强电磁环境测试天线研制

姜传飞，朱宜生

（中船重工第723研究所，江苏 扬州 225001）

近几十年来，各种电子设备的应用越来越多，电磁环境也越来越复杂，特别是随着强电磁场、高功率电磁波的应用越来越广[1]，各种强电磁环境对电子设备的影响也越来越大。这就需要加强对强电磁场的研究，对强电磁环境进行精确测量的需求也越来越迫切[2]。目前对强电磁环境的测量还存在很多问题，由于受到多种因素限制，国内外还没有一个标准的、统一的方法[1]。文中的主要内容就是研制一种可用于强电磁环境测试的天线。根据GJB 1389A的要求，频率范围初定为12～18 GHz，为进行强电磁场的现场测试提供技术手段，最后以实测结果来确定工作范围。具体步骤为：首先根据测试频率范围确定天线的设计方案，然后采用HFSS电磁仿真软件对天线进行仿真设计，优化各部分结构尺寸，在此基础上进行详细的结构设计和加工制作。最后进行实测，并与仿真结果进行对比分析。

1 天线的原理以及结构

1.1 设计原理

作为测量强电磁环境的天线，其主要思想是尽可能减小接收天线的接收信号强度。在空间距离一定的情况下，减小接收天线的有效面积（如减小天线的口径[3]）就可减小其接收功率，使接收到的信号强度尽量衰减。根据公式：AF=E/V[4]可知，天线的天线系数越大，在强电磁场环境下得到的信号越小。12～18 GHz的短偶极子天线原理如图1所示，为了减小接收天线的有效面积，天线的振子长度减小到0，此时天线口径最小，可最大限度衰减环境的场强。天线采用和同轴线类似的结构，前端为了和电缆连接，采用N型连接头形式，后面为同轴结构，内部采用聚四氟乙烯作为绝缘支撑及定位部件。在天线顶端开缝，采用对称激励的方式，是采用了裂缝激励对称振子天线的原理。如果没有裂缝和短路器，在同轴线内流动的电流就不会流到外表面去，因此振子也不会受到激励。

天线顶端的缝使天线的激励方式对称，在同轴线外导体的外表面上会出现电流，但这个电流在缝隙的两边数值相等，方向相反，不会发生交叉极化辐射。振子两臂的电流仍然相等，不会破坏对称性，也可以增加振子与同轴线外表面的去耦作用，故这种天线可以在宽频带内工作，并且都能保证对称激励[5]。

1.2 与其他天线相比较的优缺点

强电磁环境测试天线采用上面短偶极子的结构具有频带宽、口径小等优点。

单极子天线也可以通过缩短天线长度来减小天线效率，从而可以使接收到的信号衰减。随着天线杆长度的减小，特别是在λ/4以下时，则会使天线阻抗减小，效率降低。根据公可知，理论上单极子天线的天线系数也可以达到符合要求的程度[6]。随着天线杆长度的减小，天线的输入阻抗会减小，输入的电抗会变大，导致谐振曲线很尖锐，天线频带会变窄，无法像上面设计的短偶极子天线可以达到很宽的频带。

喇叭天线是一种宽带天线，完全可以满足宽频带的需求，但是喇叭天线的口径比较大。根据公式D=可知，喇叭天线的方向性比短偶极子天线的好，天线系数也会比短偶极子天线小，而且结构较复杂，所以还是短偶极子天线比较适合。为了进一步证明短偶极子天线更适合作为测试强电磁环境的天线，在同样条件下对这几种天线进行测试，并比较测试结果。

2 基于HFSS的仿真设计

根据HFSS仿真确定总体结构，优化各部分的具体结构尺寸，包括外导体内径、内导体直径、缝长及缝宽[8]。然后进行具体结构的设计，仿真模型如图2所示。

仿真的目的是为了确定天线增益与外导体内径（6.5～8 mm）、内导体直径（2.5～4.5 mm）、缝宽（0.7～2 mm）、缝长在中频1/4波长附近变化的关系，确定最优化的尺寸组合，得到较小的增益。

短偶极子天线增益的理论值如图3a所示。由图3a可知，短偶极子天线的增益在12～18 GHz频段内的理论增益G为-12～5 dB。上面的增益是没有考虑失配影响时的结果，根据公式G0=G1+G2可以求得广义增益G0，其中G1是仿真值，G2是反射损耗引起的增益变化。可以根据仿真得到的反射率来计算G2，进而得出广义增益G0。反射损耗增益的具体计算方法为G2=10 lg（1-η2）[10]，其中η为反射率。采用该公式进行计算，得到天线的广义增益，如图3b所示。

由图3b可知，短偶极子天线的增益在12～18 GHz频段内的广义增益G0为-22～2 dB。假设环境电场强度为10 kV/m，根据公式AF=-29.75+20 lg fMHz-G0可知，理论计算得到的天线系数AF在53～75 dB/m范围内。根据公式AF=U+E，得仪器接收的电压U为27～5 dBV，也就是1.78～22.39 V，加上30 dB衰减器，则得到的电压为50.1～794.3 mV，基本在仪器的安全接收范围内。

3 参考天线法校准天线

根据CISPR16-1-4，参考天线法可以用于两个不同的天线情形下，其中一个天线是已经校准过的标准天线，另一个是待校准天线[11]。

3.1 校准原理

在50欧姆测试系统中，天线系数AF与天线增益G的关系式如式（1）：

式中：G为天线增益。

此公式需满足远场条件，即两天线之间的距离大于2D2/λ[13]，D为天线的最大尺度，单位为m。由于频率范围为12～18 GHz，所以距离1 m为天线的远场。

天线增益采用参考天线法进行测量。参考天线法适用于发射天线已校准的情况，其接收与发射的功率关系式如式（2）[14]：

式中：PR为接收天线的接收功率，W；PT为发射天线的发射功率，W；GT为发射天线的增益，dB；GR为接收天线的增益，dB；d为两天线水平距离，m。

根据式（2），得接收天线的增益为：

在接收和发射系统阻抗相同的情况下，功率测量可由电压测量代替，因此可得到式（4）：

式中：UR为天线接收电压，dBμV；UT为天线发射电压，dBμV。

由于发射天线为自制喇叭天线且已校准，天线系数已知，所以发射天线的增益为：

由式（5）可得接收天线的天线系数：

3.2 试验布置

采用矢量网络分析仪测试两天线之间的传输系数，即S21。通过式（6）可以计算得到天线系数。试验布置如图4所示。

图4 实验布置Fig.4 Experiment layout

其中S21=UR-UT，由此得到式（7）：

式中：fm单位为GHz；AF单位为dB/m。

天线校准步骤为：

1）将两个天线高度调节到1.2 m，距离移动到1 m。天线水平布置，两天线正对。天线距离和高度与标称值的偏差在2 cm之内，地面铺设好吸波材料。

2）将接收天线与矢量网络分析仪相接，测得环境噪声并保存数据图像。

3）将电缆与天线连接好，网络分析仪1端口与发射天线相连，2端口与待测接收天线相连，测得场衰减，计算得到天线系数。

4 实际测试及其结果分析

在开阔场中搭建测试系统。测试仪器为矢量网络分析仪E5071C，发射天线使用2#12～18 GHz自制喇叭天线，矢量网络分析仪的两个端口分别连接发射天线和接收天线，测量传输系数S21。测试频段为12～18 GHz，在测试之前要先校准直通，将电缆的影响去除掉。

短偶极子天线的实际测试得到的测试结果如图6所示。

图6 12～18 GHz频段的实测天线系数与理论天线系数Fig.6 The measured and the theoretical AF in 12～18 GHz band

由图6可知，天线的实测天线系数AF为53～70 dB/m，结果较好。图6中曲线有很多小范围的波动，可能是由于暗室地面和墙面的反射引起的。整体趋势也与理论仿真结果有较大差异，在12～15 GHz频段，理论值比实测值大5 dB左右，15 GHz以上时天线系数相差不大。由于高频时制作误差对天线的影响会变大，所以两者间的差别可能是制作以及测试误差引起的。由于电缆耦合得到的信号基本都在-80 dB以下，对天线接收的影响较小，所以测得的数据是可信的。假设环境电场强度为10 kV/m[15]，根据公式AF=U+E，得仪器接收的电压U为10～28 dBV，也就是3.2～25.1 V。如果加上30 dB衰减器，则得到的电压为100～794.3 mV，这个值在接收机的测量范围内。

根据以上实测结果可知，文中研制的天线的最佳天线系数大概在60～70 dB/m范围内，最佳的工作频率范围如图7所示。

图7 天线的最佳工作频段内的实测天线系数Fig.7 The measured AF of antenna in the best working frequency band

由图7可知，天线的最佳工作频段为13～17 GHz，在此范围内的天线系数AF为58～70 dB/m。根据GJB 1389A中的规定，在11～18 GHz范围内的待测场强最大值为2800 V/m。根据公式AF=U+E，仪器接收到的电压U为-1.1～10.9 dBV，也就是118.9～130.9 dBμV，即得到的电压为0.9～3.5 V。接收机的测量范围在150 dBμV左右，这个值在接收机的测量范围内。在对GJB 1389中规定的场强进行测量时，完全满足要求，可以通过圆周多点测量法来确定所要测场强的方向图等信息。

5 结语

文中给出了一种测试强电磁环境的天线，采用HFSS软件进行天线的仿真设计并且与实际测试的结果进行对比，两者结果未能够统一。同时与喇叭天线与单极子天线进行了对比，分析了其优缺点，最终确定短偶极子天线为最适合的天线，基本满足了GJB 1389中的测量要求。接下来需要对某些尺寸进行改进，期望提高其性能。

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