射频场强与输入功率相关性研究

张勇强，董国强，王全顺，和可月

（空军第四飞行学院模拟训练中心，河北石家庄 050081）

射频场强与输入功率相关性研究

张勇强，董国强，王全顺，和可月

（空军第四飞行学院模拟训练中心，河北石家庄 050081）

为了更好地在电磁兼容实验中发挥某射频强场辐射系统的作用，对其进行了天线辐射场强与输入功率相关性的测试研究，在5个频点上，由各向同性场强计进行数据测量，由光纤连接电脑数据传输的方式，在外场完成了整个系统的水平极化和垂直极化辐射场强功能测试，测试结果说明了射频强场辐射系统在50～150 MHz的频率范围内，输入功率的平方根与辐射场强具有较好的线性关系，能够满足电磁兼容和效应实验测试的要求。

射频；辐射场；测试；天线

射频强场辐射系统在进行各种电磁实验中具有很重要的作用，无论电磁效应实验还是对雷达通信等装备性能的评估，都离不开对射频系统天线辐射特性的测定。关于射频辐射场强的测试，国外已进行了大量的研究［1］；国内的研究也比较成熟［2－3］，但天线辐射场强与输入功率相关性研究还比较少，笔者对某型射频强场辐射系统进行了在不同频点、不同极化方向上的辐射场强与输入功率的关系测试研究。

1 实验方法和实验设备

1．1 射频强场辐射系统实验构成

系统实验构成如图1所示：SML01射频信号发生器产生所需频率的小功率信号，经相应频段的射频功率放大器（10000LM45，工作频率为10 k Hz～100 MHz，额定输出功率为10 k W；4000W1000，工作频率为80 MHz～1 000 MHz，额定输出功率为4 k W）进行放大，通过调整信号发生器的输出功率或功率放大器的增益达到所需输出功率。输出功率经双向耦合器（DC4000M2，工作频率为10 k Hz～100 MHz，额定功率为15 k W；DC6380M1，工作频率为80 MHz～1 000 MHz，额定功率为4．5 k W）馈入被测对数周期天线S12014／5X，把射频功率信号转变为电磁辐射场。同时，双向耦合器以恒定的比例把功率放大器的输出功率和辐射天线的反射功率耦合到双通道功率计（NRVD双通道功率计显示单元配URV5－Z2功率计探头，工作频率为9 k Hz～3 GHz），监控整个实验系统的工作情况，测量被试天线的发射功率。各向同性光纤场强计（EMR200配8型探头，工作频率为100 k Hz～3 GHz，测量场强为0．6～800 V／m）置于实验场区的所需位置，以测试场点的电场强度。

1．2 实验方法

实验布置如图1所示，测量点位于射频强场辐射系统天线辐射正前方、距离天线20 m处，天线和测量点高度相同，均为2．35 m。为了不影响电磁场的分布，各向同性场强计由木支架安放在测试点上，数据由光纤传递到数据处理中心的计算机上，并由计算机远程控制，避免操作人员对测量产生影响。被测系统天线分别采用水平和垂直2个极化方向进行测试，根据课题要求，选择了53，74，115，130，144 MHz这5个频点作为研究对象。

图1 实验布置以及射频强场辐射系统构成框图

2 实验过程及结果分析

2．1 测量方案

测量方案选择的要求能够真实客观地反映射频系统天线辐射的场强与输入功率的关系，因此需要合理地布置天线的输入功率进行发射。方案一：发射功率按线性增加；方案二：发射功率按几何级数增加。根据课题要求，笔者首先对53 MHz和74 MHz 2个频点，按照方案一的方法进行了测量（除500 W测试点外），结果在高输入功率条件下测试场强变化缓慢、数据比较集中，不便于考查天线辐射场强与输入功率的相关性。为此，在其余3个频率测试时，采用方案二的形式，从52 dBm W开始，每次增加1 dB。测试结果分别如表1和表2所示。

表1 前2个频点天线辐射场强与输入功率的关系

表2 后3个频点天线辐射场强与输入功率的关系

2．2 结果分析

为了表示辐射场强与输入功率的关系，将表1中的2个频点的数据放入坐标系来表示场强与输入功率的关系，如图2所示，图例中的“1，2”分别表示水平极化和垂直极化，从图中看，这4条曲线并不为线性，说明场强与输入功率并不为线性关系，但由于场强与电压等价，根据公式“P＝U2／R”，推测场强应与功率的平方根应该有线性正比关系，为此，在表1和表2中增加了一列输入功率的平方根。重新用坐标系对表1的数据进行了场强与功率的平方根的关系的描述，如图3所示，结果发现4条曲线的线性度均呈现出较好趋势。因此，可初步得出辐射场强与输入功率的平方根成正比的关系。

图2 前2个频点场强与输入功率关系

图3 前2个频点场强与输入功率的平方根关系图

为了验证这个结论，笔者对剩下的3个频点根据表2的数据也进行了同样的图像描述，如图4、图5所示，从图5可以看出，这3个频点无论是线性极化还是垂直极化方向，辐射场强与输入功率的平方根成正比的关系表现得相对好，为了得到更精确的场强与发射功率的关系，笔者使用Origin软件［4］对数据进行线性拟合处理，得到关系式（1）。

图4 后3个频点场强与输入功率关系

图5 后3个频点场强与输入功率的平方根关系图

式（1）的场强E的单位为V／m，功率P的单位为W，将5种频率的2种极化方式的拟合结果列于表3，以便进行分析比较。其中，回归标准差的算式为

表3 5种频率的2种极化方式的拟合结果比较

从表3中可以看出，斜率误差e均小于0．03，相关系数R均大于0．999，说明拟合的结果非常好，同时，回归标准差SD除了53 MHz和74 MHz的水平极化外，余者均在1以下，而这2个频点数值较大的原因是由于功率输入是线性取值，数值稠密不均匀引起的，由此可说明该辐射系统具有较好的线性度。

为了更好地比较5种频率的辐射性能，用直角坐标系来表示表3中拟合的斜率b与不同频率的关系，以及60 dBm W输入功率时的辐射场强与不同频率的关系，从图6、图7来看，两者呈现的趋势一致，都是在频率115 MHz处出现了峰值，说明该频点的辐射性能最好，同样的功率输入，天线辐射的场强最强。这和天线的谐振频率有关，同时，同一频点的水平极化方向的辐射要优于垂直极化（53 MHz除外），这和大地反射面有关。

图6 拟合斜率与频率的关系比较图

图7 功率60 dBm W时场强与频率的关系

3 结 论

从以上的实验结果可以看出：1）输入功率采用几何递增的实验方式更能在较宽的范围内反映该射频强场辐射系统的性能；2）天线的辐射场强与系统输入功率的平方根成正比；3）该射频系统天线的功率发射线性度较好，5个频点的场强均随发射功率的平方根呈线性递增；该系统天线的谐振频率在115 MHz整数倍左右，此频点出现较强的辐射性能，同时，水平极化方向的电磁辐射性能要优于垂直极化。因此，该射频强场辐射系统，在50～150 MHz的频率范围内，满足电磁兼容和各项测试实验的性能要求。

［1］ CATRYSSE J，VANHEE F，KNOCKAERT J，et al．In situ testing of large machines：Alternative methods for radiated emission measurement［A］．Electromagnetic Compatibility［C］．［S．l．］：IEEE International Symposium on，2008．

［2］ 肖幸伟．UHF多层多面电视发射天线选型参数分析［J］．传输与覆盖，2010，24（2）：78－82．

［3］ 段勇军，顾吉丰，平丽浩，等．雷达天线座模态分析与试验研究［J］．机械设计与制造，2010（2）：214－216．

［4］ 方安平，叶卫平．Origin7．5科技绘图及数据分析［M］．北京：机械工业出版社，2008．

TJ43；O441

A

1008－1542（2011）12－0191－04

2011－06－20；责任编辑：王海云

张勇强（1968－），男，河北石家庄人，工程师，博士，主要从事电磁防护及飞行仿真方面的研究。