互耦对全电波暗室辐射测试的不确定度影响分析

周毅，温志英，王霄天，陈华平，徐蓓蓓，谢晋雄

（1.深圳海关工业品检测技术中心，深圳 518067； 2.深圳市检验检疫科学研究院，深圳 518045）

引言

理想的自由空间并不存在，全电波暗室能提供一种可控的测试环境，以模拟自由空间测试环境。全电波暗室是一种封闭的空间，空间中的地板、墙壁和天花板都用特殊的材料覆盖，通过屏蔽壳和吸波材料协同工作，来实现对干扰信号的处理[1]。屏蔽壳将外部干扰信号与实验环境隔离，可以轻易将外部干扰信号衰减掉80~140 dB。吸波材料则将来自地板、墙壁和天花板的无用反射信号进行吸收和衰减，但没有一种吸波材料可以将所有的反射信号处理掉，其效率会随着反射信号的频率、强度和角度而改变。

影响暗室中辐射测试的因素很多，包括屏蔽壳的屏蔽效能[2]、吸波材料的吸波效果、天线之间的互耦、线缆的布置，以及天线塔和转台的夹具设置等等。这里主要研究暗室中收发天线之间的互耦效应对辐射测试不确定度的影响。

1 互耦的原理

互耦是这样一种机制，当被测设备与其他导电表面或接收天线相隔很近时，两者之间会产生一种效应，这种效应使得被测设备或发射天线的电气特性产生变化，主要包括天线输入阻抗的变化、频率的失谐、增益的变化和辐射图样的畸变[3]。

互耦现象发生在暗室的多种元素之间，比如被测设备与其吸波材料中的镜像之间，天线与其吸波材料中的镜像之间， 被测设备与测试天线之间等。图1是全电波暗室中的互耦现象示意图，它表示了暗室中复杂的互耦现象。

从图1可以看到，电波暗室中的互耦现象广泛存在且相当复杂，发生互耦的元素众多，各元素之间的互耦纵横交错。全电波暗室中，地面也敷设了吸波材料，故互耦情况相对来说更容易分析。在半电波暗室中，由于地面为金属导电平面，互耦情况会更加复杂。为了研究的方便，被测设备和测试天线均选择偶极子天线，从一对偶极子天线之间的互耦效应入手，研究其对辐射测试不确定度产生的影响。

图1 全电波暗室中互耦效应示意图

图2是偶极子天线之间的互耦示意图。由图可见，信号除了可以从发射偶极子天线直接传输到接收偶极子天线之外，两个偶极子天线之间还通过互耦机制对对方的电特性产生影响，最终影响辐射测试的不确定度。

图2 偶极子天线之间的互耦示意图

2 天线之间互耦与天线间距的关系

为了研究的方便，用一对偶极子天线来研究全电波暗室中天线之间的互耦效应。有结果表明，两个偶极子天线间距不超过10个波长时，偶极子天线输入阻抗会随着天线间距而产生显著的变化[4]。偶极子的输入阻抗（Zin1）可以用其自阻抗（Z11）和另一个偶极子的自阻抗（Z22），以及两个偶极子之间相互作用时的互阻抗来表示。互阻抗包含电阻分量（R12）和电感分量（X12），其关系可以表示为：

互耦的阻性分量和感性分量与偶极子天线间距的关系如图3所示。

图3 偶极子天线间互阻抗与天线间距的关系图

从图3中可以看出，当天线的间距在半个波长以内时，互耦效应特别显著，阻抗大小变化剧烈，电阻分量占主导。随着天线间距的增加，互耦效应逐渐减弱，阻性分量和感性分量交替占据主导，幅度大小的差距逐渐减小。在天线间距到达十个波长时，阻性分量和感性分量幅度非常接近，在0附近趋于稳定。

由于互耦现象的存在，偶极子天线的输入阻抗会发生变化，天线和线缆之间的阻抗会随之产生失配，从而引起信号传输的损失。实际上，互耦现象不仅导致偶极子天线的输入阻抗发生变化，天线的辐射方向图、天线增益（或天线因数）都会产生变化。不管怎样变化，天线增益（G）与辐射阻抗（R）的乘积始终为一个常数[5]，其关系如公式所示：

G×R=120 （2）

由图4可知，天线增益与辐射阻抗是一个反比例关系。天线增益变大时辐射阻抗会变小，天线增益变小时辐射阻抗会变大。反之亦然。增加偶极子天线的间距可以减小互耦的影响，但是这对接收机的灵敏度提出了更高的要求，接收机需要提供足够的灵敏度以弥补传输路径增加引起的信号损失。

图4 天线增益与辐射阻抗的关系

3 辐射测试的远场条件

这个区域内的辐射可能是电场为主，也可能是磁场占主导，这取决于发射源本身的性质和距离发射源的位置。辐射测试应当在远场条件下进行[6]，也就是说收发天线必须距离足够大才行。这个距离就是远场距离，其大小可以用如下方式计算出来。

从图5可看到，电波暗室中，当发射天线可看做一个点源时，信号从发射天线到达接收天线，点A和点A′之间有λ/16的传输路径差，相当于22.5 °的相位滞后，待测点A′的辐射实际测得的是点A的辐射，这样就产生了测量误差。设定d为天线之间的距离，r为发射天线的辐射半径，λ为波长，d1和d2分别是收发天线的最大尺寸。用公式表示如下：

图5 信号传输相位滞后示意图

当收发天线都是偶极子天线时，上述公式演变为

如图6，经过计算简化得到暗室中的远场条件：

图6 暗室中收发天线之间最大路径长度示意图

4 天线之间互耦对辐射测试不确定度的影响

天线之间的互耦只是全电波暗室中互耦效应的一种典型情况。实际上暗室中多种因素之间都会发生互耦[8]。经分析，天线之间互耦对暗室中辐射测试的不确定度贡献主要包括以下几个方面。

4.1 U1

该项不确定度表示互耦对幅度产生的影响。由于收发天线之间距离太近，天线之间互耦引起输入阻抗变化，阻抗失配导致信号幅度产生损失。当天线之间主要是近场耦合，此时U1=0.5 dB[9]。当?时，天线之间主要是远场耦合，互耦对测试的不确定度影响忽略不计，此时U1=0。

4.2 U2

该项不确定度表示互耦对频率失谐的影响。由于在电波暗室中进行辐射测试时，收发天线之间互耦引起辐射频率的变化。当天线之间距离U2=5 Hz。当?时，U2忽略不计，记做U2=0。

4.3 U3

该项不确定度表示互耦对暗室场地验证产生的影响。使用电波暗室进行辐射前，要对测试场地的有效性进行验证。该项不确定度的大小可能对暗室场地验证的结果产生影响。

4.4 U4

该项不确定度表示测试中替代天线或测量天线与测试天线之间互耦产生的影响。其不确定度值同表1所示。

表1 互耦对暗室场地验证的不确定度

5 结语

互耦现象产生的不确定度分量有很多，作为互耦效应中重要的一环，天线之间的互耦主要贡献了U1~ U4四个分量[10]。除此之外，被测设备与吸波材料中镜像之间，替代天线或测量天线与吸波材料中镜像之间，收发天线与吸波材料中镜像之间，被测设备与地面中镜像之间，替代天线或测量天线与地面中镜像之间，收发天线与地面中镜像之间等还存在多个不确定度因素。

本文从典型的偶极子天线入手，深入研究了天线之间互耦效应与天线间距的关系，计算得出了暗室中辐射测试的远场条件，分析了各种不确定度对电波暗室中辐射测试及场地验证的影响，得到了不确定度与天线间距或频率的关系，对全电波暗室中辐射测试不确定度的研究具有重要意义。