文摘:
各向同性探头可用于100kHz至6GHz, 2MHz至18GHz, 2MHz至40GHz和2MHz至60GHz的辐射敏感性测试水平测量。
对于MIL-STD-461和DO-160测试,10kHz到18GHz的频率范围会更好,这里提出了一个可能的解决方案。
简介
本文描述的探头有10kHz ~ 40MHz、40MHz ~ 1GHz和1GHz ~ 18GHz三个独立的部分。这三部分可以封闭在一个45厘米高,直径12厘米的非导电管中。
10kHz到40MHz部分在底部,40MHz到1GHz部分在中间,1-18GHz部分在顶部。
这些部分的输出是直流电压,这些直流电压被求和并应用到电压-频率转换器上。转换器的输出应用于光纤驱动器,该光纤驱动器通过光纤电缆连接到位于腔室外部的电子设备。
测量的频率从连接到驱动天线的功率放大器的信号发生器获得。
探头的电源来自可充电电池,因此在使用时探头没有导电连接。
位于测试室外部单元的小型单板计算机用于对光纤电缆上的数据进行频率振幅校正。
测试场电平显示在显示器上,数字输出可用于调平。
网站上描述了这种将多个频率段组合在一个天线结构中的想法emcconsultingantennas.com垂直极化全向,耐风雨,便携,90MHz至2.4GHz的天线,非常适合现场使用。
制造并测试了三个探针。
频率响应
这是必须使用的所有三个探针的总和的频率响应,这是通过测量所有三个探针的频率从10kHz到18GHz来确定的。然后,计算机程序将用于校正总体频率响应,包括带外响应,以及适用的振幅。所有三个组合探头的测量还没有生产,计算机和求和放大器也还没有生产。本文的目的是表明,在5V/m和220V/m的测试水平上,探头可以覆盖10kHz到18GHz的频率范围,且各向同性偏差最小。输出也足够高,在频率下检测到最低输出为5V/m。这是80mV从10kHz到1Ghz或-30dBm的1-18GHz检测器,在220V/m的最大输出频率上不会太高。这是3.52V dc从10kHz到1Ghz或+10dBm的1-18GHz检测器。
带外耦合
计算机程序将天线的带外响应计算在内,并将压控振荡器的输出与辐射敏感性测试频率进行比较。
由于所有源的直流输出是总和(包括带外响应),因此VCO频率是这些直流电压的组合,并且可以根据测试场电平和测试频率进行校准。主要关注的是探测中使用的天线的同位素特性是否保持在带外频率,因此带外响应被衰减如下。
从10kHz到40MHz,不存在低于10kHz的测试频率。放大器中使用的ADA4817运算放大器具有1050MHz的-3dB带宽。放大器的增益是x10,所以增益带的乘积是105MHz。在各向同性偏差的测量中,100MHz和40MHz的测量结果基本相同。
40MHz到1000MHz探头
再次使用ADA4817,因此增益x1输出在1050MHz以上迅速减少。在较低频率时,电路中包含一个滤波器,在30MHz时将信号衰减30dB,在35MHz或更高时将信号衰减50dB。
1GHz至18GHz探头
MACOM 2086探测器的频率响应为1GHz到18GHz。
由于不存在高于18GHz的频率,因此低于1GHz的频率是值得关注的。
这些被参考文献1图5.112中描述的过滤器非常有效地过滤,配置为高通滤波器。666MHz时响应为-15dB, 570MHz时响应为-30dB, 500MHz时响应为-50dB, 400MHz及以下响应为-40dB。
振幅unlinearity
振幅响应中的任何非线性都是由于放大器和探测器在10kHz到40MHz和40MHz到1GHz探头,以及探测器在1-18GHz。
所有天线都是无源的,天线元件由纯铜或黄铜制成。
在大多数情况下,天线输出直接焊接到放大器的输入端,除了1-18GHz天线使用镀金低无源调制(PIM)连接器。这意味着不会产生PIM产品,天线输出是入射场大小的线性函数。
两个放大器和射频检测器的线性度是通过比较射频信号输入和直流输出从80mV增加到2.5V dc来测量的。由于应用于射频二极管的直流偏置,直流响应开始于一个非常低的交流信号。然而,射频探测器的响应是轻微非线性的,所以不仅必须使计算机正确的频率,它还用于测量该频率的振幅,并正确的振幅响应。
从1GHz到18GHzo 18GHz探头不使用放大器,而是使用射频检测器。MACOM 2086系列探测器的动态范围为40dB,要求更低,为32.8dB。平面度为+/-1.25dB。
1.1-18GHz探头部分
这个部分由两个磨细的铜蛤壳制成,当它们螺栓连接在一起时形成一个直径10厘米的球体。其中一个安装在蛤壳上的天线如图1所示。
图1天线照片
天线长度为1.2cm,顶部加载盘直径为1.2cm。
该天线安装在铝箔覆盖的球体上,测试频率范围从1GHz到18GHz,在频率范围内的响应最大在16dB以内。在单板计算机中进行校正,并对所有天线的频率响应进行校正。
RPDT0018射频探测器可以适应这个范围。蛤壳包含26个天线,它们围绕球体呈45度均匀间隔,如图2所示。
图2全部26根天线的布局图
在垂直或水平极化入射电场为0度或45度或90度时,天线中的电压发展是相同的。然而,如果球体旋转22.5度,那么入射在球体边缘的一个天线上的场就会被球体遮蔽。同样数量的天线被照亮。然而,由于天线相对于磁场角度的变化,感应电压的降低很小,在一个原型箔覆盖的球体上测量1GHz时,在45度到22.5度之间的测量电压的变化仅为0.483 dB,这大约是各向同性偏差。这与指定具有+/- 1dB偏差的商业探针相比很好。将天线再旋转22.5度,使天线的数量和位置与第一次测量完全相同。
天线的输出通过可成形可焊接的半刚性电缆连接。
蛤壳含有三个直径约6.5厘米的圆形多氯联苯。
其中一个pcb的布局如图3所示。
图3 PCB布局图
蛤壳的一半含有两个多氯联苯,另一半含有剩余的多氯联苯。来自八个天线的柔性可成形半刚性电缆连接到其中一个PCB,并从另外八个连接到第二个PCB,七个连接到第三个PCB。三种PCB的布局可以完全相同,如图3所示-每根电缆的中心导体连接到指定为18GHz的µWave 50欧姆电阻,50欧姆连接到相对介电常数为2.7的μwave PCB材料上蚀刻的50欧姆微带。PCB材料可以是Isola IS680,松下R5785或类似的。电缆的屏蔽通过一个特殊的接头连接到PCB背面的接地平面。
微带在PCB上连接在一起,PCB输出使用柔性同轴电缆连接在一起,然后从一个PCB到一个SMA连接器,使用柔性同轴电缆,安装在一个蛤壳的底部。使所有的天线输出加在一起,并应用于探针底部的1-18GHz射频检测器。
2.40MHz至1GHz探头部分
该探头部分由一个垂直取向的10cm偶极子和两个水平取向的偶极子组成,每个偶极子连接到差分放大器和射频检测器。因此输出是直流的,并在位于探头底座的求和放大器中求和。放大器从差分输入转换为单边,从偶极子上的高阻抗负载(通常为1000欧姆)转换为用于驱动射频检测器的电流,如图9所示。利用MOM分析程序4NEC2D对60MHz负载1000 Ohm的偶极子进行建模,在负载下产生的电压为-11dBm。测量差分放大器的输出,在射频检测器之前,它是-10dBm。
为了测量两个水平方向偶极子的各向同性偏差,将天线旋转0度、22.5度、45度、67.5度和90度,并将两个输出相加。22.5度、67.5度和90度时的偏差为0dB, 45度时的偏差为-0.9dB。
图4显示了两个水平方向偶极子的模型。
图4两个水平方向偶极子与一个放大器PCB的模型。
只显示了一个放大器PCB,而两个放大器,一个用于水平,另一个用于垂直,背靠背将需要。
差分放大器原理图如图5所示,尽管射频检测器被图9所示取代。一个100欧姆电阻和1.6pF电容显示在1000欧姆负载呈现给天线。这是为了降低负载阻抗,从而在高频下产生电压。尽管如此,1GHz和200V/m的电压发展为6V rms,这对OP放大器来说太高了。因此,需要进行一些额外的过滤。与其他探头一样,最终频率补偿应在数字读出单元中完成。放大器包括40MHz高pas滤波器。
图5差分Hi Z输入、滤波器和射频检测器电路。射频检测器如图9所示。
包含放大器和射频检测器的35mm x 25mm PCB的布局如图6所示。
图6 35mm × 25mm PCB布局图
3.10kHz至40MHz探头部分。
他们尝试了许多设计,包括一个带有电流探头的导电球,一个涂有碳纤维并由热敏电阻测量温度的电阻球,以及一个具有水平组件的单极子。
虽然在前两种情况下使用了高增益前置放大器,但设计仅对远高于5V/m的E场有效。
设计决定是一个10厘米直径的非导电球体,5个环等距离轴向和垂直方向包裹,另外5个环水平方向包裹。一个回路从球体的一侧开始,在另一侧结束,形成一个圆,垂直回路的末端连接到22k欧姆负载电阻和垂直放大器的输入端。同样,水平回路的两端连接到22k欧姆负载电阻和水平放大器的输入端。由于线圈是由磁线制成的,珐琅质确保水平和垂直的线圈彼此绝缘。
图7显示了球体上的一个水平循环和一个垂直循环
图7在10cm的球体上循环。
垂直回路连接到一个高输入阻抗差分放大器,如图8所示,水平回路连接到第二个相同的放大器。总电压是垂直和水平回路输出的和。
图8 10kHz至40MHz放大器
当垂直线圈平行于垂直E场时,线圈保持垂直,但在电场中旋转,感应电压不变。
同时监测具有垂直电场的水平回路中的感应电压,并将其旋转,其变化不超过2dB。
垂直线圈相对于磁场从0度旋转到90度,这意味着水平线圈与磁场的角度是0度。
垂直线圈和水平线圈的测量电压随着线圈的旋转而增加,测量的总和变化不超过2dB。因此各向同性偏差接近2dB。
线圈暴露于5V/m电场时的频率响应从10kHz到40MHz进行了测量。
设计目标是5V/m的电场输出80mV, 220V/m的电场输出3.52V。在放大器之后的射频检测器的设计如图9所示。
图8所示的放大器在差分输入端包含一个低通滤波器,以衰减高频响应。然后是10kHz的两个高增益阶段。900uH电感必须是高Q和低直流电阻(通常为10milli Ohm)。空气芯电感是理想的,但是对于900uH,尺寸将是一个巨大的40cm x 100cm。铁氧体磁芯由于其高损耗将不是一个好的选择。应选择为射频应用设计的低损耗铁尘芯。相对磁导率为36的线圈,用#18AWG磁线缠绕,直径为1厘米,长度为3.6厘米。关于滤波器设计和电感设计的进一步信息可参考
只有带有低通滤波器的差分放大器应该位于天线上,这是测试期间使用的位置。最后两级中0.27μF和0.28μF的精确值是关键,因此需要通过测试来确定放大器和滤波器的最终设计。
频率的最终校正是由包含在测试箱外的单板计算机的单元执行的。
探头校准的推荐技术,当与其他探头合并在最终配置时,使用带状线天线。
4.射频检测器
同样的检测器用于10kHz到40MHz放大器和40MHz到1GHz放大器,原理图如图9所示。
运算放大器是一个单位增益放大器,增益带宽积为1GHz。运算放大器的输出驱动能力不够高,无法驱动射频检测器电路中的肖特基二极管。
因此,在运算放大器的输出端使用一个中等功率的射频晶体管来增加驱动电流。为了消除二极管射频检测器固有的电压降,使用第二个相同的二极管对检测器二极管施加偏置。在测量中,探测器输出端的直流电压为20mV,没有施加射频。应用射频场产生的最小80mV输出电压为100mV。数字读数中的最终增益调整校正为20mV,并在没有应用RF时显示0V/m。
图9射频检测器
5.求和放大器和光纤驱动器
如图10框图所示,该单元底座内的电子设备包括电池充电器、电池、电源、求和放大器、1-18GHz检测器、压控振荡器和光纤驱动器。
该单元应在一个不高于4厘米的金属外壳中,以确保它能安装在50厘米的带状天线下。测量时,设备外部不连接导电电缆。
安装在外壳顶部的非导电管中的天线电缆可以穿过外壳顶部。
图10单元底座电子元件框图
数字读出装置
该单元位于屏蔽房间外,并通过光纤链路连接到房间内的探头。
可能的解决方案的框图如图10所示。在该方案中,从光纤接收机的串行数字输入被发送到移位寄存器。然后将其解码并作为计算机的输入。信号发生器用于功率放大器的输入,频率范围:10kHz至40MHz, 40MHz至1GHz和1GHz至18GHz。
探头在这些范围内的频率校准被存储在计算机中,并用于生成以伏特/米为单位显示应用磁场的显示器。
单板计算机可能是一个Arduino。
这部分探测器的详细设计尚未完成。
图11数字读出单元的可能解决方案框图
结论
其中一个1-18GHz天线安装在一个铝箔覆盖的球体上,并在现场旋转以计算各向同性偏差。输出在1GHz和5V/m的电场下进行监测,以确保产生的电压足以满足1-18GHz检测器的要求。
在10kHz到40MHz的频率范围和5V/m的电场下,构建并测试了10kHz到40MHz的天线。在施加5V/m时,放大器输出端的电压高到足以在射频检测器的输出端产生电压,并且由于输入滤波器在220V/m和40MHz时不应该太高。与其他探头一样,最后的频率补偿是在数字读出单元中进行的。
在40MHz到1GHz的频率范围内构建和测试了40MHz到1GHz的偶极子。放大器的输出在5V/m时足够高,但在1GHz时需要额外的滤波,外加220V/m的电场。与其他探头一样,最后的频率补偿是在数字读出单元中进行的。
参考
- A. Weston,电磁兼容:方法,分析,电路和测量,第三版,1100页的书。2017年,CRC出版社。