有關(guān)雙錐對(duì)數(shù)復(fù)合天線測(cè)試不確定度的探討

1、有關(guān)雙錐/對(duì)數(shù)復(fù)合天線測(cè)試不確定度的探討與使用雙錐/對(duì)數(shù)復(fù)合天線進(jìn)行輻射和場(chǎng)地有效性評(píng)價(jià)測(cè)試時(shí)的測(cè)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(guó)際EMC會(huì)議后，雙錐/對(duì)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(cè)試無(wú)需中斷頻率掃描，可減少測(cè)量時(shí)間。EMC工程師簡(jiǎn)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(duì)數(shù)周期天線(LPDA)相同。這種簡(jiǎn)單的假設(shè)已經(jīng)帶來(lái)了一些問題，由于輻射發(fā)射及場(chǎng)地有效性的標(biāo)準(zhǔn)都是基于對(duì)稱振子天線，

2、而雙錐/對(duì)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(cè)量帶來(lái)較大的測(cè)量不確定度。盡量越來(lái)越多的EMC工程師已經(jīng)開始意識(shí)到估算和降低測(cè)量不確定度是EMC測(cè)試中的重要一環(huán)，但對(duì)雙錐/對(duì)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(chǎng)地衰減(NSA)測(cè)試是在引入一導(dǎo)電接地平面下測(cè)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(duì)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(duì)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(lái)小的測(cè)量不確定度。本文將探討應(yīng)用雙錐/對(duì)數(shù)復(fù)合天線進(jìn)行EMI或NSA測(cè)試時(shí)相關(guān)的測(cè)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(cè)量；相位中心隨頻率的變化；天線波束形狀以及雙錐/對(duì)數(shù)復(fù)合天線與雙錐和對(duì)數(shù)周期天線的對(duì)比。有些天線廠商在復(fù)合天線的末端使用容性負(fù)載來(lái)改善天線的低頻性能。本文也用解釋這種加載對(duì)測(cè)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(chǎng)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(duì)應(yīng)于天線處于自由空間中并平面波照射時(shí)對(duì)應(yīng)的數(shù)值。如量尺的物理長(zhǎng)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(wú)關(guān)。然而，與冷熱可改變量尺的物理長(zhǎng)度類似，天線的周圍環(huán)境也會(huì)影響天線的AF。取決于天線極化方式和高度，NSA及EMI測(cè)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(duì)量尺長(zhǎng)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(duì)應(yīng)。圖1是傳統(tǒng)的對(duì)錐/對(duì)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(duì)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(duì)

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(cè)量時(shí)天線需1到4米。間變化。如果我們采用自由空間對(duì)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(cè)量時(shí)，無(wú)論校準(zhǔn)再精確，而誤差總是存在的。圖1 傳統(tǒng)的雙錐/對(duì)數(shù)天線圖2 改進(jìn)的雙錐/對(duì)數(shù)天線模型不同的頻率，對(duì)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(duì)應(yīng)不同的天線因子；不同的極化方式對(duì)應(yīng)不同的天線因子；不同的測(cè)試距離對(duì)應(yīng)不同的天線因子。隨之而來(lái)的實(shí)際問題時(shí)需要在EMI測(cè)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?cè)噲D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(lái)ANSI、CISPR和其它國(guó)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(cè)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(cè)量條件不是自由空間，這一天線因子對(duì)于通常的EMI或NSA測(cè)量來(lái)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(duì)于總的測(cè)量不確定度，我們必須估算與天線和幾何形狀有的測(cè)量布置引入的不確定度。標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)地法校準(zhǔn)與NSA測(cè)量的關(guān)系A(chǔ)NSI C63.5校準(zhǔn)通常稱作

7、標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)地法，其要求在接地平面上采用三天線法校準(zhǔn)。測(cè)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(cè)量?jī)H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(cè)量時(shí)，場(chǎng)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(cè)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(duì)數(shù)周期天線時(shí)，場(chǎng)地的NSA是合格的。而采用雙錐/對(duì)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(chǎng)地有問題呢？”另一些問題是“為了場(chǎng)地有效性測(cè)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(duì)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(duì)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(duì)一特定天線性能的影響。對(duì)于NSA測(cè)量，由于其要求的容限較為苛刻，必須減少測(cè)量不確定度。我們將說(shuō)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(chǎng)地法給出的一些天線校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。圖5中AFs對(duì)應(yīng)的天線測(cè)試距離為3米，接收天線在14米的高度掃描。在標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)地法中，數(shù)據(jù)偏離不只來(lái)自天線高度的變化，也來(lái)自諸如對(duì)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(duì)稱振子天線方向圖的假定2。如圖5所示，NSA測(cè)試時(shí)，只采用單一的AF對(duì)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(cè)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(cè)量來(lái)評(píng)價(jià)場(chǎng)地有效性時(shí)，單是由于AF變化引入的NSA誤差將為4dB（2dB來(lái)自發(fā)射天線，另2dB來(lái)自接收天線）。因此，此時(shí)不可能通過NSA要求的±4dB場(chǎng)地性能評(píng)價(jià)。這就回答了第一個(gè)問題即未通過場(chǎng)地NSA測(cè)試是由于天線或場(chǎng)地的因素：這有可能既非天線亦非場(chǎng)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(cè)試只是ANSI天線校準(zhǔn)的反向過程，如果NSA測(cè)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(chǎng)地有效性測(cè)試而校準(zhǔn)天線。場(chǎng)地有效性和天線校準(zhǔn)測(cè)試的幾何布置應(yīng)該等同以期得到最小的測(cè)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(chǎng)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(chǎng)地有效性測(cè)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(chǎng)地法得到的雙錐/對(duì)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。“h1”為發(fā)射天線高度。讓我們從另一視角來(lái)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(cè)量時(shí)的被測(cè)物，我們使用自由空間的AF來(lái)測(cè)試被測(cè)物的EMI，不同的幾何配置與自由空間的差別是測(cè)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(duì)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(duì)數(shù)周期復(fù)合天線的輻射振元由后部較長(zhǎng)的振元移向頂部較短的振元。對(duì)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(chǎng)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(duì)數(shù)復(fù)合天線時(shí)從什么地方來(lái)度量測(cè)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(cè)試抗擾度時(shí)距離從天線頂部計(jì)算，而進(jìn)行發(fā)射測(cè)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(huì)因此而引入。不同廠商生產(chǎn)的雙錐/對(duì)數(shù)天線的設(shè)計(jì)或尺寸可能不同，進(jìn)行EMI測(cè)試時(shí)其對(duì)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(jiǎn)單看一下Edmax公式即可找到答案。如果我們假定雙錐/對(duì)數(shù)復(fù)合天線為一系列的輻射振元，其不同頻率對(duì)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(zhǎng)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(cè)試（每付天線貢獻(xiàn)0.5米）。圖6對(duì)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(duì)于輻射發(fā)射測(cè)試，如果使用自由空間的天線因子，這一誤差將無(wú)法修正并成為測(cè)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(cè)量不確定度。對(duì)數(shù)天線同樣會(huì)遇到相位中心誤差問題，但是可以想見的是單個(gè)的對(duì)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(duì)較小。當(dāng)進(jìn)行要求較小不確定度的嚴(yán)格測(cè)試時(shí)，單個(gè)的對(duì)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(cè)量的本意是使用具有對(duì)稱振子天線方向圖的場(chǎng)感應(yīng)器（因?yàn)镽oberts Dipole是無(wú)爭(zhēng)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(duì)稱振子天線不同，只要在所有的高度上保持天線對(duì)準(zhǔn)被測(cè)物即可。頻率 (MHz)圖6 水平極化天線相距3米和4米時(shí)對(duì)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(duì)數(shù)天線對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)模型AF。

16、然而，當(dāng)在接地平面上測(cè)試時(shí)，將有從大地上反射的信號(hào)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(hào)的合成結(jié)果將是不同的。復(fù)合天線的方向圖與對(duì)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(lái)源。雙錐天線的方向圖與對(duì)應(yīng)的對(duì)稱振子天線相接近4，因此，又一次說(shuō)明使用雙錐天線可引入較小的誤差。特定雙錐/對(duì)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(jí)，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(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行抗擾度測(cè)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(lái)改善復(fù)合天線低頻

17、段的匹配特性。這一改進(jìn)對(duì)抗擾度測(cè)試十分有效。對(duì)于發(fā)射測(cè)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(cè)量不確定度的一部分來(lái)處理，但如圖7中所舉例子（5dB量級(jí)），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(cè)試的辦法是使用可拆裝的末端的加載。進(jìn)行抗擾度測(cè)試時(shí)保留末端加載來(lái)改善匹配（即使用較小的功率產(chǎn)生一確定的電場(chǎng)強(qiáng)度）。因?yàn)榭箶_度測(cè)試的目的是產(chǎn)生一給定的電場(chǎng)強(qiáng)度而無(wú)須考慮耦合現(xiàn)象。同時(shí)，大多數(shù)抗擾度測(cè)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(cè)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(duì)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(cè)試而校準(zhǔn)天線，這樣不會(huì)增加天線的成本。結(jié)論本文介紹了使用雙錐/對(duì)數(shù)復(fù)合天線相關(guān)的幾種測(cè)量不確定度。許多通常與特定天線無(wú)關(guān)的不確定度因素未在文章中討論。這包括電纜失配、場(chǎng)地偏差、場(chǎng)地邊緣散射等等。實(shí)際的測(cè)量中，以上因素對(duì)評(píng)估總的測(cè)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(cè)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(chǎng)地法和NSA公式引用。其代表輻射功率為1PW的對(duì)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(chǎng)。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