基于TEM小室的环天线校准系统研究

2021-11-12郭启勇曾宪金

电子产品可靠性与环境试验 2021年5期

郭启勇，曾宪金

（工业和信息化部电子第五研究所，广东广州 511370）

0 引言

计量校准工作关乎国计民生，是量值准确可靠的保证，是我国工业高质量发展的基础。环天线在电磁兼容领域应用广泛，国际无线电干扰特别委员会（CISPR）规定在9 kHz～30 MHz频率范围内，使用环天线测量设备的辐射磁场强度[1]，如在频率30 MHz以下，环天线通常被用来测量高压传输线、感应加热系统的辐射磁场强度。环天线的基本原理是利用线圈接收磁场，为减小电场对性能的影响，通常环天线线圈表面安装有屏蔽层。

磁天线系数为环天线的关键参数，表征了环天线将磁场转换为电信号的能力，定义为环天线入射面磁场强度与端口所接负载（50Ω）两端电压的比值。为了使测得的磁场强度准确可靠，必须准确知道环天线的磁天线系数，由于环天线在长期使用过程中磨损等原因，天线性能会发生变化[2]，原厂提供的数据无法满足工程师现场测试要求，必须对环天线进行定期校准。

1 环天线校准方法研究与分析

国内外学者在环天线校准方面开展了许多研究，提出了一系列校准方法。文献[3-4]对三天线法进行了简要分析，三天线法需在自由空间条件下，将三个相同环天线两两组对，如图1所示。

图1 基于三天线法的环天线校准系统

根据每对环天线之间传输参数、尺寸等参数，利用式（1）-（5）计算出相应环天线的磁天线系数。三天线法需多个天线多次测量，且对场地条件要求苛刻。

式（1）-（5）中：（i，j）=（1，2），（2，3），（3，1）；

AFH1、AFH2、AFH3——环天线1、环天线2、环天线3的磁天线系数，单位为dBS/m；

f——频率，单位为MHz；

k——自由空间波数，数值为2π/λ，单位为m-1；

S12、S13、S23依次为图中各对环天线之间传输参数，单位为dB。

文献[5-6]基于电流探头法对环天线校准进行了研究，电流探头法基本原理是根据发射环天线在同轴被校环天线位置产生的平均磁场强度与被校环天线端口输出电压的比值，计算出被校环天线的磁天线系数，如图2所示。

图2 基于电流探头法的环天线校准系统

发射环天线在同轴被校环天线位置产生的平均磁场强度Hav近似为：

a 基于TEM小室的环天线校准系统框图

I——发射环天线线圈电流，单位为A；

S1——发射环天线线圈面积，单位为m2；

k——自由空间波数，数值为2π/λ，单位为m-1；

d——两天线之间距离，单位为m；

r1、r2——发射环天线和被校环天线半径，单位为m。

被校环天线磁天线系数对数形式为：

式（7）中：V——被校环天线端口输出电压，单位为V；

AFH——被校环天线磁天线系数，单位为dBS/m。

电流探头法同样对场地条件要求苛刻，开展环天线校准之前需对电流探头进行单独校准，且发射环天线形变等因素会影响校准结果。

此外，文献[7]提出阻抗法，根据被校环天线输入阻抗等参数，计算出磁天线系数。阻抗法要求环天线结构规则以便于建模，为精确计算环天线输入阻抗，还必须详细知道环天线内部等效电路，在实验室实际校准过程中，对每个被校环天线进行拆卸难度较大。文献[8]提出基于GTEM小室的标准天线法，将标准环天线和被校环天线分别放置于GTEM小室同一位置，根据两者与GTEM小室输入端传输参数的差值和标准环天线的天线系数，计算出被校环天线的天线系数。标准天线法需标准天线和GTEM小室，造价十分昂贵。

综合考虑，本文选择基于TEM小室的标准场强法，与其他方法相比，该校准方法易于实现、造价低，可实现在“准远场条件”下对环天线的精确校准。

2 基于TEM小室的环天线校准系统

2.1 TEM小室基本原理

TEM小室本质上是一段变形同轴传输线[9]，由同轴转接头、锥形过渡段、横截面为矩形的主传输段构成，内部可传输TEM波，结构如图3所示。

图3 TEM小室的结构

当输入端馈入一定功率时，小室内会建立标准电磁场，场强分布如图4所示，电场与内芯板平面相互垂直，沿竖直方向，磁场与电场相互正交，沿水平方向。按照电磁场理论，小室上限使用频率与主传输段横截面尺寸成反比，即横截面尺寸越大，上限使用频率越低，因此TEM小室的测试空间与上限使用频率相互制约[10]，无法同时满足。TEM小室结构密闭，内部电磁场均匀稳定，因此被用来发生标准场强校准环天线。

图4 TEM小室内部电磁场分布

2.2 TEM小室场均匀性评定

依据IEC 61000-4-20[11]描述的方法对本文研制的TEM小室场均匀性进行评定。磁场均匀性评定区域如图5所示，测试区域横截面为边长60 cm的正方形，每个横截面选取9个测试点，横截面2和横截面3测试点选取参照横截面1，横截面2的中心与TEM小室下腔室中心重合。使用NARDA品牌的EHP-50F、HF3601磁场探头对图5中27个测试点的磁场强度进行测量，相应测试点在不同频率下的磁场强度如表1所示，单位为dBμA/m。

表1 不同频率下各测试点磁场强度测量结果

图5 磁场均匀性评定区域

可用每组数据的标准差表示该频点在评定区域的场均匀性，结果如表2所示。由评定结果可以看出，小室内场均匀性在1 dB以内，性能优良，甚至达到校准场强探头的标准。

表2 场均匀性评定结果

2.3 校准系统原理及校准方法

该校准方法本质上是标准场强法，基本原理是将环天线放置于TEM小室产生的标准均匀磁场内，根据小室内的磁场强度与环天线输出端电压的比值，计算出环天线的磁天线系数。

搭建的校准系统如图6所示，测量接收机与被校环天线输出端连接，信号源通过功率放大器馈入一定功率到TEM小室，经衰减器衰减后，使用功率计监测馈入到小室内功率值。在截至频率范围内，根据馈入到小室内功率值，计算出TEM小室上（下）腔室中心部位磁场强度为：

图6 基于TEM小室的环天线校准系统

式（8）中：H——TEM小室内部磁场强度，单位为A/m；

P——馈入到TEM小室内的功率，单位为W，可根据功率计读数和衰减器衰减值计算得出；

Z——TEM小室特性阻抗的实部，理论值为50Ω；

d——TEM小室内芯板到上、下顶板间垂直距离，单位为m；

ε——波阻抗，自由空间理论值为120π。

设置信号源频率为需校准的频点，由小到大调节信号源功率，待测量接收机测得的电压值读数明显时，记下测量接收机电压幅值及功率计读数。环天线磁场天线系数校准结果对数形式为：

式（9）中：AFH——环天线磁天线系数，单位为dBS/m；

H——小室内部磁场强度，可由式（8）计算得出；

U0——接收机电压幅值，单位为V。

针对该校准系统，有如下几点需要说明：

a）与三天线法、电流探头法等校准方法相比，该方法无需估算，系统容易搭建，且不用考虑环境及场地的影响；

b）因本文研制的TEM小室内芯板到上、下顶板间垂直距离为0.9 m，为了满足文献[11]规定的“1/3准则”，被校环天线直径最大不应超过0.6 m，否则，应考虑内芯板边缘效应对校准结果的影响；

c）被校环天线应放置于小室下腔室中心位置，天线端面应与小室内磁力线垂直，否则，由于小室内场均匀性、电场分量等因素的干扰，无法利用式（9）计算校准结果；

d）环天线分为有源和无源两类，有源环天线由于内部放大器的补偿作用[12]，转化电信号能力强，而无源环天线转化电信号能力弱。为同时解决有源和无源环天线的校准问题，要求校准系统动态范围足够大，因此在信号源与TEM小室之间接入功率放大器，但要注意功率放大器产生的谐波对校准结果的影响，必要时可在功率放大器与TEM小室之间接入滤波器。