耦合去耦网络的耦合系数和去耦衰减的校准

顾夏珍 / 浙江省计量科学研究院

0 引言

射频传导抗扰度耦合去耦网络（以下简称耦合去耦网络）的作用是将射频骚扰信号耦合到被测设备所连接的各种电缆上，并防止骚扰信号影响测量装置、设备及系统。它具有三个端口：射频输入（RF IN）端、被测设备（EUT）端和辅助设备（AE）端，并主要包括以下几种类型： 用于屏蔽电缆的CDN-S型耦合去耦网络、用于非屏蔽电缆的CDN-M型耦合去耦网络、用于非屏蔽平衡线的CDN-T型耦合去耦网络等。图1和图2给出了CDN-M3型耦合去耦网络的结构和简化电路。

图1 耦合去耦网络结构

图2 CDN-M3型耦合去耦网络简化电路

在耦合去耦网络中，将射频骚扰信号耦合至被测设备所连接的各种电缆上的技术指标为耦合系数，而防止骚扰信号影响测量装置、设备及系统的技术指标为去耦衰减，这些均为耦合去耦网络需要校准的主要参数。

目前，耦合去耦网络大量应用于电磁兼容实验室，其性能参数对检测结果起到关键作用，因此，耦合去耦网络的耦合系数和去耦衰减的准确校准就非常重要，以保证耦合去耦网络量值朔源的准确可靠，满足各检测实验室的使用要求，确保电磁兼容试验结果的准确可靠。

1 耦合去耦网络的耦合系数和去耦衰减的技术指标

耦合系数（coupling coefficient）的定义为耦合去耦网络的被测设备（EUT）端口所获得的开路电压与施加到射频输入（RF IN）端上的开路电压的比值。

去耦衰减（decoupling attenuation）的定义为在耦合去耦网络的辅助设备（AE）端口所获得的开路电压与施加到射频输入（RF IN）端上的开路电压的比值。

综合GB/T 17626.6-2017和IEC 61000-4-6:2013，以及耦合去耦网络生产厂家给出的技术指标，耦合去耦网络的耦合系数和去耦衰减的技术指标中频率范围：0.14～ 230 MHz，耦合系数：（0±1.5）dB，去耦衰减：≥20 dB。

2 校准所用标准器

校准所用标准器中除了一台网络分析仪外，由于耦合去耦网络的被测设备端（EUT）和辅助设备端（AE）为150 Ω平衡端，而网络分析仪接口为50 Ω不平衡，因此，需要添加一只标准150 Ω/50 Ω阻抗适配器。校准所用的主要标准器如下：

1）网络分析仪：频率范围为0.15～230 MHz，阻抗测量最大允许误差为±5%，传输系数幅值测量最大允许误差为±（0.01～0.4）dB。

2）标准150 Ω/50 Ω阻抗适配器：频率范围为0.15～230 MHz，标称插入损耗为9.5 dB，插入损耗最大允许误差为±0.20 dB。

3）同轴精密负载：频率范围为0.15～230 MHz；特征阻抗为50 Ω；电压驻波比为≤1.1。

4）同轴固定衰减器：数量为两只，频率范围为0.15～230 MHz，衰减量为10 dB，电压驻波比为≤1.1，允许输入功率为≥0 dBm。

5）参考接地平面：平整的金属平板，材质为铜、黄铜或者铝；参考接地平面的尺寸应超过置于平面上器件所有边的几何投影尺寸至少0.2 m。

3 校准注意事项

校准应在参考接地平面上完成，校准时各部件的导电部分应充分接触，必要时可以使用螺栓或者导电胶带固定于参考接地平面上。

4 耦合系数的校准

网络分析仪的两个射频电缆端均接同轴固定衰减器，设置网络分析仪的频率范围与被测耦合去耦网络的工作频段一致，测量模式设置为传输测量，测量显示格式设置为对数幅度，对网络分析仪电缆（包含10 dB衰减器）两端口自校准。仪器的连接布置如图3所示，网络分析仪的源端与耦合去耦网络的射频输入端相连。

图3 耦合系数校准连接布置

设定网络分析仪的标记频率，分别在耦合去耦网络的AE端相对参考接地平面开路和短路两种情况下，读取网络分析仪在不同频率下的插入损耗示值，记为A2，利用式（1）计算得到耦合去耦网络的耦合系数C。

式中：C——耦合/去耦网络的耦合系数，dB；

A1——标准150 Ω/50 Ω阻抗适配器插入损耗，此处为9.5 dB；

A2——网络分析仪插入损耗示值，dB

5 去耦衰减的校准

去耦衰减校准的连接布置如图4所示，网络分析仪的源端与耦合去耦网络的射频输入端相连。设定测量频率，分别在耦合去耦网络的EUT端相对参考接地平面开路和短路两种情况下，读取网络分析仪在不同频率下的传输测量结果，记为A3，利用式（2）计算得到耦合去耦网络的去耦衰减D。

图4 去耦衰减校准连接布置

式中：D——耦合/去耦网络的去耦衰减，dB；

A1——标准150 Ω/50 Ω阻抗适配器插入损耗，此处为9.5 dB；

A3——网络分析仪示值，dB

6 校准结果

表1和表2为某公司生产的型号为CDN-M1的耦合去耦网络的校准结果。

表1 耦合系数校准结果

表2 去耦衰减校准结果

7 耦合系数的测量不确定度评定

由于校准涉及的参数有耦合系数和去耦衰减，两者校准时的不确定度来源相一致，差别在于网络分析仪在测量不同衰减量时的技术指标不同，因此，这里仅给出耦合系数的不确定度评定过程及结果。

7.1 测量模型

测量模型为式（1）：C=A2-A1

对式（1）中A2求偏导数，得到c1= 1；对A1求偏导数，得到c2= -1。

7.2 不确定度来源

1）网络分析仪插入损耗测量最大允许误差引入的标准不确定度u1；

2）标准150 Ω/50 Ω阻抗适配器插入损耗误差引入的标准不确定度u2；

3）衰减器与耦合去耦网络的射频输入端的失配误差引入的标准不确定度u3；

4）衰减器与标准150 Ω/50 Ω阻抗适配器的50 Ω端的失配误差引入的标准不确定度u4；

5）测量重复性引入的标准不确定度u5。

7.3 标准不确定度分量的评定

1）网络分析仪插入损耗测量的最大允许误差引入的标准不确定度u1

根据网络分析仪的技术说明书，在0.15～300 MHz频段，在测量10 dB插入损耗时，网络分析仪插入损耗测量的最大允许误差为±0.10 dB，假设为均匀分布，，则：

2）标准150 Ω/50 Ω适配器插入损耗误差引入的标准不确定度u2

标准150 Ω/50 Ω适配器插入损耗误差与标称的9.5 dB存在一定程度的偏差，经实测，最大偏差为±0.20 dB，假设为均匀分布，，则

3）衰减器与耦合去耦网络的射频输入端的失配误差引入的标准不确定度u3

衰减器输出端的电压驻波比≤1.1，则其反射系数的模值 |Γ1|为

|Γ1| = 0.048

耦合/去耦网络的射频输入端的电压驻波比小于1.3；则其反射系数的模值|ΓRF|为

|ΓRF| = 0.130

失配误差极限值用式（3）估计：

式中：Δ1——失配误差极限值，dB；

|Γ1|——衰减器输出端反射系数；

|ΓRF|——耦合去耦网络的射频输入端反射系数得到

Δ1= ±0.054 dB

4）衰减器与标准150 Ω/50 Ω阻抗适配器的50 Ω端的失配误差引入的标准不确定度u4

衰减器输出端的电压驻波比≤1.1，得到其反射系数的模值

|Γ2| = 0.048

标准150 Ω/50 Ω阻抗适配器的50 Ω端的电压驻波比小于1.2，得到其反射系数的模值

|Γm| = 0.091

失配误差极限值用式（4）估计：

式中：Δ2——失配误差极限值，dB；

|Γ1|——衰减器输出端反射系数；

|Γm|——耦合去耦网络的射频输入端反射系数得到

Δ2=±0.038 dB

5）测量重复性引入的标准不确定度u5

测量耦合去耦网络在230 MHz频点处的插入损耗值，重复测量10次，用贝塞尔公式计算得到单次测量值的实验标准偏差s（y）为0.05 dB，即

u5= 0.05 dB

7.4 计算合成标准不确定度

耦合系数测量不确定度见表3。

表3 耦合系数测量不确定度汇总表

7.5 合成标准不确定度

各分量不相关，

7.6 扩展不确定度

包含因子k= 2，扩展不确定度：

U=kuc= 2×0.15 dB = 0.30 dB

8 结语

实际校准结果和不确定度评定表明本文提出的标准器选择合理、校准方法可行，满足了客户对于耦合去耦网络的校准需求。