大三环天线校准自动定位装置

朱建刚　缪　轶　左建生　陈超婵 / 上海市计量测试技术研究院



大三环天线校准自动定位装置

朱建刚缪轶左建生陈超婵 / 上海市计量测试技术研究院

摘要基于大三环天线系统工作原理，提出了大三环天线系统的校准方法，设计了大三环天线系统自动校准夹具，建立相应的校准系统。实验数据符合相关标准要求，证明校准系统的准确、可靠。

关键词大三环天线；确认系数；校准；自助定位装置

0　引言

在电磁兼容测试中，目前国内外电气照明及类似设备通常按CISPR15:2005和GB 17743-2007《电气照明和类似设备的无线电骚扰特性的限值和测量方法》进行测试，其中大三环天线是主要实验设备器具。大三环天线系统应完全符合CISPR15:2005 和GB 17743-2007的要求，主要用于测量工作频率为9 kHz～30 MHz电气照明类设备的磁场辐射。大三环天线系统与普通环天线的校准方法不同，GB/T 6113.104-2008介绍了相关校准方法。目前国内外普遍采用手动放置校准天线来对大三环天线进行校准，本文通过设计大三环天线校准自动定位装置实现大三环天线系统的校准。

1　大三环天线系统的构成

大三环天线由三个互相垂直的大环天线（LLA）构成，整个大三环天线系统由一个非金属的底座支撑，如图1所示。大三环天线系统由表面转移阻抗符合要求的同轴电缆构成，每个同轴电缆上都有电流探头和同轴转换器，并都装配铁氧体吸收环。GB 17743-2007规定，根据被测样品的尺寸大小，大三环天线系统可分为标准直径2 m，非标准直径3 m和4 m三种。

2　大三环天线的校准原理

大三环天线在EMC测试中主要用于测量频率9 kHz~30 MHz范围内的磁场辐射。在EMC标准中，大三环天线特性一般用确认系数来表示。大三环天线系统中，大环天线的校准是利用一个与50 Ω的射频信号源相连的平衡与不平衡转换器-偶极子来测量大环天线的感应电流，但大环天线对该偶极子辐射的电场灵敏度比较低。

图1　大三环天线结构

大三环天线校准时，首先将平衡与不平衡转换器-偶极子放置在大三环天线待测大环天线同一平面内，偶极子的信号输入接口在平面圆心处，并朝向该大环天线的电流探头，每个平面内分别对待测天线校准8组数据，如图2所示。在这8个位置的每一点进行测试时，射频信号源的开路电压为Vgo，被测电流为I1，该点的确认系数VF表示为

可通过测量和计算获得该平面内8个位置的VF数据。这8组数据算术平均值计算结果即为该大环天线的确认系数。按照相同的方法，依次对另外两个相互垂直的大环天线进行测量，从而得出大三环天线三个环的确认系数。

图2　对大三环天线进行确认时平衡与不平衡转换器-偶极子位置

3　校准系统的设计

由于大三环天线体积较大，不易搬运，所以对大三环天线的校准只能在现场进行，故时效性要求相对较高。在实际校准过程中，计量人员手动调节平衡与不平衡转换器-偶极子，通过手动进行定位后对大三环天线进行计量会造成位置不准确，无法实现多组测试方位的测试，人体对天线带来的影响等因素也无法避免。所以，人工手动调节偶极子来进行定位测量误差大，测量重复性不好，测量结果的不确定度偏大，且测量效率也比较低。

针对上述校准过程中带来的问题，设计了一套平衡与不平衡转换器-偶极子自动定位装置，从而避免了上述问题带来的影响，保证测量结果的准确可靠。如图3所示，本装置设计主要包含三角架、云台及校准天线。云台主要有电机、电池、定位组件和夹具组成，其中夹具用于夹持校准天线。该自动定位装置主要特点如下：

1）电机用于驱动云台转动，定位组件用于控制电机，进而控制云台转动到预设的角度。为防止外接电源时通过电源引起的电磁干扰，本系统所用云台选择可充锂电池供电。

2）云台有三个轴。为了满足转动角度的要求，第一轴云台可绕第一轴以每间隔45°在360°内自动旋转；第二轴/第三轴云台可绕第二轴以每间隔45°在360°内自动旋转，且第二轴/第三轴云台可绕第三轴以每45°在360°内自动旋转。第一轴、第二轴以及第三轴两两相互垂直。

3）夹具上配有水平标尺，对云台水平度进行微调，使云台的定位更精确，进而进一步提高校准结果的准确性。

4）根据被校大三环天线高度不同，三脚架的可伸缩杆用于满足不同型号天线的校准需要。三脚架的制作材料为碳纤维，夹具的材质为环氧树脂类材料（FRP）。采用非金属构件，其目的是减少对测量结果的影响。

4　确认系数测试与分析

为了验证校准系统的准确、可靠，选用R&S公司的射频信号源SML01与频谱分析仪FSU26对R&S公司的标准直径大三环天线HM020进行校准验证。由于校准天线头的灵敏度为1 V/A，所以频谱分析仪所测得的最大电压值就是大环天线感应电流值I，根据式（1）进行计算可得到确认系数。在实际校准过程中，必须考虑所用线缆、转接头等损耗，所以对所测数据要进行补偿修正后再进行计算。实际校准结果如表1所示。

表1　大三环天线校准数据

与所校数据图与标准直径为2 m的大三环天线的确认系数理论值（图4所示）相比，偏差都不超过GB/T 6113.104-2008规定的最大允许误差±2 dB，曲线趋势相同，值接近，校准结果符合三环天线HM020的性能指标，从而表明校准系统符合设计要求，满足实际校准需求。

图4　直径2 m的大三环天线的确认系数校准

5　测量结果不确定度

通常影响大三环天线系统校准测量不确定度的因素主要取决于测量装置及仪器，主要影响因素和标准不确定度分量为：

1）平衡与不平衡转换器-偶极子与待校大三环天线的相对位置（ua）；

2）待校大三环天线感应电流的测量（ui）；

3）射频信号源开路电压的测量（ug）；

4）电缆损耗（ud）；

5）失配（um）；

6）来自墙面及地面的反射（urx）；

7）测量重复性（un）。

本校准装置使用了校准天线自动定位装置，不确定度分量ua基本可以忽略，同时减小了测量重复性un。前面所述的各不确定度分量相互独立，合成标准不确定度可由各分量通过下式计算得到：

通常情况下，大三环天线校准的扩展不确定度为U = 1.5 dB（k = 2），而本文使用大三环天线校准自动定位装置进行校准，所得大三环天线校准的扩展不确定度为U =1.3 dB（k = 2）。由此表明，本装置在大三环天线校准中应用，不但提高了校准的效率，而且保证了测量结果的不确定度不受影响。当然在不同的测量环境下，使用不同的测量仪器，不确定度的具体值可能有所不同，应具体分析。

6　结语

本文利用研制的大三环天线校准装置来实现大三环天线系统的快速校准，通过实际校准数据与大三环天线的确认系数理论值进行对比，结果表明系统的校准结果准确、可靠。在平时EMC测试过程中，测试工程师都需要设置天线因子来对测试结果进行修正，天线因子就是实测确认系数与理论值之差。在今后日常校准过程中，可以在此基础上编写软件来实现大三环天线的全自动校准，以避免人为读数带来的误差。

参考文献

[1] 全国电磁兼容标准化技术委员会．GB/T 6113.104-2008无线电骚扰和抗扰度测量和测量方法规范第1-4部分：无线电骚扰和抗扰度测量设备 辅助设备 辐射骚扰[S].北京：中国标准出版社，2005.

[2] 全国电磁兼容标准化技术委员会．GB 17743-2007电气照明和类似设备的无线电骚扰特性的限值和测量方法[S]. 北京：中国标准出版社，2005.

[3] 王琳. 环形天线校准方法[J]. 硅谷,2012(2):166.

[4] 翁嘉盛.三环天线的天线因子与确认系数[J].安全与电磁兼容，2015(4) ：80-81.

[5] 吴钒,王维龙,洪力.30～1 000 MHz天线系数的校准[J].安全与电磁兼容,2007(4):42-44.

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