三环天线确认系数校准和不确定度评定

摘  要：本文介绍了三环天线系统的原理、结构及其技术参数，确认系数的校准方法和不确定度的评定过程，符合GB/T 6113.104-2016/CISPR 16-1-4：2012中对三环天线的技术要求。同时结合多家设备生产商生产的三环天线的功能及技术参数，提出了三环天线的计量特性、测量标准、校准方法不确定度评定等过程满足生产、使用和溯源的技术要求，可做为三环天线校准的方法参考和技术依据。

关键词：三环天线;计量特性;确认系数;巴伦-偶极子;不确定度

中图分类号：TN820     文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）12-0044-04

Abstract：This paper introduces the principle，structure and calibration method of the technical parameters confirmation coefficient and the evaluation process of the uncertainty of the three-loop antenna system，which is in accordance with GB/T 6113.104-2016/CISPR 16-1-4：2012 technical requirements for the antenna. At the same time，combined with the functions and technical parameters of the three-loop antenna produced by several equipment manufacturers，the technical requirements of the measurement，measurement standards and calibration method uncertainty of the three-ring antenna are met，which can meet the technical requirements of production，use and traceability. It can be used as a reference and technical basis for the calibration of three-loop antenna.

Keywords：three-loop antenna;measurement characteristics;confirmation coefficient;balun-dipole;uncertainty

0  引  言

三环天线系统由三个相互垂直的、通常直径为2m的大圆环天线（LLAS）构成，由非金属底座支持，用于测量由单台受试设备发射的磁场所感应的电流，受试设备置于环形天线系统的中心。三个相互垂直的大圆环天线能够以规定的准确度来测量所有极化方向上的辐射场的干扰，而不用旋转受试设备或改变大圆环天线的方向。每个大圆环天线的输出端有一个1A/1V的电流探头，可将被测电流转换为输出电压，使确认系数的校准转化为大圆环天线的插入損耗校准。

1  计量特性

直径为2m的标准三环天线确认系数如图1所示。

直径为2m的三环天线确认系数与图1中给出的确认系数之间偏差不超过±2dB。

非标准直径的三环天线系统的确认系数和标准直径（D=2m）的三环天线系统的确认系数之间的关系如图2所示。

2  测量标准及其它设备

三环天线确认系数校准使用的测量标准及设备如表1所示。

3  确认系数的校准

（1）按图3连接网络分析仪，并进行测量前的直通校准。网络分析仪的测量模式设置为传输测量S21或S12，扫描模式设置为对数频率，源信号功率设置为-10dBm，中频带宽设为不大于100Hz，起始频率为9kHz，终止频率大于30MHz。

（2）在网络分析仪的测试端口连接测试线缆1和测试线缆2，线缆1和线缆2之间接6dB或10dB衰减器，对网络分析仪进行直通校准。

（3）按图4连接仪器，将网络分析仪的输出端线缆1带衰减器接至巴伦-偶极子的输入端，大环天线的输出端经同轴开关接至网络分析仪的输入端。

（4）巴伦-偶极子用支架置于被校大环天线的同一平面，并使巴伦-偶极子的转动轴位于大环天线的圆心处，水平放置初始位置为0°（如图5所示的位置1）。

（5）用网络分析仪标记功能读取不同频率点的测量值（插入损耗）V0，所选频率点应包括三环天线频率范围的下限9kHz和上限30MHz。确认系数实测值F0=V0+6dB，记录于原始记录中，并保存网络分析仪测量量值图。（注：确认系数是发射信号的开路电压值，而测量结果S21或S12是源信号在输出阻抗为50Ω负载的电压，因此测量结果差6dB。）

（6）确认系数误差按式（2）计算：

（7）转动巴伦-偶极子的角度，重复上述校准步骤，分别在位置2，45°;位置3，90°;位置4，135°;位置5，180°;位置6，225°;位置7，270°;位置8，315°进行确认系数的校准，校准过程中保持巴伦-偶极子与被校大环天线共面，校准位置如图5所示。

（8）第一个大环天线校准完后，分别置巴伦-偶极子于第二、第三大环天线的平面内进行校准，重复上述操作步骤，并记录结果于原始记录中。

4  确认系数测量结果不确定度的评定

4.1  测量模型

4.2  不确定度来源

不确定度来源主要有：网络分析仪电平测量动态准确度、传输测量误差、巴伦-偶极子的损耗、线缆位置及偶极子与大环天线不共面、系统失配误差、测量重复性引入的不确定度分量等。

4.3  标准不确定度评定

4.3.1  网络分析仪电平测量动态准确度引入的不确定度分量u1

网络分析仪-90dB电平测量动态准确度最大为±0.8dB，按均匀分布，取k=，则不确定度分量u1=0.8dB/= 0.462dB。

4.3.2  网络分析仪传输跟踪误差引入的不确定度分量u2

网络分析仪传输跟踪测量9kHz～30MHz最大允许误差为±0.04dB，按均匀分布，取k=，则不确定度分量u2=0.04dB/=0.023dB。

4.3.3  巴倫-偶极子引入的不确定度分量u3

巴伦-偶极子的插入损耗为0.5dB，按均匀分布，取k=，则不确定度分量u3=0.5dB/=0.289dB。

4.3.4  网络分析仪示值分辨力引入的标准不确定度分量u4

网络分析仪测量电平时分辨力为0.05dB，按均匀分布，k=，由分辨率引入的不确定度分量为：u4=0.025dB/=0.014dB。

4.3.5  线缆位置、偶极子与天线不共面及环境影响引入的标准不确定度分量u5

线缆位置、偶极子与天线不共面及环境影响引入的最大误差为0.3dB，按均匀分布，k=，由此引入的不确定度分量为：u5=0.3dB/=0.173dB。

4.3.6  系统失配误差引入的标准不确定度分量u6

系统失配包括网络分析仪发射端和电缆之间的阻抗不匹配、电缆和偶极子之间的阻抗不匹配;接收端转换开关和电缆之间阻抗不匹配、电缆和网络分析仪之间阻抗不匹配。

（1）校准前网络分析仪用校准件进行双端口校准，根据网络分析仪技术指标其信号源和接收机端的反射系数ГS=ГR=0.05;电缆电压驻波比小于1.15，其反射系数ГC=（1.15-1）/（1.15+1）=0.07。失配误差△=20lg（1+2|ГS| |ГC|）=0.06dB，按反正弦分布，k=，由此引入的不确定度分量为：uS1=0.06dB/=0.04dB。

偶极子端口反射系数ГB=0.06;电缆反射系数ГC= 0.07。失配误差△=20lg（1+2|ГB||ГC|）=0.073dB，按反正弦分布，k=，由此引入的不确定度分量为：uS2=0.073 dB/=0.052dB。

发射端阻抗不匹配引入的不确定度分量uS==0.066dB。

（2）接收端转换开关电压驻波比小于1.2，其反射系数ГSW=（1.2-1）/（1.2+1）=0.091;电缆反射系数ГC=0.07。失配误差△=20lg（1+2|ГSW||ГC|）=0.11dB，按反正弦分布，k=，由此引入的不确定度分量为：uR1=0.11dB/=0.078dB。

电缆和网络分析仪接收端阻抗不匹配引入的不确定度分量为：uR2=0.04dB。

接收端阻抗不匹配引入的不确定度分量uR==0.088dB。

（3）系统失配引入的标准不确定度分量u6==0.11dB。

4.3.7  测量重复性引入的标准不确定度分量uA

对三环天线系统Y向@10MHz进行重复性测量，结果如表2所示（dB）。

由于测量重复性包含了人员读数时因分辨率引入的误差，因此由分辨率引入的不确定度分量u4和测量重复性引入的不确定度分量uA取大者。

4.4  合成标准不确定度

4.4.1  主要不确定度汇总表

标准不确定度分量如表3所示。

4.4.2  合成标准不确定度计算

以上各项不确定度分量相互独立不相关，合成标准不确定度为：uc==0.61dB。

4.5  扩展不确定度

取包含因子k=2，则扩展不确定度为：U=kuc=1.3dB，k=2。

5  结  论

通过对三环天线确认系数的校准及不确定度的评定，说明本文校准方法能满足GB/T 6113.104-2016/CISPR 16-1-4：2012中对三环天线技术条件及溯源要求，测量结果不确定度评定合理，可依据本文中方法开展三环天线的校准。

参考文献：

[1] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.无线电骚扰和抗扰度测量设备和测量方法规范 第1-4部分：无线电骚扰和抗扰度测量设备 辐射骚扰测量用天线和试验场地：GB/T 6113.104-2016 [S].北京：中国标准出版社，2016.

[2] IEC CISPR 16-1-4.Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods - Part 1-4：Radio disturbance and immunity measuring apparatus - Antennas and test sites for radiated disturbance measurements [S].International Electrotechnical Commission，2017.

[3] 国家质量监督检验检疫总局.JJF 1059.1-2012，测量不确定度评定与表示 [S].北京：中国质检出版社，2012.

[4] 倪育才.实用测量不确定度评定 [M].北京：中国计量出版社，2004.

作者简介：刘晓琴（1984-），女，汉族，重庆长寿人，科研经理，本科，研究方向：无线电、时间频率、光电子测量仪器的校准和测试。