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如何選擇EMC天線?
日期:2024-10-18 15:02
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摘要:
EMC天線的基本概念:
對(duì)EMC測(cè)試天線來(lái)說(shuō),接收指的是測(cè)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(yàn)的電磁場(chǎng),下面復(fù)習(xí)一下其它幾個(gè)關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)。
增益:
增益用來(lái)衡量天線從某一方向接收和發(fā)射信號(hào)的能力,當(dāng)與其它方向相比時(shí),增益通常用與全向天線比對(duì)的dB數(shù)來(lái)表示,增益可正可負(fù),當(dāng)把信號(hào)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(dāng)天線系統(tǒng)存在損耗或所用的天線長(zhǎng)度小于被測(cè)信號(hào)的波長(zhǎng)時(shí),增益為負(fù)。
天線系數(shù)(AF) 天線系數(shù)表示了天線的輻射場(chǎng)與天線輸入...
EMC天線的基本概念:
對(duì)EMC測(cè)試天線來(lái)說(shuō),接收指的是測(cè)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(yàn)的電磁場(chǎng),下面復(fù)習(xí)一下其它幾個(gè)關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)。
增益:
增益用來(lái)衡量天線從某一方向接收和發(fā)射信號(hào)的能力,當(dāng)與其它方向相比時(shí),增益通常用與全向天線比對(duì)的dB數(shù)來(lái)表示,增益可正可負(fù),當(dāng)把信號(hào)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(dāng)天線系統(tǒng)存在損耗或所用的天線長(zhǎng)度小于被測(cè)信號(hào)的波長(zhǎng)時(shí),增益為負(fù)。
天線系數(shù)(AF) 天線系數(shù)表示了天線的輻射場(chǎng)與天線輸入電壓之間的關(guān)系,當(dāng)AF以dB為單位時(shí),AF與增益有以下關(guān)系:
G(dBi)20lg(F)-29.79-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(yīng)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**線的增益設(shè)計(jì)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范圍,如果帶寬以天線額定頻率范圍的一部分來(lái)表示的話,非諧振天線的帶寬大于諧振天線的帶寬,低增益天線的帶寬大于高增益天線的帶寬,用于寬帶的,平衡不平衡轉(zhuǎn)換器或匹配網(wǎng)絡(luò)的天線,其帶寬比天線系數(shù)的影響更大。
·阻抗:
天線的阻抗通常考慮很少,因?yàn)樗械模牛停脺y(cè)試設(shè)備的負(fù)載阻抗均設(shè)計(jì)為50Ω,EMC天線的阻抗通常也在其頻率范圍內(nèi)設(shè)計(jì)為感校準(zhǔn)為接近50Ω,但是,測(cè)試人員也應(yīng)該意識(shí)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,天線的阻抗往往隨頻率而變,但許多低頻環(huán)天線并沒(méi)有匹配網(wǎng)絡(luò)去補(bǔ)償這種變化。
駐波比(VSWR):
駐波比是衡量?jī)蓚€(gè)RF設(shè)備阻抗是否匹配的間接參數(shù)。VSWR對(duì)大多數(shù)用戶(hù)來(lái)說(shuō)都非常重要,這有幾個(gè)復(fù)雜原因,簡(jiǎn)單地說(shuō),在通常情況下,饋線表現(xiàn)出來(lái)的阻抗是饋線的額要阻抗和負(fù)載阻抗之和,因此,在饋線兩端就可能出現(xiàn)阻抗的不匹配,這樣,大多數(shù)信號(hào)都將在負(fù)載處反射,然后,再沿著饋線在源處再次反射,當(dāng)需要精準(zhǔn)測(cè)量的時(shí)候,或當(dāng)信號(hào)源對(duì)阻抗不匹配很敏感的時(shí)候,或當(dāng)饋線的損耗很重重的時(shí)候,VSWR都將成為一個(gè)問(wèn)題。
尺寸:
尺寸是一個(gè)很重要的天線特性,天線需要控制和移動(dòng)就限制了天線的實(shí)際尺寸大小,需要在屏蔽室內(nèi)使用天線也限制了天線的*大尺寸,需要減小對(duì)地或?qū)χ車(chē)矬w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(yīng),增益高或帶寬寬,就要增大天線的尺寸。
選擇過(guò)程:
根據(jù)前面所講的有關(guān)天線的基本概念,EMC工程師就可以開(kāi)始根據(jù)實(shí)際用途來(lái)選擇天線,嚴(yán)格地講,任何發(fā)射天線都可以用于接收,但是,在很多接收?qǐng)龊现校性刺炀€額外的靈敏度幾乎將所有的電子電路都轉(zhuǎn)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(shù)的EMC測(cè)量中,所要求的頻率范圍遠(yuǎn)大于某一單個(gè)天線的頻率范圍,實(shí)際上,由于帶寬和天線尺寸的限制,在一次測(cè)試中使用5副天線來(lái)覆蓋整個(gè)測(cè)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——一副用來(lái)測(cè)量電場(chǎng)分量,另一副用來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)分量,這種用法可以這樣來(lái)解釋?zhuān)?dāng)測(cè)量距離采用優(yōu)良單位并且由測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(zhǎng)來(lái)表示的距離的函數(shù),在“遠(yuǎn)場(chǎng)”區(qū)電磁場(chǎng)可認(rèn)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(qū)中就沒(méi)有這種固定關(guān)系存在,近場(chǎng)區(qū)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(cè)量E場(chǎng)和H場(chǎng),然后計(jì)算功率,(還可能計(jì)算出這一點(diǎn)的波阻抗并推出源阻抗,這種計(jì)算對(duì)診斷出有害輻射的實(shí)際源很有用處),有測(cè)試人員可能會(huì)問(wèn),為什么不能用一副或二副天線來(lái)覆蓋整個(gè)頻率范圍?因?yàn)?,在選擇天線時(shí)還需考慮很多別的折衷因素,將在下面幾節(jié)中詳細(xì)闡述。
一、如何選擇EMC天線之增益的重要性
每副天線都有正的增益和負(fù)的增益,正增益是好的,但負(fù)增益雖然是不希望的但又是必要的,理想情況下,在EMC測(cè)量中所用的每副天線都應(yīng)該盡可能地具有正增益而減小負(fù)增益,考慮實(shí)際天線設(shè)計(jì)的局限性,在天線增益上的花費(fèi)常常低于接收天線的靈敏度或放大器功率,由于希望能檢測(cè)到*小的輻射發(fā)射或產(chǎn)生敏感度測(cè)試所需要的場(chǎng),而花費(fèi)*少,所以就要取*佳的天線增益。
除了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的調(diào)諧偶極子以外,大多數(shù)100MHz以下的天線是非諧振的,并且表現(xiàn)出負(fù)增益(損耗),在這個(gè)頻率范圍內(nèi)常用的天線是拉桿天線,用于低頻E場(chǎng)測(cè)量(),在敏感度試驗(yàn)中也使用E場(chǎng)發(fā)生器,在這么低的頻段,采用屏蔽環(huán)天線來(lái)測(cè)量H場(chǎng),利用環(huán)天線來(lái)產(chǎn)生H場(chǎng)(),在20~30MHz以上時(shí),*常用的天線是非諧振偶極子天線,常常用雙錐結(jié)構(gòu)的(),采用這類(lèi)天線是因?yàn)殡S著頻率的降低,寬帶諧振天線的尺寸要變大,而且會(huì)很快大得讓人無(wú)法接受,增益為負(fù)是由于這類(lèi)天線的尺寸與所測(cè)信號(hào)的波長(zhǎng)相比較小,只有在測(cè)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(diào)諧天線。
在100~200MHz頻率范圍內(nèi),寬帶諧振天線是*實(shí)用的,并且用的很多,但由于這類(lèi)天線尺寸太大,有時(shí)候無(wú)法使用,因此,在這個(gè)頻率范圍內(nèi),有時(shí)仍使用效率不太高的非諧振天線,當(dāng)頻率高于200MHz時(shí),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(duì)數(shù)周期天線可以設(shè)計(jì)為覆蓋整個(gè)頻率范圍并且提供很高的增益(),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(zhǎng)度及其支架與支持較大的低頻振子所需要的機(jī)械強(qiáng)度是不匹配的,另一種類(lèi)型的天線也常常用于高頻段,如雙脊波導(dǎo)喇叭天線,由于所涉及的機(jī)械問(wèn)題和高增益,這類(lèi)天線*好用于1~2GHz以上的頻段。
二、如何選擇EMC天線之尺寸問(wèn)題
上面已提到了EMC天線的設(shè)計(jì)中,尺寸是一個(gè)很重的制約因素,使用非常大的天線會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題。我們要求從天線耦合到地面,被測(cè)設(shè)備、屏蔽室的墻面和任何其它周?chē)矬w的干擾必須*小,如果天線的振子與周?chē)矬w保持一定距離的話,耦合問(wèn)題就會(huì)小一些。顯然,從這點(diǎn)上講,天線越小越好。
波束寬度是另一個(gè)必須與增益折衷考慮的因素,天線不能產(chǎn)生功率!天線的作用僅僅是集**率,就如同放在光線后面的反光鏡的作用一樣,換句話說(shuō),增益和波束寬度是一對(duì)矛盾,當(dāng)增益增大時(shí),波束寬度減小,反之亦然,這種現(xiàn)象的實(shí)際效果就是限制了任意時(shí)刻的“被測(cè)”區(qū)域,如果在敏感度試驗(yàn)中,測(cè)試場(chǎng)的輻射范圍或者在輻射發(fā)射試驗(yàn)中,接收天線的接收范圍小于被測(cè)設(shè)備的尺寸,那么就需要反復(fù)多次重復(fù)試驗(yàn)直到被測(cè)設(shè)備完全被測(cè)試過(guò)但即使這樣,測(cè)試結(jié)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,通常隨著增益的增加,尺寸也加大,同時(shí),隨著帶寬的增大,尺寸也要加大,因此,圍繞著天線的問(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是不現(xiàn)實(shí)的,寬帶天線從本質(zhì)上講應(yīng)非常大。
三、如何選擇EMC天線之選擇天線時(shí)考慮的因素
在前面所講的天線參數(shù)的基礎(chǔ)上,EMC測(cè)試人員在選擇天線時(shí)必須考慮一些非常專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù),如天線增益曲線究意有多平坦?在很多時(shí)候,使用增益平坦的天線比使用有一極高增益點(diǎn)的天線來(lái)很容易,又如,天線系數(shù)(或增益)是怎樣測(cè)量的?一些商家會(huì)提供距離天線為常用距離時(shí)的數(shù)據(jù),而另外一些商家則只提供遠(yuǎn)場(chǎng)數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)看起來(lái)要好一些,但不是很有用,還有,在測(cè)量天線系數(shù)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用作發(fā)射天線。此外,是否為每副天線都提供了單獨(dú)的校準(zhǔn)曲線或校準(zhǔn)圖表?測(cè)試人員是否被限制于已校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)?廠家是否提供重復(fù)校準(zhǔn)的服務(wù)?天線是一種精密儀器,必須保持它的精密度。
為了保證對(duì)基本測(cè)試天線的需要,EMC測(cè)試工程師必須對(duì)天線的生產(chǎn)廠商進(jìn)行調(diào)查了解,廠家是否有專(zhuān)業(yè)人員愿意和能夠花時(shí)間回答問(wèn)題?是否能夠?qū)σ焉鲜械牡礉M(mǎn)足的特殊需要的天線進(jìn)行修正?*重要的是,因?yàn)闆](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(duì)可靠性的實(shí)際評(píng)價(jià)和聲譽(yù)應(yīng)用時(shí)考慮。
*后該考慮的是價(jià)格問(wèn)題,由于EMC天線是精密儀器,因此,沒(méi)有很便宜的EMC天線,但是,天線只是EMC設(shè)備中的一小部分,因此,購(gòu)買(mǎi)天線時(shí),價(jià)格應(yīng)不是主要問(wèn)題,當(dāng)然,越節(jié)省越好,但價(jià)格不應(yīng)成為購(gòu)買(mǎi)天線的決定性因素。
四、如何選擇EMC天線之總結(jié)
如何選擇EMC天線,首先必須明確測(cè)試任務(wù),對(duì)發(fā)射天線和接收天線的要**什么?
頻率范圍是多少?
*小可接受的增益是多少?
可接受的天線的*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?
每副天線的頻率范圍和增益是多大?
每副天線是否都分別進(jìn)行了校準(zhǔn)?
獲得的數(shù)據(jù)是否滿(mǎn)足測(cè)試者的需要?
結(jié)果以哪種形式表示*合適?
是否可從廠家獲得必要的幫助?
測(cè)試配置的總花費(fèi)是多少?
是否在預(yù)算范圍之內(nèi)?
當(dāng)這些關(guān)鍵問(wèn)題解決了以后,測(cè)試人員就可以滿(mǎn)懷信心地填寫(xiě)定單了。