有關(guān)雙錐對數(shù)復(fù)合天線測試不確定度的探討

1、有關(guān)雙錐/對數(shù)復(fù)合天線測試不確定度的探討與使用雙錐/對數(shù)復(fù)合天線進(jìn)行輻射和場地有效性評價(jià)測試時(shí)的測量不確定度相關(guān)的因素有許多，其中包括天線的高度，極化和加載。Zhong ChenEMC Test SystemsAustin, TX自第一次出現(xiàn)在1994年羅馬國際EMC會議后，雙錐/對數(shù)復(fù)合天線在全球的EMC實(shí)驗(yàn)室已得到廣泛使用。由于使用此類天線在進(jìn)行EMC測試無需中斷頻率掃描，可減少測量時(shí)間。EMC工程師簡單的假定此類天線的特性在低頻段及轉(zhuǎn)換頻點(diǎn)以上的高頻段分別與單個(gè)的雙錐天線和對數(shù)周期天線(LPDA)相同。這種簡單的假設(shè)已經(jīng)帶來了一些問題，由于輻射發(fā)射及場地有效性的標(biāo)準(zhǔn)都是基于對稱振子天線，

2、而雙錐/對數(shù)復(fù)合天線的相位中心位置和天線方向圖的變化特性將給測量帶來較大的測量不確定度。盡量越來越多的EMC工程師已經(jīng)開始意識到估算和降低測量不確定度是EMC測試中的重要一環(huán)，但對雙錐/對數(shù)復(fù)合天線相關(guān)的不確定度估算的研究開展的卻很有限。多數(shù)的天線廠商和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室都提供了單個(gè)天線的校準(zhǔn)天線因子(AF)及相關(guān)的不確定度（U）值。正確理解這些數(shù)據(jù)是很關(guān)鍵的。EMI和歸一化場地衰減(NSA)測試是在引入一導(dǎo)電接地平面下測試的。校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室可能指供出十分精確的反映天線固有特性的自由空間對應(yīng)的天線因子（AFs）。研究表明在接地平面上天線性能可有幾個(gè)dB的變化，其大小取決于具體的天線型式。大多數(shù)情況下，在接

3、地平面上雙錐/對數(shù)復(fù)合天線的性能不同于單個(gè)的雙錐或?qū)?shù)周期天線。由于引入了接地平面，較小不確定度的自由空間天線因子并非總意味著可以帶來小的測量不確定度。本文將探討應(yīng)用雙錐/對數(shù)復(fù)合天線進(jìn)行EMI或NSA測試時(shí)相關(guān)的測量不確定度因素。它們是：在接地平面上復(fù)合天線的AF與高度的依賴性；與幾何布置相關(guān)的AF和NSA測量；相位中心隨頻率的變化；天線波束形狀以及雙錐/對數(shù)復(fù)合天線與雙錐和對數(shù)周期天線的對比。有些天線廠商在復(fù)合天線的末端使用容性負(fù)載來改善天線的低頻性能。本文也用解釋這種加載對測量不確定度的影響。接地平面上AF與高度和極化的關(guān)系A(chǔ)F定義為入射電場強(qiáng)度與天線饋點(diǎn)端接的50歐姆負(fù)載上的接收電壓的

4、比值。自由空間的AF對應(yīng)于天線處于自由空間中并平面波照射時(shí)對應(yīng)的數(shù)值。如量尺的物理長度一樣，自由空間AF是天線的固有特性，應(yīng)該與校準(zhǔn)條件無關(guān)。然而，與冷熱可改變量尺的物理長度類似，天線的周圍環(huán)境也會影響天線的AF。取決于天線極化方式和高度，NSA及EMI測試時(shí)引入的接地平面將使天線的AF變化2或3dB，較溫度對量尺長度的影響顯著。不同型式的天線與接地平面的相互作用不同，因此AF的變化必須逐個(gè)對應(yīng)。圖1是傳統(tǒng)的對錐/對數(shù)復(fù)合天線，而圖2是改善低頻性能后的天線模型。這里我們給出圖1對應(yīng)的天線AF在接地平面上與天線高度的關(guān)系。圖3和圖4分別給出了天線高度為1米，2米，3米和4米時(shí)水平或垂直極化天線對

5、應(yīng)的數(shù)值計(jì)算得到的AFs。而要引起注意的是EMI和NSA測量時(shí)天線需1到4米。間變化。如果我們采用自由空間對應(yīng)的AF或某一確定高度下得到的AF在不同的天線高度上進(jìn)行測量時(shí)，無論校準(zhǔn)再精確，而誤差總是存在的。圖1 傳統(tǒng)的雙錐/對數(shù)天線圖2 改進(jìn)的雙錐/對數(shù)天線模型不同的頻率，對應(yīng)的不同的AFs；不同的極化，AFs是不同的；不同的相間距離，AFs也是不同的我們可能試圖使用一AFs矩陣，以便在不同的高度使用不同的天線因子。然而，不同的頻率對應(yīng)不同的天線因子；不同的極化方式對應(yīng)不同的天線因子；不同的測試距離對應(yīng)不同的天線因子。隨之而來的實(shí)際問題時(shí)需要在EMI測量期間使用一個(gè)復(fù)雜的多維AFs矩陣。天線因

6、子 (dB/m)如果我們試圖犧牲一點(diǎn)精度，是否存在一折衰方法取代這一復(fù)雜的AFS矩陣呢？自由空間的AF可以提供一個(gè)可以接受的平均值。如圖3所示，自由空間的AF在大多數(shù)頻率上都正好處于中間位置。這也是近年來ANSI、CISPR和其它國際標(biāo)準(zhǔn)趨向于使用自由空間的天線因子進(jìn)行產(chǎn)品的EMI測試的原因。盡管我們可能得到一接近完美的自由空間AF，但典型的測量條件不是自由空間，這一天線因子對于通常的EMI或NSA測量來講將是有缺陷的。除了校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室給出的校準(zhǔn)不確定度，對于總的測量不確定度，我們必須估算與天線和幾何形狀有的測量布置引入的不確定度。標(biāo)準(zhǔn)場地法校準(zhǔn)與NSA測量的關(guān)系A(chǔ)NSI C63.5校準(zhǔn)通常稱作

7、標(biāo)準(zhǔn)場地法，其要求在接地平面上采用三天線法校準(zhǔn)。測量時(shí)要求接收天線在14米的高度間掃描。ANSI C63.4定義的NSA測量僅僅是ANSI C63.5天線校準(zhǔn)的反向過程。其唯一顯著的區(qū)別是進(jìn)行NSA測量時(shí)，場地性能是未知的。而進(jìn)行天線校準(zhǔn)時(shí)，其AFs是未知的。NSA測量中通常伴隨的一個(gè)共性問題是“我最近剛剛進(jìn)行了天線校準(zhǔn)，當(dāng)采用分離的雙錐和對數(shù)周期天線時(shí)，場地的NSA是合格的。而采用雙錐/對數(shù)周期復(fù)合天線時(shí)則出現(xiàn)了問題。這是天線或是場地有問題呢？”另一些問題是“為了場地有效性測試我需要校準(zhǔn)天線，但需要什么樣的天線因子呢”和“當(dāng)我采用3米、10米的自由空間的天線因子，但天線高度和極化問題怎樣處理

8、？”頻率 (MHz)注：· 自由空間AF h=1.0m,水平極化 h=2.0m,水平極化 h=3.0m,水平極化 h=4.0m,水平極化 制造商公布的數(shù)據(jù)圖3 在導(dǎo)電平面上水平極化時(shí)在不同高度下的雙錐/對數(shù)天線因子的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。制造商公布的數(shù)據(jù)以三角形表示天線因子 (dB/m)頻率 (MHz)注：· 自由空間AF h=1.0m,垂直極化 h=2.0m,垂直極化 h=3.0m,垂直極化 h=4.0m,垂直極化 制造商公布的數(shù)據(jù)圖4 在導(dǎo)電平面上垂直極化時(shí)在不同高度下的雙錐/對數(shù)天線因子的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。制造商公布的數(shù)據(jù)以三角形表示。上文中已就自由空間的AF為什么可以做為一可接

9、受的AFs平均值與其幾何布置相關(guān)的變化情況做出了解釋。為了進(jìn)一步回答以上問題，有必要較確切地給出幾何布置對一特定天線性能的影響。對于NSA測量，由于其要求的容限較為苛刻，必須減少測量不確定度。我們將說明自由空間的AF約定是不足夠的。首先讓我們觀察按照ANSI C63.5標(biāo)準(zhǔn)場地法給出的一些天線校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。圖5中AFs對應(yīng)的天線測試距離為3米，接收天線在14米的高度掃描。在標(biāo)準(zhǔn)場地法中，數(shù)據(jù)偏離不只來自天線高度的變化，也來自諸如對接收天線的非平面波照射，發(fā)射與接收天線間的互耦合和理論模型中采用對稱振子天線方向圖的假定2。如圖5所示，NSA測試時(shí)，只采用單一的AF對應(yīng)所有的幾何布置是十分粗略的假設(shè)。

10、另外需要指出的是圖5中所示的只是單個(gè)天線在不同的幾何布置下的AF。NSA測量中，必然同時(shí)涉及到發(fā)射和接收天線。最終的變化是兩天線之和。例如，180MHz時(shí)，自由空間時(shí)的天線因子與(h1=1.5m)垂直極化時(shí)的天線因子相比有2dB的變化。如果采用自由空間的天線因子進(jìn)行NSA測量來評價(jià)場地有效性時(shí)，單是由于AF變化引入的NSA誤差將為4dB（2dB來自發(fā)射天線，另2dB來自接收天線）。因此，此時(shí)不可能通過NSA要求的±4dB場地性能評價(jià)。這就回答了第一個(gè)問題即未通過場地NSA測試是由于天線或場地的因素：這有可能既非天線亦非場地原因。也許答案存在于所采用的方法或是否使用了正確的天線因子。因

11、為NSA測試只是ANSI天線校準(zhǔn)的反向過程，如果NSA測試的幾何布置與天線校準(zhǔn)時(shí)的相同，圖5中所示的誤差將不存在。這也回答了第二個(gè)問題即：是否需要為場地有效性測試而校準(zhǔn)天線。場地有效性和天線校準(zhǔn)測試的幾何布置應(yīng)該等同以期得到最小的測量不確定度。然而，這只是一個(gè)方面，天線校準(zhǔn)所使用的場地必須非常理想，因?yàn)樘炀€校準(zhǔn)時(shí)所產(chǎn)生的誤差將傳遞到場地有效性測試中。天線因子 (dB/m)頻率 (MHz)注：· 自由空間AF h1=1,水平極化 h1=2,水平極化 h1=1,垂直極化 h1=1.5,垂直極化圖5 采用3m ANSI C63.5標(biāo)準(zhǔn)場地法得到的雙錐/對數(shù)天線因子的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。接收天線在

12、1到4米間掃描，步進(jìn)間隔為0.05米?！癶1”為發(fā)射天線高度。讓我們從另一視角來審視圖5的結(jié)果。如果我們假設(shè)發(fā)射天線為進(jìn)行發(fā)射測量時(shí)的被測物，我們使用自由空間的AF來測試被測物的EMI，不同的幾何配置與自由空間的差別是測試中的誤差因素。如圖5所示，有時(shí)此誤差為2dB，研究表明在同樣的情況下，雙錐天線對應(yīng)的誤差要小1dB。因此，為了得到較小的不確定度，推薦使用雙錐天線。頻率引起的有效相位中心變化隨著頻率升高，雙錐/對數(shù)周期復(fù)合天線的輻射振元由后部較長的振元移向頂部較短的振元。對一特定的頻率，輻射的部位即為其有效相位中心。顯然電磁場是由相位中心輻射出去的。由于相位中心隨頻率變化，另一個(gè)共性問題是“

13、當(dāng)使用雙錐/對數(shù)復(fù)合天線時(shí)從什么地方來度量測試距離，從天線的頂端或是中心？”典型的答案如ANSI、CISPR和IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定當(dāng)測試抗擾度時(shí)距離從天線頂部計(jì)算，而進(jìn)行發(fā)射測量時(shí)從天線中心算起。很顯然，頻率掃描期間此位置只是假設(shè)，因此，不確定度會因此而引入。不同廠商生產(chǎn)的雙錐/對數(shù)天線的設(shè)計(jì)或尺寸可能不同，進(jìn)行EMI測試時(shí)其對應(yīng)的不確定度也不相同嗎？答案是肯定的。下一個(gè)問題是此誤差可否估值。只要簡單看一下Edmax公式即可找到答案。如果我們假定雙錐/對數(shù)復(fù)合天線為一系列的輻射振元，其不同頻率對應(yīng)不同的位置，那么Edmax就不應(yīng)該在一固定的距離上計(jì)算。例如，當(dāng)進(jìn)行100MHz的天線3米處校準(zhǔn)時(shí)，天線

14、的末端振元為有效部位。如果此天線長度為1米且參考位置為天線的幾何中心的話，事實(shí)上我們進(jìn)行的是4米處的測試（每付天線貢獻(xiàn)0.5米）。圖6對應(yīng)的數(shù)據(jù)為發(fā)射天線的高度為1米，且為水平極化。從中可以發(fā)現(xiàn)只是由于有效振元與參考位置的不同引入的可預(yù)期誤差大于2dB。如果天線校準(zhǔn)時(shí)可以精確地標(biāo)定其有效相位中心，應(yīng)用正確距離上的Edmax將可修正這一誤差。對于輻射發(fā)射測試，如果使用自由空間的天線因子，這一誤差將無法修正并成為測量不確定度的分量之一。另外，由于雙錐天線或振子天線的相位中心可精準(zhǔn)的定義，因此使用此類天線可以得到較小的測量不確定度。對數(shù)天線同樣會遇到相位中心誤差問題，但是可以想見的是單個(gè)的對數(shù)天線將

15、比復(fù)合型天線尺寸短小，故其相位誤差相對較小。當(dāng)進(jìn)行要求較小不確定度的嚴(yán)格測試時(shí)，單個(gè)的對稱振子天線、雙錐/或?qū)?shù)天線將優(yōu)于復(fù)合型天線。天線方向性及波束ANSI C63.4 NSA及發(fā)射測量的本意是使用具有對稱振子天線方向圖的場感應(yīng)器（因?yàn)镽oberts Dipole是無爭議的參考物）。當(dāng)在自由空間時(shí)，所用天線的方向圖可以和對稱振子天線不同，只要在所有的高度上保持天線對準(zhǔn)被測物即可。頻率 (MHz)圖6 水平極化天線相距3米和4米時(shí)對應(yīng)的Edmax。發(fā)射天線的高度為1米，接收天線在1到4米間掃描。天線因子 (dB/m)頻率 (MHz)圖7 末端L形加載的垂直極化雙錐/對數(shù)天線對應(yīng)的數(shù)據(jù)模型AF。

16、然而，當(dāng)在接地平面上測試時(shí)，將有從大地上反射的信號存在，并以一確定的角度到達(dá)接收天線。如果天線的方向圖不同，直射與反射信號的合成結(jié)果將是不同的。復(fù)合天線的方向圖與對稱振子天線有一定的差別1。任何的方向圖偏差都是一不確定度來源。雙錐天線的方向圖與對應(yīng)的對稱振子天線相接近4，因此，又一次說明使用雙錐天線可引入較小的誤差。特定雙錐/對數(shù)復(fù)合天線的容性加載（改善低頻特性）圖1中所示的復(fù)合天線的電壓駐波比在30MHz附近為20：1量級，這就意味著輸入到天線的前向功率被反射回80。因此，為了產(chǎn)生一特定的電場強(qiáng)度進(jìn)行抗擾度測試時(shí)，有時(shí)需要大功率的放大器。有些廠商引入了容性加載（如圖2所示）來改善復(fù)合天線低頻

17、段的匹配特性。這一改進(jìn)對抗擾度測試十分有效。對于發(fā)射測試，當(dāng)垂直極化時(shí)，加載單元將與地面產(chǎn)生較強(qiáng)的耦合。圖7是L型加載的垂直極化天線因子隨高度的變化情況實(shí)例。L形加載是圖2所示的T型加載的變種。即使我們可以把這種耦合作為測量不確定度的一部分來處理，但如圖7中所舉例子（5dB量級），由于其值太大從而不可接受。使復(fù)合天線同時(shí)適合進(jìn)行輻射抗擾度和輻射發(fā)射測試的辦法是使用可拆裝的末端的加載。進(jìn)行抗擾度測試時(shí)保留末端加載來改善匹配（即使用較小的功率產(chǎn)生一確定的電場強(qiáng)度）。因?yàn)榭箶_度測試的目的是產(chǎn)生一給定的電場強(qiáng)度而無須考慮耦合現(xiàn)象。同時(shí)，大多數(shù)抗擾度測試都在全電波暗室或地面輔設(shè)部分吸波材料的半電暗室中進(jìn)

18、行，因此耦合現(xiàn)象并不顯著。進(jìn)行發(fā)射測量時(shí)應(yīng)去掉末端加載。此時(shí)的天線變?yōu)閭鹘y(tǒng)的雙錐/對數(shù)復(fù)合天線。另外須注意的一點(diǎn)是不需要為抗擾度測試而校準(zhǔn)天線，這樣不會增加天線的成本。結(jié)論本文介紹了使用雙錐/對數(shù)復(fù)合天線相關(guān)的幾種測量不確定度。許多通常與特定天線無關(guān)的不確定度因素未在文章中討論。這包括電纜失配、場地偏差、場地邊緣散射等等。實(shí)際的測量中，以上因素對評估總的測量不確定十分重要。另外，與特定天線相關(guān)的不確定度易于被許多EMC工程師所忽視。絕大多數(shù)情況下，當(dāng)使用不同的天線及相關(guān)的天線因子時(shí)必須十分小心。需要在測量精度與便捷性之間掌握平衡。Edmax最早由Smith, German, 和Pate3引入的

19、概念并被ANSI C63標(biāo)準(zhǔn)場地法和NSA公式引用。其代表輻射功率為1PW的對稱振子天線在一確定距離處在一定高度區(qū)間所產(chǎn)生的最大電場。參考文獻(xiàn)：1. S.J.Porter, A.C. Marvin, “A New Broadband EMC Antenna for Emissions and Immunity,” Roma International Symposium on EMC; Rome, Italy, September 1994.2. A. Chen, M. Foegelle, “A Numerical Investigation of Ground Plane Effects on Biconical Antenna Factor,” IE