gps天线增益自动化测试系统及其测量不确定度评定

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1、GPSGPS天线增益GPS天线增益自动化测试系统及其测量不确定度评定张丽苏州生物医学工程技术研究所，苏州，215000摘摘摘摘要要要要本文介绍了微波暗室中GPS天线增益测试系统的测量不确定度评定方法，对不确定度的主要来源如测试设备精确度，系统连接失配，测试环境以及被测手机状态等作了定量评定。研究结论可以对如何降低测量不确定度提供指导，从而对天线性能进行更准确的判定。关键词词词词增益；GPS天线；测量不确定度1111引言引言随着卫星通信技术的迅速发展，在天线的研制和测试中，对天线的各种参数的测量和分析是必不可少的。天线增益是指在在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在

2、空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功[1]率集中辐射的程度。增益与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。天线增益测试属于无源测试。本文将介绍一种微波暗室中利用测试天线方向图，从而间接得出天线增益的测试方法，并对测试不确定度进行评定。2测试原理和和系统和系统利用天线的互易性原理，将被测试天线(AUT)作为接收天线，固定的辐射天线作为发射天线，由发射天线发射电磁波，转动AUT进行接收，测出被测范围内不同角度处的信号电平，便可得到AUT的方向图。测试中AgilentE5071B矢量网络分析仪作为信号源，将Port1和发射天线连接

3、，Port2和AUT连接。并进行测试数据采集，通过GPIB接口卡传入PC进行数据处理。AUT由定位器控制进行q和j方向三维旋转。测试系统如图1，AUT的摆放可分为3种，如图2(a),(b),(c)，分别定义为H面，E1面和E2面,其中Z轴为转台AUT指向发射天线的方向。暗室测试信号路径AUTVAgilentE5071BH通信路径PC发射天线定位器图1增益测试系统ZZZ（a）(b)(c)图2AUT摆放图得到AUT的方向图后，可以根据下面的分析得到各个角度的增益。P+G+L+G=S(1)111221其中P指发射端网络分析仪port1打出的功率，G指的是发射端标准天线增益，L为测试

4、111系统中的空间损耗和电缆损耗的总和，G为AUT的增益，S为AUT在各个角度测试到221的正向传输系数值，该值在方向图测试中可以得到。'P+G+L+G=S(2)111321'其中G为标准接收喇叭天线的增益，S指的是标准对打值，即当AUT为标准喇叭天线时，321在其最大辐射角度测试到的正向传输系数值。由式(1)和式(2)相减可得：'G-G=S-S(3)232121从式(3)可以求出G，即AUT在各个角度的增益。23333增益增益测试系统的不确定度研究增益测试过程中不确定度数学模型如式(4)：A=R+A+D+CM+M+A(4)TTrtaarG其中R为重复测量不确定度；A为接收端

5、功率测量精度；DC为环境条件（温度和电源电压）；TrM为信号源发射端和发射天线的连接失配，M为接收端和电缆的连接失配；A为标准taarG天线的增益精确度。1.重复测量RTAUT为某GPS天线，对其在1575.42MHz处H面的增益进行的10次测试值（最大辐射方向处的值）如表1，单位为dB。重复性条件下产生的不确定度采用A类判定,服从正态分布。表1增益测量值x1x2x3x4x5x6x7x8x9x105．395．445．215．465．245．425．375．455．395．49[2][2][2]由式(5)得增益均值为5.49dB，由式(6)得测量标准差为0.144dB，由式(7

6、)得R产T生的标准不确定度uR(T)=0.046dB。uR(T)反映了测试者、噪声和湿度等的综合影响。-1nx=∑x(5)nii=12-∑x-xiS=(6)n-1S(7)u=n2.接收端功率测量精度Ar由A产生的不确定度采用B类判定，服从均匀分布,包含因子k=3。从技术指标得r[2]AgilentE5071B功率测量精度为±0.25dB，半宽值a=0.25dB。B类不确定度由式(8)确定：u=a(8)k则标准不确定度uA()=0.144dB。r3.环境条件DC无线测试中，温度变化DT、电源电压波动DS对测量结果产生的影响服从均匀分布。由[3]DT和DS产生的不

7、确定度分别由式(9)和(10)确定：21DT22(9)uT=(4+1.2)(dB)23321DS22(10)uS=(10+3)(dB)233式中4表示功率对温度依赖性的平均值为4%power/Co，1.2为标准差。10表示功率对供电电压依赖性的平均值为10%power/V，3为标准差。23为%power和dB间的转换因子。oD=±T1C，算得u=0.105dB。D=±S0.1V，u=0.026dB。则标准不确定度TS22u(DC)=u+u=0.108dB。TS4.信号源发射端和发