朱建剛　繆　軼　左建生　陳超嬋 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

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大三環(huán)天線校準(zhǔn)自動(dòng)定位裝置

朱建剛繆軼左建生陳超嬋 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

摘要基于大三環(huán)天線系統(tǒng)工作原理，提出了大三環(huán)天線系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法，設(shè)計(jì)了大三環(huán)天線系統(tǒng)自動(dòng)校準(zhǔn)夾具，建立相應(yīng)的校準(zhǔn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，證明校準(zhǔn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確、可靠。

關(guān)鍵詞大三環(huán)天線；確認(rèn)系數(shù)；校準(zhǔn)；自助定位裝置

0　引言

在電磁兼容測(cè)試中，目前國(guó)內(nèi)外電氣照明及類似設(shè)備通常按CISPR15:2005和GB 17743-2007《電氣照明和類似設(shè)備的無(wú)線電騷擾特性的限值和測(cè)量方法》進(jìn)行測(cè)試，其中大三環(huán)天線是主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備器具。大三環(huán)天線系統(tǒng)應(yīng)完全符合CISPR15:2005 和GB 17743-2007的要求，主要用于測(cè)量工作頻率為9 kHz～30 MHz電氣照明類設(shè)備的磁場(chǎng)輻射。大三環(huán)天線系統(tǒng)與普通環(huán)天線的校準(zhǔn)方法不同，GB/T 6113.104-2008介紹了相關(guān)校準(zhǔn)方法。目前國(guó)內(nèi)外普遍采用手動(dòng)放置校準(zhǔn)天線來(lái)對(duì)大三環(huán)天線進(jìn)行校準(zhǔn)，本文通過(guò)設(shè)計(jì)大三環(huán)天線校準(zhǔn)自動(dòng)定位裝置實(shí)現(xiàn)大三環(huán)天線系統(tǒng)的校準(zhǔn)。

1　大三環(huán)天線系統(tǒng)的構(gòu)成

大三環(huán)天線由三個(gè)互相垂直的大環(huán)天線（LLA）構(gòu)成，整個(gè)大三環(huán)天線系統(tǒng)由一個(gè)非金屬的底座支撐，如圖1所示。大三環(huán)天線系統(tǒng)由表面轉(zhuǎn)移阻抗符合要求的同軸電纜構(gòu)成，每個(gè)同軸電纜上都有電流探頭和同軸轉(zhuǎn)換器，并都裝配鐵氧體吸收環(huán)。GB 17743-2007規(guī)定，根據(jù)被測(cè)樣品的尺寸大小，大三環(huán)天線系統(tǒng)可分為標(biāo)準(zhǔn)直徑2 m，非標(biāo)準(zhǔn)直徑3 m和4 m三種。

2　大三環(huán)天線的校準(zhǔn)原理

大三環(huán)天線在EMC測(cè)試中主要用于測(cè)量頻率9 kHz~30 MHz范圍內(nèi)的磁場(chǎng)輻射。在EMC標(biāo)準(zhǔn)中，大三環(huán)天線特性一般用確認(rèn)系數(shù)來(lái)表示。大三環(huán)天線系統(tǒng)中，大環(huán)天線的校準(zhǔn)是利用一個(gè)與50 Ω的射頻信號(hào)源相連的平衡與不平衡轉(zhuǎn)換器-偶極子來(lái)測(cè)量大環(huán)天線的感應(yīng)電流，但大環(huán)天線對(duì)該偶極子輻射的電場(chǎng)靈敏度比較低。

圖1　大三環(huán)天線結(jié)構(gòu)

大三環(huán)天線校準(zhǔn)時(shí)，首先將平衡與不平衡轉(zhuǎn)換器-偶極子放置在大三環(huán)天線待測(cè)大環(huán)天線同一平面內(nèi)，偶極子的信號(hào)輸入接口在平面圓心處，并朝向該大環(huán)天線的電流探頭，每個(gè)平面內(nèi)分別對(duì)待測(cè)天線校準(zhǔn)8組數(shù)據(jù)，如圖2所示。在這8個(gè)位置的每一點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，射頻信號(hào)源的開(kāi)路電壓為Vgo，被測(cè)電流為I1，該點(diǎn)的確認(rèn)系數(shù)VF表示為

可通過(guò)測(cè)量和計(jì)算獲得該平面內(nèi)8個(gè)位置的VF數(shù)據(jù)。這8組數(shù)據(jù)算術(shù)平均值計(jì)算結(jié)果即為該大環(huán)天線的確認(rèn)系數(shù)。按照相同的方法，依次對(duì)另外兩個(gè)相互垂直的大環(huán)天線進(jìn)行測(cè)量，從而得出大三環(huán)天線三個(gè)環(huán)的確認(rèn)系數(shù)。

圖2　對(duì)大三環(huán)天線進(jìn)行確認(rèn)時(shí)平衡與不平衡轉(zhuǎn)換器-偶極子位置

3　校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由于大三環(huán)天線體積較大，不易搬運(yùn)，所以對(duì)大三環(huán)天線的校準(zhǔn)只能在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，故時(shí)效性要求相對(duì)較高。在實(shí)際校準(zhǔn)過(guò)程中，計(jì)量人員手動(dòng)調(diào)節(jié)平衡與不平衡轉(zhuǎn)換器-偶極子，通過(guò)手動(dòng)進(jìn)行定位后對(duì)大三環(huán)天線進(jìn)行計(jì)量會(huì)造成位置不準(zhǔn)確，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多組測(cè)試方位的測(cè)試，人體對(duì)天線帶來(lái)的影響等因素也無(wú)法避免。所以，人工手動(dòng)調(diào)節(jié)偶極子來(lái)進(jìn)行定位測(cè)量誤差大，測(cè)量重復(fù)性不好，測(cè)量結(jié)果的不確定度偏大，且測(cè)量效率也比較低。

針對(duì)上述校準(zhǔn)過(guò)程中帶來(lái)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套平衡與不平衡轉(zhuǎn)換器-偶極子自動(dòng)定位裝置，從而避免了上述問(wèn)題帶來(lái)的影響，保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。如圖3所示，本裝置設(shè)計(jì)主要包含三角架、云臺(tái)及校準(zhǔn)天線。云臺(tái)主要有電機(jī)、電池、定位組件和夾具組成，其中夾具用于夾持校準(zhǔn)天線。該自動(dòng)定位裝置主要特點(diǎn)如下：

1）電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，定位組件用于控制電機(jī)，進(jìn)而控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)到預(yù)設(shè)的角度。為防止外接電源時(shí)通過(guò)電源引起的電磁干擾，本系統(tǒng)所用云臺(tái)選擇可充鋰電池供電。

2）云臺(tái)有三個(gè)軸。為了滿足轉(zhuǎn)動(dòng)角度的要求，第一軸云臺(tái)可繞第一軸以每間隔45°在360°內(nèi)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)；第二軸/第三軸云臺(tái)可繞第二軸以每間隔45°在360°內(nèi)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，且第二軸/第三軸云臺(tái)可繞第三軸以每45°在360°內(nèi)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)。第一軸、第二軸以及第三軸兩兩相互垂直。

3）夾具上配有水平標(biāo)尺，對(duì)云臺(tái)水平度進(jìn)行微調(diào)，使云臺(tái)的定位更精確，進(jìn)而進(jìn)一步提高校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4）根據(jù)被校大三環(huán)天線高度不同，三腳架的可伸縮桿用于滿足不同型號(hào)天線的校準(zhǔn)需要。三腳架的制作材料為碳纖維，夾具的材質(zhì)為環(huán)氧樹脂類材料（FRP）。采用非金屬構(gòu)件，其目的是減少對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

4　確認(rèn)系數(shù)測(cè)試與分析

為了驗(yàn)證校準(zhǔn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確、可靠，選用R&S公司的射頻信號(hào)源SML01與頻譜分析儀FSU26對(duì)R&S公司的標(biāo)準(zhǔn)直徑大三環(huán)天線HM020進(jìn)行校準(zhǔn)驗(yàn)證。由于校準(zhǔn)天線頭的靈敏度為1 V/A，所以頻譜分析儀所測(cè)得的最大電壓值就是大環(huán)天線感應(yīng)電流值I，根據(jù)式（1）進(jìn)行計(jì)算可得到確認(rèn)系數(shù)。在實(shí)際校準(zhǔn)過(guò)程中，必須考慮所用線纜、轉(zhuǎn)接頭等損耗，所以對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)要進(jìn)行補(bǔ)償修正后再進(jìn)行計(jì)算。實(shí)際校準(zhǔn)結(jié)果如表1所示。

表1　大三環(huán)天線校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

與所校數(shù)據(jù)圖與標(biāo)準(zhǔn)直徑為2 m的大三環(huán)天線的確認(rèn)系數(shù)理論值（圖4所示）相比，偏差都不超過(guò)GB/T 6113.104-2008規(guī)定的最大允許誤差±2 dB，曲線趨勢(shì)相同，值接近，校準(zhǔn)結(jié)果符合三環(huán)天線HM020的性能指標(biāo)，從而表明校準(zhǔn)系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求，滿足實(shí)際校準(zhǔn)需求。

圖4　直徑2 m的大三環(huán)天線的確認(rèn)系數(shù)校準(zhǔn)

5　測(cè)量結(jié)果不確定度

通常影響大三環(huán)天線系統(tǒng)校準(zhǔn)測(cè)量不確定度的因素主要取決于測(cè)量裝置及儀器，主要影響因素和標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為：

1）平衡與不平衡轉(zhuǎn)換器-偶極子與待校大三環(huán)天線的相對(duì)位置（ua）；

2）待校大三環(huán)天線感應(yīng)電流的測(cè)量（ui）；

3）射頻信號(hào)源開(kāi)路電壓的測(cè)量（ug）；

4）電纜損耗（ud）；

5）失配（um）；

6）來(lái)自墻面及地面的反射（urx）；

7）測(cè)量重復(fù)性（un）。

本校準(zhǔn)裝置使用了校準(zhǔn)天線自動(dòng)定位裝置，不確定度分量ua基本可以忽略，同時(shí)減小了測(cè)量重復(fù)性u(píng)n。前面所述的各不確定度分量相互獨(dú)立，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度可由各分量通過(guò)下式計(jì)算得到：

通常情況下，大三環(huán)天線校準(zhǔn)的擴(kuò)展不確定度為U = 1.5 dB（k = 2），而本文使用大三環(huán)天線校準(zhǔn)自動(dòng)定位裝置進(jìn)行校準(zhǔn)，所得大三環(huán)天線校準(zhǔn)的擴(kuò)展不確定度為U =1.3 dB（k = 2）。由此表明，本裝置在大三環(huán)天線校準(zhǔn)中應(yīng)用，不但提高了校準(zhǔn)的效率，而且保證了測(cè)量結(jié)果的不確定度不受影響。當(dāng)然在不同的測(cè)量環(huán)境下，使用不同的測(cè)量?jī)x器，不確定度的具體值可能有所不同，應(yīng)具體分析。

6　結(jié)語(yǔ)

本文利用研制的大三環(huán)天線校準(zhǔn)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)大三環(huán)天線系統(tǒng)的快速校準(zhǔn)，通過(guò)實(shí)際校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與大三環(huán)天線的確認(rèn)系數(shù)理論值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明系統(tǒng)的校準(zhǔn)結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。在平時(shí)EMC測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試工程師都需要設(shè)置天線因子來(lái)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行修正，天線因子就是實(shí)測(cè)確認(rèn)系數(shù)與理論值之差。在今后日常校準(zhǔn)過(guò)程中，可以在此基礎(chǔ)上編寫軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)大三環(huán)天線的全自動(dòng)校準(zhǔn)，以避免人為讀數(shù)帶來(lái)的誤差。

參考文獻(xiàn)

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Automatic positioning device for calibration of large loop antenna

Zhu Jiangang，Miao Yi，Zuo Jiansheng，Chen Chaochan
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

Abstract:Based on the working principle of the large loop antenna system, the calibration method of the large loop antenna system was proposed. The automatic positioning device of the balanced-unbalanced converterdipole was designed, and the corresponding calibration system was established.The experimental data of the system meet the requirements of the relevant standards, and prove that the system is accurate and reliable.

Key words:large 1oop antenna; validation factor; calibration; automatic positioning device