你了解 EMC 测试中的各种天线吗？

RS测试中的天线

电子产品在做电磁实验时经常会做一些RS实验，实验中会涉及到某些不同类型的天线，那么作为一名专业的电子工程师，你对天线了解的有多少呢？

一、天线的原理

天线是一种能量转换器，当天线作为发射天线时，它将传输线送来的高频电流转换成空间的电磁波；当天线作为接收天线时，它将空间的电磁波转换成传输线中的信号功率。这两种能量的转换过程是可逆的，因而，接收天线和发射天线具有互易性。

天线的种类多种多样，按照不同的分类标准，可将天线分为不同的类型。按工作频率分类，天线可分为短波天线、超短波天线、微波天线等；按方向性分类，天线可分为全向天线和定向天线；按对电场和磁场分量的响应不同，天线可分为电场天线和磁场天线；按天线发射的电磁波的极化特性，天线可分为极化天线和面化天线等。

二、常用的天线

a.偶极子天线

调谐偶极子天线是在无线电通信中，使用最早、结构最简单、应用最广泛的一类天线。它由一对对称放置的导体构成，导体相互靠近的两端分别与馈电线相连。用作发射天线时，电信号从天线中心馈入导体；用作接收天线时，也在天线中心从导体中获取接收信号。常见的偶极子天线由两根共轴的直导线构成，这种天线在远处产生的辐射场是轴对称的，并且在理论上能够严格求解。偶极子天线是共振天线，理论分析表明，细长偶极子天线内的电流分布具有驻波的形式，驻波的波长正好是天线产生或接收的电磁波的波长。因而制作偶极子天线时，会通过工作波长来确定天线的长度。最常见的偶极子天线是半波天线，它的总长度近似为工作波长的一半。除了直导线构成的半波天线，有时也会使用其他种类的偶极子天线，如直导线构成全波天线、短天线，以及形状更为复杂的笼形天线、蝙蝠翼天线等。偶极子天线在一些严格的测量、天线的校准和建立标准场中都是十分重要的。调谐偶极子天线常常用于天线的校准和场地衰减的测量，是对用于天线校准的参考场地进行测量的唯一天线。该天线为众多实验室所采用，作为实验室的天线标准。通常，调谐偶极子天线仅在它的谐振频率附近5%的频段内，其方向性才保持不变；在其他频率上，谐振偶极子天线的方向性变化剧烈。通常，当频率大于等于80MHz时，谐振偶极子天线长度应调整到谐振长度，并通过适当的变换装置进行谐振与馈源匹配。谐振长度应对应工作频率的半波长，故该天线也称为半波振子，也就是说，偶极子天线的左右臂长度均为四分之一波长，如下图1 所示：

图 1 偶极子天线

在电磁兼容测试中，往往需要进行自动化测量，由于偶极子天线每个调整频率都对应不同的调谐长度，在测量过程中需要不断调谐偶极子的长度，不便于自动化测试，因此在实际测试中不经常使用。

b.双锥天线

双锥天线是一种垂直极化全向天线，它与盘锥天线有相似的特性，虽然体积比盘锥天线约大1倍，但其方向图的稳定性更好。双锥天线的工作频率一般在30~300MHz之间，属于宽带天线。该天线在测试过程中不需要进行长度的调节，可以在整个频率范围内连续接收信号，是电磁兼容测试中最常见的接收天线之一，如下图2 所示：

图 2 双锥天线

c.对数周期天线

对数周期天线是一种非频变天线，所谓非频变是指天线的阻抗、方向图、增益、驻波比等电特性随频率的对数成周期性变化，并在很宽的频带内保持基本不变。对数周期天线的工作频率范围一般为200~1000MHz，属于宽带天线，广泛应用于电磁兼容测试，如图 3 所示：

图 3 对数周期天线

d.宽带复合天线

对于1GH以下的辐射骚扰，标准要求的测量频率范围为30~1000MHz，双锥天线和对数周期天线结合起来使用刚好可以覆盖整个频段，但需要在测量过程中更换天线。近年来，出现了双锥天线和对数周期天线的组合体——宽带复合天线，用来代替双锥天线和对数周期天线，如图4 所示，复合天线带宽较宽，一般可以覆盖30~1000MHz的频率范围，在测量过程中不需要更换天线，提高了测量效率，其缺点是电压驻波比很难在整个频段做的很好。

图 4 宽带复合天线

e.喇叭天线

喇叭天线是面天线，波导管终端渐变张开的圆形或矩形截面的微波天线，是使用最广泛的一类微波天线。它的辐射场是由喇叭的口面尺寸与传播型所决定的。其中，喇叭壁对辐射的影响可以利用几何绕射的原理来进行计算的。如果喇叭的长度保持不变，口面尺寸与二次方相位差会随着喇叭张角的增大而增大，但增益则不会随着口面尺寸变化。如果需要扩展喇叭的频带，则需要减小喇叭颈部与口面处的反射；反射会随着口面尺寸加大反而减小。喇叭天线的结构比较简单，方向图也比较简单而容易控制，一般作为中等方向性天线。频带宽、副瓣低和效率高的抛物反射面喇叭天线常用于微波中继通信。1GHz以上的辐射骚扰测试，经常使用喇叭天线，如图 5 所示

图 5 喇叭天线

 三、天线的基本参数

a.频率范围

天线能够正常工作的频率范围，在此频率范围内，天线的特性保持不变，如天线的电压驻波比始终不大于某一规定的值；

b.增益

增益定义为天线在其最大辐射方向上的辐射功率密度与理想的全向天线将相等的输入功率均匀辐射时的平均功率密度之比。天线的增益既可以通过实际测量得到，也可以通过经验公式进行近似估算。一般情况下，当天线增益是通过与理想的全向天线相比较而得到时，单位采用“dBi”；当天线增益是通过与偶极子天线相比较而得到时，单位增益用”dBd”或”dB”。

c.天线系数

天线系数定义为在远场条件下将空间某点被测场强与接收机输入端测得的端口电压直接相联系的系数。对于电场天线而言，上述定义中的“被测场强”指的是电场；而对于磁场天线而言，上述定义中的“被测场强”指的是磁场。天线在空间某点被测场强的作用下感应出相应的电流，该电流经流经与天线相连的接收机输入端，得到接收机的端口电压。

d.输入阻抗

天线的输入阻抗是天线的固有特性参数，与天线的结构、材料、制作工艺等有关，不随着外加激励源的改变而改变。为了保证功率传输，在选择天线电缆时，必须考虑与天线的输入阻抗相匹配。

e.电压驻波比

电压驻波比是反映天线电缆与天线输入组昂匹配程度的参数。实际的天线系统，在其传输电缆中或多或少会存在一定的驻波。电压驻波的波峰值与波谷值之比的绝对值称为电压驻波比(VSWR)，驻波比没有单位，取值范围大于 1。通常应选择驻波比小的天线，天线的驻波比越小，越有助于提高接收天线系统的接收灵敏度，降低发射天线系统的输入功率。