我在電子星球的第【3】篇原創文章

本文主要介紹了EMC測試中常用到的天線分類，并對各種天線的特性做了簡要的介紹。

RS測試中的天線

電子產品在做電磁實驗時經常會做一些RS實驗，實驗中會涉及到某些不同類型的天線，那么作為一名專業的電子工程師，你對天線了解的有多少呢？

一、天線的原理

天線是一種能量轉換器，當天線作為發射天線時，它將傳輸線送來的高頻電流轉換成空間的電磁波；當天線作為接收天線時，它將空間的電磁波轉換成傳輸線中的信號功率。這兩種能量的轉換過程是可逆的，因而，接收天線和發射天線具有互易性。

天線的種類多種多樣，按照不同的分類標準，可將天線分為不同的類型。按工作頻率分類，天線可分為短波天線、超短波天線、微波天線等；按方向性分類，天線可分為全向天線和定向天線；按對電場和磁場分量的響應不同，天線可分為電場天線和磁場天線；按天線發射的電磁波的極化特性，天線可分為極化天線和面化天線等。

二、常用的天線

a.偶極子天線

調諧偶極子天線是在無線電通信中，使用最早、結構最簡單、應用最廣泛的一類天線。它由一對對稱放置的導體構成，導體相互靠近的兩端分別與饋電線相連。用作發射天線時，電信號從天線中心饋入導體；用作接收天線時，也在天線中心從導體中獲取接收信號。常見的偶極子天線由兩根共軸的直導線構成，這種天線在遠處產生的輻射場是軸對稱的，并且在理論上能夠嚴格求解。偶極子天線是共振天線，理論分析表明，細長偶極子天線內的電流分布具有駐波的形式，駐波的波長正好是天線產生或接收的電磁波的波長。因而制作偶極子天線時，會通過工作波長來確定天線的長度。最常見的偶極子天線是半波天線，它的總長度近似為工作波長的一半。除了直導線構成的半波天線，有時也會使用其他種類的偶極子天線，如直導線構成全波天線、短天線，以及形狀更為復雜的籠形天線、蝙蝠翼天線等。偶極子天線在一些嚴格的測量、天線的校準和建立標準場中都是十分重要的。調諧偶極子天線常常用于天線的校準和場地衰減的測量，是對用于天線校準的參考場地進行測量的唯一天線。該天線為眾多實驗室所采用，作為實驗室的天線標準。通常，調諧偶極子天線僅在它的諧振頻率附近5%的頻段內，其方向性才保持不變；在其他頻率上，諧振偶極子天線的方向性變化劇烈。通常，當頻率大于等于80MHz時，諧振偶極子天線長度應調整到諧振長度，并通過適當的變換裝置進行諧振與饋源匹配。諧振長度應對應工作頻率的半波長，故該天線也稱為半波振子，也就是說，偶極子天線的左右臂長度均為四分之一波長，如下圖1 所示：

圖 1 偶極子天線

在電磁兼容測試中，往往需要進行自動化測量，由于偶極子天線每個調整頻率都對應不同的調諧長度，在測量過程中需要不斷調諧偶極子的長度，不便于自動化測試，因此在實際測試中不經常使用。

b.雙錐天線

雙錐天線是一種垂直極化全向天線，它與盤錐天線有相似的特性，雖然體積比盤錐天線約大1倍，但其方向圖的穩定性更好。雙錐天線的工作頻率一般在30~300MHz之間，屬于寬帶天線。該天線在測試過程中不需要進行長度的調節，可以在整個頻率范圍內連續接收信號，是電磁兼容測試中最常見的接收天線之一，如下圖2 所示：

圖 2 雙錐天線

c.對數周期天線

對數周期天線是一種非頻變天線，所謂非頻變是指天線的阻抗、方向圖、增益、駐波比等電特性隨頻率的對數成周期性變化，并在很寬的頻帶內保持基本不變。對數周期天線的工作頻率范圍一般為200~1000MHz，屬于寬帶天線，廣泛應用于電磁兼容測試，如圖 3 所示：

圖 3 對數周期天線

d.寬帶復合天線

對于1GH以下的輻射騷擾，標準要求的測量頻率范圍為30~1000MHz，雙錐天線和對數周期天線結合起來使用剛好可以覆蓋整個頻段，但需要在測量過程中更換天線。近年來，出現了雙錐天線和對數周期天線的組合體——寬帶復合天線，用來代替雙錐天線和對數周期天線，如圖4 所示，復合天線帶寬較寬，一般可以覆蓋30~1000MHz的頻率范圍，在測量過程中不需要更換天線，提高了測量效率，其缺點是電壓駐波比很難在整個頻段做的很好。

圖 4 寬帶復合天線

e.喇叭天線

喇叭天線是面天線，波導管終端漸變張開的圓形或矩形截面的微波天線，是使用最廣泛的一類微波天線。它的輻射場是由喇叭的口面尺寸與傳播型所決定的。其中，喇叭壁對輻射的影響可以利用幾何繞射的原理來進行計算的。如果喇叭的長度保持不變，口面尺寸與二次方相位差會隨著喇叭張角的增大而增大，但增益則不會隨著口面尺寸變化。如果需要擴展喇叭的頻帶，則需要減小喇叭頸部與口面處的反射；反射會隨著口面尺寸加大反而減小。喇叭天線的結構比較簡單，方向圖也比較簡單而容易控制，一般作為中等方向性天線。頻帶寬、副瓣低和效率高的拋物反射面喇叭天線常用于微波中繼通信。1GHz以上的輻射騷擾測試，經常使用喇叭天線，如圖 5 所示

圖 5 喇叭天線

三、天線的基本參數

a.頻率范圍

天線能夠正常工作的頻率范圍，在此頻率范圍內，天線的特性保持不變，如天線的電壓駐波比始終不大于某一規定的值；

b.增益

增益定義為天線在其最大輻射方向上的輻射功率密度與理想的全向天線將相等的輸入功率均勻輻射時的平均功率密度之比。天線的增益既可以通過實際測量得到，也可以通過經驗公式進行近似估算。一般情況下，當天線增益是通過與理想的全向天線相比較而得到時，單位采用“dBi”；當天線增益是通過與偶極子天線相比較而得到時，單位增益用”dBd”或”dB”。

c.天線系數

天線系數定義為在遠場條件下將空間某點被測場強與接收機輸入端測得的端口電壓直接相聯系的系數。對于電場天線而言，上述定義中的“被測場強”指的是電場；而對于磁場天線而言，上述定義中的“被測場強”指的是磁場。天線在空間某點被測場強的作用下感應出相應的電流，該電流經流經與天線相連的接收機輸入端，得到接收機的端口電壓。

d.輸入阻抗

天線的輸入阻抗是天線的固有特性參數，與天線的結構、材料、制作工藝等有關，不隨著外加激勵源的改變而改變。為了保證功率傳輸，在選擇天線電纜時，必須考慮與天線的輸入阻抗相匹配。

e.電壓駐波比

電壓駐波比是反映天線電纜與天線輸入組昂匹配程度的參數。實際的天線系統，在其傳輸電纜中或多或少會存在一定的駐波。電壓駐波的波峰值與波谷值之比的絕對值稱為電壓駐波比(VSWR)，駐波比沒有單位，取值范圍大于 1。通常應選擇駐波比小的天線，天線的駐波比越小，越有助于提高接收天線系統的接收靈敏度，降低發射天線系統的輸入功率。