基于SAE-ARP958環天線校準技術研究

高剛，朱宜生（中國船舶重工第七二三研究所，江蘇 揚州 225001）

基于SAE-ARP958環天線校準技術研究

高剛，朱宜生
（中國船舶重工第七二三研究所，江蘇 揚州 225001）

目的 介紹基于SAE-ARP958環天線校準技術，研究提高該校準精確性的方法，為精確監測電磁環境提供保障。方法 研制一套基于SAE-ARP958環天線的校準裝置，提出采用直徑分別為30，10，4 cm的三個發射環天線作為磁場發生裝置的校準方案，并利用對比測試的方法對校準方案進行優化。結果 優化后的校準方案能夠實現環天線的精確校準。結論 基于SAE-ARP958環天線校準方法具有不受待校環尺寸限制的優點，而且精確性高，值得向具有較多不同尺寸的環天線用戶推廣。

校準裝置；SAE-ARP958；電磁環境

隨著科技的不斷進步和電子裝備的投入使用，電磁環境變得越來越復雜，已經逐漸成為制約武器裝備發揮作戰效能的重要因素之一[1]，因此，電磁環境效應試驗方法[2]以及電磁環境適應性越來越受到重視。環天線廣泛用于對電磁環境尤其是磁場環境的監測[3]。在GJB 151B《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求與測量》中明確要求使用環天線來進行低頻傳導發射（CE101）、輻射發射（RE101）和輻射敏感性（RS101）的測量和測試，它的校準精確性對一個裝備或分系統的合格性具有重要的影響。ANSI C63-4[4]和CISPR 16-1-4[5]均要求使用環天線來進行30 Hz到100 kHz之間的磁場發射測量。MIL-STD 461E/F[6—7]作為一個非常重要的軍用電磁兼容標準，也要求使用環天線進行多個測試。此外，環天線在電力環境監測方面也具有廣泛的應用[8]。

天線系數作為環天線的一項重要參數，它的校準是電磁兼容工程師們極其關注的問題[9]。商用環天線由于長期使用、磨損等原因[10]，商家提供的天線系數難以滿足現場測試的精確度。因此，環天線在用于測量之前，必須對其天線系數進行校準，最好是每次測試前都進行現場校準，非常有必要開展環天線現場校準的研究。

1　基于標準場環天線校準方法

1.1方法介紹

目前常見的標準場環天線校準方法主要是通過橫電磁波傳輸室（TEM cell）和亥姆霍茲線圈[11]產生量值可確定的標準場來實現。其中，橫電磁波傳輸室法要滿足“1/3”原則，因此，被校環天線尺寸受限于橫電磁波傳輸室的尺寸，對于直徑30 cm以上的待校環，TEM cell的尺寸會非常大且造價不菲，同時還應充分考慮電場的影響。亥姆霍茲線圈在其公共軸線中點附近可產生較廣的軸向均勻磁場區[12]，該方法適用頻率范圍和場均勻性區域之間相互制約，無法兼顧，因此在實際應用中其使用頻率上限很難達到30 MHz，尤其是對于尺寸較大的待校環。文中介紹的基于SAE-ARP 958[13]的校準方法，該方法不受待校環天線尺寸的影響，能夠快速搭建校準現場并且實現環天線頻率10 kHz～30 MHz的精確校準。

1.2基于SAE-ARP 958校準方法

SAE-ARP 958環天線校準是通過發射環產生感應場的一種方法，其校準距離通常為1 m，發射環產生的平均磁場場強是通過表達式（1）來計算：

式中：H為磁場強度，A/m；dxmt和drcv分別是發射環和接收環的直徑，m；L接收環與發射環之間的中心距離，m；I發射環上的注入電流，A；nxmt發射環的匝數；f校準頻率，Hz；c為光速，m/s。

式中：AF為待校環天線的磁場天線系數，dBS/m；H為待校環的磁場強度，A/m；U為待校環天線的感應電壓，V。

2　校準方案設計

文中提出了采用直徑分別為30，10，4 cm的三個發射環天線作為磁場發生裝置，分段實現環天線10 kHz～ 30 MHz天線系數校準的方案，自主研制一套可自由拆卸組裝的專用校準裝置。該裝置能夠實現發射環和待校環兩環同心同軸，提高天線系數校準的精確性。

2.1發射環天線尺寸

作為磁場發生源的發射環需要滿足多個條件：發射環各個位置上的電流相必須高度一致性，即環天線的周長必須小于自由空間波長的1/8[14]；發射環天線的適用頻率要遠小于其諧振頻率（工程上一般取小于諧振頻率的1/10）；發射環需具備較高的輻射效率。因此，在設計過程中要充分考慮到發射環與信號源、電纜之間的阻抗匹配，采用三個發射環分段匹配，分段實現環天線校準正是基于此。

利用Agilent E5061B矢量網絡分析儀對直徑分別為4，10，30 cm的發射環天線阻抗特性進行測試并計算，測試結果如圖1所示。

圖1　環天線阻抗諧振特性Fig.1 Impedance resonant characteristics of loop antenna

由圖1可知，直徑分別為4，10，30 cm的三個發射環天線的諧振頻率[15]依次為328，163，70.2 MHz。根據1.1節中發射環尺寸需滿足的條件，同時也為方便設計環天線匹配電路，提高天線輻射效率，文中采用分段進行發射環天線設計，在頻段0.15～6.0 MHz，6.0～15.0 MHz，15.0～30.0 MHz所使用的環天線尺寸分別為30，10，4 cm。

2.2匹配電路

為了能夠實現發射環與信號源、電纜之間的阻抗匹配，專門對三個發射環分別設計了匹配電路。匹配電路主要包含以下組成部分：發射環天線（等效為一個電感）、1 Ω精密電阻（串聯在環天線上用來獲得環上電流）、電路網絡等。發射環匹配電路采用線路板設計，直接安裝在發射環底座中。經測試，文中使用的4，10，30 cm的發射環在相應頻段內的電壓駐波比均小于1.5。設計的三個發射環如圖2所示。

圖2　發射環天線Fig.2 Launch loop antenna

2.3校準裝置研制

為了實現SAE-ARP 958D環天線感應場法校準的精確性和減少校準測試中的不確定度，根據發射環及待校環的尺寸，自主研制一套校準裝置以保證兩環的同心共軸，其中心距離為1 m，校準裝置如圖3所示。

圖3　環天線校準裝置Fig.3 Loop antenna calibration device

3　提高校準精確性方法研究

利用自主研制的校準裝置，開展以ETS-Lindgren公司的6507型有源環天線作為待校準天線的校準測試，通過將該測試得到的天線系數結果與ETS-Lindgren公司提供的磁場天線系數進行對比，不斷優化校準設計方案，提高校準精確性。

3.1影響校準結果的因素分析

校準過程中發現，影響校準結果精確性的因素除了文中專門研制的校準裝置外，還有校準裝置與電纜的擺放方向，當校準裝置擺放方向與電纜幾乎平行時，天線系數校準結果會與ETS-Lindgren公司提供的磁場天線系數更符合一致，見表1。天線系數AF1為校準裝置擺放方向與電纜幾乎平行狀態下的校準結果；天線系數AF2為校準裝置擺放方向與電纜幾乎垂直狀態下的校準結果；天線系數AF0為ETS-Lindgren公司提供的磁場天線系數。根據這一現象，從理論上進行了原因分析：頻率在3 MHz以下，AF1，AF2與AF0之間的差值較小，主要是由于在較低頻率雜散電容形成的通路阻抗遠大于回線返回信號源通路的阻抗，因此，大部分電流都是沿著回線返回信號源，此時的共模電流就非常小；當頻率較高時，雜散電容形成的通路阻抗已經很小，就會存在一定比例的共模電流，共模電流導致共模輻射，直接影響到天線系數的校準結果。發射環上共模電流產生的原理如圖4所示，共模電壓是導致共模電流的根本原因，發射環線路板上的地線電壓作為共模電壓，可以驅動電纜上的共模電流，形成共模輻射。考慮到導致這一現象的主要原因來自于發射環上及其電纜上的共模電流，因此，提高校準精確性的方法關鍵在于有效控制環上及電纜上的共模電流。

表1　不同狀態下的環天線校準結果Table 1 Calibration results of loop antenna under different states

圖4　電纜上的共模電流Fig.4 The common-mode current on the cable

3.2提高校準精確性的方法

由表1可以看出，低頻段受共模電流影響較小，高頻段影響較大。考慮到共模扼流圈有在低頻段的共模抑制效果小，在高頻段的共模抑制效果明顯的特點，文中采用了在發射環匹配電路端進行1∶1巴倫[16]設計的方法，巴倫起著共模扼流圈和阻抗過渡的作用。該方法能夠有效抑制環上的共模電流，同時為了更好地抑制電纜上的共模電流，在校準電纜上均勻加25個BF-100-B鐵氧體磁珠。通過上述兩個方法，可以明顯減小共模電流對環天線校準的影響。

4　方案優化及校準測試

4.1校準方案優化

校準方案的優化主要體現在發射環設計的優化及現場校準測試電纜的處理兩方面。優化后的校準方案采用的是經過巴倫設計的直徑分別為30，10，4 cm的三個發射環作為磁場發生裝置。雖然共模扼流圈能夠抑制環上的大部分共模電流，但仍然有一小部分共模電流會存在于校準電纜上。為了進一步提高天線系數的校準結果，在校準測試中校準裝置擺放方向與電纜盡量平行，同時在校準電纜上均勻分布25個BF-100-B鐵氧體磁珠，該方法有助于減小電纜上的共模電流。

4.2校準測試

環天線校準測試在暗室中進行，發射環和待校環分別位于校準裝置的兩端，其中信號源SML03（9 kHz～ 3.3 GHz）通過電纜射頻輸出給發射環，待校準環天線6507通過電纜與頻譜儀FSP30（9 kHz～30 GHz）相連，25個BF-100-B鐵氧體磁珠均勻分布在發射以及接收電纜上。

經測試獲得待校環天線的磁場天線系數AF3，AF0為ETS-Lindgren公司提供的磁場天線系數，經過優化設計方案后的校準結果見表2。由表2可以看出，設計方案優化后的校準結果與ETS-Lindgren公司提供的磁場天線系數一致性非常高，進一步表明了文中提出的校準方案的合理性。

表2　優化設計方案后的校準結果Table 2 Loop calibration results after optimized design

5　結語

文中提出的基于SAE-ARP 958的校準方案，在自主研制的校準裝置的輔助下，實現了環天線的精確校準（最大誤差為1.4 dB）。由于受發射環底座大小的限制，文中采用的是共模扼流圈抑制環上共模電流的方法，具有較理想的抑制效果。如果在發射環空間允許的情況下，在發射環上安裝一個小型共模濾波器，可以獲得更精確的校準結果。該方法突破了電磁波傳輸室法和亥姆霍茲線圈法等標準場法受待校環天線尺寸限制的禁錮，校準裝置移動方便，可以滿足快速搭建校準現場的需求，特別適用于有大量不同尺寸環天線需要校準的用戶。

[1]沈陽，李修和，李勇.雷達裝備復雜電磁環境適應性評價研究[J].裝備環境工程，2014，11（3）：1—5.

SHEN Yang，LI Xiu-he，LI Yong.Research on Complex Electromagnetic Environmental Worthiness Evaluation of Radar Equipment[J].Equipment Environmental Engineering，2014，11（3）：1—5.

[2]王玉明，譚志良，畢軍建.復雜電磁環境對雷達與指控系統的影響[J].裝備環境工程，2013，10（3）：12—15.

WANG Yu-ming，TAN Zhi-liang，BI Jun-jian.Effects of Complex Electromagnetic Environment on Radar and C2 System[J].Equipment Environmental Engineering，2013，10（3）：12—15.

[3]胡白濤，洪力，李渤.環天線校準[J].現代測量與實驗室管理，2007（5）：1—4

HU Bai-tao，HONG Li，LI Bo.Loop Antenna Calibration[J]. The Modern Measurement and Laboratory Management，2007 （5）：1—4

[4]ANSI/IEEE Standard C63.4—1992，American National Standard for Methods of Measurement of Radio-Noise Emissions from Low-Voltage Electrical and Electronic Equipment in the Range of 9 kHz to 40 GHz[S].

[5]CISPR16-1-4，Specification for Radio Interference Measuring Apparatus and Measurement Methods[S].

[6]MIL-STD-46IE—1999，Inteiference Standards Requirements for the Control of Electromagnetic Interference Characteristics of Subsystems and Equipment[S].

[7]MIL-STD-461F—2007，Interference Standards Requirements for the Control of Electromagnetic Interference Characteristics of Subsystems and Equipment[S].

[8]SOYDAN Caklr，RAMIZ Hamid，LEVENT Sevgi.Loop-Antenna Calibration[J].IEEE Antennas and Propagation Magazine，October 2011，53（5）：60—66.

[9] 白同云，吳畏，陳志雨.天線系數的校準和使用[J].電波科學學報，2000，15（4）：526—529.

BAI Tong-yun，WU Wei，CHEN Zhi-yu.The Antenna Factor of the Calibration and Use[J].Chinese Journal of Radio Science，2000，15（4）：526—529.

[10]高剛.磁場環天線校準技術和屏蔽效能測試技術研究[D].南京：東南大學，2014.

GAO Gang.Magnetic Field Loop Antenna Calibration Technology and Magnetic Field Shielding Effectiveness Testing Technology Research[D].Nanjing：Southeast University，2014.

[11]CISPR-16-1-6，Specification for Radio Disturbance and Immunity Measuring Apparatus and Methods-Part 1-6：Radio Disturbance and Immunity Measuring Apparatus-EMC Antenna Calibration[S].

[12]ANDRES F.RESTREPO A，FRANCO-MEJIA E，et al.Study and Analysis of Magnetic Field Homogeneity of Square and Circular Helmholtz Coil Pairs：A Taylor Series Approximation [J]．Andean Region International Conference，2012：77—80.

[13]SAE-ARP 958 Rev D，Electromagnetic Inteiference Measurement Antennas，Standard Calibration Method[S].

[14]高月，高攸綱.用標準場法校準環天線[J].電子質量，2003 （9）：12—13.

GAO Yue，GAO You-gang.Using the Standard Field Method Calibration Loop Antenna[J].Electronic Quality，2003（9）：12—13.

[15]陳益勝.基于標準場法的低頻磁場暴露計校準方法研究[D].廣州：華南理工大學，2012.

CHEN YI-Sheng.Based on the Standard Field Method of Low Frequency Magnetic Field Exposure Meter Calibration Method Research[D].Guangzhou：South China University of Technology，2012.

[16]ZHANG Zhen-yu，GUO Yong-xin，ONG Ling-chune.A New Wide-band Planar Balun on a Snigel-Layer PCB[J].IEEE Microwave And Wireless Components Letters，2005，278 （15）：416—418.

Loop Antenna Calibration Technology Based on SAE-ARP958

GAO Gang，ZHU Yi-sheng
（723 Institute of China Shipbuilding Industry Corporation，Yangzhou 225001，China）

Objective To introduce the loop antenna calibration technology based on the SAE-ARP958 and investigate the method improving the accuracy of the calibration，which guarantees accurate monitoring in electromagnetic environment.Methods The design of a set of loop antenna calibration based on the SAE-ARP958 was proposed,the calibration scheme of using three launch loop antennas with the respective diameter of 30 cm,10 cm and 4 cm as the magnetic field generator was put forward，and the method of comparison test was used for optimization of the calibration scheme.Results The optimized calibration scheme can realize accurate loop antenna calibration. Conclusion Loop antenna calibration method based on the SAE-ARP958 has the advantage of not being restricted to loop antenna size,and the accuracy is high,which is worth to be prompted to the users with different loop antenna sizes. KEY WORDS：calibration device；SAE-ARP958；electromagnetic environment

2015-09-15；Revised：2015-09-21

10.7643/issn.1672-9242.2016.01.023

TJ06；TN820

A

1672－9242（2016）01－0121-05

2015-09-15；

2015-09-21

高剛（1988—），碩士，工程師，主要研究方向為電磁兼容性。

Biography：GAO Gang（1988—），Master，Engineer，Research focus：electromagnetic compatibility.