電磁兼容之家 發表於 2020-11-23 16:28:03
對ＥＭＣ測試天線來說，接收指的是測量不希望有的輻射發射、而「發射」指的產生用於敏感度試驗的電磁場，下面複習一下其它幾個關鍵術語。
增益
增益用來衡量天線從某一方向接收和發射信號的能力，當與其它方向相比時，增益通常用與全向天線比對的ｄＢ數來表示，增益可正可負，當把信號集中於一個方向時，可獲得正的增益，就如同手電筒的光束一樣，當天線系統存在損耗或所用的天線長度小於被測信號的波長時，增益為負。
天線係數（ＡＦ）
天線係數表示了天線的輻射場與天線輸入電壓之間的關係，當ＡＦ以ｄＢ為單位時，ＡＦ與增益有以下關係：
Ｇ（ｄＢｉ）２０ｌｇ（Ｆ）－9.79 -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，兩者不一定完全相等，如果某一天線的增益設計為正，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範圍，如果帶寬以天線額定頻率範圍的一部分來表示的話，非諧振天線的帶寬大於諧振天線的帶寬，低增益天線的帶寬大於高增益天線的帶寬，用於寬帶的，平衡不平衡轉換器或匹配網絡的天線，其帶寬比天線係數的影響更大。
阻抗
天線的阻抗通常考慮很少，因為所有的ＥＭＣ測試設備的負載阻抗均設計為５０Ω，ＥＭＣ天線的阻抗通常也在其頻率範圍內設計為感校準為接近５０Ω，但是，測試人員也應該意識阻抗不匹配所帶來的可能問題，尤其是低頻磁場環天線，天線的阻抗往往隨頻率而變，但許多低頻環天線並沒有匹配網絡去補償這種變化。
駐波比（ＶＳＷＲ）
駐波比是衡量兩個ＲＦ設備阻抗是否匹配的間接參數。ＶＳＷＲ對大多數用戶來說都非常重要，這有幾個複雜原因，簡單地說，在通常情況下，饋線表現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阻抗的不匹配，這樣，大多數信號都將在負載處反射，然後，再沿著饋線在源處再次反射，當需要精確測量的時候，或當信號源對阻抗不匹配很敏感的時候，或當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，需要在屏蔽室內使用天線也限制了天線的最大尺寸，需要減小對地或對周圍物體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，增益高或帶寬寬，就要增大天線的尺寸。
根據前面所講的有關天線的基本概念，ＥＭＣ工程師就可以開始根據實際用途來選擇天線，嚴格地講，任何發射天線都可以用於接收，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變成了開路電路。
一個很重要的問題是頻率範圍，在大多數的ＥＭＣ測量中，所要求的頻率範圍遠大於某一單個天線的頻率範圍，實際上，由於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並不少見的。
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，當測量距離採用絕對單位並且由測量標準規定了的時候，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，在「遠場」區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聯繫起來。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」區中就沒有這種固定關係存在，近場區中任一點的波阻抗介於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，然後計算功率，（還可能計算出這一點的波阻抗並推出源阻抗，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，為什麼不能用一副或二副天線來覆蓋整個頻率範圍？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測量中所用的每副天線都應該儘可能地具有正增益而減小負增益，考慮實際天線設計的局限性，在天線增益上的花費常常低於接收天線的靈敏度或放大器功率，由於希望能檢測到最小的輻射發射或產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。
除了標準規定的調諧偶極子以外，大多數１００ＭＨｚ以下的天線是非諧振的，並且表現出負增益（損耗），在這個頻率範圍內常用的天線是拉杆天線，用於低頻Ｅ場測量（圖１），在敏感度試驗中也使用Ｅ場發生器，在這麼低的頻段，採用屏蔽環天線來測量Ｈ場，利用環天線來產生Ｈ場（圖２），在２０～３０ＭＨｚ以上時，最常用的天線是非諧振偶極子天線，常常用雙錐結構的（圖３和圖４），採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，增益為負是由於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諧天線。
在１００～２００ＭＨｚ頻率範圍內，寬帶諧振天線是最實用的，並且用的很多，但由於這類天線尺寸太大，有時候無法使用，因此，在這個頻率範圍內，有時仍使用效率不太高的非諧振天線，當頻率高於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，對數周期天線可以設計為覆蓋整個頻率範圍並且提供很高的增益（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於高頻段，如雙脊波導喇叭天線，由於所涉及的機械問題和高增益，這類天線最好用於１～２ＧＨｚ以上的頻段。
尺寸問題
上面已提到了ＥＭＣ天線的設計中，尺寸是一個很重的制約因素，使用非常大的天線會出現很多問題。我們要求從天線耦合到地面，被測設備、屏蔽室的牆面和任何其它周圍物體的幹擾必須最小，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，天線不能產生功率！天線的作用僅僅是集中功率，就如同放在光線後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，當增益增大時，波束寬度減小，反之亦然，這種現象的實際效果就是限制了任意時刻的「被測」區域，如果在敏感度試驗中，測試場的輻射範圍或者在輻射發射試驗中，接收天線的接收範圍小於被測設備的尺寸，那麼就需要反覆多次重複試驗直到被測設備完全被測試過但即使這樣，測試結果也可能是無效的。
總之，增益，帶寬和尺寸是相互聯繫的，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，要製造一副很小但帶寬又很寬的天線是不現實的，寬帶天線從本質上講應非常大。
選擇天線時考慮的因素
在前面所講的天線參數的基礎上，ＥＭＣ測試人員在選擇天線時必須考慮一些非常專業的數據，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高增益點的天線來很容易，又如，天線係數（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據，而另外一些商家則只提供遠場數據，這些數據看起來要好一些，但不是很有用，還有，在測量天線係數時，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於已校準的數據？廠家是否提供重複校準的服務？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測試工程師必須對天線的生產廠商進行調查了解，廠家是否有專業人員願意和能夠花時間回答問題？是否能夠對已上市的但未滿足的特殊需要的天線進行修正？最重要的是，因為沒有人能製造出１００％完善的產品，因此，產品的合格率是多少？對可靠性的實際評價和聲譽應用時考慮。
最後該考慮的是價格問題，由於ＥＭＣ天線是精密儀器，因此，沒有很便宜的ＥＭＣ天線，但是，天線只是ＥＭＣ設備中的一小部分，因此，購買天線時，價格應不是主要問題，當然，越節省越好，但價格不應成為購買天線的決定性因素。
總結
選擇ＥＭＣ測試天線，首先必須明確測試任務，對發射天線和接收天線的要求是什麼？頻率範圍是多少？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後，就要決定使用幾副天線？每副天線的頻率範圍和增益是多大？每副天線是否都分別進行了校準？獲得的數據是否滿足測試者的需要？結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？是否在預算範圍之內？當這些關鍵問題解決了以後，測試人員就可以滿懷信心地填寫定單了。
【文章整理】電磁兼容之家
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責任編輯：PSY
原文標題：電磁兼容測試必備設備介紹——天線
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