19kHz～30MHz鞭狀天線校準規范1范圍本規范適用于工作頻段為9kHz～30MHz、符合CISPR16-1-6:2014、ANSIC63.5—2006和SAEARP958—2003標準要求的電磁兼容測試用鞭狀天線。不符合上述標準要求的鞭狀天線，可以參照本校準規范執行。2引用文件本規范引用了下列文件：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(SPECIFICATIONFORRADIODIS-TURBANCEANDIMMUNITYMEASURINGAPPARATUSANDMETHODS—Part1-6:Radiodisturbanceandimmunitymeasuringapparatus—EMC—antennacalibration)ANSIC63.5-2006:電磁兼容—電磁騷擾的輻射發射(EMI)測量控制—(9kHzto40GHz)頻段天線校準[AmericanNationalStandardforElectromagneticCompati-bility—RadiatedEmissionMeasurementsinElectromagneticInterference(EMI)Con-trol—CalibrationofAntennas(9kHzto40GHz)]SAEARP958-2003:電磁騷擾測量天線標準校準方法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)適用于本規范。3術語下列術語和定義適用于本規范。將由饋線送來的高頻電流能量轉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換為高頻電流能量送入饋線的裝置，是將導行波與自由空間波相互轉換的裝置。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成，天線基座中包含有阻抗變換和信號處理單元。在EMC領域中通常工作在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射或接收電磁能量的能力。有效高度(h。)是一個與口徑有關的參量，定義為天線感應電壓與入射電場之比3.4天線系數antennafactor被測場強與該場在天線端口產生的電壓之比。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，進行相應的天線系數校準的方法。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，無源用于發射和接收。主要用于測量受試設備(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校準條件6.1環境條件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工作的電磁干擾和機械震動。6.2校準用的主要儀器和配套附件6.2.1網絡分析儀頻率范圍：9kHz～30MHz;動態范圍：在全頻段范圍優于90dB。6.2.2配套附件6.2.2.1T型網路(組成結構見圖1)6.2.2.2兩根長度、規格相同的50Ω同軸電纜；3B端口A端口7校準項目和校準方法7.1校準項目7.1.1外觀及工作正常性檢查。7.1.2天線系數AF。7.2校準方法本校準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：確認被校準天線是否有機械或結構性損壞，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，不足會影響內部放大器的工作狀態。7.2.1.3將檢查結果記在附錄A.1中。B端口T型網絡A端口a)校準圖b)測量圖圖2天線校準和測量連接示意圖7.2.2天線系數AF7.2.2.1網絡分析儀開機預熱半小時，設置起始頻率為9kHz,終止頻率為30MHz,源輸出功率為0dBm,IF=100Hz,設置測量頻點數，頻率刻度選用對數方式，利用兩條同樣規格和長度的同軸電纜分別與網絡分析儀的雙端口連接，然后針對電纜的兩端口進行全雙端口校準，校準完成后，設置網絡分析儀測量參數為S??;7.2.2.2按圖2所示連接測試設備。a)將T型網絡等效虛擬天線端盡可能靠近被校準天線的天線端口連接，T型網絡地線與校準天線的外殼直接相連(地線盡量短)。將網絡分析儀源端口連接到T型網絡A端口，接收端與T型網絡B端口相連；將天線基座輸出端連接50Ω同軸負載，打開天線基座電源，讓其穩定工作。b)測量并記錄相應頻點的Sz?p值；c)將連接T型網絡B端口的電纜端移開，與天線基座輸出端連接，負載轉移到T型網絡的B端口，測量并記錄相應頻點的SzR值；47.2.3數據處理將上述校準測量結果帶入到式(1):AF=S?ip-Szir-(-6dB)+5dB(1)Szip——T型網絡A到B端口的S?1;SziR——T型網絡A到C端口的Sz;-6dB——等效高度為hg=0.5m時對應的修正值：-20log(0.5)=-6(dB);5dB——T型網絡饋入等效電容端的電壓V。與接收機測量端電壓Vp的分壓系數為20log(89/50)=5.008dB。按公式(1)計算得到被校準天線的天線系數，記錄于附錄A.2中。8校準結果表達天線校準后，出具校準證書。校準證書至少應包含以下信息：b)實驗室名稱和地址；c)進行校準的地點(如果與實驗室的地址不同);d)證書的唯一性標識(如編號),每頁及總頁數的標識；e)客戶的名稱和地址；f)被校對象的描述和明確標識；g)進行校準的日期，如果與校準結果的有效性和應用有關時，應說明被校對象的h)如果與校準結果的有效性和應用有關時，應對被校樣品的抽樣程序進行說明；i)校準所依據的技術規范的標識，包括名稱及代號；j)本次校準所用測量標準的溯源性及有效性說明；k)校準環境的描述；1)校準結果及其測量不確定度的說明；m)對校準規范的偏離的說明；n)校準證書簽發人的簽名、職務或等效標識；o)校準結果僅對被校對象有效的說明；p)未經實驗室書面批準，不得部分復制證書的聲明。9復校時間間隔復校時間間隔由用戶根據使用情況自行確定，推薦為1年。5校準記錄內容A.1外觀及工作正常性檢查A.2天線系數頻率/MHzT型適配網絡直通連接參考測量Szp/dB匹配單元輸出連接測量Szir/dB天線系數/備注6校準證書內頁格式頻率/MHz天線系數/(dB/m)不確定度U(k=2)7天線系數校準不確定度評定示例C.1測量模型y=AF=S?p-S21R+11=△S?+11(C.1)式中，AF為根據公式(1)得到的天線系數測量值，dB(1/m)。C.2不確定度傳播律及相關性依據公式(C.1),以及不確定度來源分析，上述各個分量間彼此不相關，對△S?求偏導得到靈敏系數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C.1,校準天線系數的不確定度來源為：1)u△s:測量△S??時由矢量網絡分析儀引入的不確定度分量，其中包括：A)網絡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致的影響量，包括：2)T型網絡等效自電容C。的值的不準確引入的不確定度分量uc,(dB)3)天線放大器的增益不穩定引入的不確定度分量upg(dB)4)T型網絡非標準引入的不確定度分量urnetwork(dB)5)天線有效高度值的不準確引入的不確定度分量ueh(dB)測量重復性引入的不確定度分量：6)測量△Sz?的重復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??時由矢量網絡分析儀引入的不確定度分量。A)網網分析儀的非理想性引入的AF的不確定度分量uas(dB)網絡分析儀測量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成，分別是測量Szp和SzR時引起的，即,該項可用矢量網絡分析儀廠家給出的不確定度計算方法進行估算：;B)測量端口失配引起的S??的不確定度分量uportmismtch(dB)端口失配導致Szp和Sz?R測量不準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。依據網絡分析儀的技術參數及指標可查出，網絡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Is=IR=0.05,由于測量分為兩步，相應的不確定度可表達為：,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型網絡的對稱性可知Su=S?,并設Fp=Fs=FR,并用相同的反射系數Fp表達發送和接收端口，上述公式可進一步簡化為δM=20log[1±(2|F,||Snl+2|F,l2|Sz?l2)]將實際測量結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，則由網分測量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致的影響量，包括：2)T型網絡等效自電容C。的值的不準確，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，當天線底座的輸入阻抗模值遠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致的天線系數的偏差為：其中C。=11.6pF,為T型網絡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,對應電容值分配為±1.6pF的不確定性因素是公平合理的，在應用的頻段內，假設為矩形分布，則有：假設其分布為矩形分布，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定引入的不確定度分量upg(dB)按照相關標準文獻中提供的數據，在放大器正常工作條件下，其增益波動引起的天線系數偏差估計值，標準不確定度upg=0.05dB,服從正態分布。4)T型網絡非標準，引入的不確定度分量uTnetwok(dB)由圖2的實際校準電路可知，參考測量與校準測量之間，差了一個衰減量Au:其衰減量其中，R為標稱值為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：標準不確定度：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的修正項為：其中，h。為天線有效高度，文獻給出其計算公式為：由于h=1m,9通常估計，在30kHz～30MHz范圍內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內最大相對偏差估計為δ-30MHz-MAx≈4%,相應的對數值為20lg(1+4%)=