天线系数是用来表征天线接收特性的重要参数,直接关系到电磁兼容性测量结果的准确度.国内外许多****对于电磁兼容测量天线系数的校准方法进行了研究,文献[3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]提出了标准条件下天线系数校准的改进方法,文献[10, 11, 12, 13, 14, 15]研究了开阔试验场、混响室等其他条件下天线系数的校准方法,但都只给出一种温度条件下的校准方法和结果,即在实验室标准温度条件下(20℃左右)的天线系数,由温度因素引起的天线系数变化未见文献报道.因此,需要剔除由环境温度引起的测量天线系数误差,提高测试设备的精度,确保测试结果的有效性和准确性.
1 天线系数校准原理 1.1 标准1 m法天线系数校准原理 GJB J5410—2005中给出了距被测件1 m的两天线法天线系数校准方法[16],如图 1所示.校准时,需要两个相同的天线,两天线间的插入损耗与天线系数之间的关系为
式中:AFT和AFR分别为发射天线和接收天线的天线系数,dB/m;IL为发射天线和接收天线端口之间的插入损耗,dB;η0=120 π Ω为自由空间波阻抗;Z0为系统阻抗,通常为50 Ω;λ为电磁波波长,m.
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| 图 1 两天线法天线系数校准Fig. 1 Antenna factor calibration using two antennas |
| 图选项 |
如果已知其中一个天线的天线系数,则可计算待测天线的天线系数:
式中:AF1和AF2分别为待测天线和已知天线的天线系数,dB/m;fM为测量频率,MHz.
1.2 天线系数温度误差补偿原理 若要得到温度对天线性能的影响变化规律,需将被试天线置于温度可控的环境内,见图 2.
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| 图 2 不同温度条件下天线系数校准Fig. 2 Antenna factor calibration under different temperature conditions |
| 图选项 |
设信号源输出为P,使用发射天线产生一定场强,在标准场地常温条件下,接收天线接收到的场强为Eo,则
保持测试条件不变,将接收天线置于温度实验箱中,此时:
式中:S为场地引入的误差;Eo为接收天线置于温度实验箱后接收到的场强.
保持测试条件不变,改变温度实验箱内的温度,此时:
式中:IL、S′、A′FT和E″o分别为不同温度条件下的线缆损耗、场地引起的误差、接收天线的天线系数和接收天线接收到的场强.假设
则由式(4)和式(5)可得
式中:A′FT为天线在不同温度下的天线系数.
1.3 测试误差分析 由天线系数误差补偿原理可知,产生测试误差的来源主要为温度对线缆和温度实验箱的影响,以及温度实验箱对接收天线的影响.
温度对线缆的影响主要通过形变引起其阻抗等电参数变化.金属的热膨胀系数一般为10-5～10-6m/℃,自然环境温度变化一般为-40～50℃,实验用线缆最大尺寸一般不超过3 m,由温度变化引起的电参数变化非常小,可以忽略.
但温度实验箱体会对被试天线接收性能产生影响,为尽量减小箱体内壁对电磁波的反射及由密闭腔体导致的谐振效应,本文采用以二氧化硅体系为主的透波材料作为温度实验箱体,该种材料具有极小的线膨胀系数α(约0.5×10-6K-1)、较好的抗热冲击性能、较低的介电常数ε(2.8～3.5)和损耗角正切tan σ( < 0.004),且随温度变化小的优点,同时导热系数小,热防护能力好,制造工艺相对来说较简单,成本较低.
选取辐射发射测试中常用的LPDA-9531型对数周期天线为例,见图 3,研究箱体对被试天线接收性能的影响规律.由于军用标准规定天线与被试品的距离为1 m,此时,对数周期天线处于近场使用条件,很难进行理论推导和计算,因此,本文采用仿真分析与实测相结合的方法进行分析.
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| 图 3 LPDA-9531型对数周期天线Fig. 3 LPDA-9531 type log periodic antenna |
| 图选项 |
1.3.1 典型天线建模仿真分析 使用CST电磁场仿真软件对LPDA-9531型对数周期天线进行精细建模[17],LPDA-9531型对数周期天线仿真模型如图 4所示.
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| 图 4 LPDA-9531型对数周期天线仿真模型Fig. 4 A simulation model of log periodic LPDA-9531 type |
| 图选项 |
模型尺寸及材料性质均采用实际数据.以此为基础,分别讨论温度实验箱体对被试天线性能的影响.
1) 实验箱谐振效应仿真分析.
设置平面波作为辐射源,对温度实验箱进行照射,如图 5所示.箱体内部尺寸1 600 mm×1 200 mm×1 800 mm,材料介电常数ε=3.0,tan σ=0.005.仿真频率f范围为0.3～1 GHz,按照表 1所示实验箱谐振效应仿真参数设置进行仿真.
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| 图 5 实验箱谐振效应仿真模型Fig. 5 Experiment box resonance effect simulation model |
| 图选项 |
表 1 实验箱谐振效应仿真参数设置Table 1 Resonance effect simulation parameter settings of experiment box
| f/MHz | 仿真位置/mm | |
| x平面 | z平面 | |
| 400 | 600 | |
| 400,600,800 | 1 100 | 1 000 |
| 1 400 | 1 400 | |
表选项
通过对不同频率、不同位置的仿真结果可知,当x=1 400 mm且z=1 400 mm时的附近区域电磁场分布较均匀,且谐振效应不明显,场强在0.3 V/m以下.x=z=1 400 mm时3种频率下的仿真结果如图 6所示.
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| 图 6 x=z=1 400 mm时3种频率下的仿真结果Fig. 6 Simulation results in three kinds of frequency with x=z=1 400 mm |
| 图选项 |
2)自由空间天线接收性能仿真.
建立自由空间天线系数测试仿真模型,如图 7所示.收发天线距地面1.5 m,两天线之间距离为1 m.图 8为自由空间接收天线的频率-端口电压(V)变化曲线.
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| 图 7 自由空间天线系数测试仿真模型Fig. 7 Simulation model of antenna factor test in free space |
| 图选项 |
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| 图 8 自由空间接收天线的频率-端口电压变化曲线Fig. 8 Frequency-port voltage changing curve of receiving antenna in free space |
| 图选项 |
3) 温度实验箱对天线性能影响仿真.
使用CST仿真软件,对实验中使用的温度实验箱进行建模仿真,接收天线置于实验箱内时的仿真模型和实验箱内接收天线的频率-端口电压变化曲线分别如图 9和图 10所示.
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| 图 9 接收天线置于实验箱内时的仿真模型Fig. 9 Simulation model when receiving antenna put into experimental box |
| 图选项 |
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| 图 10 实验箱内接收天线的频率-端口电压变化曲线Fig. 10 Frequency-port voltage changing curve of receiving antenna in experimental box |
| 图选项 |
1.3.2 实验测试分析 选取两副相同型号(LPDA-9531)的对数周期天线,测试配置与仿真布局相同,设置信号源发射功率为13 dBm,f为0.3～1 GHz.首先,在标准实验室温度20℃条件下,按照校准频点逐一测试,使用EMI接收机测得天线接收的幅值数据;其次,保持测试配置不变,将接收天线放置于温度实验箱内,设置箱内温度为20℃,测得此时天线在各个校准频点的接收场强幅值A.20℃时两种条件下的接收天线实测数据对比如图 11所示.
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| 图 11 20℃时两种条件下接收天线实测数据对比Fig. 11 Measured data of receiving antenna under two conditions when temperature is 20℃ |
| 图选项 |
仿真结果与实测结果的相对误差对比,如图 12所示.可见,仿真结果与实测结果的相对误差曲线变化趋势基本一致,两条曲线之间的平均误差为1.46 dB,最大误差为2.88 dB,说明当其他测试条件相同时,引入温度实验箱后的系统测试误差与仿真值(近似为理论值)相比可满足3 dB的测试要求.
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| 图 12 仿真结果与实测结果的相对误差对比Fig. 12 Comparasion of relative errors obtained from simulation results and measured results |
| 图选项 |
2 天线系数温度误差修正 2.1 测试方法 天线系数温度误差校准流程如图 13所示,主要测试步骤为：
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| 图 13 天线系数温度误差校准流程Fig. 13 Calibration process of antenna factor temperature error |
| 图选项 |
1) 如图 2所示,将两个型号相同的天线互相对准,距离1 m,保证两天线轴线在同一直线上,并且极化匹配.将接收天线置于温度实验箱内并保持T=20℃,在此情况下,按照天线校准证书中给出的校准频率fj(j=1,2,…,m),在校准频率最小值fmin和最大值fmax之间,按照频率变化量Δf步进,分别测量每一个校准频点的AFT.
2) 保持信号源输出和测试配置不变,假设Tmin≤T≤Tmin,首先设置实验箱内温度为最低温度T=Tmin,对接收天线进行保温.之后,按照步骤1)中的配置进行测量,得到此时接收天线的天线系数AFTmin.
3) 保持信号源输出和测试配置不变,令温度实验箱内温度Ti+1=Ti+ΔT(ΔT为温度变化量,i=1,2,…,n),重复步骤2),获取不同温度条件下被试天线的天线系数A′FT.
4) 将测得的不同温度条件下对应的天线系数A′FT分别与标准温度条件下得到的天线系数AFT进行比较,获得不同温度对天线系数的影响变化量ΔAFT.
5) 使用插值拟合算法对步骤4)中获得的测试数据进行处理,获得天线系数随温度变化的温度-频率-天线系数相对变化量曲面.
2.2 典型天线系数温度误差修正曲线 应用第2.1节中的方法,在测试频率0.3～1 GHz的范围内,实验温度-40～50℃之间,每隔10℃对LPDA-9531型对数周期天线进行一次测试,获得其在典型温度下LPDA-9531型对数周期天线接收场强幅值变化曲线,如图 14所示.采用3次样条插值算法对上述典型温度下天线接收场强幅值的相对误差进行拟合处理,得到对数周期天线的频率-温度-天线接收场强幅值相对误差(δ)修正曲面,如图 15所示.
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| 图 14 典型温度下LPDA-9531型对数周期天线系数幅值变化曲线Fig. 14 Antenna factor amplitude curve of LPDA under typical temperature |
| 图选项 |
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| 图 15 LPDA-9531型对周期天线频率-温度-天线系数相对误差修正曲面Fig. 15 Correction surface of periodic antenna frequency-temperature-antenna factor relative error of LPDA-9531 type |
| 图选项 |
3 实例验证 为进一步验证该方法的正确性和有效性,采取如下方法进行验证.
3.1 验证方法 分别在标准实验室20℃条件下和开阔试验场自然环境温度条件下进行辐射发射测试,采用本文的天线系数温度误差修正方法对开阔试验场条件下的测试数据进行修正,逆推预测常温下的结果,再与标准实验室的测试结果进行比对分析,检验两种结果之间的误差,验证该方法的有效性.
为确保两种场地情况下测试结果的可比对性,需要选取标准被试品并使其状态保持一致,为此,本文选取CGC-515型标准辐射源并将其置于非金属透波材料制作的保温箱内,保温温度设为20℃,测试频率为0.3～1 GHz.
1) 标准实验室20℃条件下标准被试品的辐射发射测试.
在标准实验室20℃条件下,将辐射参考源置于保温箱内并使其温度保持在20℃,将被试天线放置在距离辐射参考源被试面d=1 m处,天线与参考源高度h=1.5 m,进行辐射发射测试,获取辐射参考源的辐射发射数据,标准EMC实验室辐射发射测试布置如图 16所示.
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| 图 16 标准EMC实验室辐射发射测试布置Fig. 16 Radiation emission test layout in standard EMC laboratory |
| 图选项 |
2) 开阔试验场高低温环境条件下标准被试品辐射发射测试.
将辐射参考源置于保温箱内并使其温度保持在20℃,测试配置与标准实验室测试布置一致.利用温度传感器实时监测开阔试验场环境温度的变化情况,选取合适的环境温度点,使用被试天线测量辐射参考源的辐射发射情况,记录此时辐射参考源的辐射发射数据及对应的环境温度值,开阔试验场辐射发射测试布置如图 17所示.
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| 图 17 开阔试验场辐射发射测试布置Fig. 17 Radiation emission test layout in OATS |
| 图选项 |
3.2 实验结果比对分析 1) 标准实验室20℃条件下标准被试品的辐射发射测试数据.
在北京无线电计量测试研究所完成20℃条件下标准被试品的辐射发射测试,将测试结果作为基准比对数据,标准EMC实验室20℃时辐射发射测试数据,如图 18所示.
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| 图 18 标准EMC实验室20℃时辐射发射测试数据Fig. 18 Radiation emission test data at 20℃ in standard EMC laboratory |
| 图选项 |
2)开阔试验场自然环境温度条件下标准被试品辐射发射测试数据.
在开阔试验场实际环境温度6℃条件下进行标准被试品的辐射发射测试,开阔试验场辐射发射测试布置如图 19所示,开阔试验场6℃去除噪底后的开阔试验场背景环境电平及辐射发射测试数据如图 20(a)和图 20(b)所示.
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| 图 19 开阔试验场辐射发射测试布置Fig. 19 Radiation emission test layout in OATS |
| 图选项 |
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| 图 20 开阔试验场6℃时背景环境电平及辐射发射测试数据Fig. 20 Background environmental level and radiation emission test data at 6℃ in OATS |
| 图选项 |
为达到对比的有效性和准确性,首先将开阔试验场典型背景环境干扰剔除,得到可用于对比的开阔试验场辐射发射测试数据,剔除背景干扰的开阔试验场辐射发射测试数据,如图 21所示.
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| 图 21 剔除背景干扰的开阔试验场辐射发射测试数据Fig. 21 Radiation emission test data in OATS which has eliminated background interference |
| 图选项 |
3) 测试数据比对.
应用图 15所示频率-温度-天线系数相对误差修正曲面将开阔试验场测试数据修正到20℃,剔除数据异常值后将开阔试验场实测数据、修正后测试数据与标准实验室20℃时的测试数据进行比对分析,对比频段0.3～1 GHz,检验3种情况下测试结果之间的误差.实测数据、修正数据与标准数据的比对,如图 22所示.
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| 图 22 实测数据、修正数据与标准数据的比对Fig. 22 Comparation between measured data and revised data and standard data |
| 图选项 |
经计算,实测数据与标准数据之间的平均误差为2.51 dB,均方根误差为6.34 dB,修正后的实测数据与标准数据之间的平均误差为1.16 dB,均方根误差为4.10 dB.结果表明,通过天线系数温度误差修正,减小了测试误差.
4 结 论 本文针对外场电磁兼容性试验,提出了一种电磁兼容测量天线系数温度误差修正方法,通过实验验证表明:
1) 该方法的最大测量误差为2.88 dB,能够有效保证测量精度.
2) 该方法能够对典型对数周期天线的天线系数进行温度误差修正,实例测试表明,可有效减小环境温度对测量结果的影响.
3) 通过天线系数温度误差修正,可将典型对数周期天线的使用环境温度扩展到-40～+50℃.
4) 适用于军标中规定的基于1 m法校准的电磁兼容测量天线,如双锥、对数周期和双脊喇叭等天线的天线系数温度误差修正.
为使本文提出的方法能够推广应用到其他类型的电磁兼容性测量天线,并使其能在更大的温度范围内使用,还需进一步优化修正参数和控制测量误差.
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