EMC電磁兼容測試系統(tǒng)天線的選擇

　　選擇天線可能是每個(gè)EMC電磁兼容測試工程師必須面對(duì)的較為艱巨的任務(wù)，極少數(shù)的電氣工程師，無論是數(shù)字電路的研發(fā)者，EMC電磁兼容測試專家還是其它領(lǐng)域的工程師，才能理解天線的制造廠商為了制造出有用的、用戶又買得起的天線產(chǎn)品而采取的折衷措施。但EMC電磁兼容測試工程師也不必為缺乏某一方面的知識(shí)而尷尬，因?yàn)榇蠖鄶?shù)天線專家雖然有很好的天線理論知識(shí)，他們也常常習(xí)慣于根據(jù)通信的要求或其它射頻應(yīng)用領(lǐng)域?qū)μ炀€的要求來考慮問題，他們往往不會(huì)去理解用于EMC電磁兼容測試系統(tǒng)的天線的特別要求。

　　基本概念

　　對(duì)EMC電磁兼容測試系統(tǒng)的天線來說，接收指的是測量不希望有的輻射發(fā)射、而“發(fā)射"指的產(chǎn)生用于敏感度試驗(yàn)的電磁場，下面復(fù)習(xí)一下其它幾個(gè)關(guān)鍵術(shù)語。

　　•增益　增益用來衡量天線從某一方向接收和發(fā)射信號(hào)的能力，當(dāng)與其它方向相比時(shí)，增益通常用與全向天線比對(duì)的dB數(shù)來表示，增益可正可負(fù)，當(dāng)把信號(hào)集中于一個(gè)方向時(shí)，可獲得正的增益，就如同手電筒的光束一樣，當(dāng)天線系統(tǒng)存在損耗或所用的天線長度小于被測信號(hào)的波長時(shí)，增益為負(fù)。

　　•天線系數(shù)(AF)　天線系數(shù)表示了天線的輻射場與天線輸入電壓之間的關(guān)系，當(dāng)AF以dB為單位時(shí)，AF與增益有以下關(guān)系：

　　G(dBi)20lg(F)-29.79-AF(dB)

　　其中，F為頻率，單位為MHz。

　　•波束寬度　波束寬度指的是在天線峰值響應(yīng)的方向上，兩個(gè)半功率點(diǎn)之間的角度，波束寬度有E面和H面兩個(gè)分量，兩者不一定相等，如果某一天線的增益設(shè)計(jì)為正，則它的波束寬度和增益常常正好相反。

　　•帶寬　帶寬指的是天線的頻率覆蓋范圍，如果帶寬以天線額定頻率范圍的一部分來表示的話，非諧振天線的帶寬大于諧振天線的帶寬，低增益天線的帶寬大于高增益天線的帶寬，用于寬帶的，平衡不平衡轉(zhuǎn)換器或匹配網(wǎng)絡(luò)的天線，其帶寬比天線系數(shù)的影響更大。

　　•阻抗　天線的阻抗通?？紤]很少，因?yàn)樗械?span>EMC測試設(shè)備的負(fù)載阻抗均設(shè)計(jì)為50Ω，EMC天線的阻抗通常也在其頻率范圍內(nèi)設(shè)計(jì)為感校準(zhǔn)為接近50Ω，但是，測試人員也應(yīng)該意識(shí)阻抗不匹配所帶來的可能問題，尤其是低頻磁場環(huán)天線，天線的阻抗往往隨頻率而變，但許多低頻環(huán)天線并沒有匹配網(wǎng)絡(luò)去補(bǔ)償這種變化。

　　•駐波比(VSWR)　駐波比是衡量兩個(gè)RF設(shè)備阻抗是否匹配的間接參數(shù)。VSWR對(duì)大多數(shù)用戶來說都非常重要，這有幾個(gè)復(fù)雜原因，簡單地說，在通常情況下，饋線表現(xiàn)出來的阻抗是饋線的額要阻抗和負(fù)載阻抗之和，因此，在饋線兩端就可能出現(xiàn)阻抗的不匹配，這樣，大多數(shù)信號(hào)都將在負(fù)載處反射，然后，再沿著饋線在源處再次反射，當(dāng)需要精確測量的時(shí)候，或當(dāng)信號(hào)源對(duì)阻抗不匹配很敏感的時(shí)候，或當(dāng)饋線的損耗很重重的時(shí)候，VSWR都將成為一個(gè)問題。

　　•尺寸　尺寸是一個(gè)很重要的天線特性，天線需要控制和移動(dòng)就限制了天線的實(shí)際尺寸大小，需要在屏蔽室內(nèi)使用天線也限制了天線的最大尺寸，需要減小對(duì)地或?qū)χ車矬w不希望有的耦合也將影響尺寸，但相反地，希望天線有好的低頻響應(yīng)，增益高或帶寬寬，就要增大天線的尺寸。

　　選擇過程

　　根據(jù)前面所講的有關(guān)天線的基本概念，EMC電磁兼容測試工程師就可以開始根據(jù)實(shí)際用途來選擇天線，嚴(yán)格地講，任何發(fā)射天線都可以用于接收，但是，在很多接收?qǐng)龊现?，有源天線額外的靈敏度幾乎將所有的電子電路都轉(zhuǎn)變成了開路電路。

　　一個(gè)很重要的問題是頻率范圍，在大多數(shù)的EMC電磁兼容測試系統(tǒng)測量中，所要求的頻率范圍遠(yuǎn)大于某一單個(gè)天線的頻率范圍，實(shí)際上，由于帶寬和天線尺寸的限制，在一次測試中使用5副天線來覆蓋整個(gè)測試頻段也并不少見的。

　　在很多情況下，頻率低端足以低到需要的兩副天線——一副用來測量電場分量，另一副用來測量磁場分量，這種用法可以這樣來解釋，當(dāng)測量距離采用絕對(duì)單位并且由測量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了的時(shí)候，電磁場的分布就是源阻抗(可能未知)和以波長來表示的距離的函數(shù)，在“遠(yuǎn)場"區(qū)電磁場可認(rèn)為具有平面波的特性，E場分量和H場分量可由自由空間的波阻抗377Ω聯(lián)系起來。由此，可由場功率，E場和H場三個(gè)變量中已知任兩個(gè)求得第三個(gè)變量，在“近場"區(qū)中就沒有這種固定關(guān)系存在，近場區(qū)中任一點(diǎn)的波阻抗介于未知的源阻抗和已知的自由空間波阻抗之間，由于波阻抗未知，因此就需要分別測量E場和H場，然后計(jì)算功率，(還可能計(jì)算出這一點(diǎn)的波阻抗并推出源阻抗，這種計(jì)算對(duì)診斷出有害輻射的實(shí)際源很有用處)，有測試人員可能會(huì)問，為什么不能用一副或二副天線來覆蓋整個(gè)頻率范圍?因?yàn)?，在選擇天線時(shí)還需考慮很多別的折衷因素，將在下面幾節(jié)中詳細(xì)闡述。

　　增益的重要性

　　每副天線都有正的增益和負(fù)的增益，正增益是好的，但負(fù)增益雖然是不希望的但又是必要的，理想情況下，在EMC電磁兼容測試系統(tǒng)測量中所用的每副天線都應(yīng)該盡可能地具有正增益而減小負(fù)增益，考慮實(shí)際天線設(shè)計(jì)的局限性，在天線增益上的花費(fèi)常常低于接收天線的靈敏度或放大器功率，由于希望能檢測到最小的輻射發(fā)射或產(chǎn)生敏感度測試所需要的場，而花費(fèi)最少，所以就要取最佳的天線增益。

　　除了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的調(diào)諧偶極子以外，大多數(shù)100MHz以下的天線是非諧振的，并且表現(xiàn)出負(fù)增益(損耗)，在這個(gè)頻率范圍內(nèi)常用的天線是拉桿天線，用于低頻E場測量(圖1)，在敏感度試驗(yàn)中也使用E場發(fā)生器，在這么低的頻段，采用屏蔽環(huán)天線來測量H場，利用環(huán)天線來產(chǎn)生H場(圖2)，在20～30MHz以上時(shí)，常用的天線是非諧振偶極子天線，常常用雙錐結(jié)構(gòu)的(圖3和圖4)，采用這類天線是因?yàn)殡S著頻率的降低，寬帶諧振天線的尺寸要變大，而且會(huì)很快大得讓人無法接受，增益為負(fù)是由于這類天線的尺寸與所測信號(hào)的波長相比較小，只有在測試時(shí)間允許的情況下，才使用需要在每個(gè)頻點(diǎn)都進(jìn)行調(diào)諧天線。

圖1 有源E場桿天線

圖2 有源環(huán)天線

圖3 調(diào)諧偶極天線陣

圖4 雙錐天線

圖5 對(duì)數(shù)周期天線

　　在100～200MHz頻率范圍內(nèi)，寬帶諧振天線用的很多，但由于這類天線尺寸太大，有時(shí)候無法使用，因此，在這個(gè)頻率范圍內(nèi)，有時(shí)仍使用效率不太高的非諧振天線，當(dāng)頻率高于200MHz時(shí)，增益天線用的很普遍，但尺寸又是主要的限制因素之一。從理論上講，對(duì)數(shù)周期天線可以設(shè)計(jì)為覆蓋整個(gè)頻率范圍并且提供很高的增益(圖5)，但是，隨著帶寬的增加，天線的尺寸也加大，在較高的頻率上，短振子的長度及其支架與支持較大的低頻振子所需要的機(jī)械強(qiáng)度是不匹配的，另一種類型的天線也常常用于高頻段，如雙脊波導(dǎo)喇叭天線，由于所涉及的機(jī)械問題和高增益，這類天線最好用于1～2GHz以上的頻段。

　　尺寸問題

　　上面已提到了EMC電磁兼容測試系統(tǒng)天線的設(shè)計(jì)中，尺寸是一個(gè)很重的制約因素，使用非常大的天線會(huì)出現(xiàn)很多問題。我們要求從天線耦合到地面，被測設(shè)備、屏蔽室的墻面和任何其它周圍物體的干擾必須最小，如果天線的振子與周圍物體保持一定距離的話，耦合問題就會(huì)小一些。顯然，從這點(diǎn)上講，天線越小越好。

　　波束寬度是另一個(gè)必須與增益折衷考慮的因素，天線不能產(chǎn)生功率!天線的作用僅僅是集中功率，就如同放在光線后面的反光鏡的作用一樣，換句話說，增益和波束寬度是一對(duì)矛盾，當(dāng)增益增大時(shí)，波束寬度減小，反之亦然，這種現(xiàn)象的實(shí)際效果就是限制了任意時(shí)刻的“被測"區(qū)域，如果在敏感度試驗(yàn)中，測試場的輻射范圍或者在輻射發(fā)射試驗(yàn)中，接收天線的接收范圍小于被測設(shè)備的尺寸，那么就需要反復(fù)多次重復(fù)試驗(yàn)直到被測設(shè)備被測試過但即使這樣，測試結(jié)果也可能是無效的。

　　總之，增益，帶寬和尺寸是相互聯(lián)系的，通常隨著增益的增加，尺寸也加大，同時(shí)，隨著帶寬的增大，尺寸也要加大，因此，圍繞著天線的問題是顯而易見的，要制造一副很小但帶寬又很寬的天線是不現(xiàn)實(shí)的，寬帶天線從本質(zhì)上講應(yīng)非常大。

　　選擇天線時(shí)考慮的因素

　　在前面所講的天線參數(shù)的基礎(chǔ)上，EMC電磁兼容測試系統(tǒng)測試人員在選擇天線時(shí)必須考慮一些非常專業(yè)的數(shù)據(jù)，如天線增益曲線究意有多平坦?在很多時(shí)候，使用增益平坦的天線比使用有一極的高增益點(diǎn)的天線來很容易，又如，天線系數(shù)(或增益)是怎樣測量的?一些商家會(huì)提供距離天線為常用距離時(shí)的數(shù)據(jù)，而另外一些商家則只提供遠(yuǎn)場數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)看起來要好一些，但不是很有用，還有，在測量天線系數(shù)時(shí)，有沒有用襯墊?如果用了，它們將引入很大的損耗;除非拿開襯墊，否則它們將妨礙天線用作發(fā)射天線。此外，是否為每副天線都提供了單獨(dú)的校準(zhǔn)曲線或校準(zhǔn)圖表?測試人員是否被限制于已校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)?廠家是否提供重復(fù)校準(zhǔn)的服務(wù)?天線是一種精密儀器，必須保持它的精密度。

　　為了保證對(duì)基本測試天線的需要，EMC電磁兼容測試系統(tǒng)測試工程師必須對(duì)天線的生產(chǎn)廠商進(jìn)行調(diào)查了解，廠家是否有專業(yè)人員愿意和能夠花時(shí)間回答問題?是否能夠?qū)σ焉鲜械牡礉M足的特殊需要的天線進(jìn)行修正?最重要的是，因?yàn)闆]有人能制造出100%完善的產(chǎn)品，因此，產(chǎn)品的合格率是多少?對(duì)可靠性的實(shí)際評(píng)價(jià)和聲譽(yù)應(yīng)用時(shí)考慮。

　　最后該考慮的是價(jià)格問題，由于EMC電磁兼容測試系統(tǒng)天線是精密儀器，因此，沒有很便宜的EMC電磁兼容測試天線，但是，天線只是EMC電磁兼容測試設(shè)備中的一小部分，因此，購買天線時(shí)，價(jià)格應(yīng)不是主要問題，當(dāng)然，越節(jié)省越好，但價(jià)格不應(yīng)成為購買天線的決定性因素。

　　總結(jié)

　　選擇EMC電磁兼容測試系統(tǒng)的測試天線，首先必須明確測試任務(wù)，對(duì)發(fā)射天線和接收天線的要求是什么?頻率范圍是多少?最小可接受的增益是多少?可接受的天線的最大尺寸是多少?在弄清楚這些問題以后，就要決定使用幾副天線?每副天線的頻率范圍和增益是多大?每副天線是否都分別進(jìn)行了校準(zhǔn)?獲得的數(shù)據(jù)是否滿足測試者的需要?結(jié)果以哪種形式表示最合適?是否可從廠家獲得必要的幫助?測試配置的總花費(fèi)是多少?是否在預(yù)算范圍之內(nèi)?當(dāng)這些關(guān)鍵問題解決了以后，電磁兼容測試人員就可以滿懷信心地填寫定單了。

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