双锥对数复合天线测试不确定度的探讨.docVIP

有关双锥/对数复合天线测试不确定度的探讨 与使用双锥/对数复合天线进行辐射和场地有效性评价测试时的测量不确定度相关的因素有许多，其中包括天线的高度，极化和加载。 Zhong Chen EMC Test Systems Austin, TX 自第一次出现在1994年罗马国际EMC会议后，双锥/对数复合天线在全球的EMC实验室已得到广泛使用。由于使用此类天线在进行EMC测试无需中断频率扫描，可减少测量时间。EMC工程师简单的假定此类天线的特性在低频段及转换频点以上的高频段分别与单个的双锥天线和对数周期天线(LPDA)相同。这种简单的假设已经带来了一些问题，由于辐射发射及场地有效性的标准都是基于对称振子天线，而双锥/对数复合天线的相位中心位置和天线方向图的变化特性将给测量带来较大的测量不确定度。尽量越来越多的EMC工程师已经开始意识到估算和降低测量不确定度是EMC测试中的重要一环，但对双锥/对数复合天线相关的不确定度估算的研究开展的却很有限。 多数的天线厂商和校准实验室都提供了单个天线的校准天线因子(AF)及相关的不确定度（U）值。正确理解这些数据是很关键的。EMI和归一化场地衰减(NSA)测试是在引入一导电接地平面下测试的。校准实验室可能指供出十分精确的反映天线固有特性的自由空间对应的天线因子（AFs）。研究表明在接地平面上天线性能可有几个dB的变化，其大小取决于具体的天线型式。大多数情况下，在接地平面上双锥/对数复合天线的性能不同于单个的双锥或对数周期天线。由于引入了接地平面，较小不确定度的自由空间天线因子并非总意味着可以带来小的测量不确定度。 本文将探讨应用双锥/对数复合天线进行EMI或NSA测试时相关的测量不确定度因素。它们是：在接地平面上复合天线的AF与高度的依赖性；与几何布置相关的AF和NSA测量；相位中心随频率的变化；天线波束形状以及双锥/对数复合天线与双锥和对数周期天线的对比。有些天线厂商在复合天线的末端使用容性负载来改善天线的低频性能。本文也用解释这种加载对测量不确定度的影响。 接地平面上AF与高度和极化的关系 AF定义为入射电场强度与天线馈点端接的50欧姆负载上的接收电压的比值。自由空间的AF对应于天线处于自由空间中并平面波照射时对应的数值。如量尺的物理长度一样，自由空间AF是天线的固有特性，应该与校准条件无关。然而，与冷热可改变量尺的物理长度类似，天线的周围环境也会影响天线的AF。取决于天线极化方式和高度，NSA及EMI测试时引入的接地平面将使天线的AF变化2或3dB，较温度对量尺长度的影响显著。不同型式的天线与接地平面的相互作用不同，因此AF的变化必须逐个对应。 图1是传统的对锥/对数复合天线，而图2是改善低频性能后的天线模型。这里我们给出图1对应的天线AF在接地平面上与天线高度的关系。图3和图4分别给出了天线高度为1米，2米，3米和4米时水平或垂直极化天线对应的数值计算得到的AFs。而要引起注意的是EMI和NSA测量时天线需1到4米。间变化。如果我们采用自由空间对应的AF或某一确定高度下得到的AF在不同的天线高度上进行测量时，无论校准再精确，而误差总是存在的。 图1 传统的双锥/对数天线 图2 改进的双锥/对数天线模型 不同的频率，对应的不同的AFs；不同的极化，AFs是不同的；不同的相间距离，AFs也是不同的…… 我们可能试图使用一AFs矩阵，以便在不同的高度使用不同的天线因子。然而，不同的频率对应不同的天线因子；不同的极化方式对应不同的天线因子；不同的测试距离对应不同的天线因子。随之而来的实际问题时需要在EMI测量期间使用一个复杂的多维AFs矩阵。 如果我们试图牺牲一点精度，是否存在一折衰方法取代这一复杂的AFS矩阵呢？自由空间的AF可以提供一个可以接受的平均值。如图3所示，自由空间的AF在大多数频率上都正好处于中间位置。这也是近年来ANSI、CISPR和其它国际标准趋向于使用自由空间的天线因子进行产品的EMI测试的原因。尽管我们可能得到一接近完美的自由空间AF，但典型的测量条件不是自由空间，这一天线因子对于通常的EMI或NSA测量来讲将是有缺陷的。除了校准实验室给出的校准不确定度，对于总的测量不确定度，我们必须估算与天线和几何形状有的测量布置引入的不确定度。 标准场地法校准与NSA测量的关系 ANSI C63.5校准通常称作标准场地法，其要求在接地平面上采用三天线法校准。测量时要求接收天线在1～ 频率 (MHz) 注：· 自由空间AF h=1.0m,水平极化 h=2.0m,水平极化 h=3.0m,水平极化 h=4.0m,水平极化 ▲ 制造商公布的数据 图3 在导电平面上水平极化时在不同高度下的双锥/