一种天线近场测量磁场探头天线设计

孙　鸣，周　勇

(南京信息工程大学 电子与信息工程学院，江苏 南京 210044)



一种天线近场测量磁场探头天线设计

孙鸣，周勇

(南京信息工程大学 电子与信息工程学院，江苏 南京 210044)

摘要：设计了一种共面波导形式的近场磁场探头，用于天线近场测量。通过建立电磁仿真模型，计算了探头的S21和S11参数，验证了探头在100～1 500 MHz频段具有良好的频率特性。实物加工与测量结果表明：探头的实物与仿真结果相符，证明了所设计的共面波导形式的近场磁场探头的有效性和高空间分辨率。

关键词：天线近场测量；磁场探头；共面波导形式

0引言

相较于远场测量，天线近场测量成本低、测量精度高，并且可以在室内进行，从而避免了天气等因素的影响，可以全天候工作，所以天线近场测量被广泛应用。近场测量要求测量天线的探头对空间电磁场的分辨率高，并且对待测天线的干扰小。

目前，大范围使用的天线近场测量方法是模式展开法[1-2]，此方法虽然有效地减小了测量所需空间，但是对于频率小于100 MHz的天线而言，采用此方法测量仍然需要至少9～15 m的空间距离，而大部分的近场测量实验室是无法满足这个测量距离的。针对这种情况，文献[3-4]提出将惠更斯-基尔霍夫原理与等效原理作为天线近场测量的理论依据。这个理论与模式展开法相比，天线近场测量的空间距离得到了进一步减小。基于此理论，文献[2,5]选择近场测量探头为磁场探头[2,5]。组成磁场探头的基本形式是导线绕制形成的小环，在磁场测量过程中，电场会对磁场测量带来干扰。为了减小或消除电场的干扰，磁场探头采用屏蔽环结构[6-7]。该结构的磁场探头主要由半硬同轴电缆组成，将半硬同轴电缆弯成圆环状，同轴电缆的一端与屏蔽层相连。屏蔽层一般为铜等良导体，一端与SMA接头相连，在环的中心位置把外导体开一个缝，即把同轴电缆的内导体裸露出来。磁场探头的对称性越好，其抗干扰能力越强。当探头环内的磁通量发生变化，环的缝隙处会产生电压，电信号通过同轴电缆传输给SMA接头另一端的仪器，从而测出磁场强度的变化[8-9]。然而，这种形式的磁场探头受到同轴线外屏蔽层直径宽度的限制，因为要把同轴型磁场探头直径做到毫米级比较困难，所以无法提高探头的分辨率。

本文设计了一种共面波导(coplanar waveguide，CPW)形式的磁场探头，利用矢量网络分析仪对探头的频率响应特性进行了测量，完成了探头从理论探究到试验验证的过程。共面波导结构磁场探头直径尺寸小，结构简单，空间分辨率较好，可以用于天线近场测量。

1磁场探头的工作原理与设计

使用环形探头测量磁场的重要理论基础为法拉第电磁感应定律[10-11]：

(1)

其中：右边的第1项为磁场强度变化产生的感应电动势；右边第2项为环形探头相对于磁场运动产生的感应电动势。由于测量磁场的过程中，应该保持探头的静止，因此式(1)可以简化为：

(2)

其中：U为探头在磁场中感应产生的电压；μ为真空磁导率；H为探头导带圆环中心处磁场强度；S为探头圆环面积；f为磁场的频率。通过测出电压U，可以得到该处的磁场。

磁场探头的灵敏度与空间分辨率主要由探头的尺寸决定，两者在一定程度上是相互矛盾的。探头尺寸越大，其灵敏度越高，空间分辨率越低；探头尺寸越小，其灵敏度越低，空间分辨率越高。所以在设计探头时，需要根据实际情况权衡两者，选择合适的尺寸。

本文设计的探头在天线近场测量中使用，由于近场区的电场与磁场随着距离的增加而迅速减小，源的距离又很小，所以场的空间不均匀度很大，这就要求磁场探头的空间分辨率比较大。同时由于是天线近场测量，磁场探头对待测场的干扰越小越好，从而要求磁场探头微型化。由于同轴线外屏蔽层直径宽度的限制，很难使同轴型磁场探头微型化，本文设计了高空间分辨率的共面波导(CPW)型磁场探头，该探头是同轴型磁场探头的一种演变形式，其演变过程如图1所示。

图1　同轴型到共面波导型磁场探头的演变

图2　共面波导型磁场探头结构示意图

本文设计的磁场探头结构示意图如图2所示。整个探头呈对称结构，以达到较好的屏蔽电场作用。在CPW的两边地都打上一个金属孔，这样有利于屏蔽电场。探头采用SMA接头进行馈电。探头环的边长L稍小于十分之一的波长。由于共面波导的馈线为50 Ω，而环天线的阻抗远大于50 Ω，这时馈线与环天线使用渐变微带线使阻抗匹配。

2磁场探头的电磁仿真与试验测量

2.1频率响应特性

对于一般的天线而言，为发射或接受大部分电磁波，端口处的反射系数越小越好。本文设计的磁场探头天线是近场测量天线，其作用是将空间待测点处的电磁场能量耦合，但不能有电磁能量从探头输入。为了减小对被测量场的扰动，需要减小天线环上的感应电流，要求探头输入端反射系数越大越好。

2.2线性度

线性度是指探头测到的待测物体电磁场强度随频率变化的曲线。对于不同频率的信号，理论上只要场强幅度相等，探头输出的数据应该是相等的。

2.3空间分辨率

空间分辨率是指探头分辨空间磁场分布的能力。CPW磁场探头使用HFSS软件仿真。为了更好地验证探头的有效性，加工制作了共面波导结构磁场探头的实物。磁场探头采用FR4基板，其介电常数为4.6，物理尺寸为30.5 mm×11.6 mm,工作频段为100～1 500 MHz。图3是探头的接受特性试验测量方案示意图，测量时可以使用横向电磁场 (transverse electric and magnetic field，TEM)小室来测量探头的特性。在不方便使用TEM小室时，可使用微带线来代替TEM小室，由于微带线传输的是准TEM波，因此确保了测量的有效性[12-13]。本文使用50 Ω微带线作为场强发生装置。将微带线导带与Y轴平行，微带线一端加50 Ω匹配负载，另一端连接到网络分析仪端口1，网络分析仪输出0 dB信号。探头与YOZ面平行且置于导带中心正上方以获得磁场的最大值，其输出端连接到网络分析仪端口2。此时，网络分析仪端口1作为发射端，端口2作为接收端，测出耦合S21参数(S21和S11均为微波领域的特定参数)曲线，即为探头的线性度。

图3　CPW探头的接受特性试验测量方案示意图

对于空间分辨率试验，将磁场探头置于50 Ω微带线导带中心正上方，探头环最底部距离微带线5 mm，探头沿着X方向(如图3所示)移动，测量频率为1 000 MHz，测量微带线中心上方X方向不同位置的输出值S21，以验证该探头的空间分辨率。

3结果与分析

图4　探头空间分辨率测试结果图

图4为探头空间分辨率测试结果图。由于磁场探头的灵敏度不是一个绝对的指标，其关键在于磁场探头及其配合使用的仪器是否容易地测量到待测场。磁场探头的空间分辨率与其灵敏度是一对矛盾体，对于磁场探头而言，探头环尺寸越大，其灵敏度越高，空间分辨率越低。由图4可知：当探头距离微带线中心2 mm时，探头的输出值S21较其在微带线正上方时小了近10 dB，所以该磁场探头的空间分辨率约为2 mm，表明该磁场探头可以用在天线的近场测试中。

图5为探头线性度仿真结果与测量结果。由图5可知：探头线性度的仿真结果与测量结果的变化趋势是一致的， S21曲线比较平坦，说明探头的线性度比较好。S21参数的仿真结果和测量结果相差1.8 dB左右。其中， S21的实测结果在400～1 500 MHz频段的起伏小于3 dB，具有很好的平坦度，该磁场频率内S21数据的精确性与可信度更高。SMA接头的损耗和加工误差是导致仿真结果与实测结果产生误差的主要原因。

图6是探头的频率响应特性图。从图6中可以看出：该探头的端口反射系数非常大，从而使其对天线近场的干扰特别小，能够适用于天线近场测量。其测量结果与仿真结果比较吻合。

图5 探头线性度仿真结果与测量结果图6 探头频率响应特性

该试验使用E8363C型矢量网络分析仪对探头进行测量，由于该探头的空间分辨率高，在仿真建模型时可以精确地定位探头与微带线的距离。而在现实测量时，由于没有精确的定位仪器，只是用人工进行定位，因此测量距离与仿真时的测量距离存在误差。另外，由于SMA接头的损耗和加工的误差等原因，在测量探头线性度时仿真结果与测量结果相差大约3 dB。从图4～6可以看出：该探头能够适用于100～1 500 MHz的天线近场测量。

4结束语

本文设计并制作了共面波导磁场探头。该探头频段为100～1 500 MHz时，其线性度稳定，空间分辨率高，频率响应特性好，对天线近场测量造成的干扰较小。本文设计的磁场探头具有尺寸小、易加工、成本低和性能良好等特点，不仅适用于天线近场测量，还可以用于电磁兼容的试验。

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基金项目：江苏省自然科学基金项目(BK20140999);江苏省气象传感网技术工程中心开放基金项目(KDXG1302)

作者简介：孙鸣(1991-),男,江苏南京人,硕士生;周勇(1982-),男，安徽天长人，讲师，博士,硕士生导师,主要从事天线测量方面的研究.

收稿日期：2015-12-04

文章编号：1672-6871(2016)04-0046-04

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.04.010

中图分类号：TM937.1

文献标志码：A