天线在同一平面，上下左右移动时，接收信号起伏不超过±0.25dB。f)微波暗室静区的交叉极化隔离度≤—25dB。g)微波暗室的多路径损耗应满足不超过±0.25dB。h)包含场地在内的测量系统应满足GB8702—2014对无线电干扰保护的要求。6测量系统6.1系统框图室内远场测量系统包括机械子系统、射频子系统、控制子系统、测量软件。系统典型框图如图3所示。辅助天线辅助天线放大器辅助天线塔测量转台转台控制器矢量网络分析仪低噪声放大器转台控制器被测天线WT注：AZ表示方位轴，EL表示俯仰轴，W表示极化轴，T表示一维平移轴。图3室内远场测量系统框图76.2机械子系统远场测量的机械子系统包括测量转台、辅助天线塔。测量转台用于架设被测天线，辅助天线塔用于架设辅助天线，一般将被测天线架设在微波暗室静区的中心位置，以获得较好的性能。现方位、俯仰、极化旋转功能和前后、左右的平移功能，可根据实际测量需要选择其中几个维度的组合。如图4所示，在方位/俯仰转台上有一维平移导轨，平移导轨的立柱上安装极化转台，测量转台安装在地面铺设的导轨上。方位/俯仰轴实现测量中的球面采样便利；极化轴实现被测天线的极化旋转；一维平移导轨实现被测天线架设位置的调整，与辅助天线对准；地面导轨调节测量转台与辅助塔之间的距离。测量转台一般使用上方位下俯仰、下方位上俯仰或方位-俯仰-极化组合的转台。特殊需求的辐射方向图测量，也可设计相应运动形式的转台。移动功能，可根据实际测量需要选择其中几个维度的组合。极化转台实现辅助天线的极化旋转；二维调整机构实现调整辅助天线位置，与被测天线对准。远场测量中机械子系统实现测量采样需要的方位、俯仰、极化运动，被测天线与辅助天线架设位置的调整对准，可根据实现测量需要，进行运动形式的组合。方位、俯仰、极化转台的旋转精度应小于天线辐射方向图波瓣宽度和指向精度技术指标要求，典型值是波瓣宽度和指向精度的1/10～1/3。极化转台测量转台辅助天线塔测量转台图4机械子系统示意图6.3射频子系统射频子系统包括矢量网络分析仪、辅助天线、放大器和电缆及实现测量功能的其他射频设备和器件，基于信号源及接收机的射频测试系统如图5a)所示，基于矢量网络分析仪的射频测试系统如图5b)所示，外混频双内源射频系统如图5c)所示。8被测天线被测天线信号源接收机辅助天线a)基于信号源及接收机的射频系统被测天线辅助天线被测天线网络分析仪b)基于矢量网络分析仪的射频系统被测天线被测天线混频器参考通道混颏器测量中频中频/本振单元参考中频网络分析仪测量信号辅助天线测量通道放人器本振c)外混频双内源射频系统图5射频系统框图矢量网络分析仪内部集成信号源和幅相接收机，为测量系统提供发射信号和采集测量数据。矢量网络分析仪可代替信号源使用。若只测量幅度辐射方向图，可采用接收机代替矢量网络分析仪作为接收机。在测量过程中，射频系统的短期和长期稳定性对测量精度至关重要，根据不同的测量要求配置不同射频系统。测量使用的设备和仪表应具有良好的稳定性、可靠性、动态范围和测量精度。可根据测量需要的频率范围，选择混频器、倍频器、定向耦合器等其他的测量设备。9GB/T40602.1—2021频率准确度：3×10-8频率准确度：3×10-8频谱纯度：谐波<-30dBc,非谐波<-50dBc6.3.2.3接收机频率分辨率：10Hz～3MHz频率准确度：3×10-8显示平均噪声电平：≤-140dBm/Hz6.4控制子系统控制子系统包括实时时钟控制器、计算机和控制线缆等，实现各设备的协同控制。6.5测量软件测量软件控制机械子系统实现测量采样需要的方位、俯仰、极化运动，并记录其位置信息。软件分析所测得数据功能应满足：a)数据分析软件能够分析辐射方向图的波束宽度、波束指向、零深、副瓣电平、后瓣电平、前后比、交叉极化、极化隔离度、轴比等参数；b)数据分析软件能够对幅度及相位辐射方向图进行最大值归一化、指定值归一化；c)数据分析软件能够比较多次测量的结果，考察系统的一致性；d)数据分析软件能给出数据文件，包括原始数据和处理后的数据。7测量方法7.1基本理论室内远场天线测量时，通常在矩形微波暗室内采用等高架设测量场进行，辅助天线和被测天线的测量几何关系如图2所示。室内远场辐射方向图测量时，被测天线应在一定距离处接收到由辅助天线辐射的等幅同相的平面波。测量距离R应满足远场条件式(1)的要求。当入射到被测天线口径中心与边缘的相位差小于π/8,d<0.4D时，式(1)可简化为式(4):………………7.2测量实施7.2.1系统对准辅助天线架设在辅助天线塔上，被测天线架设在测量转台上，如图4所示。被测天线坐标系平行于辅助天线、测量场地的坐标系。辅助天线与被测天线的对准可通过经纬仪、反射镜、激光跟踪仪等设备来完成。典型的对准工具是经纬仪和激光跟踪仪。通常完整的扫描轴对准参考场地坐标，如使用场地中特殊定位的立方镜或是经纬仪靶标来保证扫描系统垂直。场地的标志点可固定于实体(如地板等)上的靶标。天线辐射方向图室内远场测量时，测量距离、被测天线尺寸、被测天线的工作波长关系应满足式(4)中的远场条件。远场辐射方向图测量是在图1所示的球面上进行采样，根据测量范围的需要选择球面上的某一条迹线、某一区域或完整的球面进行采样。远场辐射方向图测量的采样间隔，根据测量精度的需要选择合适的角度间隔，典型值是波束宽度和指向精度的1/10～1/3。7.3测量参数室内远场天线辐射方向图测量的主要参数如下。a)线极化天线：1)幅度辐射方向图；2)相位辐射方向图；3)波束宽度；4)波束指向；6)副瓣电平；7)后瓣电平；8)前后比；9)交叉极化；11)方向性系数；12)相位中心。b)圆极化天线：1)幅度辐射方向图；2)相位辐射方向图；3)波束宽度；4)波束指向；5)零深；6)副瓣电平；7)后瓣电平；8)前后比；9)交叉极化/轴比；11)方向性系数；12)相位中心。7.4测量步骤7.4.1辐射方向图测量辐射方向图测量的主要步骤如下：a)根据图3进行测量布置，将被测天线架设于测量转台上，将对应频段的辅助天线安装于辅助天b)系统控制设备开机，根据7.2.1进行系统对准，根据7.2.2调整测量距离。c)系统测量仪器设备开机，进行设备预热和系统自检。若被测天线为有源天线，被测天线系统开机，根据有源天线系统的预热要求进行预热。d)根据被测天线的极化调整辅助天线的极化。e)在系统测量软件中设置测量频率、信号功率和中频带宽等参数，根据7.2.3和7.2.4的要求，设置方位面和俯仰面扫描范围、采样间隔，设置测量转台的运动速度等。f)系统测量软件执行测量任务，控制测量转台带动被测天线进行方位面和俯仰面扫描，矢量网络分析仪采集测量信号幅度和相位值。系统测量软件记录幅度和相位的测量值。g)幅度值的量纲为分贝(dB)或线性值。h)位置的量纲为度(°)或弧度。i)若被测天线为圆极化天线，重复步骤c)～e)测量另一个极化。j)在后处理软件中对原始数据进行后处理分析得到幅度辐射方向图、相位辐射方向图、波束宽增益测量采用比较法，主要步骤如下：a)按照7.4.1的步骤a)～步骤g)测量被测天线的幅度和相位值：b)将被测天线替换为标准增益天线，按照7.4.1的步骤a)～步骤g)测量标准增益天线的幅度和相位值；c)在后处理软件中对原始数据进行处理分析得到增益辐射方向图、最大增益等参数，计算公式为式(5):式中：G——被测天线增益；G、——标准增益天线增益标定值；Px——被测天线接收的信号功率电平，单位为分贝毫瓦(dBm);P、——标准增益天线接收的信号功率电平，单位为分贝毫瓦(dBm)。注：被测天线增益和标准增益天线增益的单位应一致，同时为dBi或dBd。7.5数据分析在后处理软件中，根据需要对被测天线原始数据进行分析处理，得到被测天线的远场辐射方向图及各种参数。7.6辐射方向图表示方法辐射方向图的显示包括三维辐射方向图和二维辐射方向图。三维辐射方向图具有三维球坐标显示功能、三维柱坐标显示功能、三维直角坐标显示功能。二维辐射方向图具有二维直角坐标显示功能、二维极坐标显示功能和二维平面图显示功能。各种结果显示均可以输出为图片、数据或动画等形式。辐射方向图表示方法通常分为极坐标表示法和直角坐标表示法，如图6所示。辐射方向图的其他表示方法见附录A。a)极坐标表示法b)直角坐标表示法图6辐射方向图的表示7.7测量不确定度分析表1给出了增益测量时不确定度评估的示例，测量不确定度评估的说明见附录B。表1增益误差估算表影响因子影响分量/dB章条号探头方向图探头极化比探头增益探头对准归一化常数阻抗失配被测天线对准采样间隔测试区域截断探头x-y轴位置误差探头z轴位置误差多次反射表1增益误差估算表(续)影响因子影响分量/dB章条号接收机幅度线性度B.13系统相位误差B.14接收机动态范围B.15暗室散射误差B.16泄漏和串绕B.17随机误差B.188测量报告8.1测量报告要求测量结果应记录在一份综合的测量报告中。表2给出了要求的所有条目的摘要清单。测量报告具有可提供测量重复性的信息。a)通用信息：1)通用信息包括测量所在的地点、负责的(能承担责任)的所有者等；2)如果场地确认是由其他方或组织进行的，应给出该方或该组织的信息；3)应借助绘图、照片、部件号码等方式描述测量的配置，包括其辅助设备；4)另外还应给出进行测量的日期，在报告的封面还应有报告的编制者和授权人的姓名及其b)有效期和限制条件的评估：天线进行测量之前，应证明场地的有效期，并明确声明测量报告中包含的环境条件、配置条件或者限制条件。c)测量布置：2)天线的测量程序，应在测量报告中给出。若对测量布置有调整，也应在报告中注明。表2测量报告清单备注通用信息测量地址、所有者测量所用场地的相关信息测量报告的责任人或组织者的地址、电话传真、电邮测量报告相关责任人或组织方的签名测量过程中使用的配置和辅助设备的一般描述可使用照片、绘图和部件号以便于标识和描述有效期和限制条件的评估限制条件和配置的识别测量布置确认测量布置的详细描述特殊测量布置的描述8.2测量结果输出根据测量大纲要求出具测量结果，辐射方向图测量记录见表3。表3辐射方向图测量记录文件天线型号测量地点天气条件温/湿度承制单位测量单位频段极化仪器设备名称仪器设备编号仪器设备有效期测量人员9安全防护9.1安全防护要求微波暗室进行天线测量时，应满足人身和仪表的安全防护规定：a)微波辐射安全限值按照GB8702—2014中的规定执行；b)仪表严格按照其出厂说明安全使用。9.2安全防护措施微波暗室进行天线测量时，安全防护措施如下：a)被测天线进行低功率量级测量；b)微波暗室内划分辐射区域并安置标识；c)天线测量期间进入微波暗室时，应穿戴防护用品；d)测量中断，天线调试应关闭信号源射频开关；e)登高作业，应学习登高基本知识，并获得登高资格证书；f)被测天线需大功率工作时，需提前计算射频链路各环节器件功率。幅度/dB幅度/dB辐射方向图表示方式方位角/(°)图A.2极坐标辐射方向图方位角/(°)俯仰角/(°)相位/(°)一5.000一0.891一5.000一0.884一0.871一0.858一0.833一4.450一5.000一0.827一0.815一0.809图A.3辐射方向图数据列表方位角/(°)图A.4等增益线图(资料性)测量不确定度评估的说明B.1探头方向图近场扫描探头有一定的大小且有一定的方向性，它们的存在会对近场测量产生扰动。探头移动中接收到的信号与被测场的分布并非线性关系，需要利用探头补偿的方法来解决非理想探头的接收效应，仅在系统软件中采用理想探头修正，这对于超低副瓣测试精度的要求是不够的，要在一定的测试频带内对各种波导探头进行实际测试校正。探头主极化方向图不确定度直接影响到任意指定角度的被测天线校准远场方向图。探头在开口波导模式下，主极化方向图不同角度对应的不确定度影响量如表B.1所示。表B.1探头开口波导