基于网络分析仪的EMC测量天线校准方法研究

刘鹏，刘君荣，梁琼崇

（工业和信息化部电子第五研究所，广东广州510610）

基于网络分析仪的EMC测量天线校准方法研究

刘鹏，刘君荣，梁琼崇

（工业和信息化部电子第五研究所，广东广州510610）

首先，介绍了SAE ARP 958D-1999（R2003）中建议的天线校准方法，指出了该方法具有操作繁琐、效率低和精度不高等问题；然后，提出了基于网络分析仪的简便天线校准方法，该方法利用网络分析仪的S21扫频测试功能，能够一次性地测试得到整个待校准频段的参数，不但可以简化测试操作步骤，提高工作效率，而且还可以提高测量精度和校准精度。

天线；校准；网络分析仪

0 引言

天线是重要的电磁兼容测试设备，天线系数和天线增益作为天线的重要参数[1]，其校准是电磁兼容工程师们极其关注的问题[2]。天线由于长期使用、磨损等原因，商家提供的出厂天线系数将有可能不能满足现场测试的精度要求。因此，在将天线用于测试之前，必须对其进行校准。SAE ARP 958D-1999（R2003）《电磁干扰测量天线:标准校准法》（简称:SAE ARP 958D）[3]是目前被广泛采用的一种天线校准技术标准，但是，该标准建议的校准方法操作繁杂、效率不高，因此，研究新方法来提高天线校准的效率和精度，具有现实的意义。

1 SAE-ARP 958D标准建议的天线校准方法介绍

SAE-ARP 958只适用于两个相同型号EMC测量天线1 m天线系数[4]的校准。

1.1 基本原理

当两个天线的轴线对齐并且其极化方向相同时，在距离发射天线r处的接收天线的输出功率[5]为:

式（1）中:GT和GR——发射天线和接收天线的增益值；PR——接收天线的输出功率，W；PT——发射天线的馈入功率，W；

r——两天线之间的距离，m；

λ——对应频率电磁波的波长，m。

如果两个天线相同，即GT=GR，则有G2=

1.2 标准建议的方法的测试步骤

1.2.1 测试系统的搭建

搭建测试系统需要的设备主要包括信号源、接收机（频谱仪）、同轴线缆、6 dB同轴衰减器、连接同轴线缆的连接器（直通）和一些需要的转接头。信号源和接收机必须能覆盖待测天线标称频率范围，50 Ω阻抗匹配，并且要求接收机的输入端VSWR≤1.25。

系统搭建的示意如图1所示，测试场地为开阔场，也可用半电波暗室模拟开阔场[5]。天线水平距离为1 m，天线距离地面的高度为3 m，使天线轴线对齐并且极化方向匹配。

1.2.2 测试步骤

a）按照图1搭建测试系统，调整信号源输出，使接收机（频谱仪）接收到一个合适的电压。

b）微调天线的角度，使接收机的指示电压值达到最大值后固定天线方位，并记录此时接收机的电压Vb和信号源的输出电压VT。依次完成对各个天线待校频点对应的Vb、VT的测试。

图1 标准建议的方法的测试系统示意图

c）先将与天线连接的两条射频线缆分别与天线（在天线端口处）断开，然后再用直通将两根线缆短接。

d）调整信号源输出直至接收机的指示电压值与步骤b）中的Vb一致，并记录此时信号源的输出电压值VR。重复上述操作，依次完成对各个天线待校频点对应的VR的测试。

e）将各个频点对应的VR和VT带入公式（2），计算出两根天线之间的间距为1 m时各个频点对应的增益值G。

f）最后依据式（3），计算出各个频点的天线系数AF。

2 基于网络分析仪的天线校准方法

SAE-ARP 958D标准建议使用信号源和接收机两台仪器配合进行测试，每校准一个频点需要按照上述1.2.2节的测试步骤b）、c）、d）进行测试并记录一组Vb、VT、VR电压值。尤其是步骤d）需要多次微调信号源直至接收机的电压与步骤b）中的电压Vb一致，操作繁琐、耗时。

因此，作者提出了一种基于网络分析仪（简称网分）的天线校准方法，该方法在满足SAE-ARP 958D标准要求的同时还能够简便、快速地进行天线校准。

2.1 基本原理

令UT、UR、Ub（单位为dBm）分别为对应电压VT、VR、Vb（单位为V）的信号电平值。

如图1所示，令信号源输出电平为UT、最终到达接收机的信号电平为Ub，信号在链路中经历的衰减包括:线缆与同轴衰减器造成的衰减Lcab、发射天线与接收天线造成的衰减LAF和天线之间的1 m距离与空间环境造成的衰减LSA，则UT与Ub关系式可表示为:

按上述1.2.2中的步骤d）微调测试链路中信号源的输出电平到UR，信号经历线缆和同轴衰减器的衰减Lcab，到达接收机信号电平变为Ub，则信号电平UR与Ub之间的关系式可表示为:

用上述UT减去UR可得:

从式（5）可知，ΔU值等于链路中衰减LAF与LSA之和，使用网分（以安捷伦公司的E5071C为例）功能菜单“Meas”中的“S21”插入损耗测试功能，可以方便地测得ΔU值，具体的方法如下所述。

在保持网分输出端功率电平为UT不变的情况下，分别测试1.2.2节中的步骤b）、d）的对应测试链路的损耗ΔUTb、ΔUTc，可得:

ΔUTc=UT-Uc=Lcab（其中，Uc对应网分发射端为UT时网分接收端的电平值）。

两个损耗值相减得:ΔUTb-ΔUTc=LAF+LSA，依据式（5）得:ΔUTb-ΔUTc=ΔU。

所以，利用网分测试出两个链路的插入损耗值并将其相减即可得到ΔU，由式（2）、（4）可知关系式GdBi=10 lg（G）可得对数形式的天线增益:

2.2 基于网分方法的测试步骤

2.2.1 测试系统的搭建

基于网分方法搭建的测试系统的示意图如图2所示，其结构与1.2.1节中描述的标准建议的方法的测试系统一致，只是将信号源和接收机替换为了网络分析仪。搭建天线的水平距离为1 m，距离地面的垂直高度为3 m，将天线对齐并极化匹配。

图2 基于网分方法搭建的测试系统示意图

2.2.2 测试步骤

a）按图2所示的方法来搭建测试系统，设置网分到S21损耗测试功能，输出合适的电平值UT，设置合适的扫描参数（扫描频率覆盖天线待校频率范围），确保网分测试得到稳定的损耗值。

b）微调天线角度方向，使网分指示损耗值达到最小（此时链路对应的插入损耗为ΔUTb），然后将网分测得的插入损耗值曲线进行归一化操作，即以ΔUTb值作参考进行后续的测试。

c）将与天线连接的两条射频线缆与天线（在天线端口处）断开，然后用校准过的50 Ω直通将两根线缆短接。

d）网分运行扫描测试得到ΔU值曲线，记录网分指示的各个待校频点对应的ΔU值。

e）将ΔU的值带入式（6）计算各个频点对应的天线增益值GdBi。天线增益值也可表示为

3 实验过程及数据分析

分别利用标准建议的方法和基于网分的方法对SCHWARZBECK公司的两个型号为VHBB9124（配置相同）的双锥天线进行校准，校准频率范围为天线标称的工作频段（30～300 MHz）。标准建议方法使用的测试设备为Agilent公司的信号源E8257D和频谱仪E4440A，基于网分方法使用的测试设备为Agilent公司的网分E5071C。两种方法的测试数据分别如表1、2所示。

3.1 测量不确定度的来源

依据SAE-ARP 958D标准，由式（3）、（6）可得，在理想条件下，EMC测量天线的天线系数的理论计算公式为:

在实际条件下，考虑到测量过程的各种影响因素，测量不确定度评定[6]的模型可以表示为:

A3（σ1）——校准场地不完善的影响量；

A4（σ2）——两天线对正和极化误差的影响量；

A5（σ3）——测试系统稳定性对应的影响量。对应该模型，测量不确定的来源主要包括:

1）ΔU测量误差引入的不确定度u1；

2）两天线之间的距离误差引入的不确定度u2；

3）校准场地不完善引入的不确定度u3；

4）两天线对正和极化误差引入的不确定度u4；

5）测试系统稳定性对应的不确定度u5。

3.2 两种方法测量不确定度的比较

本文中给出的两种方法的不确定度的来源相同，仅仅是由测试设备的不同而导致ΔU测量误差的不同，对应不确定度分量u1的不同。在两者的不确定度评定中除u1外，其余不确定度分量均可视为相同。

3.2.1 标准建议方法的ΔU测量不确定度

标准建议方法使用信号源和频谱仪测量ΔU值，按前面介绍的步骤调节信号源，使频谱仪的电平维持为Ub不变，将两次信号源输出功率的电平分别记录为UT、UR，将两次记录相减即可得到ΔU值，即ΔU=UT-UR。ΔU测量误差通过信号源E8257D的幅度线性指标估算。

通过查E8257D技术资料得知，其幅度线性指标为±0.6 dB度线性指标，认为符合均匀分布，由B类评定方法[6]可得:

用E4440A和E8257D多次测试，按A类评定方法[6]估算可得:

则合成标准的不确定度为:

3.2.2 基于网分方法的ΔU测量不确定度

基于网分方法是将网分E5071C设置参考后扫描测试直接得到ΔU值，其测量误差以网分的接收幅度动态准确度指标估算。

通过查E5071C技术资料得知，其接收幅度动态准确度指标为±0.15 dB，认为符合均匀分布，按B类评定方法可得:

用E5071C多次测试，按A类评定方法估算可得:

则合成标准的不确定度为:

对比uc1、uc2可知，基于网分方法的ΔU测量标准不确定度比标准建议方法的值降低了0.25 dB，由此可以判断，基于网分方法的精度更高。

3.3 实验数据分析

分析各个测量不确定度分量，最终估算可得，标准建议方法的测量不确定度Ud1=1.1 dB，基于网分方法的测量不确定度Ud2=0.96 dB。

表1和表2所示的是作者用两种方法对相同天线校准所得到的实验结果，对比两者可发现天线系数的值相差不超过0.9 dB（即|AF2-AF1|≤0.9 dB），对应的En值满足如下关系:

表1 利用标准建议方法测得的天线VHBB9124的校准数据

表2 基于网分方法测得的天线VHBB9124的校准数据

按En判据，由|En|＜1可知，两种方法没有明显的差异，验证了基于网分方法的正确性。

另外，用秒表对测试过程计时发现，标准建议方法耗时53 min，而基于网分方法耗时仅12 min。由此可知，基于网分方法耗时少、效率高，并且测量不确定度低，明显地优于标准建议方法。

4 结束语

本文提出了一种基于网分的天线校准方法，给出了相应的理论公式的推导过程，并通过实验对该方法进行了验证。结果表明，该方法利用网络分析仪的S21扫频测试功能，能够一次性地测试得到整个待校准频段的参数，从而使得天线校准变得简便、快捷，在提高工作效率的同时还提高了校准精度，具有一定的推广价值。

[1]林昌禄.天线工程手册[M].北京:电子工业出版社，2002.

[2]白同云，吴畏，陈志雨.天线系数的校准和使用[J].电波科学学报，2000，15（4）: 526-529.

[3]Ae-4 Electromagnetic Environmental Effects（E3）Commint-tee.Electromagnetic Interference Measurement Antennas，Standard Calibration Method:ARP 958 D[S].America: SAE International，2003.

[4]电磁兼容测量天线的天线系数校准规范:GJB/J 5410-2005[S].

[5]王一平，郭宏福.电磁波:传输·辐射·传播[M].西安:西安电子科技大学出版社，2007.

[6]全国法制计量管理技术委员会.测量不确定度评定与表示:JJF 1059-2012[S].北京:中国标准出版社，2013.

The Study of EMC Measurement Antenna Calibration Method Based on Network Analyzer

LIU Peng，LIU Junrong，LIANG Qiongchong
（CEPREI，Guangzhou 510610，China）

Firstly，the antenna calibration method proposed in SAE ARP 958D-1999（R2003）is introduced，and then it is pointed out that the method has the disadvantages of complicated operation，low efficiency and low precision.Secondly，an antenna calibration method based on network analyzer is presented.The method can use the S21 scanning function of the network analyzer to test the parameters of the whole calibration band.And it can not only simplify the test operation，improve work efficiency，but also improve the measurement accuracy and calibration accuracy.

antenna；calibration；network analyzer

TN 820；TM 930.115；TN 03

A

：1672-5468（2017）02-0039-06

10.3969/j.issn.1672-5468.2017.02.009

2016-07-27

刘鹏（1988-），男，江西赣州人，工业和信息化部电子第五研究所计量检测中心工程师，硕士，从事无线电和时间频率计量工作。