強(qiáng)電磁環(huán)境測試天線研制

姜傳飛，朱宜生

（中船重工第723研究所，江蘇 揚(yáng)州 225001）

近幾十年來，各種電子設(shè)備的應(yīng)用越來越多，電磁環(huán)境也越來越復(fù)雜，特別是隨著強(qiáng)電磁場、高功率電磁波的應(yīng)用越來越廣[1]，各種強(qiáng)電磁環(huán)境對電子設(shè)備的影響也越來越大。這就需要加強(qiáng)對強(qiáng)電磁場的研究，對強(qiáng)電磁環(huán)境進(jìn)行精確測量的需求也越來越迫切[2]。目前對強(qiáng)電磁環(huán)境的測量還存在很多問題，由于受到多種因素限制，國內(nèi)外還沒有一個標(biāo)準(zhǔn)的、統(tǒng)一的方法[1]。文中的主要內(nèi)容就是研制一種可用于強(qiáng)電磁環(huán)境測試的天線。根據(jù)GJB 1389A的要求，頻率范圍初定為12～18 GHz，為進(jìn)行強(qiáng)電磁場的現(xiàn)場測試提供技術(shù)手段，最后以實測結(jié)果來確定工作范圍。具體步驟為：首先根據(jù)測試頻率范圍確定天線的設(shè)計方案，然后采用HFSS電磁仿真軟件對天線進(jìn)行仿真設(shè)計，優(yōu)化各部分結(jié)構(gòu)尺寸，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工制作。最后進(jìn)行實測，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析。

1 天線的原理以及結(jié)構(gòu)

1.1 設(shè)計原理

作為測量強(qiáng)電磁環(huán)境的天線，其主要思想是盡可能減小接收天線的接收信號強(qiáng)度。在空間距離一定的情況下，減小接收天線的有效面積（如減小天線的口徑[3]）就可減小其接收功率，使接收到的信號強(qiáng)度盡量衰減。根據(jù)公式：AF=E/V[4]可知，天線的天線系數(shù)越大，在強(qiáng)電磁場環(huán)境下得到的信號越小。12～18 GHz的短偶極子天線原理如圖1所示，為了減小接收天線的有效面積，天線的振子長度減小到0，此時天線口徑最小，可最大限度衰減環(huán)境的場強(qiáng)。天線采用和同軸線類似的結(jié)構(gòu)，前端為了和電纜連接，采用N型連接頭形式，后面為同軸結(jié)構(gòu)，內(nèi)部采用聚四氟乙烯作為絕緣支撐及定位部件。在天線頂端開縫，采用對稱激勵的方式，是采用了裂縫激勵對稱振子天線的原理。如果沒有裂縫和短路器，在同軸線內(nèi)流動的電流就不會流到外表面去，因此振子也不會受到激勵。

天線頂端的縫使天線的激勵方式對稱，在同軸線外導(dǎo)體的外表面上會出現(xiàn)電流，但這個電流在縫隙的兩邊數(shù)值相等，方向相反，不會發(fā)生交叉極化輻射。振子兩臂的電流仍然相等，不會破壞對稱性，也可以增加振子與同軸線外表面的去耦作用，故這種天線可以在寬頻帶內(nèi)工作，并且都能保證對稱激勵[5]。

1.2 與其他天線相比較的優(yōu)缺點

強(qiáng)電磁環(huán)境測試天線采用上面短偶極子的結(jié)構(gòu)具有頻帶寬、口徑小等優(yōu)點。

單極子天線也可以通過縮短天線長度來減小天線效率，從而可以使接收到的信號衰減。隨著天線桿長度的減小，特別是在λ/4以下時，則會使天線阻抗減小，效率降低。根據(jù)公可知，理論上單極子天線的天線系數(shù)也可以達(dá)到符合要求的程度[6]。隨著天線桿長度的減小，天線的輸入阻抗會減小，輸入的電抗會變大，導(dǎo)致諧振曲線很尖銳，天線頻帶會變窄，無法像上面設(shè)計的短偶極子天線可以達(dá)到很寬的頻帶。

喇叭天線是一種寬帶天線，完全可以滿足寬頻帶的需求，但是喇叭天線的口徑比較大。根據(jù)公式D=可知，喇叭天線的方向性比短偶極子天線的好，天線系數(shù)也會比短偶極子天線小，而且結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，所以還是短偶極子天線比較適合。為了進(jìn)一步證明短偶極子天線更適合作為測試強(qiáng)電磁環(huán)境的天線，在同樣條件下對這幾種天線進(jìn)行測試，并比較測試結(jié)果。

2 基于HFSS的仿真設(shè)計

根據(jù)HFSS仿真確定總體結(jié)構(gòu)，優(yōu)化各部分的具體結(jié)構(gòu)尺寸，包括外導(dǎo)體內(nèi)徑、內(nèi)導(dǎo)體直徑、縫長及縫寬[8]。然后進(jìn)行具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，仿真模型如圖2所示。

仿真的目的是為了確定天線增益與外導(dǎo)體內(nèi)徑（6.5～8 mm）、內(nèi)導(dǎo)體直徑（2.5～4.5 mm）、縫寬（0.7～2 mm）、縫長在中頻1/4波長附近變化的關(guān)系，確定最優(yōu)化的尺寸組合，得到較小的增益。

短偶極子天線增益的理論值如圖3a所示。由圖3a可知，短偶極子天線的增益在12～18 GHz頻段內(nèi)的理論增益G為-12～5 dB。上面的增益是沒有考慮失配影響時的結(jié)果，根據(jù)公式G0=G1+G2可以求得廣義增益G0，其中G1是仿真值，G2是反射損耗引起的增益變化?？梢愿鶕?jù)仿真得到的反射率來計算G2，進(jìn)而得出廣義增益G0。反射損耗增益的具體計算方法為G2=10 lg（1-η2）[10]，其中η為反射率。采用該公式進(jìn)行計算，得到天線的廣義增益，如圖3b所示。

由圖3b可知，短偶極子天線的增益在12～18 GHz頻段內(nèi)的廣義增益G0為-22～2 dB。假設(shè)環(huán)境電場強(qiáng)度為10 kV/m，根據(jù)公式AF=-29.75+20 lg fMHz-G0可知，理論計算得到的天線系數(shù)AF在53～75 dB/m范圍內(nèi)。根據(jù)公式AF=U+E，得儀器接收的電壓U為27～5 dBV，也就是1.78～22.39 V，加上30 dB衰減器，則得到的電壓為50.1～794.3 mV，基本在儀器的安全接收范圍內(nèi)。

3 參考天線法校準(zhǔn)天線

根據(jù)CISPR16-1-4，參考天線法可以用于兩個不同的天線情形下，其中一個天線是已經(jīng)校準(zhǔn)過的標(biāo)準(zhǔn)天線，另一個是待校準(zhǔn)天線[11]。

3.1 校準(zhǔn)原理

在50歐姆測試系統(tǒng)中，天線系數(shù)AF與天線增益G的關(guān)系式如式（1）：

式中：G為天線增益。

此公式需滿足遠(yuǎn)場條件，即兩天線之間的距離大于2D2/λ[13]，D為天線的最大尺度，單位為m。由于頻率范圍為12～18 GHz，所以距離1 m為天線的遠(yuǎn)場。

天線增益采用參考天線法進(jìn)行測量。參考天線法適用于發(fā)射天線已校準(zhǔn)的情況，其接收與發(fā)射的功率關(guān)系式如式（2）[14]：

式中：PR為接收天線的接收功率，W；PT為發(fā)射天線的發(fā)射功率，W；GT為發(fā)射天線的增益，dB；GR為接收天線的增益，dB；d為兩天線水平距離，m。

根據(jù)式（2），得接收天線的增益為：

在接收和發(fā)射系統(tǒng)阻抗相同的情況下，功率測量可由電壓測量代替，因此可得到式（4）：

式中：UR為天線接收電壓，dBμV；UT為天線發(fā)射電壓，dBμV。

由于發(fā)射天線為自制喇叭天線且已校準(zhǔn)，天線系數(shù)已知，所以發(fā)射天線的增益為：

由式（5）可得接收天線的天線系數(shù)：

3.2 試驗布置

采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試兩天線之間的傳輸系數(shù)，即S21。通過式（6）可以計算得到天線系數(shù)。試驗布置如圖4所示。

圖4 實驗布置Fig.4 Experiment layout

其中S21=UR-UT，由此得到式（7）：

式中：fm單位為GHz；AF單位為dB/m。

天線校準(zhǔn)步驟為：

1）將兩個天線高度調(diào)節(jié)到1.2 m，距離移動到1 m。天線水平布置，兩天線正對。天線距離和高度與標(biāo)稱值的偏差在2 cm之內(nèi)，地面鋪設(shè)好吸波材料。

2）將接收天線與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀相接，測得環(huán)境噪聲并保存數(shù)據(jù)圖像。

3）將電纜與天線連接好，網(wǎng)絡(luò)分析儀1端口與發(fā)射天線相連，2端口與待測接收天線相連，測得場衰減，計算得到天線系數(shù)。

4 實際測試及其結(jié)果分析

在開闊場中搭建測試系統(tǒng)。測試儀器為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E5071C，發(fā)射天線使用2#12～18 GHz自制喇叭天線，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的兩個端口分別連接發(fā)射天線和接收天線，測量傳輸系數(shù)S21。測試頻段為12～18 GHz，在測試之前要先校準(zhǔn)直通，將電纜的影響去除掉。

短偶極子天線的實際測試得到的測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 12～18 GHz頻段的實測天線系數(shù)與理論天線系數(shù)Fig.6 The measured and the theoretical AF in 12～18 GHz band

由圖6可知，天線的實測天線系數(shù)AF為53～70 dB/m，結(jié)果較好。圖6中曲線有很多小范圍的波動，可能是由于暗室地面和墻面的反射引起的。整體趨勢也與理論仿真結(jié)果有較大差異，在12～15 GHz頻段，理論值比實測值大5 dB左右，15 GHz以上時天線系數(shù)相差不大。由于高頻時制作誤差對天線的影響會變大，所以兩者間的差別可能是制作以及測試誤差引起的。由于電纜耦合得到的信號基本都在-80 dB以下，對天線接收的影響較小，所以測得的數(shù)據(jù)是可信的。假設(shè)環(huán)境電場強(qiáng)度為10 kV/m[15]，根據(jù)公式AF=U+E，得儀器接收的電壓U為10～28 dBV，也就是3.2～25.1 V。如果加上30 dB衰減器，則得到的電壓為100～794.3 mV，這個值在接收機(jī)的測量范圍內(nèi)。

根據(jù)以上實測結(jié)果可知，文中研制的天線的最佳天線系數(shù)大概在60～70 dB/m范圍內(nèi)，最佳的工作頻率范圍如圖7所示。

圖7 天線的最佳工作頻段內(nèi)的實測天線系數(shù)Fig.7 The measured AF of antenna in the best working frequency band

由圖7可知，天線的最佳工作頻段為13～17 GHz，在此范圍內(nèi)的天線系數(shù)AF為58～70 dB/m。根據(jù)GJB 1389A中的規(guī)定，在11～18 GHz范圍內(nèi)的待測場強(qiáng)最大值為2800 V/m。根據(jù)公式AF=U+E，儀器接收到的電壓U為-1.1～10.9 dBV，也就是118.9～130.9 dBμV，即得到的電壓為0.9～3.5 V。接收機(jī)的測量范圍在150 dBμV左右，這個值在接收機(jī)的測量范圍內(nèi)。在對GJB 1389中規(guī)定的場強(qiáng)進(jìn)行測量時，完全滿足要求，可以通過圓周多點測量法來確定所要測場強(qiáng)的方向圖等信息。

5 結(jié)語

文中給出了一種測試強(qiáng)電磁環(huán)境的天線，采用HFSS軟件進(jìn)行天線的仿真設(shè)計并且與實際測試的結(jié)果進(jìn)行對比，兩者結(jié)果未能夠統(tǒng)一。同時與喇叭天線與單極子天線進(jìn)行了對比，分析了其優(yōu)缺點，最終確定短偶極子天線為最適合的天線，基本滿足了GJB 1389中的測量要求。接下來需要對某些尺寸進(jìn)行改進(jìn)，期望提高其性能。

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