EMC天线的选择

ＥＭＣ天线的选择

引言

选择天线可能是每个ＥＭＣ工程师必须面对的较为艰巨的任务，极少数的电气工程师，无论是数字电路的研发者，ＥＭＣ专家还是其它领域的工程师，才能理解天线的制造厂商为了制造出有用的、用户又买得起的天线产品而采取的折衷措施。但ＥＭＣ工程师也不必为缺乏某一方面的知识而尴尬，因为大多数天线专家虽然有很好的天线理论知识，他们也常常习惯于根据通信的要求或其它射频应用领域对天线的要求来考虑问题，他们往往不会去理解用于ＥＭＣ测试的天线的独特要求。

基本概念

对ＥＭＣ测试天线来说，接收指的是测量不希望有的辐射发射、而“发射”指的产生用于敏感度试验的电磁场，下面复习一下其它几个关键术语。

·增益增益用来衡量天线从某一方向接收和发射信号的能力，当与其它方向相比时，增益通常用与全向天线比对的ｄＢ数来表示，增益可正可负，当把信号集中于一个方向时，可获得正的增益，就如同手电筒的光束一样，当天线系统存在损耗或所用的天线长度小于被测信号的波长时，增益为负。

·天线系数（ＡＦ）天线系数表示了天线的辐射场与天线输入电压之间的关系，当ＡＦ以ｄＢ为单位时，ＡＦ与增益有以下关系：

Ｇ（ｄＢｉ）２０ｌｇ（Ｆ）－29.79-ＡＦ（ｄＢ）

其中，Ｆ为频率，单位为ＭＨｚ。

·波束宽度波束宽度指的是在天线峰值响应的方向上，两个半功率点之间的角度，波束宽度有Ｅ面和Ｈ面两个分量，两者不一定完全相等，如果某一天线的增益设计为正，则它的波束宽度和增益常常正好相反。

·带宽带宽指的是天线的频率覆盖范围，如果带宽以天线额定频率范围的一部分来表示的话，非谐振天线的带宽大于谐振天线的带宽，低增益天线的带宽大于高增益天线的带宽，用于宽带的，平衡不平衡转换器或匹配网络的天线，其带宽比天线系数的影响更大。

·阻抗天线的阻抗通常考虑很少，因为所有的ＥＭＣ测试设备的负载阻抗均设计为５０Ω，ＥＭＣ天线的阻抗通常也在其频率范围内设计为感校准为接近５０Ω，但是，测试人员也应该意识阻抗不匹配所带来的可能问题，尤其是低频磁场环天线，天线的阻抗往往随频率而变，但许多低频环天线并没有匹配网络去补偿这种变化。

·驻波比（ＶＳＷＲ）驻波比是衡量两个ＲＦ设备阻抗是否匹配的间接参数。ＶＳＷＲ对大多数用户来说都非常重要，这有几个复杂原因，简单地说，在通常情况下，馈线表现出来的阻抗是馈线的额要阻抗和负载阻抗之和，因此，在馈线两端就可能出现阻抗的不匹配，这样，大多数信号都将在负载处反射，然后，再沿着馈线在源处再次反射，当需要精确测量的时候，或当信号源对阻抗不匹配很敏感的时候，或当馈线的损耗很重重的时候，ＶＳＷＲ都将成为一个问题。

·尺寸尺寸是一个很重要的天线特性，天线需要控制和移动就限制了天线的实际尺寸大小，需要在屏蔽室内使用天线也限制了天线的最大尺寸，需要减小对地或对周围物体不希望有的耦合也将影响尺寸，但相反地，希望天线有好的低频响应，增益高或带宽宽，就要增大天线的尺寸。

选择过程

根据前面所讲的有关天线的基本概念，ＥＭＣ工程师就可以开始根据实际用途来选择天线，严格地讲，任何发射天线都可以用于接收，但是，在很多接收场合中，有源天线额外的灵敏度几乎将所有的电子电路都转变成了开路电路。

一个很重要的问题是频率范围，在大多数的ＥＭＣ测量中，所要求的频率范围远大于某一单个天线的频率范围，实际上，由于带宽和天线尺寸的限制，在一次测试中使用５副天线来覆盖整个测试频段也并不少见的。

在很多情况下，频率低端足以低到需要的两副天线——一副用来测量电场分量，另一副用来测量磁场分量，这种用法可以这样来解释，当测量距离采用绝对单位并且由测量标准规定了的时候，电磁场的分布就是源阻抗（可能未知）和以波长来表示的距离的函数，在“远场”区电磁场可认为具有平面波的特性，Ｅ场分量和Ｈ场分量可由自由空间的波阻抗３７７Ω联系起来。由此，可由场功率，Ｅ场和Ｈ场三个变量中已知任两个求得第三个变量，在“近场”区中就没有这种固定关系存在，近场区中任一点的波阻抗介于未知的源阻抗和已知的自由空间波阻抗之间，由于波阻抗未知，因此就需要分别测量Ｅ场和Ｈ场，然后计算功率，（还可能计算出这一点的波阻抗并推出源阻抗，这种计算对诊断出有害辐射的实际源很有用处），有测试人员可能会问，为什么不能用一副或二副天线来覆盖整个频率范围？因为，在选择天线时还需考虑很多别的折衷因素，将在下面几节中详细阐述。

增益的重要性

每副天线都有正的增益和负的增益，正增益是好的，但负增益虽然是不希望的但又是必要的，理想情况下，在ＥＭＣ测量中所用的每副天线都应该尽可能地具有正增益而减小负增益，考虑实际天线设计的局限性，在天线增益上的花费常常低于接收天线的灵敏度或放大器功率，由于希望能检测到最小的辐射发射或产生敏感度测试所需要的场，而花费最少，所以就要取最佳的天线增益。

除了标准规定的调谐偶极子以外，大多数１００ＭＨｚ以下的天线是非谐振的，并且表现出负增益（损耗），在这个频率范围内常用的天线是拉杆天线，用于低频Ｅ场测量（图１），在敏感度试验中也使用Ｅ场发生器，在这么低的频段，采用屏蔽环天线来测量Ｈ场，利用环天线来产生Ｈ场（图２），在２０～３０ＭＨｚ以上时，最常用的天线是非谐振偶极子天线，常常用双锥结构的（图３和图４），采用这类天线是因为随着频率的降低，宽带谐振天线的尺寸要变大，而且会很快大得让人无法接受，增益为负是由于这类天线的尺寸与所测信号的波长相比较小，只有在测试时间允许的情况下，才使用需要在每个频点都进行调谐天线。

图1 有源E场杆天线图2 有源环天线图3 调谐偶极天线阵

图4 双锥天线图5 对数周期天线

在１００～２００ＭＨｚ频率范围内，宽带谐振天线是最实用的，并且用的很多，但由于这类天线尺寸太大，有时候无法使用，因此，在这个频率范围内，有时仍使用效率不太高的非谐振天线，当频率高于２００ＭＨｚ时，增益天线用的很普遍，但尺寸又是主要的限制因素之一。从理论上讲，对数周期天线可以设计为覆盖整个频率范围并且提供很高的增益（图５），但是，随着带宽的增加，天线的尺寸也加大，在较高的频率上，短振子的长度及其支架与支持较大的低频振子所需要的机械强度是不匹配的，另一种类型的天线也常常用于高频段，如双脊波导喇叭天线，由于所涉及的机械问题和高增益，这类天线最好用于１～２ＧＨｚ以上的频段。

尺寸问题

上面已提到了ＥＭＣ天线的设计中，尺寸是一个很重的制约因素，使用非常大的天线会出现很多问题。我们要求从天线耦合到地面，被测设备、屏蔽室的墙面和任何其它周围物体的干扰必须最小，如果天线的振子与周围物体保持一定距离的话，耦合问题就会小一些。显然，从这点上讲，天线越小越好。

波束宽度是另一个必须与增益折衷考虑的因素，天线不能产生功率！天线的作用仅仅是集中功率，就如同放在光线后面的反光镜的作用一样，换句话说，增益和波束宽度是一对矛盾，当增益增大时，波束宽度减小，反之亦然，这种现象的实际效果就是限制了任意时刻的“被测”区域，如果在敏感度试验中，测试场的辐射范围或者在辐射发射试验中，接收天线的接收范围小于被测设备的尺寸，那么就需要反复多次重复试验直到被测设备完全被测试过但即使这样，测试结果也可能是无效的。

总之，增益，带宽和尺寸是相互联系的，通常随着增益的增加，尺寸也加大，同时，随着带宽的增大，尺寸也要加大，因此，围绕着天线的问题是显而易见的，要制造一副很小但带宽又很宽的天线是不现实的，