世纪汇泽（苏州）检测技术有限公司
-
-
-
-
-
- CS101（25Hz~150kHz电源线传导敏感度）
- CS102（25Hz~50kHz地线传导敏感度）
- CS103（15kHz~10GHz天线端口互调传导敏感度）
- CS104（25Hz~20GHz天线端口无用信号抑制传导敏感度）
- CS105（25Hz~20GHz天线端口交调传导敏感度）
- CS106（电源线尖峰信号传导敏感度）
- CS109（50Hz~100kHz壳体电流传导敏感度）
- CS112（静电放电敏感度）
- CS114（4kHz~400MHz电缆束注入传导敏感度）
- CS115（电缆束注入脉冲激励传导敏感度）
- CS116（10kHz~100MHz电缆和电源线阻尼正弦瞬态传导敏感度）
- RS101（25Hz~100kHz磁场辐射敏感度）
- RS103（10kHz~40GHz电场辐射敏感度）
-
-
-
-
-
-
-
-
-
- CS101（25Hz~150kHz电源线传导敏感度）
- CS102（25Hz~50kHz地线传导敏感度）
- CS103（15kHz~10GHz天线端口互调传导敏感度）
- CS104（25Hz~20GHz天线端口无用信号抑制传导敏感度）
- CS105（25Hz~20GHz天线端口交调传导敏感度）
- CS106（电源线尖峰信号传导敏感度）
- CS109（50Hz~100kHz壳体电流传导敏感度）
- CS112（静电放电敏感度）
- CS114（4kHz~400MHz电缆束注入传导敏感度）
- CS115（电缆束注入脉冲激励传导敏感度）
- CS116（10kHz~100MHz电缆和电源线阻尼正弦瞬态传导敏感度）
- RS101（25Hz~100kHz磁场辐射敏感度）
- RS103（10kHz~40GHz电场辐射敏感度）
-
-
-
-
客户案例
CASES
EMC测试天线的参数浅析
发布时间：
2023-09-05 00:00
1 概述
在电磁兼容性(EMC)测试中，天线起着至关重要的作用。天线是电磁波的接收器和发射器，它们捕捉或发出信号，并将其传递给测试设备或测试样品。
接收电磁辐射：天线可以接收外部环境中的电磁辐射，包括无线电频谱中的信号。在测试中，天线可以用于检测设备的电磁发射水平。
发射电磁辐射：在某些EMC测试中，需要模拟设备向周围环境发射电磁辐射。天线可以作为发射器来发射特定频率和功率的电磁波，以评估设备对其他设备的干扰影响。
天线的选择和定位，对测试结果的准确性和可重复性至关重要。正确的天线选择可以确保准确地测量设备的辐射和敏感度。本文主要介绍EMC测试中常用的天线，以及这些天线需要满足的参数要求。
2 EMC测试天线分类
在EMC试验中，测量天线按照频率划分主要包括以下几种类型：
A，9kHz~30MHz频段
-单极天线(杆天线)
-环天线
B，30MHz~1000MHz频段
-调谐偶极子天线
-双锥天线
-对数天线
-复合天线
C，1GHz~18GHz及以上频段
-喇叭天线
-对数周期偶极子整列天线
3 天线的参数特征
3.1 天线系数
天线系数(Antenna Factor)是一个用于衡量天线对电磁波的响应和传输效率的参数。它描述的是天线将收到的电磁波转换为在天线接收端或发射端引入电缆等设备中的电信号的能力。天线系数通常以分贝dB(m-1)为单位表示。
天线系数是天线尺寸、结构、材料和设计等因素的综合结果。它取决于天线的有效面积、辐射模式、增益和频率响应等特性。不同类型的天线具有不同的天线系数。
辐射骚扰测试中常用的计算公式如下：
E(dBμV m)=U(dBμV)+Fa[(dB m-1)]+L(dB)
在30MHz～1000MHz应该采用测量电场用的类偶极子天线(dipole-like antenna), 并且需要使用自由空间天线系数。
A，9 kHz ～ 30 MHz频段的环天线
在此频率范围内的干扰现象是磁场分量起主要作用，主要测量天线为环天线。环天线的重要参数包括磁场天线系数和屏蔽性能。
磁场天线系数 AF=Hincident / Vreceived，单位为dB(S/m)或者dB(A/m/V)。
磁场强度单位dB(µA/m)或者µA/m，同时电场强度除以377Ω可以得到磁场强度，即H(µA/m)=E(µV/m)/ 377 Ω。
以dB(µV/m)为单位的电场强度减去51.5dB得到以dB(µA/m)的磁场强度，即H[dB(µA/m)]=E[dB(µV/m)] – 51.5dB(Ω)。
环形天线的屏蔽不够理想会产生电场响应。对环天线的电场响应的鉴别应通过在均匀场旋转环平面使其平行与电场矢量的方法来评估。环平面平行于磁通量时测得的响应应比环平面垂直磁通量时测得的响应至少低20dB。
B，9 kHz ～ 30 MHz频段的单极天线
测量该频段辐射电场分量时，对称或不对称的天线都可以使用。当使用不对称天线时，测量仅表示电场对垂直杆天线的感应。
CISPR 16-1-6给出了1m长单极天线(杆天线)工作特性的计算方法和其匹配网络的特性的有关信息。
C，9 kHz ～ 30 MHz频段的大环天线系统
在9kHz~30MHz频率范围内，单个EUT的辐射磁场分量可用大环天线系统(LLAS)来确定。该辐射骚扰是以磁场在LLAS的每个环天线中的感应电流形式来测量的。LLAS由三个互相垂直、直径为2m的大圆环天线构成，CISPR 16-1-4中给出了磁场感应电流和磁场强度之间的转换系数以及验证方法。
LAS环天线系数要求
D，30 MHz以上频段的天线
CISPR 16-1-6给出了30MHz以上频段天线系数的校准方法和要求，汇总如下：
采用标准场地法SSM得到的天线系数为准自由空间天线系数。测量条件要求如下：
- 发射天线高度：2m
- 接收天线高度：1m~4m
- 极化方向：水平极化
- 收发天线水平投影距离：10m
采用标准场地法SSM测量的双锥天线系数Fa,SSM，需要采用标准规定的修正系数△Fa,SSM进行修正：
Fa = Fa,SSM — △Fa,SSM
CISPR 16-1-6中关于双锥天线修正系数如下：
如果按照FCC标准进行试验，暗室场地使用对数和双锥天线进行测量时， Fa需要按照C63.5中的GSCF进行修正。
3.2 天线增益
增益是指：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。
可以这样来理解增益的物理含义，为在一定的距离上的某点处产生一定大小的信号，如果用理想的无方向性点源作为发射天线，需要100W的输入功率，而用增益为 G = 13 dB (20倍) 的某定向天线作为发射天线时，输入功率只需 100 / 20 = 5W 。换言之，某天线的增益，就其最大辐射方向上的辐射效果来说，与无方向性的理想点源相比，把输入功率放大的倍数。
最常用的天线增益单位是dBi，因为一个天线在空间不同位置的功率密度不同，我们常常说的一个天线8dBi，12dBi……指的是天线的辐射功率密度最强位置的增益，即这个天线的最大增益。一个定向天线的增益界面可参考下图：
为了使主要辐射方向功率最大，就需要尽量减少旁瓣和后瓣，把能量集中到主瓣上。
天线典型的增益制造商在出厂报告中会给出，下图是某一喇叭天线的增益数据：
3.3 可承受功率
天线承受功率指的是能够传输到单个天线而不会因过载而损坏天线端口的最大功率，通常用Watts或dBm表示。最大输入功率指导我们正确使用天线，并防止损害设备的安全性。重要的是要注意，提供给天线的多余功率也将以热量的形式排出，因此过电压可能会引起火灾。
下图是天线制造商提供的辐射场强使用推荐功率图：
3.4 天线的对称性
在辐射测量中，与接收天线相连的电缆上存在共模电流。如果巴伦不是理想的平衡，则该共模电流会产生可被接收天线接收的电磁场，因而影响辐射骚扰测量结果。
一般情况下对数周期偶极子阵列(LPDA)不存在明显的DM/CM，对于双锥天线、复合天线需要核查其对称性。
天线对称性要求：
|20lg(V1/V2)|<1dB
试验方法见下图，V1是初次测量数据，V2是不改变任何配置、接收天线旋转180°后的读值。
3.5 天线的交叉极化性能
当天线置于极化的电磁场中时，天线与场交叉极化时的端电压应至少比共极化时的端电压低20dB。这种要求适用于30MHz~18GHz的整个频率范围，尤其是LPDA天线和复合天线。
发射天线和接收天线设置为垂直极化，记录整个频率范围内的信号强度。将发射天线旋转90°，记录信号强度与共极化读数的差值。
当干扰信号比有用信号低20dB时，对有用信号产生的最大误差为±0.9dB。否则应在测量不确定度判定中考虑这种误差。
3.6 天线方向图(波瓣)
方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣。请见下图, 在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低 3 dB(功率密度降低一半)的两点间的夹角定义为波瓣宽度(又称波束宽度 或 主瓣宽度 或 半功率角)。波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。
天线制造商提供型式试验结果用于证明接收天线满足的辐射方向图。通常视轴方向是天线的最大辐射方向。下表为天线出厂报告中附带的天线波瓣宽度。
下图中的极坐标图中的灰色阴影区域由EUT的最大高度h、最大宽度w以及测量距离d定义。为了使接收天线的半功率波瓣宽度能充分地覆盖EUT，其半功率波瓣宽度不应位于下图所示E面和H面方向图的阴影区域内。
半功率波瓣宽度可测量的最大EUT宽度半功率波瓣宽度可测量的最大EUT高度
3.7 回波损耗或驻波(VSWR)
关于驻波我们首先了解一下天线的阻抗，天线输入端信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。输入阻抗具有电阻分量 Rin 和电抗分量 Xin ，即 Zin = Rin + j Xin 。电抗分量的存在会减少天线从馈线对信号功率的提取，因此，必须使电抗分量尽可能为零，也就是应尽可能使天线的输入阻抗为纯电阻。事实上，即使是设计、调试得很好的天线，其输入阻抗中总还含有一个小的电抗分量值。对于任一天线，人们总可通过天线阻抗调试，在要求的工作频率范围内，使输入阻抗的虚部很小且实部相当接近 50 欧，从而使得天线的输入阻抗为Zin = Rin = 50 欧，这是天线能与馈线处于良好的阻抗匹配所必须的。
天线的VSWR称为Swr，使用公式进行计算，等效的回波损耗的计算公式如下：
回波损耗= -20lg|S11|和Swr=1+|S11| / 1+|S11|
使用网络分析仪对天线末端端口进行反射校准，记录S11，使用上述公式可转换为回波损耗或VSWR。
CISPR 16-1-4(GB 6113.104)中要求与天线馈线相连的天线的回波损耗不应小于10dB，为了满足该要求，可能需要在馈线的电缆线上连接匹配衰减器。同时C63.5中也提及天线馈线端衰减器以满足驻波比不大于2:1的要求。
下图是复合天线 VULB 9162的驻波比，当没有端接衰减器时，低频段的驻波非常高，端接3dB或6dB衰减器后驻波明显降低，所以我们在使用该天线时，天线馈线端口需要端接一个6dB衰减器。
3.8 相位中心和参考点
天线所辐射出的电磁波在离开天线一定的距离后，其等相位面会近似为一个球面，该球面的球心即为该天线的等效相位中心。相位中心应该是一个理论上的点。就是说，在理论上认为天线辐射的信号是以这个点为圆心向外辐射。这个点就是所谓的相位中心。但是在实际天线中基本上不存在这一点，因为你的天线不可能作的那么完美，所以实际天线的相位中心是一个区域。
参考点(标记点)，天线上定义良好的点，双锥天线、环天线通常是天线中心与轴的交叉点;天线出厂时厂家会给出，一般选取天线中轴中点作为参考点;喇叭天线通常选择喇叭口的前边缘作为参考点。
在进行天线校准时，对于天线几何尺寸的布置，测试距离d定义为两幅天线参考点在接地平面上投影之间的距离。为了减小确定Fa时的不确定度，用于准确测量收发天线间距可用下面的d相位进行替代。
在EMC骚扰测量中，要求测量给定距离的电场强度，该距离从EUT的前表面进行测量。为了得到更高的准确性，对于给定频率可按照下式给予修正。
4 结语
天线在EMC测试中发挥着重要的角色，它们是测试系统的关键组成部分，知晓天线的关键参数及意义，可帮助实验室提高测试的准确性并确保测试结果的可靠性。