強電磁環境測試天線研制

姜傳飛，朱宜生

（中船重工第723研究所，江蘇 揚州 225001）

近幾十年來，各種電子設備的應用越來越多，電磁環境也越來越復雜，特別是隨著強電磁場、高功率電磁波的應用越來越廣[1]，各種強電磁環境對電子設備的影響也越來越大。這就需要加強對強電磁場的研究，對強電磁環境進行精確測量的需求也越來越迫切[2]。目前對強電磁環境的測量還存在很多問題，由于受到多種因素限制，國內外還沒有一個標準的、統一的方法[1]。文中的主要內容就是研制一種可用于強電磁環境測試的天線。根據GJB 1389A的要求，頻率范圍初定為12～18 GHz，為進行強電磁場的現場測試提供技術手段，最后以實測結果來確定工作范圍。具體步驟為：首先根據測試頻率范圍確定天線的設計方案，然后采用HFSS電磁仿真軟件對天線進行仿真設計，優化各部分結構尺寸，在此基礎上進行詳細的結構設計和加工制作。最后進行實測，并與仿真結果進行對比分析。

1 天線的原理以及結構

1.1 設計原理

作為測量強電磁環境的天線，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，使接收到的信號強度盡量衰減。根據公式：AF=E/V[4]可知，天線的天線系數越大，在強電磁場環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，可最大限度衰減環境的場強。天線采用和同軸線類似的結構，前端為了和電纜連接，采用N型連接頭形式，后面為同軸結構，內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，在同軸線外導體的外表面上會出現電流，但這個電流在縫隙的兩邊數值相等，方向相反，不會發生交叉極化輻射。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缺點

強電磁環境測試天線采用上面短偶極子的結構具有頻帶寬、口徑小等優點。

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。根據公可知，理論上單極子天線的天線系數也可以達到符合要求的程度[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，導致諧振曲線很尖銳，天線頻帶會變窄，無法像上面設計的短偶極子天線可以達到很寬的頻帶。

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，天線系數也會比短偶極子天線小，而且結構較復雜，所以還是短偶極子天線比較適合。為了進一步證明短偶極子天線更適合作為測試強電磁環境的天線，在同樣條件下對這幾種天線進行測試，并比較測試結果。

2 基于HFSS的仿真設計

根據HFSS仿真確定總體結構，優化各部分的具體結構尺寸，包括外導體內徑、內導體直徑、縫長及縫寬[8]。然后進行具體結構的設計，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體內徑（6.5～8 mm）、內導體直徑（2.5～4.5 mm）、縫寬（0.7～2 mm）、縫長在中頻1/4波長附近變化的關系，確定最優化的尺寸組合，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果，根據公式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。可以根據仿真得到的反射率來計算G2，進而得出廣義增益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頻段內的廣義增益G0為-22～2 dB。假設環境電場強度為10 kV/m，根據公式AF=-29.75+20 lg fMHz-G0可知，理論計算得到的天線系數AF在53～75 dB/m范圍內。根據公式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。

3 參考天線法校準天線

根據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校準過的標準天線，另一個是待校準天線[11]。

3.1 校準原理

在50歐姆測試系統中，天線系數AF與天線增益G的關系式如式（1）：

式中：G為天線增益。

此公式需滿足遠場條件，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為天線的遠場。

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

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

根據式（2），得接收天線的增益為：

在接收和發射系統阻抗相同的情況下，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為天線發射電壓，dBμV。

由于發射天線為自制喇叭天線且已校準，天線系數已知，所以發射天線的增益為：

由式（5）可得接收天線的天線系數：

3.2 試驗布置

采用矢量網絡分析儀測試兩天線之間的傳輸系數，即S21。通過式（6）可以計算得到天線系數。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。

天線校準步驟為：

1）將兩個天線高度調節到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稱值的偏差在2 cm之內，地面鋪設好吸波材料。

2）將接收天線與矢量網絡分析儀相接，測得環境噪聲并保存數據圖像。

3）將電纜與天線連接好，網絡分析儀1端口與發射天線相連，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。

4 實際測試及其結果分析

在開闊場中搭建測試系統。測試儀器為矢量網絡分析儀E5071C，發射天線使用2#12～18 GHz自制喇叭天線，矢量網絡分析儀的兩個端口分別連接發射天線和接收天線，測量傳輸系數S21。測試頻段為12～18 GHz，在測試之前要先校準直通，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果如圖6所示。

圖6 12～18 GHz頻段的實測天線系數與理論天線系數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AF為53～70 dB/m，結果較好。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，所以測得的數據是可信的。假設環境電場強度為10 kV/m[15]，根據公式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，這個值在接收機的測量范圍內。

根據以上實測結果可知，文中研制的天線的最佳天線系數大概在60～70 dB/m范圍內，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的實測天線系數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，在此范圍內的天線系數AF為58～70 dB/m。根據GJB 1389A中的規定，在11～18 GHz范圍內的待測場強最大值為2800 V/m。根據公式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。接收機的測量范圍在150 dBμV左右，這個值在接收機的測量范圍內。在對GJB 1389中規定的場強進行測量時，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的方向圖等信息。

5 結語

文中給出了一種測試強電磁環境的天線，采用HFSS軟件進行天線的仿真設計并且與實際測試的結果進行對比，兩者結果未能夠統一。同時與喇叭天線與單極子天線進行了對比，分析了其優缺點，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行改進，期望提高其性能。

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