基于TEM小室的環(huán)天線校準(zhǔn)系統(tǒng)研究

郭啟勇，曾憲金

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 511370）

0 引言

計量校準(zhǔn)工作關(guān)乎國計民生，是量值準(zhǔn)確可靠的保證，是我國工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的基礎(chǔ)。環(huán)天線在電磁兼容領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，國際無線電干擾特別委員會（CISPR）規(guī)定在9 kHz～30 MHz頻率范圍內(nèi)，使用環(huán)天線測量設(shè)備的輻射磁場強度[1]，如在頻率30 MHz以下，環(huán)天線通常被用來測量高壓傳輸線、感應(yīng)加熱系統(tǒng)的輻射磁場強度。環(huán)天線的基本原理是利用線圈接收磁場，為減小電場對性能的影響，通常環(huán)天線線圈表面安裝有屏蔽層。

磁天線系數(shù)為環(huán)天線的關(guān)鍵參數(shù)，表征了環(huán)天線將磁場轉(zhuǎn)換為電信號的能力，定義為環(huán)天線入射面磁場強度與端口所接負(fù)載（50Ω）兩端電壓的比值。為了使測得的磁場強度準(zhǔn)確可靠，必須準(zhǔn)確知道環(huán)天線的磁天線系數(shù)，由于環(huán)天線在長期使用過程中磨損等原因，天線性能會發(fā)生變化[2]，原廠提供的數(shù)據(jù)無法滿足工程師現(xiàn)場測試要求，必須對環(huán)天線進(jìn)行定期校準(zhǔn)。

1 環(huán)天線校準(zhǔn)方法研究與分析

國內(nèi)外學(xué)者在環(huán)天線校準(zhǔn)方面開展了許多研究，提出了一系列校準(zhǔn)方法。文獻(xiàn)[3-4]對三天線法進(jìn)行了簡要分析，三天線法需在自由空間條件下，將三個相同環(huán)天線兩兩組對，如圖1所示。

圖1 基于三天線法的環(huán)天線校準(zhǔn)系統(tǒng)

根據(jù)每對環(huán)天線之間傳輸參數(shù)、尺寸等參數(shù)，利用式（1）-（5）計算出相應(yīng)環(huán)天線的磁天線系數(shù)。三天線法需多個天線多次測量，且對場地條件要求苛刻。

式（1）-（5）中：（i，j）=（1，2），（2，3），（3，1）；

AFH1、AFH2、AFH3——環(huán)天線1、環(huán)天線2、環(huán)天線3的磁天線系數(shù)，單位為dBS/m；

f——頻率，單位為MHz；

k——自由空間波數(shù)，數(shù)值為2π/λ，單位為m-1；

S12、S13、S23依次為圖中各對環(huán)天線之間傳輸參數(shù)，單位為dB。

文獻(xiàn)[5-6]基于電流探頭法對環(huán)天線校準(zhǔn)進(jìn)行了研究，電流探頭法基本原理是根據(jù)發(fā)射環(huán)天線在同軸被校環(huán)天線位置產(chǎn)生的平均磁場強度與被校環(huán)天線端口輸出電壓的比值，計算出被校環(huán)天線的磁天線系數(shù)，如圖2所示。

圖2 基于電流探頭法的環(huán)天線校準(zhǔn)系統(tǒng)

發(fā)射環(huán)天線在同軸被校環(huán)天線位置產(chǎn)生的平均磁場強度Hav近似為：

a 基于TEM小室的環(huán)天線校準(zhǔn)系統(tǒng)框圖

I——發(fā)射環(huán)天線線圈電流，單位為A；

S1——發(fā)射環(huán)天線線圈面積，單位為m2；

k——自由空間波數(shù)，數(shù)值為2π/λ，單位為m-1；

d——兩天線之間距離，單位為m；

r1、r2——發(fā)射環(huán)天線和被校環(huán)天線半徑，單位為m。

被校環(huán)天線磁天線系數(shù)對數(shù)形式為：

式（7）中：V——被校環(huán)天線端口輸出電壓，單位為V；

AFH——被校環(huán)天線磁天線系數(shù)，單位為dBS/m。

電流探頭法同樣對場地條件要求苛刻，開展環(huán)天線校準(zhǔn)之前需對電流探頭進(jìn)行單獨校準(zhǔn)，且發(fā)射環(huán)天線形變等因素會影響校準(zhǔn)結(jié)果。

此外，文獻(xiàn)[7]提出阻抗法，根據(jù)被校環(huán)天線輸入阻抗等參數(shù)，計算出磁天線系數(shù)。阻抗法要求環(huán)天線結(jié)構(gòu)規(guī)則以便于建模，為精確計算環(huán)天線輸入阻抗，還必須詳細(xì)知道環(huán)天線內(nèi)部等效電路，在實驗室實際校準(zhǔn)過程中，對每個被校環(huán)天線進(jìn)行拆卸難度較大。文獻(xiàn)[8]提出基于GTEM小室的標(biāo)準(zhǔn)天線法，將標(biāo)準(zhǔn)環(huán)天線和被校環(huán)天線分別放置于GTEM小室同一位置，根據(jù)兩者與GTEM小室輸入端傳輸參數(shù)的差值和標(biāo)準(zhǔn)環(huán)天線的天線系數(shù)，計算出被校環(huán)天線的天線系數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)天線法需標(biāo)準(zhǔn)天線和GTEM小室，造價十分昂貴。

綜合考慮，本文選擇基于TEM小室的標(biāo)準(zhǔn)場強法，與其他方法相比，該校準(zhǔn)方法易于實現(xiàn)、造價低，可實現(xiàn)在“準(zhǔn)遠(yuǎn)場條件”下對環(huán)天線的精確校準(zhǔn)。

2 基于TEM小室的環(huán)天線校準(zhǔn)系統(tǒng)

2.1 TEM小室基本原理

TEM小室本質(zhì)上是一段變形同軸傳輸線[9]，由同軸轉(zhuǎn)接頭、錐形過渡段、橫截面為矩形的主傳輸段構(gòu)成，內(nèi)部可傳輸TEM波，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 TEM小室的結(jié)構(gòu)

當(dāng)輸入端饋入一定功率時，小室內(nèi)會建立標(biāo)準(zhǔn)電磁場，場強分布如圖4所示，電場與內(nèi)芯板平面相互垂直，沿豎直方向，磁場與電場相互正交，沿水平方向。按照電磁場理論，小室上限使用頻率與主傳輸段橫截面尺寸成反比，即橫截面尺寸越大，上限使用頻率越低，因此TEM小室的測試空間與上限使用頻率相互制約[10]，無法同時滿足。TEM小室結(jié)構(gòu)密閉，內(nèi)部電磁場均勻穩(wěn)定，因此被用來發(fā)生標(biāo)準(zhǔn)場強校準(zhǔn)環(huán)天線。

圖4 TEM小室內(nèi)部電磁場分布

2.2 TEM小室場均勻性評定

依據(jù)IEC 61000-4-20[11]描述的方法對本文研制的TEM小室場均勻性進(jìn)行評定。磁場均勻性評定區(qū)域如圖5所示，測試區(qū)域橫截面為邊長60 cm的正方形，每個橫截面選取9個測試點，橫截面2和橫截面3測試點選取參照橫截面1，橫截面2的中心與TEM小室下腔室中心重合。使用NARDA品牌的EHP-50F、HF3601磁場探頭對圖5中27個測試點的磁場強度進(jìn)行測量，相應(yīng)測試點在不同頻率下的磁場強度如表1所示，單位為dBμA/m。

表1 不同頻率下各測試點磁場強度測量結(jié)果

圖5 磁場均勻性評定區(qū)域

可用每組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差表示該頻點在評定區(qū)域的場均勻性，結(jié)果如表2所示。由評定結(jié)果可以看出，小室內(nèi)場均勻性在1 dB以內(nèi)，性能優(yōu)良，甚至達(dá)到校準(zhǔn)場強探頭的標(biāo)準(zhǔn)。

表2 場均勻性評定結(jié)果

2.3 校準(zhǔn)系統(tǒng)原理及校準(zhǔn)方法

該校準(zhǔn)方法本質(zhì)上是標(biāo)準(zhǔn)場強法，基本原理是將環(huán)天線放置于TEM小室產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)均勻磁場內(nèi)，根據(jù)小室內(nèi)的磁場強度與環(huán)天線輸出端電壓的比值，計算出環(huán)天線的磁天線系數(shù)。

搭建的校準(zhǔn)系統(tǒng)如圖6所示，測量接收機與被校環(huán)天線輸出端連接，信號源通過功率放大器饋入一定功率到TEM小室，經(jīng)衰減器衰減后，使用功率計監(jiān)測饋入到小室內(nèi)功率值。在截至頻率范圍內(nèi)，根據(jù)饋入到小室內(nèi)功率值，計算出TEM小室上（下）腔室中心部位磁場強度為：

圖6 基于TEM小室的環(huán)天線校準(zhǔn)系統(tǒng)

式（8）中：H——TEM小室內(nèi)部磁場強度，單位為A/m；

P——饋入到TEM小室內(nèi)的功率，單位為W，可根據(jù)功率計讀數(shù)和衰減器衰減值計算得出；

Z——TEM小室特性阻抗的實部，理論值為50Ω；

d——TEM小室內(nèi)芯板到上、下頂板間垂直距離，單位為m；

ε——波阻抗，自由空間理論值為120π。

設(shè)置信號源頻率為需校準(zhǔn)的頻點，由小到大調(diào)節(jié)信號源功率，待測量接收機測得的電壓值讀數(shù)明顯時，記下測量接收機電壓幅值及功率計讀數(shù)。環(huán)天線磁場天線系數(shù)校準(zhǔn)結(jié)果對數(shù)形式為：

式（9）中：AFH——環(huán)天線磁天線系數(shù)，單位為dBS/m；

H——小室內(nèi)部磁場強度，可由式（8）計算得出；

U0——接收機電壓幅值，單位為V。

針對該校準(zhǔn)系統(tǒng)，有如下幾點需要說明：

a）與三天線法、電流探頭法等校準(zhǔn)方法相比，該方法無需估算，系統(tǒng)容易搭建，且不用考慮環(huán)境及場地的影響；

b）因本文研制的TEM小室內(nèi)芯板到上、下頂板間垂直距離為0.9 m，為了滿足文獻(xiàn)[11]規(guī)定的“1/3準(zhǔn)則”，被校環(huán)天線直徑最大不應(yīng)超過0.6 m，否則，應(yīng)考慮內(nèi)芯板邊緣效應(yīng)對校準(zhǔn)結(jié)果的影響；

c）被校環(huán)天線應(yīng)放置于小室下腔室中心位置，天線端面應(yīng)與小室內(nèi)磁力線垂直，否則，由于小室內(nèi)場均勻性、電場分量等因素的干擾，無法利用式（9）計算校準(zhǔn)結(jié)果；

d）環(huán)天線分為有源和無源兩類，有源環(huán)天線由于內(nèi)部放大器的補償作用[12]，轉(zhuǎn)化電信號能力強，而無源環(huán)天線轉(zhuǎn)化電信號能力弱。為同時解決有源和無源環(huán)天線的校準(zhǔn)問題，要求校準(zhǔn)系統(tǒng)動態(tài)范圍足夠大，因此在信號源與TEM小室之間接入功率放大器，但要注意功率放大器產(chǎn)生的諧波對校準(zhǔn)結(jié)果的影響，必要時可在功率放大器與TEM小室之間接入濾波器。

3 校準(zhǔn)系統(tǒng)方案優(yōu)化

圖6所示校準(zhǔn)系統(tǒng)只能對環(huán)天線逐個頻點進(jìn)行校準(zhǔn)，優(yōu)化后的校準(zhǔn)系統(tǒng)如圖7所示，校準(zhǔn)原理保持不變，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀代替信號源、測量接收機和功率計進(jìn)行掃頻校準(zhǔn)，與圖6所示校準(zhǔn)系統(tǒng)相比，優(yōu)化后校準(zhǔn)過程更加快速便捷。

圖7 優(yōu)化后的環(huán)天線校準(zhǔn)系統(tǒng)

根據(jù)需要設(shè)置網(wǎng)絡(luò)分析儀起止頻率，輸出功率設(shè)置為0 dBm，輸入端連接到“1”處，測得傳輸參數(shù)為S1，單位為dB； 網(wǎng)絡(luò)分析儀起止頻率和輸出功率保持不變，輸入端連接到“2”處，測得傳輸參數(shù)為S2， 單位為dB。

對于無源環(huán)天線，有：

對于有源環(huán)天線，有：

式（10）-（11）中：AFH——環(huán)天線磁天線系數(shù)，單位為dBS/m；

A——衰減器衰減值，單位為dB；

d——TEM小室內(nèi)芯板到上、下頂板間垂直距離，單位為m；

ε——波阻抗，自由空間理論值為120π。

需要說明的是，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出功率為0 dBm，主要是為了擴大系統(tǒng)動態(tài)范圍，若功率放大器最大輸入功率小于0 dBm，則可設(shè)置輸出功率為-10 dBm。

4 校準(zhǔn)系統(tǒng)性能測試

根據(jù)圖6-7搭建的校準(zhǔn)系統(tǒng)，選取schwarzbeck品牌的FMZB1519B有源環(huán)天線作測試對象，實物圖如圖8所示，校準(zhǔn)方法及過程根據(jù)本文所述。校準(zhǔn)結(jié)果如表3所示，其中，AFH1為圖6所示系統(tǒng)校準(zhǔn)結(jié)果，AFH2為圖7b所示系統(tǒng)校準(zhǔn)結(jié)果，AFH3為中國計量院校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，AFH為環(huán)天線原廠數(shù)據(jù)。

圖8 FMZB1519B環(huán)天線實物圖

表3 校準(zhǔn)結(jié)果比對表

比對表3中數(shù)據(jù)可知，校準(zhǔn)系統(tǒng)優(yōu)化前后校準(zhǔn)結(jié)果最大差值為0.4 dB；圖6和圖7所示系統(tǒng)校準(zhǔn)結(jié)果與原廠數(shù)據(jù)高度一致，與中國計量院校準(zhǔn)結(jié)果最大差值為0.6 dB。比對結(jié)果進(jìn)一步證明了本文主要討論的校準(zhǔn)方案的合理性。

5 結(jié)束語

為了解決環(huán)天線的校準(zhǔn)問題，討論了幾種環(huán)天線校準(zhǔn)方法，綜合考慮，本文基于TEM小室搭建一套環(huán)天線校準(zhǔn)系統(tǒng)，并對系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。測試結(jié)果表明：系統(tǒng)性能穩(wěn)定，重復(fù)性好，校準(zhǔn)過程方便快捷，實現(xiàn)了對環(huán)天線的精確校準(zhǔn)，為電磁兼容領(lǐng)域低頻磁場準(zhǔn)確測量提供了有力支持，對推動計量行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有積極作用。