阻抗稳定网络关键参数测量结果的不确定度评定

刘 潇， 谢 鸣， 李 渤

（中国计量科学研究院，北京 100029）

阻抗稳定网络关键参数测量结果的不确定度评定

刘 潇， 谢 鸣， 李 渤

（中国计量科学研究院，北京 100029）

根据GB9254—2008标准的要求，对于电信端口发射出来的共模骚扰进行测量时，需要使用阻抗稳定网络（ISN）。ISN的4个主要参数为共模阻抗、电压分压系数、纵向转换损耗以及去耦合衰减。对于这4个参数的测量结果，现行标准中尚未给出不确定度评定的过程或结果。因此，根据测量过程，给出了这4个参数的不确定度分量及不确定度评定结果，该测量结果的不确定度可用于电信端口共模骚扰发射测量的不确定度评定。

计量学；阻抗稳定网络；共模阻抗；电压分压系数；纵向转换损耗；去耦合衰减；不确定度

1 前 言

GB 9254—2008《信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法》中规定了信息技术设备电信端口的测量方法［1］。在对电信端口发射出来的共模骚扰进行测量时，需要使用阻抗稳定网络（Impedance Stabilization Network，ISN）。ISN是为待测设备（EUT）提供稳定阻抗的人工网络［2］。将ISN插在EUT与任何使EUT运行的辅助设备（AE）或负载之间的信号电缆中，ISN应不影响EUT的正常工作，并能将EUT电信端口的共模骚扰输出到接收设备。

ISN具有3个端口，分别是待测设备（EUT）端口，辅助设备（AE）端口和接收机（RF）端口。ISN的4个主要参数分别为共模阻抗、电压分压系数、纵向转换损耗（LCL）以及去耦合衰减。共模阻抗规定了ISN从EUT端口向内看去的共模阻抗幅度和相角。电压分压系数定义为dB，其中，Vcm为ISN的EUT端口共模阻抗两端的共模电压；Vmp为接收机在RF端口直接测得的结果。LCL为在一个单端口或双端口网络中，由互连线上的纵向（不对称模式）信号在网络的端子上产生无用横向（对称模式）信号程度的量度（其比值用dB表示），反映了对称模式信号的抑制。去耦合衰减为ISN对于来自AE并出现在EUT端口的共模骚扰的去耦（用dB表示），又称为隔离度。为满足共模骚扰测试要求，GB 9254—2008中对于这4个参数给出了典型值和范围［1］。

随着ISN在信息技术设备电信端口共模骚扰测量中的广泛使用，使用者开始关注ISN的性能及其关键参数对共模骚扰测量结果的影响，文献［3］从使用角度对ISN的3个参数（阻抗特性，隔离度和LCL）进行了分析，给出了使用具有不同LCL值ISN的测试数据。进一步，使用者对ISN提出了校准要求，ISN的测量不确定度是共模骚扰测量结果的不确定度中的一个分量，是量值传递中重要一环。然而，现行标准中尚未给出ISN不确定度评定过程及结果。因此，结合ISN的测量过程本文给出了ISN的4个主要参数的测量结果的不确定度评定过程和结果。

2 不确定度评定

根据上述4个ISN主要参数的测量过程分别进行分析，给出每个参数的不确定度分量及评定结果。文中不确定度评定的频段为150 kHz～30 MHz，使用的主要测量仪器为安捷伦公司生产的矢量网络分析仪E5071C。

2.1 共模阻抗幅度和相角

将矢量网络分析仪的一个端口通过适配器与ISN的EUT端口连接，ISN的RF端口用50Ω负载端接，EUT端口开路，测量得到共模阻抗。对于ISN的EUT端共模阻抗测量结果，认为各输入量不相关，其合成标准不确定度可表示为［4］

其中各分量灵敏系数均为1，各分量含义具体如下：

（1）矢量网络分析仪（vector network analyzer，VNA）测量EUT端口反射系数S11时引入的不确定度分量uVNA。参考标准，并结合对ISN共模阻抗的测量经验，EUT连接端口的反射系数模值在0.44～0.55之间，查VNA不确定度表，由VNA测量反射系数带来的共模阻抗最大允许误差在－8.36～7.77Ω之间。取8.36Ω作为其置信区间的半宽度a。同样方法可以得到阻抗相角在该频段的最大允许误差。

（2）适配器引入的不确定度分量ua。对ISN进行测量时，在VNA测量端口和ISN EUT端口之间使用一组适配器，包括一个阻抗测量适配器夹具U0和一个1 mm香蕉头至RJ45或RJ11的转接头，这样一组适配器可以实现VNA同轴输出端口至ISN的EUT端口的连接。理想的夹具U0和转接头组成的适配器组的阻抗与50Ω偏差为零，相位延迟也应为零。但实际的适配器组必然存在一定阻抗和相位变化，这部分变化可以作为一项不确定度分量计入合成不确定度。通过实际测量两组背靠背的U0和RJ45对，得到其偏离50Ω的曲线，见图1。假设阻抗是累加的，那么一对适配器阻抗偏离50Ω的值为这个值的1／2，由此可以计算出一对适配器引入的不确定度分量。适配器引入的相位影响可以通过对适配器的电尺寸估算得到。

图1 适配器对偏离50Ω的阻抗

（3）RF端口远端50Ω负载引入的不确定度分量u1。在测量共模阻抗时，ISN的RF端口接有50 Ω负载。实际负载在49.5～50.5Ω之间变化时，测量得到共模阻抗和相角的测量结果最大偏差。

（4）接地布置条件变化引入的不确定度分量ug。测量共模阻抗和相角时，ISN外壳接地。改变接地布置，包括手持适配器等，观察测量结果的变化。

（5）重复性ur。测量系统在断开和重新连接的情况下，重复测量10次，将结果代入贝塞尔公式中计算实验标准差，从而得到该项标准不确定度分量。

150 kHz～30 MHz频段，共模阻抗幅度和相角的不确定度随频率变化，表1、表2给出了150 kHz和30 MHz 2个频率处幅度和相角的不确定度分量与评定结果。

表1 共模阻抗幅度测量结果的不确定度

表2 共模阻抗相角测量结果的不确定度

在150 kHz～30 MHz频段范围，对于共模阻抗幅度来说，矢量网络分析仪引入的不确定度分量最大，这与矢量网络分析仪的测量原理有关。在频率低端，适配器引入不确定度分量较小，随着频率升高，适配器引入不确定度分量逐渐增大，越接近30 MHz，其在合成不确定度中所占比重越大。相比而言，其他几个分量均较小。

2.2电压分压系数

将VNA的端口1通过适配器连接ISN的EUT端口，端口2连接ISN的RF端口，AE端口接150Ω负载，VNA测量的S21取绝对值即为电压分压系数VDF。

认为各输入量不相关，VDF测量结果的合成标准不确定度可表示为

其中各分量的灵敏系数均为1，各分量含义具体如下：

（1）VNA测量传输系数S21引入的不确定度分量uVNA。通过查VNA手册或利用安捷伦矢量网络分析仪不确定度计算电子数据表得到。

（2）适配器插损引入的不确定度分量ua。100 Ω转换器U100和RJ45适配器共同引入，由测量得到。

（3）EUT端口失配引入的不确定度分量uEUT。VNA利用精密校准件校准后，端口特性阻抗非常接近50Ω，通过一个标称值100Ω的适配器U100连接到ISN的EUT端口。理想情况下，假如EUT端共模阻抗为150Ω时，U100和EUT端口间阻抗匹配，不存在反射。然而实际的EUT端口共模阻抗往往不是准确的150Ω，且随频率变化，因此在该连接面上必然会存在阻抗不匹配，造成失配误差，引入不确定度。EUT端口输入电压反射系数ΓL＝0.06，源端输入电压反射系数Γg＝0.06，使用公式U＝20 log）计算得到该项不确定度分量。

（4）AE端口处用来匹配共模信号的150Ω负载会引入失配误差，该项不确定度分量为uAE。

（5）RF端口失配引入的不确定度分量uRF。根据公式），计算RF端口失配引入的不确定度。其中VNA与ISN RF端口连接处的输入反射系数由测量得到，其值为0.02。

（6）接地ug和ur与阻抗测量过程类似。

150kHz～30MHz频段电压分压系数的测量不确定度结果见图2，表3给出了150kHz和30MHz的不确定度分量和评定结果。

图2 150 kHz～30 MHz ISN电压分压系数测量结果的不确定度

对于电压分压系数的测量结果，虽然不确定度分量较多，但主要的不确定度分量由网络分析仪和RF端口失配引入的，其余分量均较小，有些可忽略。电压分压系数测量结果的不确定度可以直接用于电信端口共模发射测量结果的不确定度评定中。

2.3 纵向转换损耗

测量纵向转换损耗时，RF端口接50Ω匹配负载，AE端口平衡对线接100Ω负载。

利用LCL三类、五类、六类平衡对线的LCL测量结果的合成标准不确定度可以表示为

其中各分量彼此互不相关，灵敏系数均为1，各分量含义见表4。表4中以五类线为例给出LCL测量结果的不确定度分量及结果，三类、六类平衡对线的情况可以依此计算。

表3 2个频点电压分压系数测量结果的不确定度

表4 2个频点五类平衡对线LCL测量结果的不确定度

对于测量LCL，VNA测量传输系数的不确定度分量占较大分量。由于VNA对于测量小量值时本身不确定度较大，因此在测量中应选取尽量窄的中频带宽和合适的端口输出功率。

2.4 去耦合衰减（隔离度）

去耦合衰减定义为

式中，V1和V2分别为AE端口和RF端口电压；avdiv为测量的电压分压系数。adecoup的单位为dB。

因此，去耦合衰减测量结果的合成标准不确定度可表示为

各分量含义见表5。

表5 2个频点去耦合衰减测量结果的不确定度

3 结 论

本文针对ISN的4个参数测量结果的不确定度进行评定，给出150 kHz、30 MHz 2个典型频点详细的不确定度分量及结果，研究了ISN 4个关键参数测量结果的不确定度结果。其中，电压分压系数VDF的不确定度可以直接用于信号端口的共模发射测量结果的不确定度评定。

［1］ GB 9254—2008信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法［S］.

［2］ CISPR 16-1-2：2006 Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods-part1-2：Radio disturbance and immunity measuring apparatusancillary equipment-conducted disturbances［S］.

［3］ 陈炜.GB 9254—2008中电信端口测试用ISN的相关问题［J］.安全与电磁兼容，2011，（5）：26－29.

［4］ JJF 1059—1999测量不确定度评定与表示［S］.

Uncertainty Estimation for the Measurement Results of Impedance Stabilization Network

LIU Xiao， XIEMing， LIBo
（National Institute of Metrology，Beijing 100029，China）

According to standard GB9254—2008，impedance stabilization networks（ISNs）are used when performing the common mode disturbance measurements at the telecommunication ports.ISN has four key parameters which are commonmode impedance，voltage division factor，longitudinal conversion loss and decoupling attenuation.However the uncertainty estimation for ISNmeasurement results is not given in current standards.Therefore based on themeasurement procedures，the uncertainty budget and results are given for themeasurement results of the four parameters.The uncertainty can be directly used in the uncertainty estimation for common mode disturbance measurements at the telecommunication ports.

Metrology；Impedance stabilization network；Common mode impedance；Voltage division factor；Longitudinal conversion loss；Decoupling attenuation；Uncertainty.

TB973

A

1000-1158（2014）06-0540-05

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．06．04

2012-12-25；

2014-03-25

刘潇（1983－），女，辽宁大连人，中国计量科学研究院博士，主要从事天线和场强计量技术的研究工作。liuxiao＠nim.ac.cn