简析常用EMC测试天线

简析常用EMC测试天线

罗 迅

中国汽车工程研究院股份有限公司  401122  身份证号：500382199406068516

摘  要:天线是电磁兼容（EMC）测试中所使用的重要仪器，用于接收或传播空间中的电磁场信号，通过对不同天线特性的研究计算，结合接收仪器获得的数据，推导出被测物的电磁兼容特性。汽车电磁兼容测试频率已覆盖DC0Hz~40GHz，一般频率越高对应天线的电尺寸越小，因此只用一类天线肯定无法满足如此宽频带的测试需求。本文对电磁兼容测试中常用的四类天线进行了分析，并说明选用该型天线的原因。

关键词：电磁兼容；辐射骚扰；天线

1. 概述

天线可分为无意和有意天线。无意天线为被测样品产生辐射骚扰的主要路径，可能耦合样品内部的无用骚扰信号并进行放大后对外部空间进行释放，成为一个大的骚扰源导致测试不通过。有意天线可以对被测样品的有意发射部分信号进行放大，例如GPS和蓝牙等天线；有意天线也可以作为测量仪器用于测量无意天线发出的辐射骚扰强度，或用于产生空间电磁干扰来测试样品抗干扰能力。

2. 天线特性
   1. 带宽

带宽是指天线所能覆盖的频率范围，又可分为绝对带宽和相对带宽，前提是天线的主要电指标都能满足设计要求。绝对带宽为天线的上下限频率差，相对带宽是绝对带宽与中心频率之比，一般用百分数表示，即

2.2.增益

增益是指在同一点上，天线与空间中理想的辐射单元所产生的信号功率强度之比。天线增益用于表征天线在特定方向上集中能量的能力，或在特定方向上灵敏地接收能量的能力，天线本身不会放大信号。

天线增益越大，能够在特定点产生规定场强值的所需要的功率就越小，或在实验室能提供的功率一定的前提下，能够在特定点产生的场强越高，主要应用于辐射抗扰度-ALSE法试验中。

2.3.天线系数

天线系数是其本身固有参数，为输入到天线参考平面上的电场强度与接收到的输出电压之比。天线系数的量纲单位为，对数形式为，将该系数与接收机或其他试验设备相结合，即可在指定的受测位置对测样品的辐射骚扰特性进行测试。

2.4.电压驻波比

电压驻波比是没有单位的数值，用于表征天线与系统的匹配程度，其最小值为1，通常来说驻波比越小匹配度越高，反之则表示反射功率越大，其公式：

其中为前向功率，为反向功率，天线上下限频率便是在驻波比小于一定值的条件下天线所能达到的频率来界定。

2.5.天线方向图

将所有向量端点连成的曲面图，即为天线方向图，表征天线随空间坐标变化的辐射参量函数图形，从原点以矢量表示天线向各个方向辐射的强度。其最大的辐射方向为主波瓣，另外较小的还有旁瓣、后瓣等。天线放线图虽然与天线增益是两个不同的概念，却有着密切的联系，一般来说在天线主瓣方向能量越集中，天线增益也越大。

3. 测试天线
   1. 单极天线

单极天线脱胎于偶极子天线，中心位置输入电源的长为的细导线即为偶极子天线，其每一臂具有二分之一波长。在EMC测试中使用更多的是由偶极子天线镜像简化而成的单极天线，一般称为杆（棒）天线。单极天线是由垂直于导电面、底部馈电、电源与接地导电面相连接的一根长条形单臂，臂长为。

3.2.双锥天线

双锥天线的模型是终端开路的传输线分开而成的天线，天线截面直径与其两臂间的距离之比不变时，可保持不同频率的特性一致。设想的的双锥天线应向两端无限延伸，但现实无法实现，需要进行终端加载，在终端连接处天线直径和长度之比的突变导致天线特性受到较大的影响。于是进一步改进，采用球形加载和圆锥形加载技术，以减少终端与自由空间失配所产生的反射波问题。保证讯号具有行波特性，以圆滑的曲线过渡横截面。这样就成功避免了电流分布因天线半径导数不连续而骤然改变的情况，阻抗特性得到有效改善变得更宽。通常用导线栅取代圆锥形的导体表面，以减轻重量，更易于制造。

3.3.对数周期天线

对数周期天线是由N个对称振子天线和双线传输线相互连接而成，是一种非频率变化天线。电流可沿传输线进行传播，当信号源将电能供给短振子的一端时，会将各个振子逐个进行激发。只有当振子的长度与谐振长度接近时，才会产生一个足够大的电流激发，该振子所在位置称为有效区域或辐射区，从而形成一个有效的辐射空间。电流从馈电点流经辐射区的这段区域，振子的电尺寸小输入阻抗大，所以电流小，其辐射效应可以忽略不计，称为传输区。电磁能在辐射区域被有效吸收，当振子长度超过谐振长度时，就会造成天线剩余的未激励区的振子电流迅速减弱到几乎可以忽略的地步。因此，在特定频率下，不同长度的振子所起的作用不同。整个系统可依据每个振子的电流强度及辐射功率的差异，从馈源端开始逐渐区分，依次分为传输区、辐射区及未激励区。各天线振子的电尺寸在天线工作频率变化时保持恒定，造成随着频率的变化，有效辐射区向新的工作频率的谐振区移动，这就是为什么该天线有宽频带特性。

3.4.喇叭天线

喇叭天线由均匀波导和截面递增的喇叭状波导所组成。喇叭开口能够将激励小天线在波导内产生电磁场辐射出去。波导截面尺寸不宜过大，以限制波导中高次模电磁波的传输，同时口径面尺寸需适当扩大，以增强波导开口端的指向性。因此，通过增加波导截面与电磁波口径之间逐渐扩大的过渡部分，减少波导中的发射系数，大部分能量可通过开口辐射出去，仅仅反射一小部分。喇叭天线可根据其扩展形式的不同分为三种，扩展窄边形成的喇叭天线称为E面扇形喇叭天线，其方向图在E面方向上的波瓣宽度比H面方向相对较窄，而扩展宽边形成的H面扇形喇叭天线则正好相反，宽窄边均进行扩展的则称为角锥喇叭天线。在喇叭天线腔体内继续加入脊结构，能够增加带宽、降低阻抗、提高增益、并加强辐射的方向性，且体积更小，称为角锥双脊喇叭天线，也是现阶段EMC测试中所使用的典型天线。

参考文献：

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作者简介：罗迅（1994-） 男 重庆市渝北区 汉族 初级工程师 本科 学士