(0.2～40)GHz電磁兼容喇叭天線校準規(guī)范

JJF1893—20211(0.2~40)GHz電磁兼容喇叭天線校準規(guī)范1范圍本規(guī)范適用于符合CISPR16-1-6:2014、ANSIC63.5—2006和SAEARP958D—2003要求的電磁兼容測試用喇叭天線的校準,頻率范圍為0.2GHz~40GHz,其他喇叭天線可參照本規(guī)范執(zhí)行。2引用文件本規(guī)范引用了下列文件:JJF-2008無線電計量名詞術(shù)語及其定義GB/T4365—2003電磁兼容術(shù)語(idtIEC50(161):90)ANSIC63.5—2006電磁兼容美國國家標準電磁騷擾的輻射發(fā)射(EMI)測量控制(9kHz~40GHz)頻段天線校準[AmericanNationalStandardforElectromag-neticCompatibility—RadiatedEmissionMeasurementsinElectromagneticInterference(EMI)Control—CalibrationofAntennas(9kHzto40GHz)]SAEARP958—2003電磁騷擾測量天線標準校準方法(ElectromagneticInterfer-enceMeasurementAntennasStandardCalibrationMethod)CISPR16-1-5:2014無線電騷擾和抗擾度測量設(shè)備校準方法第1-5部分:用于5MHz~18GHz頻段輻射發(fā)射測量和抗擾度測量的天線校準場地和參考場地(Specifi-cationforradiodisturvanceandimmunitymeasuringapparatusmethods—Part1-5:Radiodisturbanceandimmunitymeasuringapparatus—Antennacalibrationsitesandref-erencetestsitesfor5MHzto18GHz)CISPR16-1-6:2014無線電騷擾和抗擾度測量儀器和測量方法第1-6部分:輻射騷擾和抗擾度測量儀器電磁兼容天線校準(Specificationforradiodisturbanceandimmunitymeasuringapparatusandmethods—Part1-6:Radiodisturbanceandim-munitymeasuringapparatus—EMCan凡是注日期的引用文件,僅注日期的版本適用于本規(guī)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)適用于本規(guī)范。3術(shù)語和計量單位3.1自由空間天線系數(shù)freespaceantennafactorAFa在一個自由空間環(huán)境中,從對應(yīng)于天線的機械視軸方向上(即天線的主軸線)入射到天線位置的平面波的電場強度,與在一個連接到天線端口的指定負載上產(chǎn)生的電壓的JJF1893—20212比值。單位為dB/m。3.21m天線系數(shù)antennafactorfor1mAF1m參照SAEARP958D—2003的方式確定的天線1m增益,借助遠場條件下天線增益與天線系數(shù)的關(guān)系所導(dǎo)出的天線系數(shù)。單位為dB/m。注:1m天線系數(shù)用于EMC領(lǐng)域中符合性方面的測試,不能直接用于絕對場強測量和評價。其表達式見附錄D。3.3天線端口電壓駐波比antennavoltagestandingwaveratioVSWR在自由空間中,天線輸入端口所呈現(xiàn)的電壓駐波比。3.4標準天線standardantenna能夠精確計算或精確測量天線系數(shù)的天線,在標準天線法中,標準天線的天線系數(shù)作為參考測量的參考值。4概述電磁兼容測試用喇叭天線主要用于測量受試設(shè)備(EUT)向外輻射的電磁波場強,以及用于產(chǎn)生輻射抗擾度實驗所需的場強。電磁兼容喇叭天線通常包括角錐喇叭天線和雙脊波導(dǎo)喇叭天線,許多電磁兼容喇叭天線(以下簡稱天線)為寬帶天線,并用于在固定距離上進行相應(yīng)的測試,通常測試距離為1m、3m等。5計量特性5.1天線系數(shù)AF(0.0~60.0)dB/m(0.2GHz≤f≤40GHz)。5.2天線半功率波束寬度HPBW0.0°~360.0°(0.75GHz≤f≤40GHz)。5.3天線端口電壓駐波比VSWR≤2.5(0.2GHz≤f≤40GHz)。6校準條件6.1環(huán)境條件6.1.1環(huán)境溫度:(23±5)℃。6.1.2相對濕度:≤80%。6.1.3電源要求:(220±22)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振動。6.2校準用設(shè)備6.2.1測試場地(0.2~40)GHz頻段內(nèi)推薦使用全電波暗室。JJF1893—20213注:場地確認方法參見CISPR16-1-5:2014。6.2.2校準用儀器6.2.2.1網(wǎng)絡(luò)分析儀頻率范圍:(0.2~40)GHz;內(nèi)置源或外部信號源的輸出功率:不低于5dBm;校準套件:(0.2~40)GHz的機械或電子校準件;動態(tài)范圍:在(0.2~40)GHz全頻段范圍優(yōu)于80dB。6.2.2.2測距儀器測距最大允許誤差:±0.5mm。6.2.2.3標準天線頻率范圍:(0.75~40)GHz;天線系數(shù):不確定度U=0.2dB(k=2)6.2.2.4天線轉(zhuǎn)臺的方位、極化轉(zhuǎn)動定位控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺方位角0°~360°可順時針或逆時針旋轉(zhuǎn),角度步進不大于1.0°;極化器轉(zhuǎn)角0°~360°可順時針或逆時針旋轉(zhuǎn),角度步進不大于1.0°。天線轉(zhuǎn)臺的承重需要與待校天線及相應(yīng)的天線夾具相匹配。天線轉(zhuǎn)臺和極化器均需要內(nèi)置連接同軸電纜用的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),其工作頻段需在40GHz以內(nèi)。6.2.3輔助設(shè)備6.2.3.1參考天線頻率范圍:(0.2~40)GHz。注:1參考天線用于被校天線半功率波束寬度的校準,以及標準天線法中輻射發(fā)射場的產(chǎn)生。2半功率波束寬度校準時建議選用輻射波束窄、增益高的發(fā)射天線;用標準天線法時選用滿足場地遠場條件2D2/λ的天線。其中D是被校準天線的口面尺寸,λ是測試頻率對應(yīng)的波長,單位均為m。6.2.3.2發(fā)射、接收天線塔用于安裝定位收發(fā)天線,天線塔滿足承重和架設(shè)高度要求。6.2.3.3天線夾具實現(xiàn)收發(fā)天線與天線塔的精確安裝和定位,在滿足使用要求的前提下,體積應(yīng)盡可能小,并在天線口面后方的天線塔上局部安裝遮擋吸波材料,抑制天線塔、夾具對電磁波的反射。7校準項目和校準方法7.1校準項目校準項目如表1所示。JJF1893—20214表1校準項目表序號校準項目1外觀及工作正常性檢查23m天線系數(shù)AF3m(0.75~40)GHz31m天線系數(shù)AF1m(0.2~40)GHz4天線半功率波束寬度HPBW(0.75~40)GHz5天線端口電壓駐波比VSWR(0.2~40)GHz7.2校準方法7.2.1外觀及工作正常性檢查7.2.1.1完成視覺檢查,確認被校準天線機械或結(jié)構(gòu)完好,接觸面無氧化污損。7.2.1.2天線連接器pin深度檢查:檢查確認被測天線N型(或SMA、2.92mm、2.4mm等)接頭的pin深度,確保符合標準的偏差要求,表2給出N型接頭pin深度允差參考值。表2N型連接器pin深度允差N型連接器pin深度/mm陽-0.05~+0.05陰-0.05~+0.257.2.1.3根據(jù)校準的頻率范圍對天線端口駐波比檢查:測量被校準天線端口電壓駐波比,確保天線的端口VSWR滿足產(chǎn)品技術(shù)指標要求。7.2.23m天線系數(shù)AF3m(0.75~40)GHz7.2.2.1標準天線法校準步驟及其數(shù)據(jù)處理如下:a)開機預(yù)熱打開天線校準測量系統(tǒng)的儀器、設(shè)備電源,按要求開機預(yù)熱。b)天線安裝設(shè)置將發(fā)射天線、標準天線(天線系數(shù)已知為AFR)分別以相同極化方式安裝到發(fā)射天線和接收天線塔上,并在收發(fā)天線端口分別連接一個6dB衰減器,調(diào)整天線轉(zhuǎn)臺的平動平臺和升降塔高度,使得收發(fā)天線的主軸對正;微調(diào)收發(fā)天線的極化,實現(xiàn)極化初步匹配,測量確認收發(fā)天線的間距R(標準天線的參考點一般已經(jīng)給出)。c)儀表設(shè)置及測量頻率點的校準設(shè)置網(wǎng)絡(luò)分析儀為連續(xù)波測量模式,測量參數(shù)為S21;依據(jù)需要設(shè)置校準頻率點、中頻帶寬、源輸出幅度,保證參考測量的電平幅值進入網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)的動態(tài)范圍內(nèi);以網(wǎng)絡(luò)分析儀與收、發(fā)天線相連的兩個端口為參考面,對網(wǎng)絡(luò)分析儀進行全雙端口校準,保存相應(yīng)頻點的校準文件FA1;選擇其他頻點進行同樣操作,保存相應(yīng)校準狀態(tài)文件FAi。注:1為提高校準效率,網(wǎng)絡(luò)分析儀也可以設(shè)置為掃頻測量模式,并相應(yīng)設(shè)置起始頻率、終止頻JJF1893—20215率、頻率步進或測量點數(shù)等,其他設(shè)置均與本項相同;2如果采用頻譜儀和信號源的方式,則需要考慮各端口反射對校準結(jié)果的影響;3必要時,可在收、發(fā)天線端口與連接網(wǎng)絡(luò)分析儀的電纜之間分別加接衰減器(建議衰減量為6dB,端口駐波VSWR<1.1)。d)參考測量將收發(fā)電纜端口(如有加衰減器,則在衰減器端口)分別與標準天線和發(fā)射天線相連,見圖1。調(diào)用相應(yīng)校準頻點的校準狀態(tài)文件FAi,然后測量S21,調(diào)整標準接收天線的極化器,使得測量的S21為最大值,并記錄于表A.1“標準天線測量值S21-Ref”對應(yīng)列中,單位為dB。圖1標準天線連接示意圖e)被校準天線的測量用被校準天線替代標準天線作為接收天線,確保收發(fā)天線距離R不變(被校準天線的參考位置一般取口面位置),如圖2所示。重復(fù)步驟d),并將此時該頻點上的測量值S21-Test(單位為dB)記錄于表A.1“被校天線測量值”對應(yīng)列中。圖2被校天線連接示意圖f)其他頻點的測量選擇下一個校準頻率,執(zhí)行步驟d)~e),完成其他頻點的校準。g)驗證測量在完成校準后,需要再次將與天線端口相連的接收和發(fā)射電纜端口直通連接,記下相應(yīng)直通時的測量值S21-Direct(單位為dB),并依據(jù)|S21-Direct|是否小于0.1dB進行判定:1)當|S21-Direct|≤0.1dB,則判定本次結(jié)果有效;JJF1893—202162)當|S21-Direct|>0.1dB,則判定本次結(jié)果可能有問題,需要進一步檢查,或重新進行校準,直到滿足條件1)為止。h)數(shù)據(jù)處理將上述校準結(jié)果分別代入式(1),計算得到被校準天線的天線系數(shù)AFTest,記錄于表A.1“天線系數(shù)”對應(yīng)列中。AFTest=AFRef+(S21-Ref-S21-Test)(1)式中:AFTest—被校準天線的天線系數(shù),dB/m;AFRef—標準天線的天線系數(shù),dB/m;S21-Ref、S21-Test———分別為連接標準天線和被校準天線時S21的模值,dB。7.2.2.2三天線法校準步驟及其數(shù)據(jù)處理如下:a)開機預(yù)熱打開天線校準測量系統(tǒng)的儀器、設(shè)備電源,按要求開機預(yù)熱。b)儀表設(shè)置和全雙端口校準設(shè)置網(wǎng)絡(luò)分析儀為掃頻測量模式,依據(jù)實際需要設(shè)置起始頻率、終止頻率、掃頻步進或頻點;設(shè)置中頻帶寬IF、源輸出電平,使得測量的電平幅值進入系統(tǒng)的動態(tài)范圍內(nèi)(如采用頻譜儀加信號源時,設(shè)置信號源的輸出幅度,頻譜分析儀的參數(shù),使得參考測量時測量電平在頻譜分析儀的動態(tài)范圍內(nèi))。按照圖3所示,用標準校準件(機械或電子)在與收發(fā)天線端口直接相連的兩個電纜端口(校準參考端面)對網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)進行全雙端口校準。圖3全雙端口校準連接框圖c)天線安裝及其調(diào)試對正按圖4所示,首先將1號天線和2號天線分別與連接到源端和接收端的6dB衰減器連接,調(diào)整天線平動平臺,升降平臺位置,使得收發(fā)天線的主軸在同一直線上,調(diào)整收發(fā)天線口面的距離(可用激光測距儀測量該距離),達到需要的距離(R=3m)。注:建議三只天線中有一只天線的天線系數(shù)為已知,以方便判斷測量過程中的問題,提高效率等。d)極化匹配調(diào)整利用水平尺,初調(diào)收發(fā)天線的極化匹配,使收發(fā)天線處于同一極化方式(水平、垂7直);調(diào)整接收天線極化角度,使網(wǎng)絡(luò)分析儀S21達到最大值。e)記錄網(wǎng)絡(luò)分析儀S21測量值于表A.2“L12”對應(yīng)列中,即為兩天線之間的空間插入損耗(可運行自動測量程序?qū)崿F(xiàn))。f)用3號天線置換2號天線,重復(fù)操作步驟d),完成空間插入損耗L13的測量,并將測量值記錄于表A.2“L13”對應(yīng)列中。g)用2號天線置換1號天線,重復(fù)操作步驟d),完成空間插入損耗L23的測量,并將測量值記錄于表A.2“L23”對應(yīng)列中。圖4三天線法測量示意圖h)驗證測量在完成校準測量后,需要再次將與天線端口相連的接收和發(fā)射電纜端口直通連接,記下相應(yīng)直通時S21-Direct的測量值(單位為dB)并依據(jù)|S21-Direct|是否小于0.1dB進行判定:1)若|S21-Direct|≤0.1dB,則判定本次結(jié)果有效;2)若|S21-Direct|>0.1dB,則判定本次結(jié)果可能有問題,需要進一步檢查,或重新進行校準,直到滿足條件1)。i)數(shù)據(jù)處理將上述測量結(jié)果分別代入式(2)~式(4),可得到被校天線的天線系數(shù),并記錄于表A.2“AF1、AF2、AF3”對應(yīng)列中。AF1=(L12+L13-L23)-(K012+K013-K023)(2)AF2=(L12+L23-L13)-(K012+K023-K013)(3)AF3=(L13+L23-L12)-(K013+K023-K012)(4)其中在全電波暗室中(近似自由空間中):K0ij=20lg-20lg(5)式中:L12、L13、L23———被校準天線對的空間插入損耗,dB;8f—對應(yīng)的信號頻率,MHz;R—被校準的天線對口面的距離,m;AF1、AF2、AF3———被校天線的天線系數(shù),dB/m;Z0—測量設(shè)備的特性阻抗,Ω;η—自由空間的固有阻抗(約376.7Ω)。7.2.2.3互易法校準步驟及其數(shù)據(jù)處理如下:a)開機預(yù)熱打開天線校準測量系統(tǒng)的儀器、設(shè)備電源,按要求開機預(yù)熱。b)儀表設(shè)置和全雙端口校準設(shè)置網(wǎng)絡(luò)分析儀為掃頻測量模式,依據(jù)實際需要設(shè)置起始頻率、終止頻率、掃頻步進或頻點;設(shè)置中頻帶寬IF、源輸出電平,使得測量的電平幅值進入系統(tǒng)的動態(tài)范圍內(nèi)(如采用頻譜儀加信號源時,設(shè)置信號源的輸出幅度、頻譜分析儀的參數(shù),使得參考測量時測量電平在頻譜分析儀的動態(tài)范圍內(nèi))。按照圖3用標準校準件(機械或電子)在與收發(fā)天線端口直接相連的兩個電纜端口間使用相應(yīng)的校準組件進行全雙端口校準。c)天線安裝及其調(diào)試對正按圖4所示,將兩只型號規(guī)格一致或近似的天線(含被校準天線)分別與連接到源端和接收端的6dB衰減器連接,調(diào)整天線平動平臺,升降平臺位置,使得收發(fā)天線的主軸在同一直線上,用激光測距儀調(diào)整收發(fā)天線口面的距離,達到需要的距離(R=3m)。d)極化匹配調(diào)整利用水平尺,初調(diào)收發(fā)天線的極化匹配,使收發(fā)天線處于同一極化方式(水平、垂直);調(diào)整接收天線極化角度,使網(wǎng)絡(luò)分析儀S21達到最大值。e)將網(wǎng)絡(luò)分析儀S21測量值作為兩天線之間的空間插入損耗L(可運行自動測量程序?qū)崿F(xiàn))記錄于表A.3。f)驗證測量在完成校準測量后,需要再次將與天線端口相連的接收和發(fā)射電纜端口直通連接,記下相應(yīng)直通時S21-Direct的測量值(單位為dB),并依據(jù)|S21-Direct|是否小于0.1dB進行判定:1)若|S21-Direct|≤0.1dB,則判定本次結(jié)果有效;2)若|S21-Direct|>0.1dB,則判定本次結(jié)果可能有問題,需要進一步檢查,或重新進行校準,直到滿足條件1)。g)數(shù)據(jù)處理互易法是三天線法的一個特例,是用兩只型號特性一致的天線,并假設(shè)兩只天線的天線系數(shù)相等。其數(shù)據(jù)處理公式可從三天線法的公式中推導(dǎo)出來,這里略去推導(dǎo)過程。將上述測量的數(shù)據(jù)分別代入公式(6),即可得到被校天線的天線系數(shù)。AF=(L-K)(6)9式中:L、K—分別對應(yīng)公式(2)或公式(3)、公式(4)中的L和K項。7.2.31m天線系數(shù)AF1m(0.2~40)GHz校準步驟和數(shù)據(jù)處理如下。7.2.3.1開機預(yù)熱打開天線校準測量系統(tǒng)的儀器、設(shè)備電源,按要求開機預(yù)熱。7.2.3.2儀表設(shè)置和全雙端口校準設(shè)置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測量模式為(CW)模式,依據(jù)需要設(shè)置校準的頻率點,設(shè)輸出幅度,頻譜分析儀的參數(shù),使得測量電平在頻譜分析儀的動態(tài)范圍內(nèi)),針對與網(wǎng)絡(luò)分析儀連接的收發(fā)電纜的另外兩個端口分別連接一個10dB/50Ω衰減器并進行全雙端口校準(分別對收發(fā)端口進行開路、短路、負載和直通校準)保存相應(yīng)頻點的校準狀態(tài)文件FA1,選擇其他頻點進行上述同樣的操作,并保存相應(yīng)的校準狀態(tài)文件FAi。7.2.3.3天線安裝及其調(diào)試對正如圖5所示,首先將一對一樣的天線(電器特性和幾何尺寸均相同)分別安裝到發(fā)射天線和接收天線塔上,調(diào)整天線轉(zhuǎn)臺的平動平臺和升降塔高度,使得收發(fā)天線的主軸對正;調(diào)整收發(fā)天線的極化,實現(xiàn)極化初步目視匹配;用激光測距儀調(diào)整收發(fā)天線口面的距離,達到需要的距離R=1m。7.2.3.4極化匹配調(diào)整首先初調(diào)收發(fā)天線的極化匹配,使收發(fā)天線處于同一極化方式(水平、垂直),其次用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量S21,調(diào)整接收天線極化角度,使得接收信號達到最大值,完成極化匹配調(diào)整。7.2.3.5雙天線端口間S21的測量測量雙天線端口間的S21,完成天線端口間插入損耗L12的測量(可運行自動測量程序?qū)崿F(xiàn))見圖5,并將S21測量數(shù)據(jù)記錄于表A.4。圖51m天線系數(shù)校準測量示意圖注:網(wǎng)絡(luò)分析儀也可以設(shè)置為掃頻模式,并相應(yīng)設(shè)置起始、終止頻點、頻率步進和點數(shù)等,相應(yīng)的其他設(shè)置均與上述不變,這樣可以提高校準效率。JJF1893—2021107.2.3.6驗證測量在完成校準測量后,需要再次將與天線端口相連的接收和發(fā)射電纜端口直通連接,記下相應(yīng)直通時S21-Direct的測量值(單位為dB),并依據(jù)|S21-Direct|的值是否小于0.1dB進行判定:1)若|S21-Direct|≤0.1dB,則判定本次結(jié)果有效;2)若|S21-Direct|>0.1dB,則判定本次結(jié)果可能有問題,需要進一步檢查,或重新進行校準,直到實現(xiàn)條件1)的結(jié)論。7.2.3.7數(shù)據(jù)處理該方法是用兩只型號特性一致的天線,并假設(shè)兩只天線的天線系數(shù)相等,從互易法公式推導(dǎo)出來,參見附錄D。將上述測量的結(jié)果代入式(7),得到被校準天線的天線系數(shù):AF1m=-16.004+10lg(fM)-0.5S21(7)注:使用三天線法的公式也可以推導(dǎo)出用三天線法校準獲得的1m天線系數(shù),過程可參考三天線法的天線系數(shù)計算公式。7.2.4天線半功率波束寬度HPBW(0.75~40)GHz校準步驟及其數(shù)據(jù)處理如下。7.2.4.1開機預(yù)熱打開天線校準測量系統(tǒng)的儀器、設(shè)備電源,按要求開機預(yù)熱。7.2.4.2儀表設(shè)置a)網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)置設(shè)置網(wǎng)絡(luò)分析儀為連續(xù)波(CW)模式,依據(jù)實際需要設(shè)置測量頻率點;設(shè)置中頻帶寬IF=(10~1000)Hz;源輸出設(shè)置為適當?shù)姆?使得測量的電平幅值進入系統(tǒng)的動態(tài)范圍內(nèi)(如采用頻譜儀加信號源時,設(shè)置信號源的輸出幅度、頻譜分析儀的參數(shù),使得參考測量時測量電平在頻譜分析儀的動態(tài)范圍內(nèi))。b)轉(zhuǎn)臺設(shè)置設(shè)置方位轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動分辨率、轉(zhuǎn)動速度,轉(zhuǎn)動角度范圍,確認轉(zhuǎn)動方向;上述設(shè)置建議采用程序控制實現(xiàn)。圖6半功率波束寬度(HPBW)測量JJF1893—2021117.2.4.3天線安裝設(shè)置及轉(zhuǎn)臺方位的初始化如圖6所示,將發(fā)射和被校天線口面正向面對,分別安裝到發(fā)射和接收天線塔上;調(diào)整天線平動平臺位置,使得收發(fā)天線的主軸在同一直線上;利用水平尺微調(diào)整,使收發(fā)天線處于同一極化方式;用激光測距儀測量收發(fā)天線口面間距并調(diào)整間距,使其滿足一;天線方位轉(zhuǎn)臺的方位角到θ0=180°,使得接收天線口面7.2.4.4相對幅度方向圖數(shù)據(jù)測量a)在方位角180°初始位置記錄相應(yīng)的S21-180,按照設(shè)置的步進和規(guī)定的方向轉(zhuǎn)動一個角度δ(推薦δ=1°),在新的位置再次測量S21-180+δ,并記錄該值;以此類推,讓天線轉(zhuǎn)臺按同一方向轉(zhuǎn)動同樣的步進角度δ,并記錄對應(yīng)的S21+iδ,最后在所需測量的空間內(nèi)完成不同方位角度上插入損耗L的測量,并得到一組與方位角對應(yīng)的L值序列:b)將各個方位角及對應(yīng)的插入損耗測量值L記錄于表A.5中相應(yīng)位置。7.2.4.5數(shù)據(jù)處理L={S21-180,S21-180+δ,S21-180+2δ,…,S21-180+iδ,b)將各個方位角及對應(yīng)的插入損耗測量值L記錄于表A.5中相應(yīng)位置。7.2.4.5數(shù)據(jù)處理a)數(shù)據(jù)的歸一化:從上述各個方位角上測量的插入損耗L中取最大幅度值Lmax,并用L數(shù)組中的每一項減去Lmax(這里取值單位均為dB,如果為絕對單位則是比值),得到一個歸一化到最大值的新數(shù)組,記為L1。L1={S21-180-Lmax,S21-180+δ-Lmax,S21-180+2δ-Lmax,…,S21-180+iδ-Lmax,…,0,…,S21+180-Lmax}b)將新數(shù)組中對應(yīng)項記錄于表A.5中相應(yīng)位置。c)求得半功率波束寬度HPBW:從新數(shù)組L1中,在幅值為-3dB的兩個位置確和θ2,最后得到半功率波束寬度:HPBW=|θ1-θ2|,記錄7.2.4.6測量其余頻率點的半功率波束寬度(HPBW)改變網(wǎng)絡(luò)分析儀工作頻率,重復(fù)步驟7.2.4.2~7.2.4.5,測量其余頻率點的半功率波束寬度。7.2.5天線端口電壓駐波比VSWR(0.2~40)GHz7.2.5.1校準步驟a)開機預(yù)熱打開天線校準測量系統(tǒng)的儀器、設(shè)備電源,按要求開機預(yù)熱。b)網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)置校準根據(jù)實際測測量頻段,設(shè)置網(wǎng)絡(luò)分析儀的測量起始、終止頻率,設(shè)置頻點數(shù);設(shè)置中頻帶寬IF;源輸出設(shè)置為適當?shù)姆?選取網(wǎng)絡(luò)分析儀的某一端口進行校準,如選擇Port1端口,則選擇測量S11,顯示模式選擇VSWR;選用一條適當長度的穩(wěn)幅穩(wěn)相的高性能電纜與所選擇端口連接,選取適當?shù)臋C械或電子校準件,在該電纜另一端進行開路、短路、負載校準。c)天線端口駐波測量將被校準天線安裝到天線塔上,確保天線周圍沒有反射物,將該電纜另一端與被測JJF1893—202112天線相連,運行測量程序(或手動測量)并保存測量結(jié)果(回波損耗或電壓駐波比VSWR)。7.2.5.2結(jié)果處理將測量結(jié)果記錄于表A.6對應(yīng)列中,或直接存儲并繪制端口駐波圖。8校準結(jié)果表達天線校準后出具校準證書。校準證書至少應(yīng)包含以下信息:a)標題:“校準證書”;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(shù)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(jié)果的有效性和應(yīng)用有關(guān)時,應(yīng)說明被校對象的接收日期;h)如果與校準結(jié)果的有效性或應(yīng)用有關(guān)時,應(yīng)對被校樣品的抽樣程序進行說明;i)校準所依據(jù)的技術(shù)規(guī)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(huán)境的描述;l)校準結(jié)果及其測量不確定度的說明;m)對校準規(guī)范的偏離的說明;n)校準證書簽發(fā)人的簽名、職務(wù)或等效標識;o)校準結(jié)果僅對被校對象有效的說明;p)未經(jīng)實驗室書面批準,不得部分復(fù)制證書的聲明。9復(fù)校時間間隔復(fù)校時間間隔由用戶根據(jù)使用情況自行確定,推薦為1年。JJF1893—202113附錄A原始記錄格式外觀及工作正常性檢查表A.1標準天線法天線系數(shù)頻率GHz標準天線系數(shù)dB/m標準天線測量值S21-RefdB被校天線測量值S21-TestdB天線系數(shù)dB/m表A.2三天線法天線系數(shù)(增益-無駐波修正)頻率GHz距離mK0ijdBL12dBL13dBL23dBAF1dB/mAF2dB/mAF3dB/m14表A.3互易法天線系數(shù)頻率GHz距離mK0ijdBLdBAFdB/m表A.41m天線系數(shù)頻率GHzS21dBAFdB/m15表A.5天線半功率波束寬度(頻率:)方位角θ(°)插入損耗LdB歸一化后插入損耗L1dB半功率波束寬度HPBW(°)表A.6天線端口駐波頻率fGHzS11dBVSWR16附錄B校準證書內(nèi)頁格式B.1外觀及工作正常性檢查B.2天線系數(shù)頻率fGHz天線系數(shù)AFdB/m擴展不確定度U(k=2)0.7540B.3天線半功率波束寬度頻率fGHz半功率波束寬度HPBW(°)0.754017B.4天線端口駐波頻率fGHz電壓駐波比VSWR0.754018附錄C主要項目校準不確定度評定示例本附錄對EMC(0.2~2)GHz、(0.75~18)GHz雙脊喇叭天線和(18~40)GHz頻段的角錐喇叭天線的天線系數(shù)校準結(jié)果進行不確定度評定,對(0.75~40)GHz頻段天線半功率波束寬度也進行了不確定度評定。C.1標準天線法校準天線的天線系數(shù)不確定度評定C.1.1測量模型根據(jù)公式(1)得到的天線系數(shù)測量模型:AFTest=AFRef+(S21STA-S21AUT)(C.1)C.1.2不確定度來源及標準不確定度評定C.1.2.1不確定度來源根據(jù)式(C.1)分析不確定度來源主要包括:—測量被校準天線的場地插入損耗S21AUT時引入的不確定度u1(S21AUT);—測量標準天線的場地插入損耗S21STA時引入的不確定度u2(S21STA);—引用標準天線確定感應(yīng)電壓時引入的不確定度u3(y)。C.1.2.2標準不確定度的評定C.1.2.2.1測量S21AUT時引入的不確定度u1(S21AUT)u1(S21AUT)包含的各分量見表(C.1)。u1(S21AUT)按式(C.2)計算:(C.2)u1(S21AUT)=u+u+u+upm+u(C.2)表C.1u1(S21AUT)的分量分量來源uS21網(wǎng)絡(luò)分析儀測量S21引入uma天線端口的失配引入uam兩天線對正偏差引入uapm線極化天線對間的極化失配引入urm系統(tǒng)重復(fù)測量引入a)網(wǎng)絡(luò)分析儀測量S21引入的不確定度分量uS21以測試18GHz頻點為例,參考矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量手冊得到由網(wǎng)絡(luò)分析儀本身引入S21的測量結(jié)果的不確定度,見表C.2。取整個頻段最大值,US21=0.078dB(k=2),則uS21≈0.04dB。JJF1893—202119[1+(ΓeS11+ΓrS22+[1+(ΓeS11+ΓrS22+ΓeS11ΓrS22+S212ΓeΓr)]δM+-δM-=20lg11reee測量頻點S21擴展不確定度(k=2)標準不確定度uS2118GHz-24.8dB0.078dB0.040dBb)天線端口的失配引入的不確定度分量uma根據(jù)微波衰減測量的理論,失配引起的極端偏差為:[1[1-(ΓΓ11S11++ΓΓ22S22++ΓΓSSrΓr22S22++21S212ΓΓrΓr)])](C.3)式中:Γe—網(wǎng)絡(luò)分析儀源端的端口反射系數(shù);Γr—網(wǎng)絡(luò)分析儀接收端的端口反射系數(shù);S11、S12、S21、S22———二端口網(wǎng)絡(luò)4個S參數(shù)。測量4個S參數(shù)以及向源和接收端看進去的反射系數(shù),然后針對對應(yīng)的頻點按照公式(C.3)計算,得到δma-12.4GHz=0.105dB、δma-15GHz=0.114dB、δma-18GHz=0.131dB在本頻段取最大偏差,且其為反正弦分布,則得到:c)兩天線對正偏差引入的0.10dB天線對正包含俯仰、方位對正以及高度、左右對正,由對正偏差引起的不確定度采用實驗的方式,讓天線對正產(chǎn)生一個可控的、可接受的偏差,然后通過試驗確認其對測量結(jié)果的貢獻,相關(guān)數(shù)據(jù)見表C.3。表C.3天線對正偏差引入的不確定度分量頻點GHz俯仰偏差dB方位偏差dB高低及左右偏差dB最大偏差dB12.40.00760.05540.02000.055415.00.01400.07760.02620.077618.00.02000.09580.03730.0958由表C.3取最大偏差,δam-max=0.0985dB,則δam≈0.05dB。且δam分布判定為矩形分布,可得到:uam≈0.03dBd)線極化天線對間的極化失配引入的不確定度uapm在天線對實現(xiàn)極化匹配之后,通過使接收天線左右分別轉(zhuǎn)動1°角,然后在(12.4~每個測量頻點,取三組數(shù)據(jù)的最大偏差δmax-apm=0.08dB,其JJF1893—202120e)重復(fù)測量引入的不確pm/3≈0.05dB在(12.4~18)GHz頻段,分別每隔0.01GHz測量場地插損,試驗重復(fù)10次,應(yīng)用式(C.3)處理測量的結(jié)果,按式(C.4)通過計算單次測量的實驗標準偏差,得到urm,見表C.4。urm=式中:n—重復(fù)測量的次數(shù);(S21-i-S21)2i=1n-1(C.4)S21-i—n次測量中的第i次測量的S21數(shù)據(jù);S21—n次測量的S21的算數(shù)平均值。表C.4重復(fù)測量引入的不確定度分量頻點GHz實驗標準偏差dBurmdB測定次數(shù)18.00.10970.109710取三組數(shù)據(jù)的最大偏差0.11dB,則:f)測量S21AUC時引入的不確uA)dB依據(jù)公式(C.2),且各不確定度分量間正交不相關(guān),則得到u1(S21AUT)為:u1(S21AUT)=u+u+u+upm+u≈0.16dBC.1.2.2.2用標準天線(STA)測量S21STA時引入的不確定度u2(S21STA)由于采用標準天線與用被測天線完成一樣的過程,設(shè)置完全一致,所以這里省略分析,近似得到:u2(S21STA)=u1(S21AUT)=u+u+u+upm+u≈0.16dBC.1.2.2.3引用標準天線確定感應(yīng)電壓時引入的不確定度u3(y)確定感應(yīng)電壓引入的不確定度u3(y)包含的各個分量見表C.5,不確定度表達式為:u3(y)=u+u+u+u(C.5)表C.5u3(y)包含的不確定度分量分量來源uSTA標準天線的天線系數(shù)引入的不確定度分量uAP標準天線定位布置偏差導(dǎo)致感應(yīng)電壓差異引入的不確定度分量uAPC被校準天線和標準天線的相位中心的偏差引入的不確定度分量uAD標準天線與被校準天線的指向性差異引入的不確定度分量JJF1893—202121a)標準天線(STA)天線系數(shù)引入的不確定度分量uSTA根據(jù)使用的標準天線校準報告提供的不確定度參數(shù),可得到:uSTA=0.025dBb)標準天線(STA)定位布置偏差導(dǎo)致感應(yīng)電壓差異引入的不確定度分量uAP標準天線在測量時由于安裝布置、定位系統(tǒng)的離散性,導(dǎo)致測量到的感應(yīng)電壓的差異,通過對標準天線的多次安裝,并測量S21STA,確認這種偏差最大為0.04dB,并設(shè)其符合矩形分布,得到:uAP=0.04dB/3≈0.023dBc)被校準天線和標準天線的相位中心的偏差引入的不確定度分量uAPC當使用口面距離作為天線距離時,會由相位中心的位置帶來偏差:δphasecenter=20lg(C.6)●相位中心圖C.1天線的相位中心與測量距離如圖C.1所示,d1F和d2F分別是發(fā)射和接收天線的相位中心到天線口面的距離。d是兩天線口面間距離,dphasecenter是兩天線相位中心的間距,le是天線的斜高,E為在天線口面的電場強度。d1F和d2F可以通過測試的方法確定,也可以通過數(shù)字仿真的方法確定。根據(jù)國際上對雙脊喇叭天線的實驗和分析經(jīng)驗,在3m測試距離上,天線的相位中心帶來的誤差,假定相位中心d2F-STA=0m,d2F-AUT=0.1m,用一個誤差為0.05m來確定。根據(jù)式(C.6),可以計算得到:.05=20lg3+≈0.14dB其分布為矩形分布,得到uAPC≈0.081dB。d)標準天線與被校準天線的指向性差異引入的不確定度分量uAD考慮到暗室對不同指向性天線的反射影響的差異,采用保持標準天線對和被校準天線對兩組測量的相對位置、間距固定,在轉(zhuǎn)臺中軸線的視軸中心位置、左右偏10cm的位置,沿中軸線后延30cm的4個位置,取水平和垂直兩個極化方式在(12.4~18)GHz頻段每隔0.1GHz分別測量,比較測量結(jié)果的偏差,并取偏差最大的天線對的測量結(jié)果在表C.6中列出。JJF1893—202122表C.6標準天線與被校準天線的指向性差異測量結(jié)果的變化極化方式(12.4~18)GHz頻段上的不同位置的最大偏差dB前移10cm后移10cm左右各移10cm水平極化0.1140.112垂直極化0.1200.118由表(C.6)可知δmax-AD=0.12dB,其分布為矩形分布,則:uAD=δmax-AD/3≈0.069dBf)標準天線確認產(chǎn)生的感應(yīng)電壓引入的不確定度分量u3(y)根據(jù)公式(C.5)得到:u3(y)=u+u+u+u≈0.11dBC.1.3合成標準不確定度和擴展不確定度依據(jù)實際不確定度分量的來源,上述三個分量彼此獨立不相關(guān),其合成標準不確定度為:uc=u(S21AUT)+u(S21STA)+u(y)表C.7標準天線法校準EMC微波喇叭天線不確定度匯總表取包含因子k=2,則擴展不確定度為表C.7標準天線法校準EMC微波喇叭天線不確定度匯總表(示例用Ku波段標準天線)不確定度來源區(qū)間半寬度±dB概率分布包含因子標準不確定度dB網(wǎng)絡(luò)分析儀測量不準0.078正態(tài)20.04天線端口失配0.13反正弦形 20.10天線對正偏差0.05矩形 30.03天線極化失配0.08矩形 30.05重復(fù)性0.11正態(tài)1.000.11測量被校準天線的場地插入損耗S21AUT時引入的u1(S21AUT)0.16測量標準天線場地插入損耗S21STA時引入的u2(S21STA)0.16標準天線定位、布置誤差0.04矩形 30.023標準天線天線系數(shù)引入不確定度0.05正態(tài)2.00.02523表C.7(續(xù))不確定度來源區(qū)間半寬度±dB概率分布包含因子標準不確定度dB標準天線和被校準天線相位中心的偏差引入0.14矩形 30.081標準天線與被校準天線的指向性差異引入0.12矩形 30.069u3(y)0.11合成標準不確定度uc0.24擴展不確定度UAF(k=2)0.50C.2三天線法校準電磁兼容喇叭天線的天線系數(shù)不確定度評定C.2.1測量模型及不確定度傳播律C.2.1.1測量模型測量模型為:AF1=(L12+L13-L23)-(K012+K013-K023)(C.7)其中在全電波暗室中(近似自由空間中):K0ij=20lg·-20lg式中:L12、L13、L23———被校準天線對的空間插入損耗,dB;f—對應(yīng)的信號頻率,MHz;R—被校準的天線對口面的距離,m;AF—被校天線的天線系數(shù),dB/m;Z0—測量設(shè)備的特性阻抗,Ω;η—自由空間的固有阻抗(約376.7Ω)。C.2.1.2不確定度傳播律2u2(xi)2u2(xi)=[ciu(xi)]2靈敏系數(shù)為: c1=c2=c3=c4=c5=c6=c7=c8=c9=c11=c10=4.3C.2.2不確定度來源及標準不確定度評定C.2.2.1不確定度來源根據(jù)公式(C.7),影響天線系數(shù)AF測量結(jié)果的不確定度分量為:—網(wǎng)絡(luò)分析儀測量S21引入的不確定度分量u1;(C.8)(C.9)JJF1893—202124—校準用適配器引入的不確定度分量u2;—天線的相位中心與天線口面的距離差引入的不確定度分量u3;—由于線極化天線對間的極化失配引入的不確定度分量u4;—天線間的耦合引入的不確定度分量u5;—天線端口的失配修正引入的不確定度分量u6;—由于暗室的反射引入的不確定度分量u7;—天線對正引入的不確定度分量u8;—天線近場效應(yīng)引入的不確定度分量u9;—距離測量引入的不確定度分量u10;—重復(fù)測量引入的不確定度分量u11。C.2.2.2標準不確定度的評定C.2.2.2.1網(wǎng)絡(luò)分析儀測量S21引入的不確定度分量u1由于校準標準的不完善性導(dǎo)致串擾殘余、負載匹配殘差、源匹配殘差、傳輸跟蹤殘差等,均引入一定的系統(tǒng)誤差;而機器內(nèi)部的噪聲、連接器的重復(fù)性和連接電纜的穩(wěn)定性等也引入一定的隨機誤差。因此使用網(wǎng)絡(luò)分析儀必然引入一定的誤差。使用校準件在(18~40)GHz使用N4692A2.92mm電子校準套件,結(jié)合實際測量頻點處給定的S21幅度范圍,從矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀不確定度計算器(VectorNetworkAnalyzerUncertaintyCalculator)2.6.1版本計算得到在使用對應(yīng)校準套件的情況下S21的幅度測量結(jié)果的不確定度,見表C.8。表C.8網(wǎng)絡(luò)分析儀測量S21引入的不確定度測量頻率范圍S21dB擴展不確定度dB標準不確定度u1dB包含因子(26.5~40)GHz-300.280.14k=2C.2.2.2.2校準用適配器引入的不確定度分量u2在網(wǎng)絡(luò)分析儀的直通連接校準測量時,應(yīng)使用一個雙陰直通連接器,但在實際的天線校準線路中,卻不再使用這個雙陰直通連接器,由此會給天線校準帶來不確定度。雙陰直通連接器失配帶來的誤差可以簡單表示為:δVadaptor=20lg[1±(ΓTS11+ΓRS22+ΓTΓRS)](C.10)式中:ΓT和ΓR———發(fā)射和接收端口的反射系數(shù);S11,S12,S21和S22———雙陰直通連接器的四個S參數(shù)。一般情況下,一個良好的雙陰直通連接(<0.05),而插入損耗都會小于0.1dB(>0.99)。在這種情況下,通過式(C.10)可以計算得到:δVadaptor=20lg[1±(0.1×0.1+0.1×0.1+0.1×0.1×0.992)]=0.06dBC.2.為o入的不確定度分量u3JJF1893—202125對于雙脊喇叭天線來說,以喇叭天線的前端口面間的距離為兩個相位中心的距離而引入的天線系數(shù)的誤差是足夠小的,忽略的這一項可以添加到不確定度項中,因而對于雙脊喇叭天線,兩個天線的距離就用口面間的距離來代替。圖C.2天線的相位中心與測量距離當使用口面距離作為天線距離時,由相位中心的位置帶來的誤差為:δphasecenter=20lg(C.11)如圖C.2所示,d1F和d2F分別是發(fā)射和接收天線的相位中心到天線口面的距離。d為兩天線口面間距離,le是天線的斜高,E為在天線口面的電場強度,dphasecenter為兩天線相位中心的間距,δphasecenter是由相位中心按照天線口面計算時引入的偏差。d1F和d2F可以通過測試的方法確定,也可以通過數(shù)字仿真的方法確定。根據(jù)國際上對雙脊喇叭天線的實驗和分析經(jīng)驗,對于(18~40)GHz的雙脊喇叭天線,由于天線尺寸相應(yīng)縮小,,可2F=0.03m,在1m距離測δphasecenter=20lgd+d+d2F=20lg105=0.25dBC.2.為p定度分量u4線極化天線對間的極化匹配是天線校準中一個非常重要的問題,為了確認失配影響,在進行不確定度評定時,假設(shè)極化匹配的偏差接收和發(fā)射天線各為1°。這樣沿著主軸軸線的電場分量將是偏離角度的余弦函數(shù),所帶來的偏差為:δpolarization=20lg=0.02dBC.2.2.2.5喇叭天線間的耦合引入的不確定度分量u5其分布為矩形分布,則u4=δpolarizationC.2.2.2.5喇叭天線間的耦合引入的不確定度分量u5被測量的喇叭天線對之間會出現(xiàn)多次的反射,這種反射還包括相應(yīng)的其他支撐設(shè)備的影響。當只用一個單值距離來確認自由空間的AF時,由于喇叭間的反射將會產(chǎn)生很大的影響。這種影響將直接影響到測量值的準確性。從18GHz到40GHz的駐波曲線見圖C.3和圖C.4可以看到,曲線以半個波長為周期振蕩變化,主要顯示了天線之間的耦合影響。將曲線的波峰值和波谷值相減,可以得到由天線間相互耦合和多路徑耦合引入的不確定度。JJF1893—202126圖C.318GHz空間駐波曲線由圖可獲得最大偏差δmax=0.6dB,其半寬為δamc=0.3dB,其分布為矩形分布,則u5=δamc/3≈0.17dB。圖C.440GHz空間駐波曲線C.2.2.2.6天線測量時天線端口的失配修正引入的不確定度分量u6在進行天線間的場地插入損耗測量時,兩只天線的可看成一個雙端口網(wǎng)絡(luò)的兩個端口,根據(jù)微波衰減測量的理論,失配引起的極端偏差為:δM+-δM-=[1+(ΓeS11[1+(ΓeS11+ΓrS22+ΓeS11ΓrS22+S212ΓeΓr)][1-(ΓeS11+ΓrS22+ΓeS11ΓrS22+S212ΓeΓr)]式中:Γe—網(wǎng)絡(luò)分析儀源端的端口反射系數(shù);Γr—網(wǎng)絡(luò)分析儀分接收端的端口反射系數(shù);S11、S12、S21、S22、———二端口網(wǎng)絡(luò)的4個S參數(shù)。JJF1893—202127依據(jù)實際校準天線的頻段,在(18~40)GHz的范圍內(nèi)測量4個S參數(shù),以及向C.2.2.2.7由于暗室的反射引入的不確定度分量u7發(fā)射端和接收端的反射系數(shù),然后針對對應(yīng)的頻點依據(jù)式(C.12)計算,得到δmax=0.02dB,可以取最大值0.02dB,其分布為反正弦分布,則u6=δmax/C.2.2.2.7由于暗室的反射引入的不確定度分量u7為了找出暗室反射對天線對插損測量的影響,采用保持天線對的相對位置、間距固定,在轉(zhuǎn)臺中軸線的常用位置、左右10cm的位置,沿中軸線后延30cm的4個位置,取水平和垂直兩個極化方式在(18~40)GHz頻段每隔0.1GHz分別測量,其測量結(jié)果見表C.9。表C.9暗室不同區(qū)域由于反射引起的測量結(jié)果的變化極化方式(18~40)GHz頻段上不同位置的最大偏差/dB前移10cm后移30cm左右各移10cm水平極化0.3640.377垂直極化0.3620.369C.2.2.2.8天線對正引入的不確定度分量u8由表C.9可知δmax≈0.38dB,其半寬為δma=0.19dB,其分布為矩形分布,則u7=δmcC.2.2.2.8天線對正引入的不確定度分量u8由于雙脊喇叭天線是方向性天線,因此如果天線對不正,將會測量不到主軸方向上的最大值,其測量結(jié)果將會引入誤差。根據(jù)經(jīng)驗,對于雙脊喇叭天線在主瓣的半寬度一般為10°左右的情況下,波瓣圖的主瓣幅度(AMP)可以用式(C.13)近似表達:式中:式中:在(18~40)GHz頻段,測試距離為1m。如果偏差1°,就相當于水平偏差達到17mm。在天線的實際校準中使用激光水平儀調(diào)整天線沿軸線的對正,通常情況下,水平偏差達到5mm就已經(jīng)非常明顯了。對應(yīng)5mm的水平偏差,(18~40)GHz頻段對應(yīng)的方位角偏差僅為0.3°。因此與天線平移對正偏差相比,天線方向角的偏差的影響要大得多。假設(shè)發(fā)射和接收天線各偏離1°,則得到由天線對正引入的偏差為:δAlignment=20lg[cos2(45°×1°/10°)]=0.05dBC.2.2.2.9天線近場效應(yīng)引入的測量不確定度分量u9其分布為矩形分布,則u8=δC.2.2.2.9天線近場效應(yīng)引入的測量不確定度分量u9通常在(18~40)GHz的EMC喇叭天線,要在3m或1m距離上校準測量。由于在該位置上均為非理想遠場的平面波,這種近場效應(yīng)導(dǎo)致測量的場地插入損耗時會產(chǎn)生偏差,借鑒(1~18)GHz頻段天線分析這種影響的方法,采用實驗比對的方式,確認在(18~40)GHz頻段,這種近場效應(yīng)產(chǎn)生約0.3dB的偏差,即:δnf=0.3dB,并JJF1893—202128C.2.2.2.10距離測量引入的不確定度分量u10假設(shè)為矩形分布,則u9=δnf/3C.2.2.2.10距離測量引入的不確定度分量u10a)頻率分量對天線系數(shù)的貢獻分量為:uF=·uf=·uf=4.3×uf對于本測量系統(tǒng),使用的PNX5245A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀,參考PNX5245A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀手冊,uf≈0dB,即由PNX5245A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀頻率讀出精度引入的不確定度可以忽略不計,即uf≈0。b)測量距離引入的不確定度uR天線口面間距對天線系數(shù)的貢獻分量為:DR=10lg這里R是口面距離,DR為距離為天線系數(shù)的貢獻分量,則與距離相關(guān)的不確定度分量為:uR·ur·ur;對于最壞的情況R=1m,則uR·ur·ur≈4.3ur由此引起的天線系數(shù)的不確定度uR=4.3ur,其中R為實際的距離,ur是距離的偏差引入的不確定度貢獻。天線間的間隔距離使用高精度激光測距儀,依據(jù)使用的測距儀的測量準確度以及使用情況,設(shè)距離測量偏差在±0.005m,當距離出現(xiàn)偏差時,其分布為矩形分布,則:ur=0.005m/1.73≈0.003m實際測試距離為3m,則轉(zhuǎn)化為dB表示為ur=20lg[(3+0.003)/3]=0.009dB則由距離偏差引入的AF的標準不確定度為:其中uf和ur完全不相關(guān),則:u10=u+u則由距離偏差引入的AF的標準不確定度為:uR=4.3×u10=4.3×0.009dB=0.04dBC.2.2.2.11重復(fù)測量引入的不確定度分量u11天線對間的插入損耗測量的重復(fù)性不確定度由A類統(tǒng)計不確定度給出,因此這部分的不確定度數(shù)值用A類統(tǒng)計不確定度計算式來給出,即 u11=(21iS21)(C.14)式中:S21i—第i次測量的S21值; S21—n次測量S21的平均值。在(18~40)GHz頻段,分別每隔50MHz測量場地插損S21i。這樣的試驗重復(fù)10次。由處理的測量結(jié)果得到單次測量的標準差。取在整個頻段最大的標準差值作為JJF1893—202129不確定度,得到u11=0.1dB。C.2.2.3合成標準不確定度和擴展不確定度根據(jù)上述分析,(18~40)GHzEMC寬帶喇叭天線系數(shù)測量結(jié)果的不確定度見表,0.。標.不k不確定度為U=不確定度分量不確定度來源值dB分布類型系數(shù)標準不確定度dB靈敏系數(shù)ci貢獻量dBu1網(wǎng)絡(luò)分析儀測量精度0.28—20.14 3/20.12u2校準用適配器0.06U形分布 20.04 3/20.03u3天線的相位中心與天線口面的距離差0.25矩形分布 30.14 3/20.13u4線權(quán)化天線對間的極化失配0.02矩形分布 30.01 3/20.01u5天線間的耦合0.3矩形分布 30.17 3/20.15u6天線端口的失配修正0.02反正弦分布 20.01 3/20.01u7暗室反射0.19矩形分布 30.11 3/20.10u8天線對正0.05矩形分布 30.03 3/20.03u9天線近場效應(yīng)0.3矩形分布 30.17 3/20.15u10距離測量0.005矩形分布 30.0094.30.04u11重復(fù)測量0.1 10.1 3/20.09合成標準不確定度uc0.313擴展不確定度U(k=2)0.63C.3天線半功率波束寬度(HPBW)校準不確定度評定C.3.1測量模型和標準不確定度公式測量模型為:y=θHPBW(C.15)式中:θHPBW—天線半功率波束寬度測量值(°)。依據(jù)實際測量過程,由于測量引入的半功率波束寬度的不確定度分量為:—方向圖相對幅度測量引入的不確定度分量u1;—方向角度測量誤差引入的不確定度分量u2;—重復(fù)測量半功率波束寬度引入的不確定度分量u3;上述三個分量彼此獨立不相關(guān),依據(jù)不確定度傳播律公式,得到半功率波束寬度測JJF1893—202130量的合成標準不確定度表達式:uc=u+u+u(C.16)C.3.2標準不確定度的評定C.3.2.1方向圖相對幅度測量的變化引入的標準不確定度分量u1a)測試環(huán)境反射引起的方向圖幅度的變化uΓAm測試場地內(nèi)總是存在反射波,電磁波是按場疊加而不是按功率相加,所以很小的反射波就可以引起較大的測量誤差。一項很小的反射通過主瓣耦合到待測天線,可以完全掩蓋住耦合到旁瓣的直射波。暗室反射模型見圖C.5。圖C.5暗室反射模型設(shè)直射波為Ed,反射波為ER,則直射波與反射波同相和反相時可表示為:Emax=Ed+EREmin=Ed-ER測量得到的疊加場E的范圍為:Emin<E<Emax(C.17)(C.18)(C.19)測量旁瓣時,如果相耦合的直射波和反射波強度相等,那么測出的旁瓣電平可能會高出6dB,也有可能在測得的波瓣圖中成為零點。相對誤差σ(單位為dB)可表示為:σ=20lg(Emax/Emin)=20lg(Ed+ER)-20lg(Ed-ER)(C.20)計算結(jié)果如圖C.6所示,在測量主瓣寬度時,關(guān)心反射電平對測試結(jié)果的影響,即對主瓣寬度的影響,利用圖C.6分析方向圖電平為-3dB時,在微波暗室中(1~40)GHz頻率范圍內(nèi),靜區(qū)反射率電平估值為-42dB時,可以估算相對方向圖幅度不確定度小于0.2dB。圖C.6給定方向圖電平和反射電平時的相對測量誤差JJF1893—202131設(shè)定δuΓ=0.2dB,它為反射引起的幅度的正負偏差最大值。根據(jù)上述分析可知,設(shè)其半寬為矩形分布,則環(huán)境反射引起的方向圖相對幅度的標準不確定度為:uΓAm=/3≈0.058dB由于反射引起的電場強度的誤差而引入的方向圖的偏差見圖C.7。圖C.7由于反射引起的電場強度的誤差而引入的方向圖的偏差b)有限距離測量引入的方向圖幅度測量的不確定度分量udAm在有限距離的場地上進行方向圖測量,源天線的相位波前面在待測天線口徑上是一個球面,此時在待測天線口徑邊緣產(chǎn)生一個隨測量距離不同而變化的最大相位偏差,如圖C.8所示。圖C.8有限距離的影響R0—源點到待測天線口徑的距離;R—源點到待測天線口徑上任一點的距離;θ—天線測量時轉(zhuǎn)動的方位角有限距離造成的相位誤差主要指由它產(chǎn)生的平方律相位誤差,實際測量中,將對半功率角的測量問題,轉(zhuǎn)化為方向圖的相對幅度的測量問題,參考相關(guān)資料對于-3dB的相對幅度的影響分析,有限距離導(dǎo)致的相位差引起的方向圖的-3dB幅度的誤差可以忽略不計,但有限距離導(dǎo)致的相對幅度本身的測量誤差還是存在的,參考相關(guān)資料對于相對幅度測量引入的偏差見C.11。JJF1893—202132表C.11有限距離導(dǎo)致的相對幅度偏差ΔΦπ/16π/32R4D2λ8D2λ幅度/dB均勻分布0.010.03余弦分布0.0380.01這里為簡便起見,不妨設(shè)由有限距離引起的相對幅的偏差為0.038dB,設(shè)δdAm=0.038dB,則有:udAm=0.0219dB。由于上述兩種影響方向圖幅度的分量彼此獨立不相關(guān),則共同影響方向圖幅度的標+d,將導(dǎo)致引入的角度偏差的變化,這里選取如下幾個頻點為代表,同時依據(jù)仿真方向圖在-3dB位置點的斜率kHPBW,最終得到幅度偏差引入的θHPBW的不確定度u1,見表C.12。表C.12方向圖幅度偏差引入的θHPBW的不確定度u1頻率GHz測試面kHPBW(°)/dB幅度測量引入的幅度的不確定度uAmdB幅度測量引起θHPBW的不確定度u1(°)3.2E面9.090.0691.254H面5.260.0690.7264.0E面7.410.0691.023H面6.670.0690.9208.0E面8.330.0691.150H面4.880.0690.67312.0E面10.50.0691.449H面4.760.0690.65717.5E面8.330.0691.150H面5.130.0690.70822.0E面11.10.0691.532H面5.260.0690.726C.3.2.2方向角度測量誤差引入的半功率波束寬度的不確定度u2a)由角度測量裝置(轉(zhuǎn)臺)產(chǎn)生的角度誤差:軸位指示誤差,用δθ1表示。測量天線位置控制器的軸定位角通常用的是同步發(fā)送機、結(jié)算裝置或數(shù)字編碼器。JJF1893—202133其中軸位誤差是真實軸位角和編碼器或同步機指示軸位角之間的差別。典型的位置控制器的測角設(shè)備包含對于每一個軸比為1∶1和36∶1齒輪傳動同步發(fā)送機,根據(jù)不同設(shè)備型號,轉(zhuǎn)軸指示誤差在360°范圍內(nèi)通常小于0.05°~0.01°。由轉(zhuǎn)臺產(chǎn)生的角度誤差θ1由轉(zhuǎn)臺的生產(chǎn)商提供,一般是已知的,本系統(tǒng)中轉(zhuǎn)軸指示誤差為δθ1=0.05°。b)待測天線相位中心與轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸不重合而產(chǎn)生的角度誤差,用δθ2表示。θ2是系統(tǒng)的偏差,所以總的誤差角度為:θ2按以下方法計算。θ2=(2-sinα1)≈cos+α1sin(C.22)式中:d———天線相位中心偏離器旋轉(zhuǎn)軸的距離;1———轉(zhuǎn)臺測試的起始角度,在相位中心位置上轉(zhuǎn)臺測試的角度;2———轉(zhuǎn)臺測試的中止角度,在測試某一電平時轉(zhuǎn)臺測試的角度;θ———真實的測試角度:R為源天線與被測天線間的距離:R為源天線與被測天線間的距離:當R?d時,可得θ?δθ2。從公式(C.22)可看出,誤差最大值將發(fā)生在+α1=nπ時(n=0,1,2,3…)。因此,最大誤差為:θ2≈sin(C.23)天線相位中心偏離轉(zhuǎn)軸距離為d時,引起的角度誤差原理圖如圖(C.9)所示。圖C.9相位中心偏離轉(zhuǎn)軸中心引入的方向圖誤差實際測試中天線相位中心在口面前后位置估算在4cm之內(nèi),而測試距離R在4mθ2≈sin=0.01sin(C.24)θmax=δθ1+δθ2=0.05+0.01sin=0.06°取最大偏差為不確定度分量,則得到:u2=δθmax=0.06°C.3.2.3重復(fù)測量引入的方向圖半功率波束寬度的不確定度u3JJF1893—202134針對EMC天線喇叭進行方向圖測量,10次重復(fù)測量半功率角的結(jié)果見表C.13。表C.1310次重復(fù)測量引入的θHPBW的不確定度頻率GHz測試面CST仿真值(°)10次均值θHPBW-Ave(°)不確定度u3(°)3.2E面113.9111.150.17H面62.262.190.144.0E面125.1124.800.06H面67.267.850.148.0E面100.9100.120.14H面58.358.750.4312.0E面101.6102.530.15H面58.559.130.0617.5E面91.690.090.39H面59.259.330.3422.0E面117.4118.380.42H面62.362.460.25C.3.3θHPBW的合成標準不確定度和擴展不確定度θHPBW的合成標準不確定度見表C.14。表C.14天線半功率波束寬度(HPBW)標準不確定度匯總表頻率GHz測試面相對幅度測量引起θHPBW的不確定度u1(°)轉(zhuǎn)角測量引入的θHPBW不確定度u2(°)重復(fù)測量引入的方向圖半功率波束寬度的不確定度u3(°)合成標準不確定度uc(°)3.2E面1.2540.060.171.267H面0.7260.060.140.7414.0E面1.0230.060.061.025H面0.9200.060.140.9328.0E面1.1500.060.141.159H面0.6730.060.430.80212.0E面1.4490.060.151.458H面0.6570.060.060.66235表C.14(續(xù))頻率GHz測試面相對幅度測量引起θHPBW的不確定度u1(°)轉(zhuǎn)角測量引入的θHPBW不確定度u2(°)重復(fù)測量引入的方向圖半功率波束寬度的不確定度u3(°)合成標準不確定度uc(°)17.5E面1.1500.060.391.214H面0.7080.060.340.78722.0E面1.5320.060.421.588H面0.7260.060.250.770最后給出θHPBW相對標準不確定度見表C.15。表C.15天線半功率波束寬度(HPBW)標準不確定度匯總表頻率GHz測試面CST仿真值(°)合成標準不確定度uc(°)相對合成標準不確定度ucr%相對擴展不確定度Ur%3.2E面113.91.2671.1122.224H面62.20.7411.1912.3824.0E面125.11.0250.8201.639H面67.20.9321.3872.7738.0E面100.91.1591.1492.298H面58.30.8021.3762.75212.0E面101.61.4581.4352.870H面58.50.6621.1312.26317.5E面91.61.2141.3252.651H面59.20.7871.3302.66022.0E面117.41.5881.3532.706H面62.30.7701.2362.472C.4(0.2~2.0)GHz雙脊寬帶天線1m法天線系數(shù)校準不確定度評定示例C.4