文森特·罗德里格斯,ETS-Lindgren LP。美国德克萨斯州雪松公园
从早期开始,天线就被用于EMC测量。对天线图样的了解并不是标准的要求。虽然MIL STD 461和一些SAE标准要求提供半功率波束宽度的信息,但大多数标准不要求了解天线辐射特性。随着覆盖1 GHz以上频率的标准的发展,模式知识变得更加重要。由于在1 GHz以上,大多数天线都是非常定向的,非常不像偶极子,关于模式的信息变得非常重要,特别是当涉及到了解主波束覆盖的面积时。本论文首先向读者介绍天线图参数,然后展示电磁兼容中最常用天线的典型图。天线包括双锥天线、对数周期偶极子阵列、混合天线和双脊喇叭。除了18 GHz以上的模式外,其余都是测量数据。
介绍
天线是一种辐射和接收无线电波的设备。天线辐射有不同的方法或机制。我们都很熟悉谐振器天线。偶极子是天线上这种类型的一个明显例子。在共振天线中,随着能量在电场和磁场之间的变化,电荷会发生移动。天线上电荷的这种运动导致场线振动,产生波,在远离谐振天线的自由空间中传播。图1显示了这种类型的行为。天线辐射的另一种机制是通过阻抗跃迁,使传输线中的能量被发射到自由空间。喇叭天线是行波天线的一个例子。他们的辐射方法是基于从传输波导或线到自由空间阻抗的波阻抗跃迁。 Figure 2 shows this mechanism of radiation on a horn antenna.
辐射模式
天线辐射图或天线图是天线辐射特性作为空间坐标[1]的函数的数学函数或图形表示。也就是说,当我们在两个正交轴上旋转天线时,我们可以测量辐射场的强度。图3显示了辐射大小与方向的关系图之一。
E h平面
虽然今天很容易创建如图3所示的图形,并在计算机上操作它们,但在天线工程的早期并不是这样。因此,为了便于辐射图样的图形表示,工程师通常绘制图样的两个正交平面。工程师们选择电场振荡的平面,而不是任意地为球面坐标系的给定角度绘制平面(例如φ=90o)。这架飞机叫做E型飞机。这个平面的正交平面被命名为h平面。即使在今天,在文献中,模式也通常显示在E和H平面。
全向和定向
就像自然界中的许多其他事物一样,人脑喜欢对事物进行分类,以便于研究它们。辐射模式也一样。我们可以做的第一个划分是将模式分为两组:定向模式和全向模式。Omnidirectional来自拉丁语omni,意为“每一个”或“所有”和“方向”。这些似乎是向各个方向辐射的图案。但事实并非如此。全向天线辐射全向模式,在给定的主平面(E或H平面)上向所有方向辐射。图4显示了所有全向天线中最简单的偶极天线。偶极子在H平面上向各个方向辐射,但在E平面上有两个空区(很少或没有辐射的区域)。
全向不应与各向同性混淆。各向同性(来自希腊语,isos意为“相同”或“相等”,tropos意为“方向”)意味着散热器在其周围的所有方向上施加完全相同的辐射。不存在什么各向同性天线。三个类偶极子天线的组合可能具有一定的各向同性,但它永远不会是一个完美的各向同性源。各向同性源是描述天线增益的一种数学工具。方向性天线是指当我们绕着天线旋转时辐射主要集中在一个方向上的天线。
主叶,副叶,后叶
我们现在继续用人类的方法对事物进行分类,使它们更容易研究。如果我们观察辐射模式,我们会观察到一系列的特征。图样中会有一个区域大部分辐射都指向那里。这是主瓣。在主瓣的两侧,我们可以发现辐射比邻近区域高的区域。这些是旁叶。侧瓣通常被称为空区的小辐射区分开。在主瓣的相反方向上通常有一个旁瓣。这个特殊的旁瓣被称为后叶。图5显示了一个模式和上面描述的特性。
半功率波束宽度
应该很清楚,最重要的波瓣是主波瓣。毕竟,主瓣包含了大部分的辐射能量。这并不意味着其他脑叶无关紧要。后叶应该很小。我们不想向后面发射太多辐射。这在频率高于1 GHz的抗扰频率下尤其重要,此时放大器通常放置在腔室内靠近天线以减少电缆损耗。旁叶也很重要;如果吸收器处理不当,照亮腔室两侧的高侧瓣会影响场的均匀性。在EMC之外,模式的这些参数甚至更为重要。
但显然,如上所述,主瓣是最重要的,因为它应该包含EUT。描述主瓣大小的参数是半功率波束宽度。由于1/2等于0.5,10Log10(0.5)≈-3dB,所以半功率波束宽度(HPBW)也被称为3dB波束宽度。HPBW是以度为单位给出的,它描述了两个点与辐射功率低3dB的最高辐射点一侧夹角的弧度。图6显示了图5所示模式的半功率波束宽度。为了清晰起见,该模式用笛卡尔坐标而不是极坐标表示。值得注意的是,HPBW是从-3dB点到-3dB点,而不是从-3dB点到峰值。
制造商应向天线用户提供HPBW信息。将给出E和H平面的HPBW。对于线极化天线,当天线处于垂直极化状态时,E面将垂直。当天线旋转到水平极化时,E面将是水平的。同样,当天线设置为垂直极化时,H面将是水平的;当天线设置为水平极化时,H面将是垂直的。
另一个重要的问题是HPBW,像其他模式参数一样,是一个自由空间,远场参数。波束宽度可以让您了解所覆盖的区域,但在某些情况下,测试区域中的结构(如接地工作台和地平面)将影响辐射模式和波束宽度。图7和图8显示了一个对数周期天线放置在水平偏振辐射1米远的工作台。这是CISPR 25和其他标准中常见的设置[2-4]。
因此,用户在使用从图案中提取的HPBW来估计主梁的覆盖面积时必须谨慎。在某些情况下,如新设置从1GHz以上测试[5],它将提供一个很好的估计。在其他情况下,例如存在长凳和其他特征时,最好使用现场探头来估计主梁的覆盖范围。
模式测量
如上所述,在大多数情况下,测量的图形和HPBW足以让天线的用户了解覆盖范围。由于HPBW给出了给定测试距离和一些三角函数的弧或覆盖范围,因此可以估计给定天线的覆盖区域。在下一节中,我们将展示EMC中最常用天线的典型模式。采用矩形暗室和锥形暗室对典型EMC天线在400 MHz ~ 18 GHz范围内的辐射图进行了测量。在此之后,将天线设置在OATS上,并测量两个主要平面上的图形。图9显示了在矩形消声室中测量覆盖30 MHz到6 GHz的混合天线。矩形暗室与锥形暗室相比,在2至6 GHz范围内提供了更好的结果,锥形暗室的最佳覆盖范围为400 MHz至2 GHz。图10显示了室外设置。在这种情况下,测量的是双锥天线。混合天线被用作源天线,而被测天线(AUT)在其存在下旋转。
双锥形的
首先,我们看一下双锥天线。这些天线是EMC从30 MHz到200 MHz的主力。一般情况下,可使用的型号涵盖从20 MHz范围到300 MHz范围。双锥天线是全向天线的一个例子。它的图形在H平面上是全向的,在E平面上有两个空值。图11和12显示了EMC中常用的双锥天线的典型测量模式。
从这些模式中我们可以提取出HPBW。对于H平面,显然HPBW大于180度;没有主梁。对于E面,波束宽度范围在45度到90度之间。
对数
EMC工程师的另一个主力是对数周期偶极子阵列(LPDA)天线。这些是定向天线,具有非常明确的主波束以及定向模式中常见的所有其他特征。在这个特殊情况下,我们测量了一个覆盖80 MHz到2 GHz的LPDA模型。最常见的型号是那些覆盖从200mhz到2ghz。只要它们的几何形状具有相同的设计参数[1],它们的模式就非常相似。图13和14显示了频率低于1GHz的对数周期天线的模式。注意,E平面图案在90度和270度方向上有一个空值。这与偶极子类似,偶极子是构成LPDA阵列的元素。图15和图16显示了在1GHz以上不同频率下的模式。
LPDA天线的HPBW通常相当平坦。对于天线所覆盖的频带中心,情况尤其如此。从大约200到1500 MHz,被测量的天线显示两个平面的HPBW平均为50度。
混合天线
尽管CISPR 16[5]并不特别喜欢混合天线,因为它们的长度,但其他标准没有问题。此外,由于其覆盖范围广,非常适合在最终符合性测量之前对EUT进行初步扫描。这些天线是前面展示的两种类型的混合。双锥元素被转换成蝴蝶结,以更好地匹配LPDA部分的几何形状。他们的模式清楚地表明了这一点。在低频时,它们表现得像双锥天线,在高频时,对数周期行为是明显的。图17至20显示了该范围的低频和高频在主平面上的模式。重要的是要注意双锥行为在较低频率的范围。
与双锥天线一样,混合天线在100 MHz以下频率下的HPBW大于180度。一旦日志周期段被激活,HPBW就相当平坦,除非对LPDA设计参数进行更改。
双脊角
双脊喇叭天线(DRHA)是MIL STD[2]的首选天线。这种天线家族是文献中描述得最好的家族。在它们的辐射模式方面尤其如此。从[6]开始,双脊喇叭天线模式的高频行为存在一个大问题。在[7-10]中,对这些天线的辐射图做了一些改进,以避免主波束中部的空值。三种最常见的双脊喇叭天线的HPBW信息如图21至23所示。正如参考文献[8-10]中描述的那样,这些模型中的模式性能得到了改进。
结论
读者已经介绍了天线图案的命名法。已经定义和说明了描述模式的不同概念和参数。最后给出了最常用的电磁兼容天线的模式和HPBW信息。
确认
作者要感谢位于德克萨斯州雪松公园的ETS-Lindgren天线校准实验室,他们帮助建立了用于测量400 MHz以下模式的OATS。作者还要感谢ETS-Lindgren的CTIA授权测试实验室(CATL)的工作人员,感谢他们在四个消声室中的两个中测量模式的帮助。最后,作者感谢ETS-Lindgren的营销部门为测量图案所需的不同设置拍摄的图片。
参考文献
C. Balanis,天线理论:分析与设计,第二版,John Wiley and Sons:纽约,1997。
[2]《Mil STD 461F国防部接口标准:子系统和设备电磁干扰特性控制要求》,美国国防部,2007年12月。
CISPR 25,“车辆、船只和设备上使用的接收机保护的无线电干扰特性-限值和测量方法”,第2版,瑞士日内瓦IEC, 2002。
[4]“SAE表面车辆电磁兼容性(EMC)标准手册”,汽车工程师协会,沃伦代尔,PA 1999。
[5] CISPR 16-1-4,“无线电干扰和抗扰度测量仪器规范和方法。第1-4部分无线电干扰和抗扰度测量仪器-辐射干扰测量天线和测试场所”,第3版,IEC日内瓦,瑞士2010。
[6] C. Bruns, P. Leuchtmann, R. Vahldieck,“1-18 GHz宽带双脊天线的分析”,IEEE电磁兼容汇刊,第45卷第1期,2003年2月1日:55-60。打印。
[7] V. Rodriguez,“新型宽带EMC双脊导向喇叭天线”,RF设计,2004年5月:44-50。打印。
[8] V. Rodriguez,“一种改进辐射模式的新型宽带双脊导角,用于电磁兼容性测试”,第16届国际电磁兼容性研讨会,瑞士苏黎世,2005年2月。
[9] V. Rodriguez,“宽带双脊波导喇叭天线的改进”,2009年IEEE天线和传播国际研讨会和USNC/URSI国家无线电科学会议,查尔斯顿,SC, 2009年6月。
[10] V. Rodriguez,“双脊喇叭天线的最新改进:200 MHz至2 GHz和18 GHz至40 GHz型号”,2009年IEEE EMC国际研讨会,德克萨斯州奥斯汀,2009年8月。
韦森特罗德里格斯1994年,1996年和1999年,他分别在牛津大学获得了学士学位、硕士学位和博士学位。2000年6月,Rodriguez博士在Texas A&M University-Kingsville的电气工程和计算机科学系做了一段短暂的访问教授后,加入EMC测试系统公司(现为ETS-Lindgren),担任射频和电磁工程师。2004年9月,罗德里格斯博士接管了高级首席天线设计工程师的职位,负责不同应用的新天线的开发和改进现有的天线线。2006年,Rodriguez博士成为代理天线产品经理,负责天线产品线的开发、营销和维护。在2010年秋季,Rodriguez博士成为官方天线产品经理。
在ETS-Lindgren工作期间,他参与了多个腔室的射频消声设计,包括矩形和锥形天线模式测量腔室,其中一些工作频率为100 MHz至40 GHz。他还是巴西空间研究所(INPE)消声室的首席射频工程师,该消声室是拉丁美洲最大的消声室,也是唯一的全汽车EMC和卫星测试室。罗德里格斯博士开发的天线包括用于汽车和国防工业的新型宽带双脊和四脊导向喇叭,以及用于现场测量的全向天线。可以在……找到他(电子邮件保护)