EMC電磁兼容測(cè)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(cè)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(wú)論是數(shù)字電路的研發(fā)者,，EMC電磁兼容測(cè)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(mǎi)得起的天線產(chǎn)品而采取的折衷措施,。但EMC電磁兼容測(cè)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(lái)考慮問(wèn)題,，他們往往不會(huì)去理解用于EMC電磁兼容測(cè)試系統(tǒng)的天線的特別要求,。
基本概念
對(duì)EMC電磁兼容測(cè)試系統(tǒng)的天線來(lái)說(shuō)，接收指的是測(cè)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(chǎng),，下面復(fù)習(xí)一下其它幾個(gè)關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)。
•增益 增益用來(lái)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(lái)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(zhǎng)度小于被測(cè)信號(hào)的波長(zhǎng)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(chǎng)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(lái)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 天線的阻抗通常考慮很少,，因?yàn)樗械?span>EMC測(cè)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(cè)試人員也應(yīng)該意識(shí)阻抗不匹配所帶來(lái)的可能問(wèn)題,，尤其是低頻磁場(chǎng)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(méi)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?jī)蓚€(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(lái)說(shuō)都非常重要,，這有幾個(gè)復(fù)雜原因,，簡(jiǎn)單地說(shuō)，在通常情況下,，饋線表現(xiàn)出來(lái)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(cè)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(wèn)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(guò)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(cè)試工程師就可以開(kāi)始根據(jù)實(shí)際用途來(lái)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(kāi)路電路,。
一個(gè)很重要的問(wèn)題是頻率范圍，在大多數(shù)的EMC電磁兼容測(cè)試系統(tǒng)測(cè)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(cè)試中使用5副天線來(lái)覆蓋整個(gè)測(cè)試頻段也并不少見(jiàn)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(lái)測(cè)量電場(chǎng)分量,，另一副用來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)分量，這種用法可以這樣來(lái)解釋,，當(dāng)測(cè)量距離采用絕對(duì)單位并且由測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了的時(shí)候,，電磁場(chǎng)的分布就是源阻抗(可能未知)和以波長(zhǎng)來(lái)表示的距離的函數(shù)，在“遠(yuǎn)場(chǎng)"區(qū)電磁場(chǎng)可認(rèn)為具有平面波的特性,，E場(chǎng)分量和H場(chǎng)分量可由自由空間的波阻抗377Ω聯(lián)系起來(lái),。由此，可由場(chǎng)功率,，E場(chǎng)和H場(chǎng)三個(gè)變量中已知任兩個(gè)求得第三個(gè)變量,，在“近場(chǎng)"區(qū)中就沒(méi)有這種固定關(guān)系存在，近場(chǎng)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(cè)量E場(chǎng)和H場(chǎng)，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(cè)試人員可能會(huì)問(wèn),，為什么不能用一副或二副天線來(lái)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(cè)試系統(tǒng)測(cè)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(cè)到最小的輻射發(fā)射或產(chǎn)生敏感度測(cè)試所需要的場(chǎng),，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(chǎng)測(cè)量(圖1)，在敏感度試驗(yàn)中也使用E場(chǎng)發(fā)生器,，在這么低的頻段,，采用屏蔽環(huán)天線來(lái)測(cè)量H場(chǎng)，利用環(huán)天線來(lái)產(chǎn)生H場(chǎng)(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(wú)法接受,，增益為負(fù)是由于這類天線的尺寸與所測(cè)信號(hào)的波長(zhǎng)相比較小,，只有在測(cè)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(chǎng)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(wú)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(zhǎng)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(wèn)題和高增益,，這類天線最好用于1～2GHz以上的頻段。
尺寸問(wèn)題
上面已提到了EMC電磁兼容測(cè)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(wèn)題。我們要求從天線耦合到地面,，被測(cè)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(wèn)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(shuō)，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(cè)"區(qū)域，如果在敏感度試驗(yàn)中,，測(cè)試場(chǎng)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(cè)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(cè)設(shè)備被測(cè)試過(guò)但即使這樣,，測(cè)試結(jié)果也可能是無(wú)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(wèn)題是顯而易見(jiàn)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(cè)試系統(tǒng)測(cè)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(lái)很容易,，又如，天線系數(shù)(或增益)是怎樣測(cè)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(chǎng)數(shù)據(jù),，這些數(shù)據(jù)看起來(lái)要好一些，但不是很有用,，還有,，在測(cè)量天線系數(shù)時(shí)，有沒(méi)有用襯墊?如果用了,，它們將引入很大的損耗;除非拿開(kāi)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(cè)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(cè)試天線的需要,，EMC電磁兼容測(cè)試系統(tǒng)測(cè)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(wèn)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](méi)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(wèn)題,，由于EMC電磁兼容測(cè)試系統(tǒng)天線是精密儀器,，因此，沒(méi)有很便宜的EMC電磁兼容測(cè)試天線,，但是,，天線只是EMC電磁兼容測(cè)試設(shè)備中的一小部分，因此,，購(gòu)買(mǎi)天線時(shí),，價(jià)格應(yīng)不是主要問(wèn)題，當(dāng)然,，越節(jié)省越好,，但價(jià)格不應(yīng)成為購(gòu)買(mǎi)天線的決定性因素。
總結(jié)
選擇EMC電磁兼容測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試天線,，首先必須明確測(cè)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(wèn)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(cè)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(cè)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(wèn)題解決了以后，電磁兼容測(cè)試人員就可以滿懷信心地填寫(xiě)定單了,。
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