EMC電磁兼容測試系統(tǒng)天線的選擇

　　選擇天線可能是每個EMC電磁兼容測試工程師必須面對的較為艱巨的任務(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而尷尬，因為大多數(shù)天線專家雖然有很好的天線理論知識，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)生用于敏感度試驗的電磁場，下面復(fù)習(xí)一下其它幾個關(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)射信號的能力，當(dāng)與其它方向相比時，增益通常用與全向天線比對的dB數(shù)來表示，增益可正可負，當(dāng)把信號集中于一個方向時，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的波長時，增益為負。

　　•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，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，兩個半功率點之間的角度，波束寬度有E面和H面兩個分量，兩者不一定相等，如果某一天線的增益設(shè)計為正，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　天線的阻抗通常考慮很少，因為所有的EMC測試設(shè)備的負載阻抗均設(shè)計為50Ω，EMC天線的阻抗通常也在其頻率范圍內(nèi)設(shè)計為感校準為接近50Ω，但是，測試人員也應(yīng)該意識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)去補償這種變化。

　　•駐波比(VSWR)　駐波比是衡量兩個RF設(shè)備阻抗是否匹配的間接參數(shù)。VSWR對大多數(shù)用戶來說都非常重要，這有幾個復(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)信號都將在負載處反射，然后，再沿著饋線在源處再次反射，當(dāng)需要精確測量的時候，或當(dāng)信號源對阻抗不匹配很敏感的時候，或當(dāng)饋線的損耗很重重的時候，VSWR都將成為一個問題。

　　•尺寸　尺寸是一個很重要的天線特性，天線需要控制和移動就限制了天線的實際尺寸大小，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)實際用途來選擇天線，嚴格地講，任何發(fā)射天線都可以用于接收，但是，在很多接收場合中，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大于某一單個天線的頻率范圍，實際上，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)測量距離采用絕對單位并且由測量標準規(guī)定了的時候，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“遠場"區(qū)電磁場可認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場三個變量中已知任兩個求得第三個變量，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，然后計算功率，(還可能計算出這一點的波阻抗并推出源阻抗，這種計算對診斷出有害輻射的實際源很有用處)，有測試人員可能會問，為什么不能用一副或二副天線來覆蓋整個頻率范圍?因為，在選擇天線時還需考慮很多別的折衷因素，將在下面幾節(jié)中詳細闡述。

　　增益的重要性

　　每副天線都有正的增益和負的增益，正增益是好的，但負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增益，考慮實際天線設(shè)計的局限性，在天線增益上的花費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，而花費最少，所以就要取最佳的天線增益。

　　除了標準規(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)出負增益(損耗)，在這個頻率范圍內(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，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)，采用這類天線是因為隨著頻率的降低，寬帶諧振天線的尺寸要變大，而且會很快大得讓人無法接受，增益為負是由于這類天線的尺寸與所測信號的波長相比較小，只有在測試時間允許的情況下，才使用需要在每個頻點都進行調(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，有時候無法使用，因此，在這個頻率范圍內(nèi)，有時仍使用效率不太高的非諧振天線，當(dāng)頻率高于200MHz時，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，對數(shù)周期天線可以設(shè)計為覆蓋整個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械強度是不匹配的，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)計中，尺寸是一個很重的制約因素，使用非常大的天線會出現(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，耦合問題就會小一些。顯然，從這點上講，天線越小越好。

　　波束寬度是另一個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矛盾，當(dāng)增益增大時，波束寬度減小，反之亦然，這種現(xiàn)象的實際效果就是限制了任意時刻的“被測"區(qū)域，如果在敏感度試驗中，測試場的輻射范圍或者在輻射發(fā)射試驗中，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，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)實的，寬帶天線從本質(zhì)上講應(yīng)非常大。

　　選擇天線時考慮的因素

　　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?在很多時候，使用增益平坦的天線比使用有一極的高增益點的天線來很容易，又如，天線系數(shù)(或增益)是怎樣測量的?一些商家會提供距離天線為常用距離時的數(shù)據(jù)，而另外一些商家則只提供遠場數(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，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的校準曲線或校準圖表?測試人員是否被限制于已校準的數(shù)據(jù)?廠家是否提供重復(fù)校準的服務(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)測試工程師必須對天線的生產(chǎn)廠商進行調(diào)查了解，廠家是否有專業(yè)人員愿意和能夠花時間回答問題?是否能夠?qū)σ焉鲜械牡礉M足的特殊需要的天線進行修正?最重要的是，因為沒有人能制造出100%完善的產(chǎn)品，因此，產(chǎn)品的合格率是多少?對可靠性的實際評價和聲譽應(yīng)用時考慮。

　　最后該考慮的是價格問題，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，價格應(yīng)不是主要問題，當(dāng)然，越節(jié)省越好，但價格不應(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行了校準?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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