對EMC測試天線(xiàn)來(lái)說(shuō),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(chǎng),下面復習一下其它幾個(gè)關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)。
一、增益
增益用來(lái)衡量天線(xiàn)從某一方向接收和發(fā)射信號的能力,當與其它方向相比時(shí),增益通常用與全向天線(xiàn)比對的dB數來(lái)表示,增益可正可負,當把信號集中于一個(gè)方向時(shí),可獲得正的增益,就如同手電筒的光束一樣,當天線(xiàn)系統存在損耗或所用的天線(xiàn)長(cháng)度小于被測信號的波長(cháng)時(shí),增益為負。
二、天線(xiàn)系數(AF)
天線(xiàn)系數表示了天線(xiàn)的輻射場(chǎng)與天線(xiàn)輸入電壓之間的關(guān)系,當AF以dB為單位時(shí),AF與增益有以下關(guān)系:
G(dBi)20lg(F)-9.79 -AF(dB)
其中,F為頻率,單位為MHz。
三、波束寬度
波束寬度指的是在天線(xiàn)峰值響應的方向上,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,兩者不一定完全相等,如果某一天線(xiàn)的增益設計為正,則它的波束寬度和增益常常正好相反。
四、帶寬
帶寬指的是天線(xiàn)的頻率覆蓋范圍,如果帶寬以天線(xiàn)額定頻率范圍的一部分來(lái)表示的話(huà),非諧振天線(xiàn)的帶寬大于諧振天線(xiàn)的帶寬,低增益天線(xiàn)的帶寬大于高增益天線(xiàn)的帶寬,用于寬帶的,平衡不平衡轉換器或匹配網(wǎng)絡(luò )的天線(xiàn),其帶寬比天線(xiàn)系數的影響更大。
五、阻抗
天線(xiàn)的阻抗通??紤]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(xiàn)的阻抗通常也在其頻率范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(lái)的可能問(wèn)題,尤其是低頻磁場(chǎng)環(huán)天線(xiàn),天線(xiàn)的阻抗往往隨頻率而變,但許多低頻環(huán)天線(xiàn)并沒(méi)有匹配網(wǎng)絡(luò )去補償這種變化。
六、駐波比(VSWR)
駐波比是衡量?jì)蓚€(gè)RF設備阻抗是否匹配的間接參數。VSWR對大多數用戶(hù)來(lái)說(shuō)都非常重要,這有幾個(gè)復雜原因,簡(jiǎn)單地說(shuō),在通常情況下,饋線(xiàn)表現出來(lái)的阻抗是饋線(xiàn)的額要阻抗和負載阻抗之和,因此,在饋線(xiàn)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,然后,再沿著(zhù)饋線(xiàn)在源處再次反射,當需要精確測量的時(shí)候,或當信號源對阻抗不匹配很敏感的時(shí)候,或當饋線(xiàn)的損耗很重重的時(shí)候,VSWR都將成為一個(gè)問(wèn)題。
七、尺寸
尺寸是一個(gè)很重要的天線(xiàn)特性,天線(xiàn)需要控制和移動(dòng)就限制了天線(xiàn)的實(shí)際尺寸大小,需要在屏蔽室內使用天線(xiàn)也限制了天線(xiàn)的最大尺寸,需要減小對地或對周?chē)矬w不希望有的耦合也將影響尺寸,但相反地,希望天線(xiàn)有好的低頻響應,增益高或帶寬寬,就要增大天線(xiàn)的尺寸。
根據前面所講的有關(guān)天線(xiàn)的基本概念,EMC工程師就可以開(kāi)始根據實(shí)際用途來(lái)選擇天線(xiàn),嚴格地講,任何發(fā)射天線(xiàn)都可以用于接收,但是,在很多接收場(chǎng)合中,有源天線(xiàn)額外的靈敏度幾乎將所有的電子電路都轉變成了開(kāi)路電路。
一個(gè)很重要的問(wèn)題是頻率范圍,在大多數的EMC測量中,所要求的頻率范圍遠大于某一單個(gè)天線(xiàn)的頻率范圍,實(shí)際上,由于帶寬和天線(xiàn)尺寸的限制,在一次測試中使用5副天線(xiàn)來(lái)覆蓋整個(gè)測試頻段也并不少見(jiàn)的。
在很多情況下,頻率低端足以低到需要的兩副天線(xiàn)——一副用來(lái)測量電場(chǎng)分量,另一副用來(lái)測量磁場(chǎng)分量,這種用法可以這樣來(lái)解釋?zhuān)敎y量距離采用絕對單位并且由測量標準規定了的時(shí)候,電磁場(chǎng)的分布就是源阻抗(可能未知)和以波長(cháng)來(lái)表示的距離的函數,在“遠場(chǎng)”區電磁場(chǎng)可認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)”區中就沒(méi)有這種固定關(guān)系存在,近場(chǎng)區中任一點(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(chǎng)和H場(chǎng),然后計算功率,(還可能計算出這一點(diǎn)的波阻抗并推出源阻抗,這種計算對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(wèn),為什么不能用一副或二副天線(xiàn)來(lái)覆蓋整個(gè)頻率范圍?因為,在選擇天線(xiàn)時(shí)還需考慮很多別的折衷因素,將在下面幾節中詳細闡述。
八、增益的重要性
每副天線(xiàn)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(xiàn)都應該盡可能地具有正增益而減小負增益,考慮實(shí)際天線(xiàn)設計的局限性,在天線(xiàn)增益上的花費常常低于接收天線(xiàn)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(chǎng),而花費最少,所以就要取最佳的天線(xiàn)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(xiàn)是非諧振的,并且表現出負增益(損耗),在這個(gè)頻率范圍內常用的天線(xiàn)是拉桿天線(xiàn),用于低頻E場(chǎng)測量(圖1),在敏感度試驗中也使用E場(chǎng)發(fā)生器,在這么低的頻段,采用屏蔽環(huán)天線(xiàn)來(lái)測量H場(chǎng),利用環(huán)天線(xiàn)來(lái)產(chǎn)生H場(chǎng)(圖2),在20~30MHz以上時(shí),最常用的天線(xiàn)是非諧振偶極子天線(xiàn),常常用雙錐結構的(圖3和圖4),采用這類(lèi)天線(xiàn)是因為隨著(zhù)頻率的降低,寬帶諧振天線(xiàn)的尺寸要變大,而且會(huì )很快大得讓人無(wú)法接受,增益為負是由于這類(lèi)天線(xiàn)的尺寸與所測信號的波長(cháng)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)行調諧天線(xiàn)。
在100~200MHz頻率范圍內,寬帶諧振天線(xiàn)是最實(shí)用的,并且用的很多,但由于這類(lèi)天線(xiàn)尺寸太大,有時(shí)候無(wú)法使用,因此,在這個(gè)頻率范圍內,有時(shí)仍使用效率不太高的非諧振天線(xiàn),當頻率高于200MHz時(shí),增益天線(xiàn)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(xiàn)可以設計為覆蓋整個(gè)頻率范圍并且提供很高的增益(圖5),但是,隨著(zhù)帶寬的增加,天線(xiàn)的尺寸也加大,在較高的頻率上,短振子的長(cháng)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(lèi)型的天線(xiàn)也常常用于高頻段,如雙脊波導喇叭天線(xiàn),由于所涉及的機械問(wèn)題和高增益,這類(lèi)天線(xiàn)最好用于1~2GHz以上的頻段。
九、尺寸問(wèn)題
上面已提到了EMC天線(xiàn)的設計中,尺寸是一個(gè)很重的制約因素,使用非常大的天線(xiàn)會(huì )出現很多問(wèn)題。我們要求從天線(xiàn)耦合到地面,被測設備、屏蔽室的墻面和任何其它周?chē)矬w的干擾必須最小,如果天線(xiàn)的振子與周?chē)矬w保持一定距離的話(huà),耦合問(wèn)題就會(huì )小一些。顯然,從這點(diǎn)上講,天線(xiàn)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(xiàn)不能產(chǎn)生功率!天線(xiàn)的作用僅僅是集中功率,就如同放在光線(xiàn)后面的反光鏡的作用一樣,換句話(huà)說(shuō),增益和波束寬度是一對矛盾,當增益增大時(shí),波束寬度減小,反之亦然,這種現象的實(shí)際效果就是限制了任意時(shí)刻的“被測”區域,如果在敏感度試驗中,測試場(chǎng)的輻射范圍或者在輻射發(fā)射試驗中,接收天線(xiàn)的接收范圍小于被測設備的尺寸,那么就需要反復多次重復試驗直到被測設備完全被測試過(guò)但即使這樣,測試結果也可能是無(wú)效的。
總之,增益,帶寬和尺寸是相互聯(lián)系的,通常隨著(zhù)增益的增加,尺寸也加大,同時(shí),隨著(zhù)帶寬的增大,尺寸也要加大,因此,圍繞著(zhù)天線(xiàn)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(xiàn)是不現實(shí)的,寬帶天線(xiàn)從本質(zhì)上講應非常大。
十、選擇天線(xiàn)時(shí)考慮的因素
在前面所講的天線(xiàn)參數的基礎上,EMC測試人員在選擇天線(xiàn)時(shí)必須考慮一些非常專(zhuān)業(yè)的數據,如天線(xiàn)增益曲線(xiàn)究意有多平坦?在很多時(shí)候,使用增益平坦的天線(xiàn)比使用有一極高增益點(diǎn)的天線(xiàn)來(lái)很容易,又如,天線(xiàn)系數(或增益)是怎樣測量的?一些商家會(huì )提供距離天線(xiàn)為常用距離時(shí)的數據,而另外一些商家則只提供遠場(chǎng)數據,這些數據看起來(lái)要好一些,但不是很有用,還有,在測量天線(xiàn)系數時(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(xiàn)用作發(fā)射天線(xiàn)。此外,是否為每副天線(xiàn)都提供了單獨的校準曲線(xiàn)或校準圖表?測試人員是否被限制于已校準的數據?廠(chǎng)家是否提供重復校準的服務(wù)?天線(xiàn)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(xiàn)的需要,EMC測試工程師必須對天線(xiàn)的生產(chǎn)廠(chǎng)商進(jìn)行調查了解,廠(chǎng)家是否有專(zhuān)業(yè)人員愿意和能夠花時(shí)間回答問(wèn)題?是否能夠對已上市的但未滿(mǎn)足的特殊需要的天線(xiàn)進(jìn)行修正?最重要的是,因為沒(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?對可靠性的實(shí)際評價(jià)和聲譽(yù)應用時(shí)考慮。
最后該考慮的是價(jià)格問(wèn)題,由于EMC天線(xiàn)是精密儀器,因此,沒(méi)有很便宜的EMC天線(xiàn),但是,天線(xiàn)只是EMC設備中的一小部分,因此,購買(mǎi)天線(xiàn)時(shí),價(jià)格應不是主要問(wèn)題,當然,越節省越好,但價(jià)格不應成為購買(mǎi)天線(xiàn)的決定性因素。
總結
選擇EMC測試天線(xiàn),首先必須明確測試任務(wù),對發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)?每副天線(xiàn)的頻率范圍和增益是多大?每副天線(xiàn)是否都分別進(jìn)行了校準?獲得的數據是否滿(mǎn)足測試者的需要?結果以哪種形式表示最合適?是否可從廠(chǎng)家獲得必要的幫助?測試配置的總花費是多少?是否在預算范圍之內?當這些關(guān)鍵問(wèn)題解決了以后,測試人員就可以滿(mǎn)懷信心地填寫(xiě)定單了。